CN106461556A

CN106461556A - 等离子体光子芯片及使用其的癌症疾病的利用荧光图像以及拉曼光谱的诊断方法

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Publication number: CN106461556A
Application number: CN201580023965.5A
Authority: CN
Inventors: 长谷川裕起; 长谷川克之
Original assignee: Mytech Co Ltd
Current assignee: Mytech Co Ltd
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-05-07
Also published as: JP2016208959A; EP3141888A1; US20170115216A1; EP3141888A4; IL248760B; US10215700B2; KR102232197B1; SG11201609331XA; AU2015256932A1; CN106461556B; JPWO2015170711A1; EP3141888B1; HUE057218T2; CA2948353A1; ES2905092T3; JP6492066B2; MY193573A; CA2948353C; WO2015170711A1; KR20170007774A

Abstract

本发明提供等离子体光子基板、使用其的关联物质或肿瘤标记物的荧光图像诊断方法以及使用其的拉曼光谱分析方法。本发明中，由于能够选择性地检测血液及生物试样中的癌关联物质，所以通过该等离子体光子芯片上的晶体或凝集状态的荧光图像诊断，可以判断癌是否存在。另外，由于可以从该晶体的拉曼光谱判定组蛋白尾部的化学修饰状态，所以能够进行与癌的早期发现、癌的进行度相关的判定。另外，就本发明第二方面而言，在基板上凝集的癌关联物质的位置是无法通过目视来辨别的。因此，提供一种癌症疾病的诊断方法，其特征在于，通过显微镜的图像诊断来确定晶体区域的位置，对位置已经确定的晶体照射激光，分析组蛋白尾部的化学修饰、重塑因子。

Description

等离子体光子芯片及使用其的癌症疾病的利用荧光图像以及拉曼光谱的诊断方法

技术领域

本发明涉及适合荧光显微镜下的荧光图像诊断的荧光观测基板(等离子体光子芯片)；及捕捉体液、特别是血液中的癌关联物质，利用通过局域表面等离子体共振的、自发荧光及肿瘤标记物的被增强的荧光图像、以及拉曼光谱进行癌症疾病的诊断的方法。

背景技术

在癌症诊断及治疗学领域，作为癌关联物质，甲基化DNA、及与将它们结合的组蛋白的结合蛋白(核小体及染色质)备受关注，捕捉它们，对其晶体化或凝集状态进行图像诊断，同时对该晶体照射激光，分析DNA的甲基化状态及组蛋白编码的化学修饰状态，这在癌存在的简易诊断、早期发现方面至为重要。

用于制作所有的生物细胞的信息包含在该DNA中。DNA通过四种碱基即腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)及胞嘧啶(C)的固有的排列构成。这些碱基为形成DNA双螺旋的2条链上的A和T及G和C的配对。这些成对的链在被称作基因的区域存储用于制作已被分组的特定分子的信息。在各细胞内有控制哪一基因开放、即表达从而规定该细胞固有的功能的程序。这些控制机制之一通过对胞嘧啶(C)附加甲基来提供。被甲基标识的C可以表述为mC。

DNA甲基化可以说在决定一部分基因是否表达时发挥重要的作用，通过关闭不需要的基因而进行的DNA甲基化，是对于生物的正常的发展及功能来说不可或缺的控制机制。或者，可以说异常的DNA甲基化也是与年龄增加及许多癌的产生同时观察到的变化的基础机制之一。

癌一直以来与因DNA内的染色体突变而产生的基因变化相关。就突变而言，无论是遗传性的还是后天性的，都可能导致对于维持健康的状态而言极其重要的基因表达的损失。当前已经证明，多种癌在大多数情况下是因接近DNA突变的不适当的DNA甲基化而引起的。大多数情况下，DNA的过度甲基化使关键性基因、例如肿瘤抑制基因或DNA修复基因错误地关闭，可能会容许癌的发生及进展。用于控制基因表达的非突变程序可以说是渐成说(“渐成说”的日语原文为“後成学”)。

DNA甲基化为通过被称作甲基转移酶的酶执行的、甲基(m)附加于DNA的特定的胞嘧啶(C)的DNA的化学修饰。该非突变(渐成说)程序(mC)可以说是基因表达调节中的决定因素(非专利文献1)。因此，从关注DNA甲基化并对其检测的观点出发，提出了结肠癌的早期检测方法(专利文献1)。但是，检测甲基化DNA复杂且困难，且需要时间和成本，因此，不适合简易迅速检测。

因此，期望开发一种方法，通过制作金属纳米晶体片并将其作为荧光观测基板，可以不装入特别的光学系而利用市售的荧光显微镜通过简单操作以低浓度高精度地测量标记物的荧光。

即，作为标记物检测方法，当前提案有表面等离子体共振法(SPR)及其装置(专利文献2)及酶免疫吸附测定法(ELISA)。前者SPR的操作简单且迅速，但在灵敏度不足和装置或芯片的价格方面存在问题，后者ELISA虽然为高灵敏度且装置或芯片的价格廉价，但在迅速性或操作性上存在问题，作为该情况下的诊断方法不合适。因此，提案有下述方法：作为实现荧光标识标记物的高度检测、灵敏度以及迅速性的等离子体光子芯片，使用如下等离子体光子芯片，该等离子体光子芯片在具有节距350nm的周期结构的基板上成膜银和氧化锌的薄膜(专利文献3)；使用局域等离子体荧光增强片，该局域等离子体荧光增强片由银纳米微粒构成，该银纳米微粒因使金属纳米粒子分散于有机溶剂中，使有机溶剂挥发，使金属纳米粒子沿二维方向自组织化，从而粒径一致(专利文献4)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2010-517582号公报

专利文献2：WO2011-11472号公报

专利文献3：日本特开2011-158369号公报

专利文献4:WO2013-039180号公报

非专利文献

非专利文献1：J.G.Herman,Seminars in Cancer Biology,9:359-67,1999

发明内容

发明所要解决的课题

但是，规定的等离子体光子芯片的量产不简单，而且，癌关联物质对所量产的等离子体光子的吸附或荧光标识标记物对所量产的等离子体光子的吸附不容易，难以利用当前的等离子体光子芯片发挥所希望的荧光增强效果。因此，本发明提供量产容易的等离子体光子芯片，且第一目的在于，提供等离子体光子芯片及使用其的癌症疾病的诊断方法，该等离子体光子芯片通过实现癌关联物质、抗体等吸附物质对等离子体光子芯片的吸附或荧光标识标记物对等离子体光子芯片的吸附，可以在等离子体光子芯片上通过等离子体增强将荧光强度的发光增强数倍～数十倍，进行荧光图像诊断。

用于解决课题的技术方案

本发明第一方面，就制作有银络合物量子晶体的基板或对该银络合物量子晶体进行碱处理而形成的过氧化银介晶基板而言，不仅可以利用通过包含UV、红外光在内的光照射而银络合物量子晶体及过氧化银介晶进行局域表面等离子体共振的物理现象(具有局域表面等离子体共振效果)，而且，第二，具有如下化学性质：在制作银络合物量子晶体时，可以制作吸附作为配体等的一种的抗体、荧光标识标记物或与配体结合的荧光标识标记物的芯片。另一方面，过氧化银介晶具有使血清中的含有DNA的核小体或含有染色质的癌关联物质、特别是缠绕有DNA的组蛋白凝集的化学性质。因此，本发明第一方面发现：通过使用这种等离子体光子芯片，选择性地捕捉作为肿瘤标记物或癌关联物质的核小体或染色质，用通常的荧光显微镜进行荧光图像诊断，可以判断癌是否存在，本发明涉及：一种等离子体光子芯片，具有银络合物量子晶体区域，将肿瘤标记物与癌关联物质一同吸附，进行通过局域表面等离子体共振功能而增强的荧光图像观察；以及一种等离子体光子芯片，具有介晶区域，所述介晶区域用于进行对癌关联物质通过局域表面等离子体共振功能而增强的自发荧光图像观察、且包含对银络合物量子晶体进行碱处理而成的、含有过氧化银的银氧化物的纳米晶体，该等离子体光子芯片捕捉癌关联物质等吸附物质，进行通过局域表面等离子体共振功能而增强的荧光图像观察。

本发明第二方面涉及一种癌症疾病的荧光图像诊断方法，其特征在于，使用所述等离子体光子芯片进行癌症疾病的图像诊断，其一是准备具有介晶区域的等离子体芯片，所述介晶区域包含对银络合物量子晶体进行碱处理而成的、含有过氧化银的银氧化物的纳米晶体，在该等离子体光子芯片的晶体区域滴加血清或生物试样液，对于试样中的蛋白分子，选择性地吸附具有正电荷的癌关联物质，对凝集于等离子体光子芯片上的晶体区域进行光照射，通过癌关联物质的自发荧光进行荧光图像诊断，诊断癌的有无。另一方面，另一种方法涉及一种癌症疾病的荧光图像诊断方法，其特征在于，在比银络合物的还原电位低的金属基板上制作银络合物量子晶体时，将具有荧光功能的肿瘤标记物与金属络合物量子晶体的配体一同或作为配体的一种进行添加，而将肿瘤标记物配置在晶体区域；或者将肿瘤标记物与被检体试样一同滴加到所制成的银络合物量子晶体上，而将肿瘤标记物配置在晶体区域，对银络合物量子晶体区域进行光照射，通过局域表面等离子体共振使肿瘤标记物的荧光发光强度增强，观测肿瘤标记物的被增强的荧光图像。

另外，在基板上凝集的癌关联物质的位置不能通过目视进行辨别。因此，也提供一种癌症诊断方法，其特征在于，通过显微镜的明视图像(“明视图像”的日语原文为“明視画像”)诊断确定晶体区域的位置，对位置已经确定的晶体照射激光，分析组蛋白尾部的化学修饰、重塑因子(图19)，本发明第三方面中，为了对包含等离子体芯片上捕捉的癌关联物质的荧光图像的图像进行标记，照射514、532、633、785nm的各种激光，通过拉曼光谱分析进行精密的分析。因此，本发明中，选择性地捕获体液、特别是血液中的癌关联物质，对组蛋白或染色质的结构进行分析，同时分析组蛋白尾部的化学修饰因子，由此，可进行以癌是否存在为代表的癌的早期诊断。

发明效果

根据本发明，通过使用等离子体光子芯片，能够选择性地吸附癌关联物质或肿瘤标记物，因此，能够通过局域表面等离子体共振将癌关联物质的自发荧光或肿瘤标记物的荧光强度增强，容易进行荧光图像判断。但是，本发明人等将金属络合物水溶液在比形成络合物的金属低的电极电位(离子化倾向大的)金属基板上利用电极电位差进行化学还原而使量子晶体(纳米尺寸的金属络合物晶体)凝集。在银络合物的情况下，通过使硫代硫酸银水溶液在比银低的电极电位(离子化倾向大的)的铜或铜合金上凝集，由此，采用化学还原法而形成银络合物的量子晶体。详细而言，金属络合物的水溶液中的浓度应该主要考虑形成的量子晶体的尺寸而确定，在使用分散剂时，也考虑其浓度是较佳的，通常能够在100ppm～5000ppm的范围内使用，但也依赖于配体的功能，为了制备应该称为纳米簇的纳米尺寸，优选500～2000ppm的浓度。

形成量子晶体的金属络合物以具有与担载金属的电极电位E相关的式(I)所示的络合物稳定度常数(logβ)以上的方式选择。

式(I)：E゜＝(RT/|Z|F)ln(βi)

(其中，E゜表示标准电极电位，R表示气体常数，T表示绝对温度，Z表示离子价，F表示法拉第常数。)

在此，金属络合物为选自Au、Ag、Pt或Pd中的等离子体金属的络合物的情况下，相对于拉曼光具有局域表面等离子体共振增强效果。特别是金属络合物为银络合物时，稳定度常数(生成常数)(logβi)为8以上的通过银络合剂和卤化银的反应而形成较佳，作为卤化银，优选氯化银，作为络合剂，优选为选自硫代硫酸盐、硫氰酸盐、亚硫酸盐、硫脲、碘化钾、硫代水杨酸盐、三聚硫氰酸盐中的1种。银络合物具有由平均直径为5～20nm的纳米簇构成的量子点，量子晶体的尺寸成为100～200nm。

认为将该银络合物量子晶体进行碱处理(用次氯酸钠水溶液处理)时，通过以下的反应而形成以银卤化物为核含有过氧化银的银氧化物的复合物的针状纳米晶体群(图5)，而且发现：在水中带有(-)电荷，另一方面，由于缠绕有DNA的组蛋白带有(+)电荷(图7(a))，因此，选择性地吸附以该游离核小体为代表的带有正电荷的癌关联物质。而且发现：含有过氧化银的银氧化物的针状纳米晶体群通过激光的照射而被还原，析出金属银，因此，通过激光照射而显示表面等离子体增强效果，可以检测以被吸附的组蛋白为代表的癌关联物质的自发荧光。

Na₂S₂O₃+4NaClO+H₂O→Na₂SO₄+H₂SO₄(2NaHSO₄)+4NaClAg++NaCl→AgCl+Na+Ag++3NaOCl→2AgCl+NaClO3+2Na+Ag++OH-→AgOH2Ag⁺+2OH-→Ag₂O+H₂O

本发明的银氧化物的复合针状纳米晶体群为含有过氧化银的银氧化物自组织化而形成神经元状的三维超结构体(介晶)的物质(图8及9)，可以使用Ag/AgCl电极对银离子水溶液进行定电位电析、或通过碱处理对银的量子晶体进行氧化而形成，但可以通过将银络合物量子晶体、例如硫代硫酸银量子晶体进行碱处理(用次氯酸钠水溶液处理)而容易地形成。

另外，通过使用本发明的等离子体光子芯片，可以通过荧光图像诊断来判定血中所含的生物试样中的癌关联物质的存在与否、控制染色质重塑的化学修饰因子。即，通过准备具有含有银卤化物或卤素的银氧化物的复合针状纳米晶体群、即含有过氧化银的银氧化物的介晶区域(图8及9)的等离子体光子芯片，在该等离子体光子芯片的针状纳米晶体群区域滴加血清或生物试样液，选择性地捕捉试样中的具有正电荷的癌关联物质。

(等离子体光子芯片上的晶体的图像诊断)

对吸附的癌关联物质照射紫外、红色、绿色激光并用荧光显微镜(倍率50倍)进行观测。表示胃癌(图1(a)、(b)及(c))、大肠癌(图2(a)、(b)及(c))、的情况下的癌关联物质的晶体的荧光图像，对于良性疾病不显示荧光。可以将该图像的晶体的形状、亮度、面积等信息数值化，将数值制成直方图。当用荧光显微镜进行观测时，在良性疾病和胃癌、大肠癌之间，在晶体的形态上发现差异。因此可知，当使用包含过氧化银的介晶的等离子体光子芯片时，可以选择性捕捉血液中的癌关联物质，荧光观察癌是否存在并进行辨识。

(等离子体光子芯片上的肿瘤标记物的图像诊断)

吸附于等离子体光子芯片上的肿瘤标记物的晶体不能目视观测，但如果照射紫外、红色、绿色激光并以荧光显微镜(50倍)进行观测，则观测到点状分散的晶体块。对该晶体块中的一个照射各种激光并检测来自其的拉曼光谱，从而可以通过表面增强拉曼散射(SERS)的强度来判断癌症疾病。

(癌关联物质的选择性捕捉)

作为血清中的癌关联物质，认为包含缠绕有DNA的组蛋白(核小体)、它们聚集为绳索状的结构的染色质(纤维)。球蛋白带有正电荷，但其增加与其它癌关联物质相比最大为2倍以下，而本发明中所检知的物质随着癌恶化的增加达到100倍以上，所以，表明检测的是球蛋白以外的增加(癌关联物质)。另外，从正常细胞产生的DNA、乙酰化而从组蛋白解离的DNA、以及白蛋白占血清中的约60％，带有负电荷，因此，在本发明中不被吸附。因此，非常适合于癌关联物质的荧光图像诊断。为了对其进行确认而进行了以下的试验。图15表示良性疾病(Benign disease)、胃癌(Gastric cancer)、大肠癌(Colon cancer)的进行了10倍稀释、100倍稀释的情况下的100倍、3000倍、3D图像。图16是培养KatoIII(胃印戒细胞癌)，将从该癌细胞提取的双链DNA、RNA及蛋白质稀释而观测到的图，(a,b,c)表示使用了激光显微镜的KatoIII(胃印戒细胞癌)的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(d,e,f)表示从其中提取的DNA的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(g,h,i)表示RNA的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(j,k,l)表示示出蛋白质的表面结构的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(m,n,o)表示示出将癌细胞物理粉碎时的表面结构的100倍、1000倍(图像及波动)、3D图像。图17表示化学培养的癌细胞(a)、从其提取的DNA(b)、RNA(c)、蛋白质(e)、物理粉碎的癌细胞(e)、来自胃癌患者的血清(f)、来自大肠癌患者的血清(g)、来自良性疾病的患者的血清(h)在介晶蛋白质组芯片上的拉曼散射光谱。此外，KatoIII表示(胃印戒细胞癌)、MKN-45表示(低分化型胃腺癌)、CW-2表示(源自日本人的大肠癌细胞株)、PK45-P表示(人胰腺癌细胞株)、NHDF-Neo表示(皮肤成纤维细胞)。可以认为，这些结果显示利用本发明的蛋白质组芯片选择性捕捉癌关联物质并进行检测。

另外认为，就本发明的针状纳米晶体(含有过氧化银的银氧化物的介晶)而言，含有过氧化银的银氧化物在水溶液中容易带负电荷，与试样(靶分子)接触而形成电荷移动络合物。进而，银氧化物接受光能而被还原，析出金属银，因此，通过规则地排列的金属纳米粒子拥有的局域表面等离子体共振而具有增强效果。因此，本发明的针状纳米晶体(介晶)虽然为非金属，但兼备金属性质和离子化性质，因此，成为适于表面增强拉曼散射(SERS)测定用的等离子体光子芯片，适合作为癌症诊断芯片。

可以认为，在金属基板或金属粒子上所形成的量子晶体作为金属络合物晶体在水溶液中容易具有正极性，为了吸附固定生物试样中的蛋白质，优选在卤离子的存在下进行碱处理、例如滴加pH11以上的次氯酸钠水溶液而调整极性。量子晶体不仅进行再结晶而在水溶液中成为负极性，而且银氧化物的复合针状纳米晶体形成过氧化物，因此，可以促进试样中癌关联物质的具有正电荷的组蛋白的固定化。

附图说明

图1A表示吸附于等离子体光子芯片上的胃癌的癌关联物质的晶体的UV(380nm)的荧光显微镜照片。

图1B表示吸附于等离子体光子芯片上的胃癌的癌关联物质的晶体的红色激光的荧光显微镜照片。

图1C表示吸附于等离子体光子芯片上的胃癌的癌关联物质的晶体的绿色激光的荧光显微镜照片；

图2表示吸附于等离子体光子芯片上的大肠癌的癌关联物质的晶体的荧光显微镜照片，(a)表示UV(380nm)的情况，(b)表示红色激光的情况，(c)表示绿色激光的情况；

图3是表示滴加到磷青铜板上后的放置时间和量子晶体形状的关系的照片；

图4是表示量子晶体的EDS光谱(元素分析)的结果的图；

图5是表示将量子晶体在卤离子的存在下进行了碱处理(次氯酸处理)的情况下的SEM像；

图6A是表示进行了碱处理的量子晶体中的针状晶体的图；

图6B是表示橄榄球状的块的图。

图6C是表示大块的EDS光谱(元素分析)的结果的图；

图7是甲基化了的游离DNA(a)和乙酰化了的DNA(b)的组蛋白的功能说明图；

图8是表示将量子晶体基板在卤离子的存在下进行了碱处理(次氯酸钠处理)的情况下的再结晶基板的SEM像(上图)、和再结晶基板的EDS光谱(元素分析)的结果的图(下图)；

图9表示进行了碱处理的再结晶基板的XPS测定结果；

图10表示对再结晶基板的表面进行了蚀刻后的XPS测定结果；

图11表示吸附于等离子体光子芯片上的癌关联物质的晶体的显微镜照片，(a)表示良性疾病的情况，(b)表示胃癌的情况，(c)表示大肠癌的情况；

图12A是对由良性疾病患者得到的血清进行了调整的试样的激光显微镜照片，表示其RGB的直方图；

图12B是对由胃癌患者得到的血清进行了调整的试样的激光显微镜照片，表示其RGB的直方图；

图12C是对由大肠癌患者得到的血清进行了调整的试样的激光显微镜照片，表示其RGB的直方图；

图13表示从患者的血清采取的良性疾病(Benign disease)、胃癌(Gastric cancer)、大肠癌(Colon cancer)的等离子体光子显微镜照片的明视图像和瞄准显示于其上的晶体的中心测定的表面拉曼散射光谱(未调整)的测定方法；

图14表示示出作为胃癌关联物质的组蛋白尾部的化学修饰的状态的拉曼光谱；

图15表示使用3D激光扫描显微镜得到的，将试样稀释10倍和稀释100倍的良性疾病(Benign disease)的(a,b,c；d,e,f)、胃癌(Gastric cancer)的(g,h,i；j,k,l)、大肠癌(Colon cancer)的(m,n,o；p,q,r)的100倍、3000倍、3D图像，另外，表示10倍稀释的良性疾病(Benign disease)的(s,t)、胃癌(Gastric cancer)的(u,v)、大肠癌(Colon cancer)的(w,x)的、使用3D激光扫描显微镜得到的图像(3000倍)的各对应的RGB彩色直方图；

图16中，(a,b,c)表示使用了激光显微镜的KatoIII(胃印戒细胞癌)的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(d,e,f)表示从其中提取的DNA的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(g,h,i)表示RNA的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(j,k,l)表示示出蛋白质的表面结构的100倍、3000倍(图像及波动)、3D图像，(m,n,o)表示示出将癌细胞物理粉碎时的表面结构的100倍、1000倍(图像及波动)、3D图像；

图17表示化学培养的癌细胞(a)、从其提取的DNA(b)、RNA(c)、蛋白质(e)、物理粉碎的癌细胞(e)、来自胃癌患者的血清(f)、来自大肠癌患者的血清(g)、来自良性疾病的患者的血清(h)在介晶蛋白质组芯片上的1200～1600nm区域的拉曼散射光谱，此外，KatoIII表示(胃印戒细胞癌)，MKN-45表示(低分化型胃腺癌)，CW-2表示(源自日本人的大肠癌细胞株)，PK45-P表示(人胰腺癌细胞株)，NHDF-Neo表示(皮肤成纤维细胞)；

图18表示用于识别组蛋白尾部的化学修饰的组蛋白关联抗体图(www.genetex.com)；

图19是表示在本发明的等离子体光子芯片上观测的良性疾病和癌的自发荧光状态的荧光图像。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的实施方式。

(实施例1)

制备硫代硫酸银1000ppm水溶液，将其1滴滴加于磷青铜板上，放置约3分钟，驱散溶液时，在SEM像上观察，制作量子晶体。图是表示实施例1中制造的纳米粒子凝集体(量子晶体)的各种SEM像的照片，其为100nm左右的薄的六角柱状晶体，在表面出现数nm级的凹凸。未确认到金属纳米晶体所特有的小平面(facets)。图6是表示在磷青铜板上滴加后的放置时间和量子晶体形状的关系的照片。首先，看到生成六角形的量子晶体，一边维持形状一边成长。图4是表示量子晶体的EDS光谱(元素分析)的结果的图。形成于磷青铜板上的晶体检测到银及源自络合物配体的元素，但在制备硫代硫酸银1000ppm水溶液，在铜板上滴加其1滴，放置约3分钟，驱散溶液的情况下，仅检测到银。

(量子晶体的制作的考察)

就量子晶体而言，1000ppm硫代硫酸银络合物水溶液的情况下，滴加于磷青铜板上放置3分钟时，由SEM像确认到形成为100nm左右的六角柱状，各六角柱状的量子晶体具有数nm级的凹凸，但未确认到金属纳米晶体所特有的小平面，通过EDS元素分析检测到银及源自络合物配体的元素，因此推测，整体为银络合物的纳米晶体，在其表面出现的凹凸为络合物中的银作为簇形成量子点而扩展。本发明的银络合物量子晶体在磷青铜板上形成，另一方面，考察在铜基板上仅析出银的纳米粒子的现象时，认为：硫代硫酸银络合物的平衡电位为0.33，与铜的电极电位(0.34)相同，因此，在铜基板上仅有银(0.80)析出，在磷青铜的情况下为0.22，电极电位稍低，因此，析出银络合物的晶体。因此，为了制作量子晶体，认为以下条件是重要的：1)络合物水溶液为500～2000ppm这样的稀薄的区域、2)担载金属的电极电位相对于金属络合物水溶液的平衡电位稍低、3)以电极电位差使金属络合物凝集。另外，使用1000ppm硫脲银络合物水溶液的情况也同样。

(对银氧化物的介晶的考察：其1)

在上述量子晶体基板上滴加5％次氯酸钠水溶液并进行2分钟处理而将其除去时，看到图11所示的晶体结构，且看到针状的晶体和橄榄球状的块和大块，因此，通过EDS光谱(元素分析)分析各自的组成时，由以下的反应式，认为针状的晶体由氯化银和氧化银的复合晶体构成，但图7的结果是，未确认到氯，银和氧是主要的。

Na₂S₂O₃+4NaClO+H₂O→Na₂SO₄+H₂SO₄+4NaCl (1)

Ag⁺+NaCl→AgCl+Na+ (2)

Ag⁺+3NaOCl→2AgCl+NaClO₃+2Na+ (3)

Ag⁺+OH-→AgOH (4)

2Ag⁺+2OH-→Ag₂O+H₂O (5)

因此，在本发明的介晶的形成中，认为银离子和硫代硫酸离子是在氯离子的存在下通过碱氧化反应而产生的，但在通常的水溶液中，只不过形成氧化银，由以下的XPS测定推测出主要形成过氧化银。

(对银氧化物的介晶的考察：其2)

XPS测定：

在上述量子晶体基板上滴加2分钟次氯酸钠水溶液25μl，制作再结晶基板，不蚀刻而直接用(使用机种：ULVAC-PHI(株)/PHI5000VersaProbeII(扫描型X射线光电子分光分析装置))XPS测定Ag和O。另外，为了比较对象，测定氧化银的粉和氯化银的粉的Ag。另一方面，将再结晶基板用氩气簇离子枪蚀刻5分钟而用XPS测定Ag和O。由基于图8的EDS的结果推测图9及图10的XPS测定结果时，看到529eV附近的峰为源自过氧化银(AgO)的O峰，530eV附近的峰为源自氧化银(Ag2O)的O峰。在进行蚀刻的情况下，氧量减少，但可以说由于529eV附近的峰的源自过氧化银(AgO)的O峰比530eV附近的峰的源自氧化银(Ag2O)的O峰大，这说明在基板附近形成过氧化银。推测其为介晶形成时的催化作用和基板的电极电位的影响。

此外，EDS测定使用上述再结晶基板并使用机种：日本电子株式会社/JSM-7001F(场致放射型分析扫描电子显微镜)而进行。

另外，即使将硫代硫酸银的量子晶体用次氯酸水溶液、0.01当量氢氧化钠水溶液、0.01当量盐酸水溶液、0.1摩尔碳酸钠水溶液进行处理，也不能得到同样的结果。因此，认为该针状晶体的形成是在银离子和硫代硫酸离子的存在下通过上述反应而产生的。氧化银在水溶液中带有负电荷，利用光而被还原，使金属银析出。认为过氧化银由于其倾向显著，因此吸附正电荷的癌关联物质，而且可得到吸附的癌关联物质和银粒子之间的表面等离子体增强效果。

另外，通过使用本发明的等离子体光子芯片，可以通过图像诊断及拉曼分析，判定血中所含的生物试样中的癌关联物质是否存在、控制染色质重塑的化学修饰因子。即，准备具有含有银卤化物或卤素的银氧化物的复合针状纳米晶体群、即含有过氧化银的银氧化物的介晶区域(图9及10)的等离子体光子芯片，在该等离子体光子芯片的针状纳米晶体群区域中滴加血清或生物试样液，选择性地吸附试样中的具有正电荷的癌关联物质。

(等离子体光子芯片上的晶体的图像诊断)

用反射显微镜(倍率500倍)观测所吸附的癌关联物质。表示良性疾病、胃癌、大肠癌的情况下的癌关联物质的晶体图像(图1(a)、(b)及(c))。可以将该图像的晶体的面积、体积、长度、开度等信息数值化，将数值制成直方图。当用激光显微镜(keyence公司制VK-X250形状分析激光显微镜1万5千倍)进行观察时，如图2A、图2B、图2C所示，在良性疾病和胃癌、大肠癌之间，在晶体的形式上发现差异。将该图像的R、G、B通过直方图而图形化时，如图2A、图2B、图2C的图所示，在良性疾病和胃癌、大肠癌之间，在峰的位置及形状上明确看到差异。因此，可知当使用含有过氧化银的介晶的等离子体光子芯片时，可以选择性捕捉血液中的癌关联物质，识别癌是否存在。此外，在使用共聚焦激光显微镜时，由于得到切片图像，所以得到内部的信息，故而优选。

(等离子体光子芯片上的晶体的自发荧光图像诊断)

另外，在通过荧光显微镜观察由良性疾病(食管失弛缓症、胃间充质肿瘤、十二指肠良性肿瘤)的患者得到的血清和由癌症患者(胃癌)、大肠癌、胰腺癌)得到的血清的等离子体光子芯片上的自发荧光时，如图20所示，可知在良性疾病和癌症患者之间能够通过是否观测到自发荧光而进行明确的识别。

(等离子体光子芯片上的晶体的拉曼分析)

吸附于等离子体光子芯片上的癌关联物质的晶体不能通过目视进行观测，但如果用显微镜(500倍)进行观测，则观测到点状分散的晶体块(图18)。通过对该晶体块之一照射激光(波长532nm)并检测来自其的拉曼光谱，可以通过表面增强拉曼散射(SERS)的强度来判断癌症疾病。图3(a)、(b)、(c)表示对良性疾病、胃癌、及大肠癌的情况下的等离子体光子芯片上的晶体照射激光(波长532nm)并由其得到的拉曼光谱。特别是，图4是胃癌的情况下的拉曼光谱的放大图，如该图所示，示出组蛋白尾部的化学修饰可通过在拉曼光谱的1300cm^-1以下625cm^-1以上的被称为指纹区域的区域出现的峰进行辨别。

作为血清中的癌关联物质，包含源自癌细胞的缠绕于组蛋白的DNA、缠绕有DNA的组蛋白(核小体)、它们聚集为绳索状的结构的染色质(纤维)。球蛋白带正电荷，但其增加与其它癌关联物质相比最大为2倍以下，而本发明中所检测的物质随着癌恶化的增加达到100倍以上，所以表明检测的是球蛋白以外的增加(癌关联物质)。另外，从正常细胞产生的DNA、乙酰化而从组蛋白解离的DNA、以及白蛋白占血清中的约60％，带有负电荷，因此，在本发明中未被吸附。因此，非常适合于癌关联物质的图像诊断，非常适合于通过拉曼光谱法分析组蛋白尾部的化学修饰。

另外认为，就本发明的针状纳米晶体(含有过氧化银的银氧化物的介晶)而言，含有过氧化银的银氧化物在水溶液中容易带负电荷，与试样(靶分子)接触而形成电荷移动络合物。进而，银氧化物接受光能量而被还原，析出金属银，因此，具有规则地排列的金属纳米粒子所拥有的局部表面等离子体共振增强效果。因此，本发明的针状纳米晶体(介晶)虽然为非金属，但兼备金属性质和离子化性质，因此，成为适于表面增强拉曼散射(SERS)测定用的生物芯片，适合作为癌诊断芯片。

在金属基板或金属粒子上所形成的量子晶体被认为作为金属络合物晶体在水溶液中容易具有正极性，为了吸附固定生物试样中的蛋白质，优选在卤离子的存在下进行碱处理、例如滴加pH11以上的次氯酸钠水溶液而调整极性。量子晶体不仅进行再结晶而在水溶液中成为负极性，而且银氧化物的复合针状纳米晶体形成过氧化物，因此，可以促进试样中癌关联物质的具有正电荷的组蛋白的固定化。

(组蛋白尾部的图像诊断)

核小体为染色质的基本的结构单元，形成在由4种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)构成的组蛋白8聚体上缠绕有DNA的结构，组蛋白除实现将DNA封装的作用之外，还对调节DNA的可接受性(accessibility)、及基因控制发挥重要的作用。通过组蛋白的翻译后修饰，控制与DNA或其它核蛋白质的相互作用，对可逆的基因表达带来影响。作为组蛋白修饰的种类，主要已知有甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、SUMO化、瓜氨酸化、ADP核糖基化。组蛋白的排列中，根据哪一部位受到这些修饰而使周围的基因表达活性化或被抑制，对于组蛋白的翻译后修饰部位的组合和对基因表达的影响而言，使用图18中所示的各种组蛋白编码关联抗体(Genetex公司抗组蛋白抗体)时，可通过荧光图像观测由本发明的等离子体光子芯片捕捉到的组蛋白编码的被修饰的状态，同时通过拉曼光谱分析进行组蛋白编码假说的验证。

需要说明的是，对组蛋白编码假说说明如下。

(组蛋白编码假说)

洛克菲勒大学的艾丽丝博士们的团队根据与染色质重塑的关系提出了组蛋白编码假说。即，染色质重塑是指经由染色质结构的变化而调节基因的表达水平的分子机制，伴随诱导而引起1)组蛋白修饰的变化、2)基因组DNA的甲基化状态的变化、随之的3)相对于DNase的高灵敏度区域的变化的现象。本发明人等为了阐明基于组蛋白编码假说的癌发生的机制而进行深入研究，结果是，想要选择性捕捉作为癌关联物质的组蛋白及与其关联的核小体以及染色质，并对其进行验证。基因组DNA的大部分DNA缠绕于核心组蛋白上，并作为染色质进行存储。因此，直接对基因组DNA进行的转录、复制、修复等核内现象伴随某些形式的染色质结构变化。该广义的染色质重塑相反地控制核内现象。例如，转录活性依赖于染色质结构，在约2500倍的范围进行变化。裸DNA中的转录因子的活性化的范围为10倍左右，因此，转录控制的大部分通过染色质重塑进行。在参与该染色质重塑的因子中，组蛋白修饰因子通过进行乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化或它们的除去，形成组蛋白H3、H4的氨基末端侧的尾部所特有的化学修饰模式。通过使其作为识别编码而起作用，进一步补充参与重塑的因子，这就是"组蛋白编码假说"。

对于该接受了化学修饰的组蛋白尾部作为重塑因子等识别编码起作用的这种"组蛋白编码假说"的验证，可以说结构生物学发挥的作用大。例如，HAT、ATP依赖性重塑因子、共激活剂、TFD亚单位TAF等大多具有包含110氨基酸左右的同源性低的溴域。共激活剂P/CAF的溴域的结构通过NMR而被确定，看到特征性的疏水性口袋。使用了NMR的结合实验的结果显示，该口袋与乙酰化了的组蛋白H3尾部的肽结合。另外，也得到基本转录因子TFD的最大亚单位即TAF 250串列排列而成的两个溴域的晶体结构。其具有与接受了乙酰化的组蛋白H4的尾部结合的活性。另外，显示异染色体蛋白(heterochromatin protein)1的染色体域与甲基化了的组蛋白H3尾部结合。报告了小鼠染色质修饰蛋白(chromatinmodifierprotein)1的染色体域的NMR结构。该染色质重塑因子的溴域等也有时识别组蛋白尾部的编码并直接访问特定的核小体部位，但大多通过DNA结合性的转录因子间接地补充。拥有bHLH(basichelix-loophelix)-Zip作为DNA结合域的转录阻遏物Mad使含有组蛋白脱乙酰酶作为亚单位的Sin3复合体补充为染色质。通过NMR对Sin3的PAH2域和Mad的转录抑制域的复合体进行分析，讨论了脱乙酰化复合体对染色质部位的补充机制。

可以认为DNA甲基化深入参与到该染色质结构控制中。在高密度发现DNA甲基化的基因组DNA部位，通常是染色质结构变得牢固，看到转录抑制或DNA变异率的降低。另外，是因为在基因组DNA的甲基化模式和基因组印记、X染色体失活或细胞的肿瘤化上看到明确的相关(非专利文献2)。因此，组蛋白及染色质的结构分析是阐明与癌的关联的关键，可以说组蛋白尾部的化学修饰因子进行分析具有重要的意义。本发明中，由于可以选择性地捕捉组蛋白及染色质，所以提供一种将组蛋白编码的化学修饰状态荧光标识化，利用表面增强拉曼分析(SERS)进行分析的手段。

(染色质重塑)

但是，作为遗传物质本体的基因组DNA长大，对于人而言，长度2米的DNA被收纳在细胞核这种体积100飞升的极微小空间内。这种基因组DNA的收纳通过被称作"染色质"的分子复合体实现，染色质的基础结构为在组蛋白蛋白质上缠绕有DNA的"核小体"，将以数珠状连接该核小体而成的结构与蛋白质或RNA结合，进而高度折叠，形成"高级染色质"。但是，为了从染色质松开DNA，需要大的能量，染色质对复制、转录、重组等DNA的功能表达有阻碍。但是，生物经由染色质的动态变动而非常简单地进行复制、转录、重组。该"动态染色质结构"通过组蛋白变体或修饰带来的多种多样的核小体结构、其排列方法的多样性、与蛋白质或RNA分子复合体的相互作用等得到，且通过与细胞核结构体、核膜、核膜孔复合体等的相互作用进行控制。对上述现象进行说明，真核生物的DNA与在体内合成的组蛋白这种蛋白质牢固地结合，形成核小体结构，核小体进一步成为螺旋，形成染色质结构，但这样在组蛋白和DNA牢固地结合的状态下，RNA聚合酶难以与DNA结合，另一方面，在转录积极时，染色质结构松弛，组蛋白脱离核小体，DNA接近裸。在转录被抑制时，相反，核小体结构变得牢固，染色质凝集。将这种染色质的结构的重建或再构成称作上述的染色质重塑，但是，启动子或增强子促进转录，提高基因表达。这些作用之一是，缓和组蛋白与DNA的结合，有时破坏核小体结构，促进RNA聚合酶进行的RNA合成。如果再稍微详细观察核小体，则在处于已翻译的组蛋白蛋白质的末端的组蛋白尾部的部分大量存在碱性氨基酸(正电荷)。其与DNA的磷酸基(负电荷)发生静电耦合。为了缓和组蛋白和DNA的结合，只要减弱组蛋白的强碱性即可。基于染色质重塑进行的转录调节实际上是有多种酶或蛋白质参与的复杂的反应，在与启动子或增强子结合的转录因子上结合组蛋白乙酰酶(HAT:histone acetyltransferase)，该酶将组蛋白的氨基乙酰化。就乙酰化了的氨基而言，碱性低，与DNA的结合减弱，以该减弱为契机，组蛋白和DNA进行离解，进而在周围的核小体进行组蛋白的乙酰化，最终启动子露出，可以说RNA聚合酶变得容易结合。因此，为了阐明基于组蛋白编码假说的染色质重塑的机制，如何可以从含有组蛋白、染色质等的癌关联物质的体液捕获这些癌关联物质并对其进行分析至为重要。

如果使用本发明的等离子体光子芯片，则通过捕获组蛋白及染色质作为癌关联物质，可以根据该晶体的多少，通过荧光图像诊断来判断癌症状的存在与否。而且，该癌症状为哪一脏器的癌，其进行状态为哪种程度可通过分析组蛋白尾部的化学修饰、重塑因子来进行判定。而且，就与通过该染色质重塑事象如何产生癌，且进展如何有关的信息而言，临床医生能够更正确地预测这种癌如何与特定的化学疗法剂发生反应，通过该方法，能够基于肿瘤的化学感受性的知识合理地设计化学疗法。

在此，应检测的对象的癌关联物质是缠绕有DNA的组蛋白这种蛋白质，该单位结构被称作核小体，核小体聚集为绳索状的结构被称作染色质(纤维)。而且，在细胞癌化并重复分裂时，为了不让对癌增加不利的基因(癌抑制基因)出来，牢固地缠绕于组蛋白并封盖，为了使组蛋白的缠绕方式更紧、使DNA不能简单地解开而引起甲基化修饰，但通常组蛋白带正电(+)，DNA带负电(-)，两者如磁铁那样互相粘在一起，而且进行甲基化而不能解开，缠绕于组蛋白的DNA带正电(+)(参照图8(a))。另一方面，由于乙酰化带负电(-)，因此，如果通常(+)的组蛋白被乙酰化，则彼此均为(-)，与DNA排斥。于是，这成为DNA这样的‘丝’从组蛋白中解开而进行基因表达的机制(参照图8(b))。因此，为了选择性地吸附源自癌细胞的癌关联物质，由于缠绕于组蛋白的DNA带正电(+)，所以认为优选进行吸附的基板带负电(-)。

工业上的可利用性

因此，通过利用本发明，可以选择性地检测血液及生物试样中的癌关联物质，可以通过局域等离子体增强效果并通过自发荧光对其进行检测。不仅如此，也可以选择性地捕捉连接有各种荧光标识的癌关联物质并通过荧光显微镜简易地判定癌是否存在。另外，由于可以从该晶体的拉曼光谱通过连接标识或未连接标识来判定组蛋白尾部的化学修饰状态，所以可以进行有关癌的早期发现，癌的进展度的判定。因此，将本发明的利用方法概括如下。

1.使用银量子晶体的等离子体光子芯片

通过滴加抗体及滴加抗原不能引起自发荧光。因此，可通过连接荧光色素、荧光蛋白进行荧光观测。就内毒素而言，由于与内毒素的结合峰可通过拉曼散射光谱确认，所以可通过标注荧光标识而更明确地识别。因此，1)使抗体侧连接荧光物质的情况下，将金属络合物和抗体的混合液滴加到本发明的等离子体光子芯片上，观测抗原结合时的发光。另一方面，2)使抗原侧连接荧光物质的情况下，在量子晶体上滴加抗体并固相化，使抗原侧预先连接荧光物质，通过抗原抗体反应使荧光发光，因此，对其进行测定。

2.使用银介晶的等离子体光子芯片

1)使抗体侧连接荧光物质的情况下，使抗体(带标识)在介晶上固相化，滴加抗原，测定通过结合而产生的荧光。2)使抗原侧连接荧光物质的情况下，使抗体在介晶上固相化，滴加抗原(带标识)，测定通过结合而产生的荧光。3)通过自发荧光进行测定。该情况下，也可以连接荧光标识。

3.确认等离子体光子芯片上的晶体，照射激光并通过拉曼散射光谱进行拉曼光谱分析。

Claims

1.一种等离子体光子芯片，是通过荧光显微镜进行观测的荧光图像观察用基板，具有金属络合物量子晶体区域，所述金属络合物量子晶体区域是通过电极电位差使作为等离子体金属的银络合物水溶液在具有该等离子体金属络合物的还原电位附近的、更低的电极电位的金属基板上形成的，所述等离子体光子芯片用于：在银络合物水溶液中使肿瘤标记物、抗体等吸附物质与金属络合物的量子晶体一起配位，选择性地捕捉癌关联物质、抗原等被吸附物质，进行通过局域表面等离子体共振功能而增强的荧光图像观察。

2.一种等离子体光子芯片，是通过荧光显微镜进行观测的荧光图像观察用基板，具有介晶区域，所述介晶区域包含对形成于金属基板上的银络合物量子晶体进行碱处理而成的、含有过氧化银的银氧化物的纳米晶体，所述等离子体光子芯片用于：通过该银氧化物的介晶捕捉癌关联物质，通过对介晶区域进行光照射，进行通过局域表面等离子体共振功能而增强的癌关联物质的自发荧光的图像观察。

3.一种癌症疾病的荧光图像诊断方法，其特征在于，

准备权利要求1或2所述的等离子体光子芯片，在该等离子体光子芯片的晶体区域滴加血清或生物试样液，选择性地吸附试样中的癌关联物质、抗原等吸附物质，对凝集于等离子体光子芯片上的晶体区域进行光照射，通过局域表面等离子体共振，用荧光显微镜对癌关联物质的自发荧光或癌标记物进行荧光图像诊断，诊断癌的有无。

4.一种癌症疾病的拉曼光谱诊断方法，其特征在于，准备权利要求1或2所述的等离子体光子芯片，在该等离子体光子芯片的晶体区域滴加血清或生物试样液，选择性地吸附试样中的癌关联物质、抗原等吸附物质，对凝集于等离子体光子芯片上的晶体区域进行光照射，通过局域表面等离子体共振，用荧光显微镜对癌关联物质的自发荧光或癌标记物进行荧光图像诊断，诊断癌的有无，之后，为了对自发荧光或癌标记物的荧光图像进行标记而对其照射激光，进行拉曼光谱分析。

5.根据权利要求3所述的癌症疾病的荧光图像诊断方法，其中，

癌关联物质为含有缠绕有DNA的组蛋白的核小体或染色质。

6.根据权利要求4所述的癌症疾病的拉曼光谱诊断方法，其中，

癌关联物质为含有缠绕有DNA的组蛋白的核小体或染色质。