Oxygen imaging of 3D living cells using multi-color oxygen sensing probes

• Project/Area Number: 17H02078
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biomedical engineering/Biomaterial science and engineering
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: Yoshihara Toshitada 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (10375561)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2017: ¥15,080,000 (Direct Cost: ¥11,600,000、Indirect Cost: ¥3,480,000)
• Keywords: りん光 / イリジウム錯体 / りん光寿命 / イメージング / 酸素 / 細胞 / 組織 / スフェロイド / 可視化

Outline of Final Research Achievements

In this study, we designed and synthesized intracellular oxygen probes based on phosphorescent iridium complexes for sensing oxygen levels into 3D-supheroides by using confocal phosphorescence lifetime imaging microscopy (PLIM). Moreover, ratiometric molecular probes consisting of a green fluorophore and a deep red phosphor connected by oligo arginine linkers were developed. We succeed the detection and visualization of intracellular oxygen levels of 3D-supheroides and living tissues using our probes and PLIM system.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

酸素は，我々が生命活動を維持するために必要不可欠な分子です。本研究では，組織モデルとして良く利用されている細胞塊（スフェロイド）内の酸素レベルを明らかにする方法論の開発に取り組みました。得られた研究成果から，スフェロイド内部の細胞は，外側の細胞に比べてより低酸素環境に陥っていることが分かりました。この知見は，がん腫瘍など，細胞が異常増殖し血流が不十分な組織内の酸素レベルを明らかにすることに繋がり，がんの発見，診断，治療法の開発に貢献することができます。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis, Structures, and Properties of Neutral and Radical Cationic S,C,C-Bridged Triphenylamine (2020)
  • Author(s): Shin-ichiro Kato, Takanori Matsuoka, Shuichi Suzuki, Motoko S. Asano, Toshitada Yoshihara, Seiji Tobita, Taisuke Matsumoto, Chitoshi Kitamura
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 22 Issue: 2 Pages: 734-738
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.9b04575
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Absolute Quantum Yield Measurements of Near-Infrared Emission with Correction for Solvent Absorption (2019)
  • Author(s): Hoshi Ryosuke、Suzuki Kengo、Hasebe Naoya、Yoshihara Toshitada、Tobita Seiji
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Issue: 1 Pages: 607-611
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b03297
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ratiometric oxygen probes with a cell-penetrating peptide for imaging oxygen levels in living cells (2019)
  • Author(s): Yasukagawa Mami、Yamada Keiich、Tobita Seiji、Yoshihara Toshitada
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 383 Pages: 111983-111983
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2019.111983
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fluorescence quenching-based assay for measuring Golgi endo-α-mannosidase (2019)
  • Author(s): Kanae Sano, Taiki Kuribara, Nozomi Ishii, Ayumi Kurokawa, Toshitada Yoshihara, Seiji Tobita, Kiichiro Totani, Ichiro Matsuo
  • Journal Title: Chemistry-An Asian Journal Volume: 印刷中 Issue: 11 Pages: 1965-1969
  • DOI: 10.1002/asia.201900240
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] りん光寿命計測に基づく組織内酸素分圧イメージング (2019)
  • Author(s): 吉原利忠，水上輝市，塩崎秀一，平川陽亮，南学正臣，飛田成史
  • Journal Title: JSMI Report Volume: 12 Pages: 3-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure-efficiency relationship of photoinduced electron transfer-triggered nitric oxide releasers. (2019)
  • Author(s): Ieda N, Oka Y, Yoshihara T, Tobita S, Sasamori T, Kawaguchi M, Nakagawa H
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 9 Issue: 1 Pages: 1430-1430
  • DOI: 10.1038/s41598-018-38252-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ir(iii) complex-based oxygen imaging of living cells and ocular fundus with a gated ICCD camera (2018)
  • Author(s): Akiyama H, Takahashi I, Shimoda Y, Mukai R, Yoshihara T, Tobita S.
  • Journal Title: Photochem Photobiol Sci Volume: 17(6) Issue: 6 Pages: 846-853
  • DOI: 10.1039/c8pp00122g
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intravital phosphorescence lifetime imaging of the renal cortex accurately measures renal hypoxia. (2018)
  • Author(s): Hirakawa Y, Mizukami K, Yoshihara T, Takahashi I, Khulan P, Honda T, Mimura I, Tanaka T, Tobita S, Nangaku M.
  • Journal Title: Kidney Int. Volume: 印刷中 Issue: 6 Pages: 1483-1489
  • DOI: 10.1016/j.kint.2018.01.015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 水溶性イリジウム錯体とりん光寿命イメージング顕微鏡を用いた眼底血管の酸素濃度計測 (2019)
  • Author(s): 藤井芳樹，塩崎秀一，田村拓人，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 令和元年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
• [Presentation] クマリン誘導体を配位子に有するIr(Ⅲ)錯体の開発と生体内酸素プローブへの応用 (2019)
  • Author(s): 広瀬達也，吉原利忠，水上輝市，片野彩花，塩崎秀一，飛田成史
  • Organizer: 2019年光化学討論会
• [Presentation] 白金錯体の光物理特性および生体内酸素プローブへの応用 (2019)
  • Author(s): 吉川卓視，斎藤正貴，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 2019年光化学討論会
• [Presentation] クマリン類を配位子に有するイリジウム錯体を用いた高輝度水溶性酸素プローブの開発 (2019)
  • Author(s): 高橋祐紀，吉原利忠，塩崎秀一，松村菜生，飛田成史
  • Organizer: 2019年光化学討論会
• [Presentation] 蛍光性分子ローターおよび蛍光寿命イメージング顕微鏡を用いた細胞・組織内のミクロ粘度測定 (2019)
  • Author(s): 鈴木唯花，丸山凌，片野彩花，飛田成史，吉原利忠
  • Organizer: 2019年光化学討論会
• [Presentation] 共焦点りん光イメージング顕微鏡を用いた肝臓組織の高 分解能酸素イメージング (2019)
  • Author(s): 水上輝市，片野彩花，塩崎秀一，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第7回低酸素研究会学術集会
• [Presentation] 細胞および血中酸素プローブを用いた組織内酸素分圧イメージング (2019)
  • Author(s): 吉原利忠，綿貫千優，水上輝市，飛田成史
  • Organizer: 第14回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] PLIM法を用いたがん組織の高分解能酸素イメージング (2019)
  • Author(s): 田村拓人，吉原利忠，水上輝市，塩崎秀一，片野彩花，松村菜生，六代範，西山正彦，飛田成史
  • Organizer: 第14回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] クマリン誘導体を用いた蛍光性脂質滴イメージングプローブの開発 (2019)
  • Author(s): 丸山凌，塩崎秀一，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第14回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] Development of Ratiometric Oxygen Probes Based on Green Fluorophore and Red Phosphor for Visualization of Intracellular Oxygen Level (2019)
  • Author(s): M. Yasukagawa, S. Tobita and T. Yoshihara
  • Organizer: The 6th International Symposium on Bioimaging, September
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 共焦点りん光イメージング顕微鏡を用いた肝臓組織の高 分解能酸素イメージング (2019)
  • Author(s): 片野彩花，水上輝市，塩崎秀一，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第7回低酸素研究会学術集会
• [Presentation] 水溶性イリジウム錯体(III)を用いた腎 臓の血中酸素イメージング (2019)
  • Author(s): 吉原利忠，水上輝市，平川陽亮，南学正臣，飛田成史
  • Organizer: 日本化学会第99 回春季年会（2019）
• [Presentation] 細胞内酸素レベル計測を目指した緑色蛍光・ 赤色りん光レシオ酸素プローブの開発 (2019)
  • Author(s): 安ヵ川真美，吉原利忠，山田圭一，飛田成史
  • Organizer: 日本化学会第99 回春季年会（2019）
• [Presentation] Emission Lifetime Images of Living Tissues Using a Phosphorescence Iridium(III) Complex and Confocal Lifetime Imaging Microscopy (2018)
  • Author(s): T. Yoshihara, H. Akiyama, S. Rokudai, M. Nishiyama and S. Tobita
  • Organizer: 5th Internationl Symposium of Gunma University Medical Innovation and 9th International Conference on Advanced Micro-Device Engineering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Green-Emitting Iridium(III) Complexes with Phenylpyridine Ligands for Oxygen Sensing in Living Cells (2018)
  • Author(s): T. Yoshihara, S. Sato, N. Matsumura, S. Shiozaki and S. Tobita
  • Organizer: The 27th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-Resolution imaging of Oxygen Status of Mouse Kidney by Phosphorescence Lifetime Imaging Microscopy (2018)
  • Author(s): K. Muzukami, N. Matsumura, S. Yuasa, T. Yoshihara and S. Tobita
  • Organizer: The 27th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Ratiometric Oxygen Probes with Cell-Penetrating Peptide for Intracellular Oxygen Imaging (2018)
  • Author(s): M. Yasukagawa, T. Yoshihara and S. Tobita
  • Organizer: The 27th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-Resolution Oxygen Imaging of Cell Spheroid and Living Tissues Using Phosphorescence Lifetime Imaging Microscopy (2018)
  • Author(s): K. Mizukami, T. Yoshihara and S. Tobita
  • Organizer: The 27th IUPAC Symposium on Photochemistry
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] りん光寿命イメージング法によるin vivo 酸素分圧計測 (2018)
  • Author(s): 吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第41 回日本 分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] りん光寿命計測に基づく細胞スフェ ロイドと肝臓の高分解能酸素イメージング (2018)
  • Author(s): 水上輝市，片野彩花，塩崎秀一，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第16 回がんとハイポキシア研究会
• [Presentation] 共焦点りん光寿 命イメージング顕微鏡(PLIM)を用いた腫瘍組織のin vivo 酸素イメージング (2018)
  • Author(s): 田村拓人，吉原利忠，水上輝市，塩崎秀一，六代範，西山正彦，飛田成史
  • Organizer: 第16 回がんと ハイポキシア研究会
• [Presentation] Development of Ratiometric Oxygen Probes with Cell Penetrating Peptide and Measurement of Intracellular Oxygen Levels (2018)
  • Author(s): Mami Yasukagawa, Toshitada Yoshihara and Seiji Tobita
  • Organizer: 2018 年光化学討論会
• [Presentation] 積分球を用いた近赤外絶対発光量子収 率測定 (2018)
  • Author(s): 星亮輔，鈴木健吾，吉原利忠，水上輝市，飛田成史
  • Organizer: 2018 年光化学討論会
• [Presentation] マルチカラー酸素イメージングを目指したカチ オン性イリジウム錯体の開発 (2018)
  • Author(s): 中野晃貴，吉原利忠，水上輝市，飛田成史
  • Organizer: 2018 年光化学討論会
• [Presentation] 環状シロキサン中におけるUVB/UVA 広帯域サンスクリーン の光化学特性 (2018)
  • Author(s): 吉原利忠，梁島歩美，飛田成史
  • Organizer: 第40 回日本光医学・光生物学会
• [Presentation] 共焦点りん光寿命イメージング顕微 鏡を用いた組織内酸素分圧計測 (2018)
  • Author(s): 吉原利忠，塩崎秀一，平川陽亮，南学正臣，飛田成史
  • Organizer: 第13 回日本分子イメージング学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] PLIM 法による細胞スフェロイドの酸素化状態のリアルタイ ムイメージング (2018)
  • Author(s): 水上輝市，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第13 回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] アミノデキストランに配 位子を結合させた血中滞留型Ir 錯体を用いた腎臓の血管イメージング (2018)
  • Author(s): 湯浅志保，吉原利忠，片野彩花，松村菜生，塩崎秀一，飛田成史
  • Organizer: 第13 回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] 共焦点りん光寿命イメー ジング顕微鏡を用いた肝臓内酸素化状態の高分解能イメージング (2018)
  • Author(s): 片野彩花，水上輝市，塩崎秀一，松村菜生，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第13 回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] ポリエチレン グリコールを配位子に有する水溶性Ir 錯体を用いた膵臓の血中酸素濃度測定 (2018)
  • Author(s): 松村菜生，塩崎秀一，水上輝市，齋藤正貴，片野彩花，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第13 回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] 共焦点りん光寿命イメージング顕微鏡を用いた腫瘍の酸素化状態の高分解能イメージ ング (2018)
  • Author(s): 田村拓人，吉原利忠，水上輝市，塩崎秀一，片野彩花，松村菜生，六代 範，西山正彦，飛田 成史
  • Organizer: 第13 回日本分子イメージング学会学術集会
• [Presentation] Emission Lifetime Images of Living Cells and Tissues Using a Phosphorescence Iridium(III) Complex and a Confocal Lifetime Imaging Microscopy (2017)
  • Author(s): T. Yoshihara, H. Akiyama, S. Rokudai, M. Nishiyama and S. Tobita
  • Organizer: 4th International Symposium of Gunma University Medical Innovation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ratiometric Small Molecular Probes Based on Dual Emission for Intracellular Oxygen Sensing (2017)
  • Author(s): T. Yoshihara and S. Tobita
  • Organizer: OSA Biophotonics Congress: Optics in the Life Science
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] オリゴアルギニンリンカーを用いたレシオ酸素プローブの光物理特性および細胞内酸素センシング (2017)
  • Author(s): 安ヵ川真美，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 平成29年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
• [Presentation] イリジウム錯体のりん光寿命計測に基づく腎臓の酸素レベル計測 (2017)
  • Author(s): 吉原利忠，平川陽亮，水上輝市，南学正臣，飛田成史
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] 共焦点りん光寿命イメージング顕微鏡を用いた脂肪細胞中の酸素イメージング (2017)
  • Author(s): Purevsuren Khulan，水上輝市，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] イリジウム錯体を発光プローブとしたシリコーンゲル膜酸素センサー (2017)
  • Author(s): 山田健登，大阿久智樹，槇靖幸，土橋敏明，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] Ir(III)錯体を用いた細胞内酸素濃度定量：培養細胞を用いた検量線の作成 (2017)
  • Author(s): 齋藤正貴，平野翔太，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 2017年光化学討論会
• [Presentation] アミノアセトフェノンとビフェニル誘導体を連結させたUVB/UVA広帯域サンスクリーン (2017)
  • Author(s): 吉原利忠，小野澤真美，飛田成史
  • Organizer: 第39回日本光医学・光生物学会
• [Presentation] 細胞内多色酸素濃度イメージングを目指した緑色りん光イリジウム錯体の開発 (2017)
  • Author(s): 吉原利忠，佐藤佐紀，永森愛美，飛田成史
  • Organizer: 第12回日本分子イメージング学会学術大会
• [Presentation] 細胞膜透過性ペプチドを有するレシオ酸素プローブを用いた細胞内酸素センシング (2017)
  • Author(s): 安ヵ川真美，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第12回日本分子イメージング学会学術大会
• [Presentation] りん光寿命イメージング顕微鏡を用いた腎表面酸素分圧勾配の抽出 (2017)
  • Author(s): 平川陽亮，吉原利忠，三村維真理，南学正臣，飛田成史
  • Organizer: 第12回日本分子イメージング学会学術大会
• [Book] Quenched-phosphorescence Detection of Molecular Oxygen: Applications in Life Sciences (2018)
  • Author(s): T. Yoshihara, Y. Hirakawa, M. Nangaku and S. Tobita (共著)，Editors: Dmitri B Papkovsky, Ruslan I Dmitriev
  • Total Pages: 368
  • Publisher: Royal Society of Chemistry, London
• [Book] ナノテクノロジーが拓く未来の医療 (2017)
  • Author(s): 吉原利忠（分担執筆），片岡一則（編著）
  • Total Pages: 254
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784863453630
• [Remarks] 群馬大学理工学府分子科学部門 飛田研究室
  • URL: https://tobita-lab.chem-bio.st.gunma-u.ac.jp/
• [Remarks]
  • URL: https://tobita-lab.chem-bio.st.gunma-u.ac.jp/
• [Remarks] 群馬大学大学院理工学府分子科学部門飛田研究室
  • URL: http://tobita-lab.chem-bio.st.gunma-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞および組織内脂質滴の蛍光イメージング試薬 (2020)
  • Inventor(s): 吉原利忠，丸山凌，飛田成史
  • Industrial Property Rights Holder: 吉原利忠，丸山凌，飛田成史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2020
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞および組織内酸素濃度測定試薬 (2019)
  • Inventor(s): 吉原利忠，広瀬達也，飛田成史
  • Industrial Property Rights Holder: 吉原利忠，広瀬達也，飛田成史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2019-153754
  • Filing Date: 2019