2016 Fiscal Year Annual Research Report
水素エネルギーを活用した後天的遺伝子変異イメージング技術の創出
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16H06255
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
松元 慎吾 北海道大学, 情報科学研究科, 准教授 (90741041)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | MRI / 核偏極 / 代謝 / 分子イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
病因となる遺伝子変異の多くは特徴的な代謝変化を伴う。超偏極13C核磁気共鳴画像（MRI）は13C NMR信号を数万倍に励起することで、生体内の代謝反応をリアルタイムに可視化する最先端技術である。非侵襲的な癌転移巣の瞬時診断や、炎症部位の可視化など、その応用性が極めて高い反面、超電導磁石を必要とする13C励起装置の導入費用は数億円にも上る。本課題では、１）水素エネルギーの新社会インフラを活用し、現行装置の10分の1のコストで導入可能な13C励起システムを開発する。この励起装置を用い、２）特異的な代謝変化を指標として、後天的に生じた遺伝子変異の体内分布を非侵襲的に可視化するMRI技術を創出する。
初年度である平成28年度は、特殊な水素ガスを炭素多重結合に付加することで核スピンに超偏極を誘導するパラ水素誘起分極型の13C励起装置の開発を行った。より全自動化に適した構造を探るため、２つの異なる新規構造の励起装置を試作した。更なる高感度化を目指し、励起装置の作業工程を３つに分割し、それぞれのステップを最適化することで、最終的に得られる偏極率の改善を目指す。また、新型装置との比較検討のため、既に他の研究グループにより報告されている構造の励起装置の作製も行った。
様々な遺伝子変異とそれにより誘導される代謝変化の関連性を明らかとするため、２種類の発癌剤を用いて様々な遺伝子変異を持つ肝臓癌モデルの作成を行った。現在、癌組織に含まれる遺伝子変異解析と質量分析メタボロームによる代謝解析結果との相関関係の解明を進めている。
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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
1) パラ水素誘起分極型の13C励起装置の開発
水素分子の核スピン異性体であるパラ型の水素ガスを炭素多重結合に付加すると、その付加した水素原子の核スピンの向きが揃い、超偏極の状態となる。このパラ水素付加反応を行う際の磁場強度によりパラ水素誘起分極法は２種類に大別される。数mT以上の磁場強度下でパラ水素付加を行い、振動磁場パルス照射により分極を1Hから13Cに転移するPASADENA型の励起装置は既に複数の研究が報告されている。本研究では、パラ水素付加後、ゼロ磁場チャンバーにより地磁気の磁界を遮断することにより1Hから13Cへと分極を移すALTADENA型の全自動励起装置を作製した。1H/13C MRI装置により実際に超偏極が誘導されることを確認した。既に報告されているPASADENA型13C励起装置のコピーも作製しており、本研究で開発した励起装置との性能比較を行っている。
2) 遺伝子変異モデルの作成
後天的に変異した遺伝子から作られる異常タンパク質には、変異遺伝子に応じた特徴的な代謝変化をもたらすものが多く存在する。後天的な遺伝子変異を持つ動物モデルとして、変異の誘導剤と発癌プロモーターの２種類の薬剤投与により様々な遺伝子変異により癌化する肝臓癌モデルの作成を行った。現在、癌組織に含まれる遺伝子変異解析と質量分析メタボロームによる代謝解析結果との相関関係の解明を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
パラ水素誘起分極法による13C励起装置の基本骨格は完成しており、今後は励起条件の最適化を進め、励起効率を上げる。励起装置の作業工程は1) パラ水素変換、2) 水素付加反応、3) 1Hから13Cへと分極転移、の３つに分けれ、それぞれのステップを最適化することで、最終的な励起効率の改善に繋げる。十分に最適化したのちに、励起効率とコストの両面から、従来の励起装置との性能比較を行う。ゼロ磁場チャンバーを用いて地磁気を遮断するには、励起するサンプルを移動させる方法と、磁界強度を変化させるためのコイルを使用する２通りが考えられ、どちらの手法が適しているか検討する。
現行の動的核偏極による13C励起装置が、見たい代謝プローブを直接励起できるのに対し、パラ水素誘起分極法ではパラ水素付加反応により核偏極を誘導すうため、炭素多重結合を持つ前駆体が必要となる。パラ水素誘起分極法に対応した代謝プローブ前駆体の報告はいくつもあるが、その多くは実用性に乏しい。動的核偏極における研究経験を生かし、癌や炎症を標的とする新たな代謝プローブの開発を進める。
遺伝子変異モデルにおける、変異解析とメタボローム解析の結果が出次第、特定の遺伝子変異の検出に適した代謝経路を選定し、その代謝経路をイメージングするために最適な代謝プローブを設計する。
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