AI・ナノ・量子による超高感度・迅速バイオセンシング

Ultrasensitive and Rapid Biosensing Using AI, Nanotechnology, and Quantum Technology: From Ultra-Early Pandemic Testing, Disease Diagnosis, and POCT towards Healthy Longevity Society

第Ⅰ編　総　論
第1 章　バイオテクノロジーが実現する超高感度・迅速バイオセンシング・デバイス
1　バイオセンサーにおける分子認識素子としての生物由来分子
2　抗体の特徴及び取得・生産方法
3　抗体を用いた超高感度検出法
3. 1　酵素免疫測定法(ELISA)
3. 2　イムノクロマト法
4　抗体工学による低コスト化や高機能化

第2 章　AIが実現する超高精度・ロバストなバイオセンシング・デバイス
1　はじめに
2　計測問題と分析問題
3　多段狭窄ナノチャンネルと深層学習による極微小な粒子・生体の計測デバイス開発
4　ナノポアと機械学習による極微小な粒子・生体種別の分析デバイス開発
5　おわりに

第3 章　量子科学技術が実現する超高感度・迅速バイオセンシング・デバイス
1　生命計測に変革をもたらす2つの量子科学技術
2　超偏極技術と生命計測
3　量子センサと生命計測
4　バイオセンシングにおいて量子科学技術が担う役割

第4 章　ナノテクノロジーが実現する超高感度・迅速バイオセンシング・デバイス

第Ⅱ編　基盤技術
第1 章　1分子生物物理学を牽引するマイクロ・ナノテクノロジー
1　はじめに
2　ナノ流路を活用した1分子ソーター
3　非線形電気インピーダンス測定による1分子測定の高度化
4　DNAのモレキュラーサージェリー
5　ナノ電極による分子固定化とマイクロ流体操作による1分子分析
6　まとめ

第2 章　極微センシングを可能とする生体ナノ量子センサー　
1　はじめに:蛍光検出法において解決されるべき2つの課題
2　微量のバイオセンシングに背景光がもたらす問題
3　ナノ量子センサーによるバックグラウンドフリー蛍光検出
4　まとめ:バックグラウンドフリー蛍光検出の将来展望

第3 章　体の中を可視化するMRIテクノロジー　　
1　はじめに:磁気共鳴イメージング(MRI)の特徴
2　MRIの組織コントラスト
3　構造情報
4　機能情報
5　代謝情報
6　温度やpHなどの生理学的情報
7　まとめ

第4 章　機械学習とその医療支援応用　　
1　はじめに
2　人工知能技術
2. 1　AIについて
2. 2　パーセプトロンとニューラルネットワーク
2. 3　ニューラルネットワークの基礎
2. 4　畳み込みニューラルネットワーク
3　医療画像分野におけるAI利活用の例
3. 1　医用画像AIによってできること
3. 2　医用画像AIの実例
3. 2. 1　大腸内視鏡画像認識
3. 2. 2　CT画像の認識
3. 2. 3　CycleGANによる画像変換
3. 2. 4　腹腔鏡手術ナビゲーション
4　むすび

第Ⅲ編　超早期パンデミック検査
第1 章　単一ウイルス解析　　
1　はじめに
2　ナノポアの原理
3　イオン電流―時間波形の情報
4　ナノポアと機械学習の融合
5　ウイルスの識別
6　まとめと展望

第2 章　新型コロナウイルスのデジタル検出　　
1　はじめに
2　CRISPR-Casを利用した核酸検出技術
3　SATORI法の開発
4　SARS-CoV-2 RNAの検出
5　既存技術との比較
6　SATORI法の将来展望

第3 章　COVID -19肺炎CT画像のAI解析　　
1　AI開発の背景
2　AIによるCOVID -19症例診断支援
3　COVID -19診断支援AIの構成
4　肺野領域セグメンテーション
5　肺野領域クラスタリング
6　COVID -19典型度推定
7　むすび

第4 章　唾液を用いたCOVID-19検査　　
1　唾液検査を考えたきっかけ
2　北大で研究開始
3　唾液と鼻咽頭のウイルス量の比較
4　無症状者を対象にした唾液スクリーニング検査の研究開始
5　唾液を用いたより迅速な検査法の開発
6　おわりに

第5 章　呼気オミックスと新型コロナウイルス感染症
1　はじめに
2　呼気オミックス:多次元サンプルからの多次元データセットの回収・統合
3　オミックスとAI診断
3. 1　ウイルスプロテオーム解析
3. 1. 1　新型コロナウイルスタンパク質の定量的検出
3. 1. 2　新型コロナウイルス以外のウイルスタンパク質診断
3. 2　生体(宿主:患者,感染者)の代謝・免疫オミックス解析
3. 2. 1　呼気オミックス(無侵襲モニタリング)
3. 2. 2　侵襲的(観血的)オミックスモニタリング
3. 3　ゲノム解析
3. 4　呼気オミックスの国際標準化
3. 5　環境オミックス
4　おわりに:未来型呼気医療への展開に向けて

第6 章　水際対策 ― 全自動迅速ウイルス検査
1　全自動遺伝子解析装置 ミュータスワコーg1
1. 1　はじめに
1. 2　ミュータスワコーg1システムの概要
1. 3　オンチップPCR -電気泳動(PCR - CE)分析
1. 3. 1　測定チップ
1. 3. 2　オンチップPCR - CE原理
1. 4　ミュータスワコーg1による新型コロナウイルス遺伝子の検出
1. 4. 1　新型コロナウイルス測定方法
1. 4. 2　新型コロナウイルス測定性能
1. 5　まとめ
2　全自動PCR検査システム(geneLEADシリーズ)
2. 1　背景
2. 2　全自動PCR検査システム(geneLEADシリーズ)の要素
2. 2. 1　装置構成
2. 2. 2　試薬
2. 3　周辺技術
2. 3. 1　唾液採取キット
2. 3. 2　プール検査法
2. 4　今後
3　全自動遺伝子解析装置(Smart Gene®)
3. 1　はじめに
3. 2　POCTとしての遺伝子検査:全自動遺伝子解析装置(Smart Gene®)
3. 3　Smart Gene®の操作法,測定原理および特徴
3. 3. 1　スマートジーン ® Myco(SG Myco)
3. 3. 2　スマートジーン ® SARS - CoV- 2(SG SARS - CoV- 2)
3. 4　スマートジーン ® SARS - CoV- 2の性能
3. 5　終わりに

第7 章　マイクロ流体デバイスによる迅速細菌検査　　
1　はじめに
2　迅速細菌検査法
3　マイクロ流体制御と電気計測技術を活用した迅速細菌検査
3. 1　微生物汚染リスクモニタリングシステムELESTA® PixeeMo®
3. 2　培養法との相関性
3. 3　細菌の濃縮による検出感度の向上
4　今後の展望

第8 章　マイクロポアによる迅速細菌検査　
1　細菌感染症の診断
2　マイクロポアを用いた粒子検出とオンサイトへの展開
3　光・電気同時計測による細菌識別
4　おわりに

第9 章　ナノ流体を用いた迅速細菌薬剤感受性検査　　
1　技術開発の背景
2　本技術の特徴
3　本システム・技術の説明
3. 1　ナノ流体チップのデザイン,および検体ローディング
3. 2　成長率の測定
3. 3　抗菌薬への反応の迅速な検出
3. 4　適切なブレイクポイントの選択による結果出力
3. 5　コンタミネーションの考慮
4　結論

第10 章　ナノスケールセンシングと人工知能の融合によるウイルス・細菌の変異・薬剤耐性予測システム創出の展望
1　はじめに
2　ナノスケールセンシングによる単一生体粒子識別
3　感染症の予測における動向
4　おわりに

第11 章　エアロゾルのサンプリング計測　　
1　はじめに
2　エアロゾル汚染の実態
3　サンプリング技術
4　解析アプリケーションとサービス開発
5　おわりに

第Ⅳ編　超早期診断
第1 章　ナノワイヤとAIによる尿中マイクロRNA解析と早期がん診断
1　はじめに
2　リキッドバイオプシーの低侵襲性・簡便性
3　リキッドバイオプシーの網羅性
4　マイクロRNA とは
5　ナノワイヤの開発
6　ナノワイヤデバイスにより抽出した尿中マイクロRNAの解析
7　ナノワイヤとAIによる尿中マイクロRNA 解析と脳腫瘍の早期検知
8　おわりに

第2 章　細胞外小胞による超早期がん診断　　
1　はじめに
2　細胞外小胞(EV)とは
3　EVの回収方法
4　EVによる超早期がん診断に向けた高感度検出法の開発
5　EVの検出方法
6　EV由来診断バイオマーカー
7　おわりに

第3 章　マイクロ流体デバイスによる単一がん細胞診断
1　はじめに
2　細胞の機械的特性
3　イオン電流計測の原理
4　イオン電流計測マイクロ流体デバイスを用いたプラスチック製ビーズの測定
5　マイクロ流体デバイスによる細胞の変形能測定
6　単一がん細胞診断の可能性
7　おわりに

第4 章　超高速遺伝子診断　　
1　はじめに
2　超高速PCR技術
3　新型コロナウイルスのPCR検査
4　おわりに

第5 章　マイクロ流体デバイスによる超早期がん診断
1　はじめに
2　イムノウォールデバイス
3　脳腫瘍再発リスクの超早期診断
4　おわりに

第Ⅴ編　健康長寿社会実現
第1 章　低侵襲なウェアラブル・インプランタブル脳波計
1　はじめに
2　ストレッチャブル配線の研究動向
3　ストレッチャブル配線を用いた応用事例
3. 1　ウェアラブル脳波計
3. 2　インプランタブル脳波計
4　おわりに

第2 章　サルヴィタスデバイスを用いた健康長寿社会の実現　　
1　はじめに
2　嗅覚
3　匂いセンサの研究開発方針
4　電気化学インピーダンス変化を利用した匂いセンサ
5　匂いの識別と定量
6　AIと嗅診

第3 章　尿診断によるヘルスケア　　
1　「未病」と早期がん
2　がん検査の現状
3　非侵襲性の診断
4　がんには特有の匂いがある
5　線虫の嗅覚
6　線虫はがんの匂いに反応する
7　生物検査N-NOSEの開発と有効性
8　一次スクリーニングとしてのN-NOSE
9　N-NOSE のヘルスケアと今後の展望

第4 章　要素技術から見たPOCT 関連技術開発　　
1　はじめに
2　POCTに向けた前処理技術
3　分離と反応技術
4　検出技術
5　実装・キット化
6　まとめ