超高感度-核磁気共鳴分子プローブを用いた生体内レポーターアッセイ系の構築

• Project/Area Number: 19J22848
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 37010:Bio-related chemistry
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 近藤 洋平 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 核磁気共鳴法 / 分子プローブ / 動的核偏極法 / 生体分子イメージング / 動的核偏極 / 化学交換飽和移動

Outline of Research at the Start

本研究では生物個体深部において目的遺伝子の発現解析を実現するレポーターアッセイ系の構築を目指す。 生体深部を観測する手法として核磁気共鳴法(NMR)があるが、その原理的な感度の低さが生体応用の問題となっている。そこで、動的核偏極法(DNP)と呼ばれるNMR高感度化技術を適用することとした。しかし、一般に、高感度化維持時間が短いために、すぐに高感度化状態が失われるという問題点がある。そこで本研究では、この高感度化維持時間の大幅な改善を基質構造レベルで試み、DNPを用いる高感度化レポーターアッセイ系の構築を目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では生物個体深部における目的遺伝子の発現解析を実現するレポーターアッセイ系の構築を目指して研究を遂行した。 生物個体におけるレポーターアッセイ系構築を実現する手法として、生体深部を非侵襲的に観測できる核磁気共鳴法(NMR)に着目した。NMRの原理的な検出感度の低さを動的核偏極法(DNP)と呼ばれるNMR高感度化技術によって克服することとした。しかしながら、多くの場合、DNPによって人工的に作られた高感度化シグナルは溶液状態において直ちに失われてしまうという実応用上の問題点がある。そこで本研究では、高感度化維持時間の大幅な改善を基質の分子構造レベルで試み、DNPを用いる高感度化レポーターアッセイ系構築の達成を目指した。特に、高感度化維持時間に大きな影響を与える分子構造とダイナミクスの理解を目指して研究を展開した。
当該年度は、これまでに取得したペプチド型分子プローブの設計指針に基づいて開発したオリゴペプチド型超高感度NMR分子プローブの生体応用実験を進行させた。開発したオリゴペプチド型NMR分子プローブを用いて生体内で分子プローブが受ける代謝を観測することに成功した。この結果は、これまで生体内で用いることができないと考えられてきた分子量が大きなオリゴペプチドも適切な分子設計を施せば、生体応用可能な超高感度NMR分子プローブとして展開できることを実証するものであり、将来的には超高感度NMR分子プローブの分子構造の幅を大きく広げる可能性がある。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Cancer Institute(米国)
• [Journal Article] Structure-based relaxation analysis reveals C-terminal [1-13C]glycine-d2 in peptides has long spin-lattice relaxation time that is applicable to in vivo hyperpolarized magnetic resonance studies (2022)
  • Author(s): Yohei Kondo, Yutaro Saito, Tomohiro Seki, Yoichi Takakusagi, Jumpei Morimoto, Hiroshi Nonaka, Koichiro Miyanishi, Wataru Mizukami, Makoto Negoro, Abdelazim Elsayed Elhelaly, Fuminori Hyodo, Masayuki Matsuo, Natarajan Raju, Rolf Swenson, Murali C. Krishna, Kazutoshi Yamamoto, Shinsuke Sando
  • Journal Title: ChemRxiv Volume: -
  • DOI: 10.26434/chemrxiv-2022-tfkk1
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evaluation of enzymatic and magnetic properties of γ-glutamyl-[1-13C]glycine and its deuteration toward longer retention of the hyperpolarized state (2021)
  • Author(s): Yohei Kondo, Yutaro Saito, Abdelazim Elsayed Elhelaly, Fuminori Hyodo, Tatsuya Nishihara, Marino Itoda, Hiroshi Nonaka, Masayuki Matsuo, Shinsuke Sando
  • Journal Title: RSC advances Volume: 11 Issue: 59 Pages: 37011-37018
  • DOI: 10.1039/d1ra07343e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design of Nuclear Magnetic Resonance Molecular Probes for Hyperpolarized Bioimaging (2021)
  • Author(s): Yohei Kondo, Hiroshi Nonaka, Yoichi Takakusagi, Shinsuke Sando
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. (Review/総説） Volume: 60 Issue: 27 Pages: 2-23
  • DOI: 10.1002/anie.201915718
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 生体内代謝解析を目指したペプチド型 DNP NMR 分子プローブの設計 (2020)
  • Author(s): 近藤洋平
  • Organizer: 第14回バイオ関連化学シンポジウム
• [Presentation] 生体内β-ガラクトシダーゼ活性検出に向けた高感度-核磁気共鳴分子プローブの検討 (2019)
  • Author(s): 近藤洋平
  • Organizer: 第 14 回日本分子イメージング学会学術集会