Oxygen imaging of living tissues using confocal phosphorescence lifetime imaging microscope

• Project/Area Number: 18H03509
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: Tobita Seiji 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30164007)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平川 陽亮 東京大学, 医学部附属病院, 助教 (10780736)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2018: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
• Keywords: 酸素プローブ / 低酸素 / イリジウム錯体 / りん光 / 光イメージング / イメージング

Outline of Final Research Achievements

Iridium(III) complexes exhibit oxygen-dependent phosphorescence in solution. In this study we designed and synthesized new intravital oxygen probes based on the phosphorescence quenching of Ir(III) complexes by molecular oxygen. By using these oxygen probes and a confocal phosphorescence lifetime imaging microscope, we succeeded in developing an oxygen imaging technique that can be applied to elucidation of the oxygen status of organ and tumor tissues in vivo.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

生体内において酸素は、細胞の分化や増殖、代謝さらに細胞間情報伝達など様々な生命活動に関与している。組織中の酸素濃度は、血流の安定や恒常性の機序によって維持されているが、組織内の酸素濃度の変化は、様々な病気の発症や増悪・進行に関わっていると考えられ、組織中の酸素濃度を高分解能でライブイメージングする技術の確立は、医学の進展特に生理学や病理学あるいは病気の発症機序の解明、新しい治療法の確立などに大きく貢献すると期待される。

Research Products

• [Journal Article] A distinctive distribution of hypoxia-inducible factor-1α in cultured renal tubular cells with hypoperfusion simulated by coverslip placement (2021)
  • Author(s): Honda T, Hirakawa Y, Mizukami K, Yoshihara T, Tanaka T, Tobita S, Nangaku M
  • Journal Title: Physiol Rep Volume: 9 Issue: 1
  • DOI: 10.14814/phy2.14689
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phosphorescent Ir(III) complexes conjugated with oligoarginine peptides serve as optical probes for in vivo microvascular imaging (2021)
  • Author(s): Yasukagawa Mami、Shimada Aya、Shiozaki Shuichi、Tobita Seiji、Yoshihara Toshitada
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4733-4733
  • DOI: 10.1038/s41598-021-84115-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of the triplet-state kinetics of a photosensitizer for photoimmunotherapy by fluorescence correlation spectroscopy (2021)
  • Author(s): Takakura Hideo、Goto Yuto、Kitamura Akira、Yoshihara Toshitada、Tobita Seiji、Kinjo Masataka、Ogawa Mikako
  • Journal Title: Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry Volume: 408 Pages: 113094-113094
  • DOI: 10.1016/j.jphotochem.2020.113094
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Visualization of Lipid Droplets in Living Cells and Fatty Livers of Mice Based on the Fluorescence of π-Extended Coumarin Using Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (2020)
  • Author(s): Yoshihara Toshitada、Maruyama Ryo、Shiozaki Shuichi、Yamamoto Koji、Kato Shin-ichiro、Nakamura Yosuke、Tobita Seiji
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 92 Issue: 7 Pages: 4996-5003
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05184
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spontaneously Blinking Fluorophores Based on Nucleophilic Addition/Dissociation of Intracellular Glutathione for Live-Cell Super-resolution Imaging (2020)
  • Author(s): Morozumi Akihiko、Kamiya Mako、Uno Shin-nosuke、Umezawa Keitaro、Kojima Ryosuke、Yoshihara Toshitada、Tobita Seiji、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: - Pages: 9625-9633
  • DOI: 10.1021/jacs.0c00451
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Design of spontaneously blinking fluorophores for live-cell super-resolution imaging based on quantum-chemical calculations (2020)
  • Author(s): Tachibana Ryo、Kamiya Mako、Morozumi Akihiko、Miyazaki Yoshiyuki、Fujioka Hiroyoshi、Nanjo Aika、Kojima Ryosuke、Komatsu Toru、Ueno Tasuku、Hanaoka Kenjiro、Yoshihara Toshitada、Tobita Seiji、Urano Yasuteru
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 86 Pages: 13173-13176
  • DOI: 10.1039/d0cc05126h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In vivo O2 imaging in hepatic tissues by phosphorescence lifetime imaging microscopy using Ir(III) complexes as intracellular probes (2020)
  • Author(s): Mizukami Kiichi、Katano Ayaka、Shiozaki Shuichi、Yoshihara Toshitada、Goda Nobuhito、Tobita Seiji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 21053-21053
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76878-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 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] 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
• [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] Quenched-phosphorescence Detection of Molecular Oxygen (2018)
  • Author(s): Toshitada Yoshihara, Yosuke Hirakawa, Masaomi Nangaku, Seiji Tobita
  • Journal Title: Detection Science Volume: 11 Pages: 71-90
  • DOI: 10.1039/9781788013451-00001
  • ISBN: 9781788011754
  • Peer Reviewed
• [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生体内酸素レベル計測 (2021)
  • Author(s): 吉原利忠，広瀬達也，塩崎秀一，飛田成史
  • Organizer: 第42回日本光医学・光生物学会
• [Presentation] 水溶性緑色イリジウム錯体の生体内酸素プローブへの応用 (2020)
  • Author(s): 外所由衣，田村拓人，塩崎秀一，飛田成史，吉原利忠
  • Organizer: 令和2年度日本化学会関東支部群馬地区研究交流発表会
• [Presentation] 蛍光寿命イメージング顕微分光法を用いた細胞および組織内脂質滴のライブイメージング (2020)
  • Author(s): 吉原利忠，丸山凌，塩崎秀一，飛田成史
  • Organizer: 2020光化学討論会
• [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
  • 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] イリジウム錯体を用いた生体組織 内微小環境の酸素イメージング (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17回がんとハイポキシア研究会
• [Presentation] Ir(III)錯体および共焦点りん光寿命イメージング法を用いた脂肪肝の酸素イメージング (2019)
  • Author(s): Purevsuren Khulan，塩崎秀一，吉原利忠，飛田成史
  • Organizer: 第17回がんとハイポキシア研究会
• [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] りん光寿命計測に基づく生体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] 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の開発および血中酸素イメージング，第41回日本光医学・光生物学会 (2019)
  • Author(s): 吉原利忠，綿貫千優，水上輝市，飛田成史
  • Organizer: 第41回日本光医学・光生物学会
• [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
• [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
• [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] 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 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] 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] 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] 5.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] 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，吉原利忠，塩崎秀一 (2018)
  • Author(s): 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
• [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] 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
• [Patent(Industrial Property Rights)] 血管のイメージング試薬 (2020)
  • Inventor(s): 吉原利忠，安カ川真美，鷲見さくら，飛田成史
  • Industrial Property Rights Holder: 吉原利忠，安カ川真美，鷲見さくら，飛田成史
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2020-211560
  • Filing Date: 2020
• [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