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マイクロアレイ・バイオチップの最新技術
Microarray Biochips
[コードNo.2007T603]

■監修/ 伊藤嘉浩((独)理化学研究所 主任研究員)
■体裁/ B5判 305ページ
■発行/ 2007年 12月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 70,200円(税込価格)

DNA、タンパク質、ペプチド、糖鎖、細胞など様々なマイクロアレイ型のバイオチップを網羅!
基礎編では、チップの素材、形状、製造技術、固定化法、検出技術を体系的に掲載!

※ 本書籍はご試読頂けません ※

発行のねらい
 バイオチップは、生体分子や生体のもつ機構を用いて半導体マイクロチップに代わるエレクトロニクス素子を作成しようとする試みや、生体情報を物理化学信号に変換するバイオセンサーの要素技術の一つとして発展してきた。そして現在ではその展開範囲は大きく拡大し、マイクロ流路型とマイクロアレイ型として高い注目を集めている。前者は、マイクロレベルの流路に溶液を流し、微小な空間で分析や合成を行おうとするもので、主に半導体工業や機械工学技術の応用展開として発展したMEMS技術をもとにしたシーズからの発展である。後者は、DNAマイクロアレイ、DNAチップに代表されるように、多種類のプローブを微小チップ上に配置し、網羅的に分析を行おうとする主に生命科学の発展に伴いニーズとして発展してきたものである。
 マイクロアレイ型は、ニーズに根ざすこともあり、研究用から臨床用へとその応用範囲を瞬く間に拡大してきた。中でもDNAマイクロアレイは、90年代中ごろから、生命科学の大規模分析と呼応して発展し、現在では、臨床分析でも用いられるようになってきた。そして、DNAだけでなく、タンパク質やその他の様々な生体分子を網羅的に分析しようとする様々なタイプのマイクロアレイが考案されてきており、今後の発展が大いに期待できる分野となっている。しかし、このようなマイクロアレイ型のバイオチップの製造の基礎から応用までを詳述した書籍は日本ではほとんどなかった。そこで、今回は最新のマイクロアレイ・バイオチップの基礎と応用にわたる研究を集大成した書物の発刊を企画した。既にDNAマイクロアレイ(DNAチップ)については類書があることから、極力重複がないようにし、「BIO INDUSTRY」誌2006年5月号と6月号で特集した内容も含め、基礎的な材料選びから製造法、さらには応用に繋がるまで一連の流れがわかりやすいようにまとめることに努力した。
 マイクロアレイ型チップの発展は、ライフサイエンス分野で今後明らかになってくるバイオマーカー(疾患関連遺伝子、タンパク質を含む生体分子)、バイオインフォマティクスの発展と密接に関連している。一方で、ユビキタス医療が提唱され、小型の診断装置があれば遠隔地からでも十分な診断情報が送受信できるような通信技術との連携も重要な要素となると考えられる。これら将来の展望を見据えたバイオチップ・テクノロジーの進歩は、未来医療に重要な貢献をすることが期待され、本書が少しでもそれに貢献できればと願う。
(「はじめに」より)
2007年10月 伊藤嘉浩

執筆者一覧(執筆順)
伊藤嘉浩(独)理化学研究所 伊藤ナノ医工学研究室 主任研究員
岩瀬進介住友ベークライト(株) S-バイオ開発部 マーケティングマネージャー
川原田洋早稲田大学 理工学術院 ナノ理工学専攻 教授
長澤浩ソナック(株) 新製品開発室 主幹
山本伸子キヤノン(株) コアテクノロジー開発本部 医工技術開発センター 上席担当部長、理学博士
小倉真哉キヤノン(株) コアテクノロジー開発本部 コアテクノロジー開発推進センター 専任主任
川瀬三雄日本ガイシ(株) 研究開発本部 商品開発センター GENESHOTプロジェクト 部長
山形豊(独)理化学研究所 VCADシステム研究プログラム 加工応用チーム チームリーダー
横山憲二(独)産業技術総合研究所 バイオニクス研究センター 副研究センター長
平塚淳典(独)産業技術総合研究所 バイオニクス研究センター 研究員
木下英樹(独)産業技術総合研究所 バイオニクス研究センター 特別研究員
古田大(株)島津製作所 ライフサイエンス研究所 主査
池田将京都大学 工学研究科 合成・生物化学専攻 助教
浜地格京都大学 工学研究科 合成・生物化学専攻 教授
蘭宗樹横河電機(株) 技術開発本部 遺伝子計測研究所 マネージャ
田名網健雄横河電機(株) 技術開発本部 遺伝子計測研究所 所長
橋本幸二(株)東芝 研究開発センター 事業開発室 グループ長
鈴木正康富山大学 大学院 理工学研究部 教授
田中博バイオ・ラッド ラボラトリーズ(株) マーケティング部 プロダクトマネージャー、理学博士
田代英夫(独)理化学研究所 中央研究所 客員主管研究員
平野久横浜市立大学大学院 国際総合科学研究科 生体超分子科学専攻 教授
岩船裕子横浜市立大学大学院 国際総合科学研究科 生体超分子科学専攻 研究員
荒川憲昭横浜市立大学大学院 国際総合科学研究科 生体超分子科学専攻 助教
荒木令江熊本大学 大学院医学薬学研究部 腫瘍医学分野 准教授
古閑比佐志かずさDNA研究所 ヒトゲノム研究部 ゲノム医学研究室 室長
清水史郎(独)理化学研究所 長田抗生物質研究室 専任研究員
宮崎功(独)理化学研究所 長田抗生物質研究室 委託研究生
近藤恭光(独)理化学研究所 長田抗生物質研究室 先任研究員
叶直樹東北大学大学院 薬学研究科 合成制御化学分野 准教授
長田裕之(独)理化学研究所 長田抗生物質研究室 主任研究員
富崎欣也(財)地球環境産業技術研究機構 化学研究グループ 研究員
三原久和東京工業大学 大学院生命理工学研究科 教授
隅田泰生鹿児島大学 大学院理工学研究科 教授;(株)スディックスバイオテック 代表取締役
内山昇(独)産業技術総合研究所 糖鎖医工学研究センター 研究員
平林淳(独)産業技術総合研究所 糖鎖医工学研究センター 副センター長
長棟輝行東京大学大学院 工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻 教授
加藤耕一東京大学大学院 工学系研究科 化学生命工学専攻(現所属:キヤノン(株) 先端融合研究所)
加藤功一京都大学 再生医科学研究所 准教授
岩田博夫京都大学 再生医科学研究所 教授
加賀千晶名古屋大学大学院 工学研究科 化学生物工学専攻 生物機能工学分野
野村茂幸名古屋大学大学院 工学研究科 化学生物工学専攻 生物機能工学分野
大河内美奈名古屋大学大学院 工学研究科 化学生物工学専攻 生物機能工学分野 講師
加藤竜司名古屋大学大学院 工学研究科 化学生物工学専攻 生物機能工学分野 助教
本多裕之名古屋大学大学院 工学研究科 化学生物工学専攻 生物機能工学分野 教授

構成および内容
【基礎編】

第1章マイクロアレイ・バイオチップの基礎(伊藤嘉浩)
1マイクロアレイ・チップのはじまり
2マイクロアレイの要素技術
2.1基板素材
2.2形状
2.3マイクロアレイ技術
2.4固定化法
2.5検出技術
3マイクロアレイ・バイオチップを使用した分析システム
4マイクロアレイの標準化
5マイクロアレイ・バイオチップのこれから
第2章チップ素材と形状
1プラスチック(岩瀬進介)
1.1従来から使用されてきた素材
1.2期待される素材プラスチック
1.3バイオチップに採用されるプラスチック基板開発
1.4更なる付加価値を生み出すための表面処理開発
1.5DNAチップへの適用
1.6プロテインチップへの適用
1.7マイクロ流路チップへの適用
1.8結語:バイオチップ用素材はプラスチックベースが最適
2ダイヤモンド上のDNA固定化技術とハイブリダイゼーション検出(川原田洋)
2.1どうしてダイヤモンド表面か?sp3結合のダングリングボンドの重要性
2.2各種終端構造の性質
2.3ダイヤモンド上でのリンカー分子を介してのDNA固定とリンカーなしの直接固定
2.4ダイヤモンド表面での終端構造の作りわけと生体分子の相互作用と蛍光法によるハイブリダイゼーション
2.5DNAの電界効果トランジスタによる電荷検出
2.6ダイヤモンドの気相合成技術と結晶のタイプ
2.7まとめ
3マイクロアレイ型バイオチップの形状(長澤浩)
3.1バイオチップの基本概念と必要機能
3.1.1マイクロアレイ型バイオチップ
3.1.2マイクロ流路型バイオチップ
3.1.3その他の検出方法のバイオチップ
3.2マイクロアレイ型バイオチップに用いられる基材の特徴
3.3各種のマイクロアレイ型バイオチップの形状
3.3.1板状マイクロアレイ型
3.3.2異型タイプ:スライドガラス様板状タイプ
3.3.3異型タイプ:中空糸
3.3.4異型タイプ:電気化学検出型
3.3.5異型タイプ:ビーズアレイ
3.3.6異型タイプ:糸巻き型アレイ
3.4プローブ・オン・キャリア(POC)型バイオチップ
3.5DNAチップにおけるサザン・パテントの問題
3.6マイクロアレイ型バイオチップの課題
第3章マイクロアレイ技術
1インクジェット法による臨床用DNAマイクロアレイの開発(山本伸子、小倉真哉)
1.1はじめに
1.2逐次合成法によるDNAマイクロアレイ
1.3キヤノンのDNAマイクロアレイ開発コンセプト
1.4キヤノンのDNAマイクロアレイ作成方法
1.5DNAマイクロアレイの品質
1.6新開発のBJヘッドによるコストダウン
1.7感染症原因菌同定用DNAマイクロアレイの開発
1.8胃がん予後診断用マイクロアレイ
1.9おわりに
2GENESHOT®を用いたDNAマイクロアレイの製造とその産業応用(川瀬三雄)
2.1GENESHOT®の紹介
2.2DNAマイクロアレイの受託製造事業
2.3製品品質
2.4医療応用
2.5今後の展望
3エレクトロスプレー・デポジション法(山形豊)
3.1はじめに
3.2微細パターン形成技術とその応用
3.3エレクトロスプレー・デポジション法
3.3.1エレクトロスプレー・デポジション法の原理
3.3.2ESD法による微細パターンの形成
3.3.3抗体チップの形成例
3.3.4マイクロ流体チップによる抗原抗体反応の検出
3.4まとめ
4次世代二次元電気泳動ツールの開発動向(横山憲二、平塚淳典、木下英樹)
4.1はじめに
4.2二次元電気泳動の基本原理
4.2.1等電点電気泳動(IEF)
4.2.2SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動(SDS-PAGE)
4.3自動二次元電気泳動システム
4.3.1オンチップ二次元電気泳動システム
4.3.2高速全自動二次元電気泳動システム
4.4展望
5ケミカルプリンタ(古田大)
5.1はじめに
5.2ケミカルプリンタの機能
5.2.1微量分注ヘッド
5.2.2サンプル画像取り込みとプリント位置設定
5.2.3質量分析装置への分注ポジション座標の受け渡し
5.3転写膜上でのPMF解析
5.3.1サンプルの準備
5.3.2微量試薬分注と膜上酵素反応
5.3.3MALDI-TOF MS
5.3.4PMF解析例
5.3.51スポット内でのミクロスケール複数解析
5.4分子間相互作用を応用した解析
5.4.1Western MS法の流れ
5.4.2Western MS法の実施例
5.4.3Interaction MS法
5.5組織切片への応用
5.5.1組織切片の搭載方法
5.5.2組織切片解析例
5.6むすび
第4章固定化技術
1生体分子のマイクロアレイ固定化法(伊藤嘉浩)
1.1はじめに
1.2物理吸着固定化法
1.3イオン結合固定化
1.4包埋固定化法
1.5共有結合固定化法
1.5.1生体分子固有の官能基を用いて固定化する方法
1.5.2On chip合成
1.5.3生体分子修飾による固定化
1.6生体親和性結合による固定化
1.6.1アビジン-ビオチン系
1.6.2His-Tag系
1.6.3DNAを介した固定化
1.6.4プロテインA/プロテインG仲介系
1.6.5その他の生体親和性捕捉リガンド系
1.7おわりに
2ヒドロゲル包埋法(池田将、浜地格)
2.1はじめに
2.2ヒドロゲル
2.3高分子ヒドロゲル
2.4超分子ヒドロゲル
2.4.1超分子ヒドロゲルによるタンパク質の固定化(セミウェットプロテインアレイ)
2.4.2超分子ヒドロゲルによる人工レセプターの固定化
2.4.3超分子ヒドロゲルによる細胞の固定化
2.5おわりに
第5章検出技術
1レーザー(蘭宗樹、田名網健雄)
1.1バイオチップの光学的検出手法
1.2スキャン技術
1.2.1スキャナ構成
1.2.2スキャナ製品例
1.3光学系
1.4励起光源
1.5検出器
1.6光学要素
1.6.1ダイクロイックミラー(DM)
1.7蛍光標識色素
1.7.1蛍光強度
1.7.2蛍光色素
1.8集光と特定の位置へのアドレッシング
1.8.1デジタル検出技術の開発
1.8.2繊維型DNAチップにおけるスポットの位置決め方法
1.9検出装置の性能指標
1.9.1検出限界
1.9.2感度
1.9.3解像度
2電気化学的遺伝子検出技術(橋本幸二)
2.1はじめに
2.2電極上への核酸プローブの固定化技術
2.3電気化学的な遺伝子検出技術(固相反応)
2.3.1標識剤を用いない検出方法
2.3.2標識を利用する検出方法
2.4電気化学的な遺伝子検出技術(液相反応)
2.5電気化学的DNAチップとDNA自動検査装置
2.6まとめ
3SPR(鈴木正康)
3.1はじめに
3.2表面プラズモン共鳴(SPR)センサ
3.3マイクロアレイ・バイオチップと2次元SPRイメージングセンサ
3.42次元SPRセンサの解像度と感度の向上
3.52次元SPR免疫センサによるバイオセンシング
3.6おわりに
4Surface-enhanced Laser Desorption/Ionization Time-of-flight Mass Spectrometry(SELDI TOF-MS)法:質量分析技術を応用した生体高分子の検出法(田中博)
4.1はじめに
4.2Surface-enhanced Laser Desorption/Ionization Time-of-flight Mass Spectometory(SELDI TOF-MS)法の原理と特徴
4.2.1ProteinChip SELDIシステムの概要と特徴
4.2.2プロテインチップ
4.2.3プロテインチップ・リーダー
4.2.4データ解析ソフトウエア
4.3SELDI TOF-MS法による生体高分子検出の実際
4.3.1ProteinChip SELDIシステムによるバイオマーカー探索
4.3.2ProteinChip SELDIシステムによるペプチド・タンパク質の精製同定
4.3.3ProteinChip SELDIシステムによる相互作用解析
4.4おわりに
【応用編】

第6章マイクロアレイ・バイオチップの応用(伊藤嘉浩)
1DNAマイクロアレイ
1.1遺伝子配列解析
1.2遺伝子発現解析
1.3CpGメチル化検出
1.4ChIP-chip法
1.5感染症診断
2RNAマイクロアレイ
3プロテイン・マイクロアレイ
4膜タンパク質マイクロアレイ
5タンパク質ドメインマイクロアレイ
6細胞破砕物マイクロアレイ(リバース・プロテイン・マイクロアレイ)
7抗体マイクロアレイ
8アプタマー・マイクロアレイ
9低分子マイクロアレイ
10抗原マイクロアレイ
11ペプチド・マイクロアレイ
12糖鎖マイクロアレイ
13レクチン・マイクロレイ
14細胞マイクロアレイ
15組織マイクロアレイ
16対細胞(遺伝子制御)のDNA、siRNAマイクロアレイ
17対細胞(表現型依存)の抗体、タンパク質、基材マイクロアレイ
18おわりに
第7章DNAマイクロアレイ(田代英夫)
1はじめに
2DNAチップの原理とプラットフォームの分類
3DNAチップの関連技術(ハードウェア)
3.1プリント型チップ
3.2オンサイト合成チップ
3.3ビーズ型チップ
3.4繊維型チップ
3.5ハイブリ技術
4検出技術
4.1蛍光検出技術
4.2粒子標識法
4.3その他の検出法
5応用動向
5.1発現解析(標準化)
5.2診断応用
5.3RNA解析
6まとめ
第8章プロテインマイクロアレイ
1疾患プロテオームマイクロアレイ(平野久、岩船裕子、荒川憲昭)
1.1はじめに
1.1.1プロテインチップとはなにか?
1.1.2プロテインチップの種類
1.2固定化するタンパク質の調製
1.3プロテインチップへのタンパク質の固定化
1.4プロテインチップ上の標的分子の検出
1.5プロテインチップによるタンパク質の発現解析
1.6プロテインチップによるタンパク質の機能解析
1.6.1疾患関連タンパク質と相互作用するタンパク質やリガンドの解析
1.6.2疾患関連タンパク質の翻訳後修飾の解析
1.7高密度プロテインチップ作製の試み
1.8おわりに
22次元電気泳動プロテインチップによる病態解析(荒木令江)
2.1はじめに
2.2プロテオミクスによる臨床診断への方法論開発の経緯
2.2.1ショットガン法
2.2.2SELDI法
2.2.3キャピラリー電気泳動/チップ電気泳動
2.2.4プロテインマイクロアレイ
2.32次元電気泳動プロテインチップ(2D-プロテインチップ)の試み
2.3.12次元電気泳動を用いたdifferential displayとデータベース構築
2.3.22次元電気泳動プロファイリングデータベース
2.42次元電気泳動プロテインチップを用いた臨床応用
2.4.1脳腫瘍の融合的differential解析による病態解析
2.4.2脳腫瘍2D-protein chipを用いた脳腫瘍患者特異的変動分子の検索・同定、脳腫瘍staging/gradingマーカーとしての検証実験
2.4.3自己免疫性の神経疾患の解析
2.5おわりに
第9章抗体マイクロアレイ(古閑比佐志)
1サマリー
2はじめに
3抗体マイクロアレイの要素技術
3.1基板とタンパク質固定化法の検討
3.2タンパク質ラベル化法の検討
3.3検出方法の検討
4臨床検体解析における問題点とその対応
4.1感度
4.2抗体マイクロアレイのデータ解析
5おわりに
第10章低分子アレイ(清水史郎、宮崎功、近藤恭光、叶直樹、長田裕之)
1はじめに
1.1低分子アレイとは
1.2ケミカルバイオロジー研究におけるフォワードケミカルジェネティクスとリバースケミカルジェネティクス
1.3ケミカルバイオロジー研究における低分子アレイの位置づけ
2低分子アレイの種類
2.1官能基依存型低分子アレイ
2.2官能基非依存型低分子アレイ
2.3細胞抽出物を用いた官能基非依存型化合物アレイ
3低分子アレイの現状と問題点
3.1化合物:保管と管理
3.2研究者:化合物と標的タンパク質相互作用の解析
4おわりに
第11章ペプチドチップ(富崎欣也、三原久和)
1はじめに
2ペプチドチップの特長
3ペプチドチップの作製方法
4ペプチドチップを用いたバイオアッセイ
5プロテインフィンガープリント法
6核酸塩基アミノ酸(PNA)-DNAハイブリダイゼーションを利用したペプチドチップフォーマット
7光ファイバーを用いるペプチドチップフォーマット
8おわりに
第12章糖鎖アレイ(隅田泰生)
1はじめに
2リガンド複合体の調製
3アレイタイプのシュガーチップの調製とSPRイメージング
4インフルエンザウイルスの糖鎖結合活性の解析
5おわりに
第13章レクチンマイクロアレイの開発動向(内山昇、平林淳)
1はじめに
2レクチンマイクロアレイの特徴
2.1従来技術との比較
2.2一般的な作製・使用工程の流れ
2.3レクチンマイクロアレイに特有のデータ解析方法
2.4レクチンマイクロアレイの解析対象とプロービング手法
3レクチンマイクロアレイの開発動向
3.1スイス ネスレ研究所
3.2テキサス大学 Mahal研究室
3.3産業技術総合研究所 平林研究室
3.4京都大学 浜地研究室
3.5イスラエル Procognia社
3.6東京大学発バイオベンチャー サミット・グライコリサーチ社
3.7その他の報告
4おわりに
第14章対細胞マイクロアレイ
1細胞アレイ(長棟輝行、加藤耕一)
1.1はじめに
1.2接着依存性細胞アレイ作製技術の最近の動向
1.3BAM修飾基板上への非接着依存性細胞の固定化技術
1.3.1BAM修飾表面の調製
1.3.2BAM修飾基板上への細胞の固定化
1.3.3BAM修飾表面上での固定化細胞の培養
1.4BAM修飾基板上の固定化細胞への遺伝子導入技術
1.4.1BAM修飾スライドグラス上での遺伝子/リポソーム複合体の固定化と固定化細胞への遺伝子導入
1.4.2BAM修飾スライド上での固定化細胞への2種類の遺伝子導入とそのクロスコンタミネーションの確認
1.4.3BAM修飾カバーガラス上での固定化細胞へのRNAiの導入
1.4.4BAM修飾基板上での遺伝子導入接着非依存性細胞の高密度マイクロアレイの作製
1.5おわりに
2細胞用抗体・マトリックスアレイ(加藤功一、岩田博夫)
2.1はじめに
2.2細胞アレイによる表面マーカーの分析
2.2.1抗体ディスプレイおよび表面マーカーの定量的パラレル分析
2.2.2ハイスループット検出
2.2.3幹細胞表面マーカーの同定
2.3細胞アレイによる人工細胞外マトリックスのスクリーニング
2.4おわりに
3細胞測定用ペプチドアレイ(加賀千晶、野村茂幸、大河内美奈、加藤竜司、本多裕之)
3.1はじめに
3.2ペプチドアレイによる細胞測定
3.2.1ペプチドアレイの特徴
3.2.2ペプチドアレイを用いた細胞アッセイ
3.3細胞接着誘導ペプチドの探索
3.3.1間葉系幹細胞(Mesenchymal Stem Cell:MSC)接着誘導ペプチドの探索
3.3.2皮膚角化細胞特異的接着誘導ペプチドの探索
3.4細胞死誘導ペプチドの探索
3.5FNNを用いた細胞接着ペプチドのデザイン
3.6おわりに

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