Development and therapeutic application of deep brain and spinal cord stimulation using X-rays

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K15191
• Research Institution: Fujita Health University
• Principal Investigator: 松原 崇紀 藤田医科大学, 医学部, 客員助教 (50884475)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 光遺伝学 / X線 / シンチレータ / ドパミン神経 / ステップファンクションオプシン

Outline of Annual Research Achievements

光遺伝学は、光感受性オプシンを特定の細胞に発現させ、可視光の照射により特定の神経細胞の活動を自由に操作できる技術であるが、可視光の生体透過性が低いため、光ファイバーを脳内に挿入する必要がある。そこで、我々は生体透過性の高いX線とX線を可視光へと変換するシンチレータを用いて、X線照射により特定の神経細胞に発現させたオプシンを駆動させる技術を開発した。しかしながら、現時点での問題点はX線照射による被曝線量である。そこで、極めて低い被曝線量で神経操作を行うために、短い光刺激で長期的に活性化できるステップ・ファンクション・オプシンを用いて低被曝X線光遺伝学法を開発し、本手法が病態モデルマウスの治療に応用可能であることを示す。
短時間の可視光照射により非常に長い時定数で開口できる高光感受性ステップ・ファンクション・オプシン（SOUL）を用いた。SOULを活性化できる最小の光強度はおよそ10μW/mm2であり、従来予定していたX線を青色可視光に変換できるシンチレータ（Ag:ZnS）では、十分に活性化できない可能性があった。そこで、新たにX線を青色可視光に変換できるシンチレータXの検討を行った。粒子状にした青色シンチレータXの蛍光強度を測定したところ、これまでに使用していたCe:GAGG（黄色発光シンチレータ）粒子の蛍光強度の2-3倍高いことがわかった。そのため、SOULを十分に活性化できる蛍光強度であることから、青色シンチレータXをマウスの脳内に注入し細胞毒性を検討した。注入領域をミクログリアおよびアストロサイトのマーカーであるIba1抗体およびGFAP抗体で免疫染色したところ、青色シンチレータXを注入した領域以上に広い領域でミクログリアおよびアストロサイトの活性化が見られた。今後はより細胞毒性を軽減するため、青色シンチレータX粒子をシリカ被覆し投与する。