Development of a fluorescence lifetime imaging system for observation of intracellular oxygen dynamics induced by single cell targeted irradiation in SPICE

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K21588
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 52:General internal medicine and related fields
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: Ohsawa Daisuke 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 物理工学部, 主任技術員 (90324681)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 亜利紗 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 物理工学部, 主任研究員 (30773931) ; 小西 輝昭 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子生命科学研究所, 上席研究員 (70443067)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Keywords: マイクロビーム / 蛍光寿命イメージング / 低酸素放射線抵抗性 / イオントラック構造 / ライブセルイメージング

Outline of Final Research Achievements

This study aims to visualize and quantify intracellular oxygen dynamics on the order of μs from targeted irradiation of single cells by incorporating a fluorescence lifetime imaging system and a hypoxic cell irradiation chamber into a single particle cell irradiation system (SPICE). We incorporated a fluorescence lifetime imaging system into an off-line microscope with specifications equivalent to those of SPICE, optimized it, and evaluated its performance. We also introduced a gas mixing system for hypoxia and developed a hypoxia irradiation chamber.

Free Research Field

放射線生物学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

SPICE基幹部分に故障が発生し、期間内に当初の目的の達成には至らなかった。しかしながら、蛍光寿命イメージング(FLIM)技術を放射線生物研究に応用した例は未だなく、これまでの低酸素放射線抵抗性の研究は、培養液内の溶存酸素濃度のみを制御し、細胞集団へのブロードビーム一様照射下で行われており、メカニズム解明には至っていない。FLIM導入には放射線の照射位置の特定、放射線とレーザー照射の同期が可能なマイクロビーム技術が必須であり、単一細胞レベルで放射線による物理化学反応と細胞内生物応答とをマルチモーダルに解析することで、抵抗性発現の本質に迫れると考えており、今後も引き続き研究を進める予定である。