2022 Fiscal Year Annual Research Report
生命金属動態解析に向けた量子ナノビームによるバイオ・ケミカルイメージング
| Project Area | Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System |
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| Project/Area Number |
19H05775
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
武田 志乃 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 放射線規制科学研究部, 上席研究員 (00272203)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 量子ビーム / ケミカルイメージング / バイオイメージング / 分布 / 局在 / 化学状態分析 / ウラン / 腎臓 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生命金属の理解には、組織構造や細胞配列を保持したまま、生命金属の分布や化学形を把握する必要がある。本申請研究では、生命金属動態をin situで理解する研究戦術として、放射光やプロトンなどの量子ナノビームを利用して非破壊的に生命金属動態を可視化、無処置・無染色で微細な組織・細胞構造あるいは細胞小器官や生体分子分布を把握するバイオイメージングと組み合わせた、バイオ・ケミカルイメージングの確立に取り組む。ナノレベルでの細胞構造と対応させた金属動態から局在・濃集の元素特性と形成機序の解明を目指す。
具体的には、薄切組織試料等の生体試料に対し組織微細構造特有の自家蛍光や反射光を高分解能で分離したハイパースペクトル等を利用しバイオイメージングを得る。同一試料について放射光やプロトンのナノビームを用い、非破壊分析であるSR-XRF（放射光蛍光X線分析）、PIXE（荷電粒子励起X線）分析、XAFS（X線吸収微細構造法）を組み合わせて元素分布・局在・化学形情報を取得しケミカルイメージングとする。両者を対応させることで生体内環境を限りなく保持した生命金属動態を解析する。令和4年度はバイオイメージングについては硬組織・軟組織が混在する骨組織に取り組んだ。ケミカルイメージングの高度化については、軽元素から重金属までの細胞内生命金属分布解析の拡充を行った。また、化学形イメージング用分析標準の適正評価や従来の励起エネルギーより高いエネルギーのマイクロビームを利用した放射光蛍光X線分析（SR-XRF）の定量手法に取り組んだ。これにより対象となる生命金属が拡がり、応用研究展開が期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究ではハイパースペクトル等によるバイオイメージングと量子ビームを用いた非破壊元素分析によるケミカルイメージングにより、in situで生命金属動態を解析する手法を確立し生命金属の局在・濃集の元素特性とその形成機序の解明に取り組む。令和4年度はバイオイメージングについてはこれまでの腎臓や腸管組織などの軟組織から硬組織・軟組織が混在する骨組織に対象を広げた。ケミカルイメージングの高度化については、軽元素から重金属までの細胞内生命金属分布解析の拡充を中心に行った。
1）バイオイメージング：胸骨はマトリックスとしてリンやカルシウムなどの元素を含む他、微量の生命金属が含まれる組織である上、硬骨、軟骨組織と骨髄が複雑に入り組んだ構造をしている。胸骨を対象として自家蛍光を用いたバイオイメージングを試みたところ、硬骨や軟骨、骨髄の識別が可能であった。また、鉄の局在部に対応する蛍光強度の高い部位を抽出することができた。
2）ケミカルイメージング高度化：マウス尿細管領域由来培養細胞や貝類消化管等の試料に対して、マイクロPIXEやSR-XRFを行い、リン、イオウ、カリウム等の軽元素から鉄、亜鉛、白金、カドミウム等の重元素までの分布解析条件の検討を行い、マイクロ（ビーム径：1 μm × 1 μm）～ナノ（ビーム径：100 nm × 100 nm）のイメージングを得た。数百ナノ四方の局在部を見出し、薄切分析標準による局在量の把握を行った。また、より高エネルギーのマイクロビーム（エネルギー：37 keV、ビーム径：1 μm × 1 μm）を利用して、組織中セシウム分布解析および局所定量手法を確立した。2次元XAFSによる化学形分別イメージングのための薄切タイプの分析標準についても検討を行い、2次元XAFSの位置精度評価を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、量子ビームケミカルイメージングを領域内連携・展開して生命金属動態の理解につなげる。元素局在、濃集の情報を構築し、それらの自家蛍光やハイパースペクトル情報を収集し、ケミカルイメージングの汎用手法の確立につなげる。
1）バイオイメージング：組織・細胞構造に特有の自家蛍光やハイパースペクトル情報の構築を行う。特殊樹脂による化学形分別・特定のための標準開発を引き続き進め、これらから得られた元素および化学形特異的な波長を抽出、実サンプルの画像解析で検証を行う。パイパースペクトル情報を領域内連携で共有、汎用イメージング手法に展開させる。
2）ケミカルイメージング：細胞内元素分布動態を引き続き進め、細胞小器官との対応を行う。細胞内生命金属のナノ計測による生命金属分布動態の元素特異性を明らかにする。2次元XAFSの位置精度の検討を引き続き進める。軟組織に対する3次元計測について、定量化における精度評価および不確かさ要因の抽出を行う。
3） バイオ・ケミカルイメージングの高度化：腎臓以外にも神経組織等へも応用し解析技術の高度化を行う。元素局在、濃集部の自家蛍光やハイパースペクトル情報を収集し、ケミカルイメージングの汎用手法の確立につなげる。ウラン生体濃集について、濃集部の細胞小器官の特定から濃集経路を検討する。
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Research Products
(30 results)
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[Presentation] Distribution of uranium in bone tissues by quantum beam-based elemental analyses with microbeam2022
Author(s)
S. Homma-Taked, K. Ayama, Y. Kato, H. Yakumaru, D. Ohsawa, R. Sato, C. Numako, A. Uehara, I. Tanaka, M. Oikawa, O. Sekizawa, K. Nitta, H. Ishihara
Organizer
8th International Symposium on Metallomics
Int'l Joint Research
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