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Development of two-photon excitable ultrabright fluorescent nanoprobes for in vivo high-speed deep imaging

Research Project

Project/Area Number 20K15246
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 32020:Functional solid state chemistry-related
Research InstitutionKochi University

Principal Investigator

Niko Yosuke  高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 助教 (20782056)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords二光子励起蛍光イメージング / ナノエマルジョン / ピレン / 第二近赤外光 / 蛍光 / 生体二光子蛍光イメージング / 脳血管イメージング / ナノ粒子 / in vivo イメージング
Outline of Research at the Start

二光子蛍光イメージングは生体深部観察に優れた造影技術であり、脳機能の解明をはじめとする様々な応用が期待されている。しかし、生体深部の撮像においてはフレームレートが低下する傾向にあり、そのため生体深部で生じる高速現象の観測が困難となる。この問題を解決するためには、微弱な励起レーザー光にも鋭敏に応答する、高効率二光子励起蛍光プローブが必要となる。そこで本研究では、申請者が独自に研鑽してきたピレンの誘導化技術および有機ナノ粒子作成技術を主軸とした『超高効率二光子励起蛍光ナノプローブ開発』を実施する。これにより、マウスの海馬領域の脳血流をも観測し得る、革新的な二光子蛍光イメージングを実現する。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we developed novel ultrabright fluorescent nanoprobes containing large numbers of pyrene-based fluorescent molecules to improve the observable depth and imaging speed in in vivo two-photon microscopy imaging (2PM). Nanoprobes encapsulating thousands of red-emissive pyrene derivative (LipoPYF5) could visualize the blood vasculature in hippocampus (at a depth of 1.5 mm from the brain surface) of mice, whereas a commonly used rhodamine dye could visualize brain vasculature only at a depth of 0.7 mm. Moreover, when a new pyrene dye (NIR-LipoPYF5) that can be excited by a laser oscillating second near-infrared light (1100 nm) was employed instead of LipoPYF5, brain blood vasculature at 1.5 mm depth was observed even under high speed condition (30 frames/s). Furthermore, by averaging 8 images, we succeeded in visualizing the brain blood vasculature at up to 1.8 mm, corresponding to the hippocampal dentate gyrus.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、蛍光プローブの高輝度化が生体2PMにおける観察深度・観察速度の向上に重要であることを明らかにした。本研究中に開発したLipoPYF5集積型蛍光ナノプローブは、市販の二光子顕微鏡に備わっているレーザー・ディテクターにマッチしており、一般的なユーザーなら誰でも使用可能である。NIR-LipoPYF5集積型蛍光ナノプローブについては第二近赤外光を発振する高価なレーザーを必要とするものの、マウス脳海馬CA1領域全層の毛細血管を可視化する極めて高性能なものである。以上の点から、これら新規超高輝度蛍光ナノプローブは生物医学的研究、特に脳血管疾患の病態解明に有用なツールになると期待される。

Report

(3 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (4 results) (of which Overseas: 2 results)

  • [Journal Article] Synthesis and photophysical properties of a new push-pull pyrene dye with green-to-far-red emission and its application to human cellular and skin tissue imaging2022

    • Author(s)
      Inoue Kazuki、Kawakami Ryosuke、Murakami Masamoto、Nakayama Taku、Yamamoto Shinkuro、Inoue Keiji、Tsuda Teruko、Sayama Koji、Imamura Takeshi、Kaneno Daisuke、Hadano Shingo、Watanabe Shigeru、Niko Yosuke
    • Journal Title

      Journal of Materials Chemistry B

      Volume: 10 Issue: 10 Pages: 1641-1649

    • DOI

      10.1039/d1tb02728j

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Integrated Fluorescent Nanoprobe Design for High‐Speed In Vivo Two‐Photon Microscopic Imaging of Deep‐Brain Vasculature in Mice2021

    • Author(s)
      Takezaki Minami、Kawakami Ryosuke、Onishi Shozo、Suzuki Yasutaka、Kawamata Jun、Imamura Takeshi、Hadano Shingo、Watanabe Shigeru、Niko Yosuke
    • Journal Title

      Advanced Functional Materials

      Volume: 2021 Issue: 20 Pages: 2010698-2010698

    • DOI

      10.1002/adfm.202010698

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Development of Novel Near-Infrared Fluorescent Dye for in vivo Two-photon Microscopic Imaging of Deep-Brain Vasculature of Mice2021

    • Author(s)
      Matsuura Hitomi, Kawakami Ryosuke, Imamura Takeshi, Hadano Shingo, Watanabe Shigeru, Niko Yosuke
    • Organizer
      光化学討論会2021
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 新規ピレン誘導体の合成とその多光子蛍光顕微鏡による皮膚病診断への応用2021

    • Author(s)
      井上和貴、川上良介、村上正基、佐山浩二、今村健志、波多野慎悟、渡辺茂、仁子陽輔
    • Organizer
      第11回CSJ化学フェスタ2021
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  • [Presentation] In vivo 二光子蛍光イメージングを志向したピレン含有スクアライン誘導体の合成2021

    • Author(s)
      磯江真綺、鈴木康孝、川俣純、川上良介、今村健志、波多野慎悟、渡辺茂、仁子 陽輔
    • Organizer
      高知化学シンポジウム2021
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    • Author(s)
      井上和貴、川上良介、村上正基、佐山浩二、今村健志、波多野慎悟、渡辺茂、仁子陽輔
    • Organizer
      高知化学シンポジウム2021
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      2021年日本化学会中国四国支部大会高知大会
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  • [Presentation] 新規ピレン誘導体の合成と皮膚組織の二光子励起蛍光イメージングへの応用2021

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      井上和貴、川上良介、村上正基、佐山浩二、今村健志、波多野慎悟、渡辺茂、仁子陽輔
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      2021年日本化学会中国四国支部大会高知大会
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  • [Presentation] マウス脳深部血管の高速イメージングを志向した近赤外発光性ピレン誘導体の開発2021

    • Author(s)
      松浦瞳、 鈴木康孝、川俣純、川上良介、今村健志、波多野慎吾、渡辺茂、仁子 陽輔
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      2021年日本化学会中国四国支部大会高知大会
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  • [Remarks] プレスリリース

    • URL

      http://www.kochi-u.ac.jp/information/2021030300029/

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      2020 Research-status Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 化合物、蛍光色素剤、キット及び細胞の検出方法2021

    • Inventor(s)
      仁子陽輔、村上正基、他8名
    • Industrial Property Rights Holder
      高知大学、愛媛大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2021-073923
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 化合物、組成物、蛍光色素剤、キット、及び細胞、組織、又は器官の検出方法2021

    • Inventor(s)
      仁子陽輔、川上良介、他7名
    • Industrial Property Rights Holder
      高知大学、愛媛大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2021-073923
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 化合物、蛍光色素剤、キット及び細胞の検出方法2021

    • Inventor(s)
      仁子陽輔、村上正基、他8名
    • Industrial Property Rights Holder
      高知大学、愛媛大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 蛍光色素剤及び腫瘍細胞の検出方法2021

    • Inventor(s)
      村上正基、川上良介、津田照子、佐山浩二、今村健志、仁子陽輔
    • Industrial Property Rights Holder
      愛媛大学、高知大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Overseas

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2023-01-30  

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