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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

Planned

Project AreaIntegrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
Project/Area Number 19H05775
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionNational Institutes for Quantum Science and Technology

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, グループリーダー (00272203)

Project Period (FY) 2019-06-28 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥66,820,000 (Direct Cost: ¥51,400,000、Indirect Cost: ¥15,420,000)
Fiscal Year 2022: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
Fiscal Year 2019: ¥16,380,000 (Direct Cost: ¥12,600,000、Indirect Cost: ¥3,780,000)
Keywords量子ビーム / 蛍光X線分析 / XAFS / イメージング / ウラン / 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 / 腎臓
Outline of Research at the Start

組織構造特有の反射光を高分解能で分離するハイパースペクトル技術を導入し、組織・細胞試料を無処置・無染色で微細構造あるいは細胞小器官や生体分子分布のバイオイメージングを取得、同一試料に対してPIXE、SR-XRF、XAFS分析等の非破壊量子ビーム分析によるケミカルイメージング解析を行うバイオ・ケミカルイメージング手法の確立を行う。これまでミクロンレベルで組織局在・濃集様態を把握している腎臓ウラン動物モデル等を主体に解析を進め、濃集部の細胞内小器官を同定、尿細管輸送や生体内還元、生体ミネラリゼーションなどの分子解析を並行して進め、細胞内局在・濃集の元素特性とその形成機序を明らかにしていく。

Outline of Annual Research Achievements

組織や細胞・生体分子等を破壊・溶解して元素分析を行う従来の金属動態解析手法では、生体内での状態を反映していない可能性や金属動態と組織・細胞構造との対応ができず生命金属の理解が進まないことが指摘されてきた。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、量子ナノビームを利用したバイオ・ケミカルイメージングの確立と細胞内金属動態特性の構築に取り組む。すなわち、同一試料から無処置・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元素分布やその化学形変化をケミカルイメージングとして取得し、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、PIXE、XAFS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2年度は細胞内ケミカルイメージングに重きを置いた。一細胞イメージング手法を確立し、腎臓尿細管細胞内ウラン局在に関する情報を得た。バイオイメージングについてはハイパースペクトル画像取得のための基礎検討を進めると共に、元素局在部のハイパースペクトルを構築した。

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2年度は組織局在性を把握しているウラン投与ラット腎臓試料等を用い、バイオイメージングの画像取得条件の基礎検討を引き続き行うとともに、ケミカルイメージングについては一細胞イメージング手法を確立しナノ計測による元素イメージングを進めた。
1)バイオイメージング:ウラン投与ラット腎臓凍結切片試料を用い、ウラン標的部位である腎臓髄質外辺部の自家蛍光画像を構築し、組織変化・ウラン局在との関係を調べた。また腎臓や腎尿細管培養細胞などの試料についてハイパースペクトル画像の基礎パラメータの取得を行った。
2)ケミカルイメージング 金属分布・局在:尿細管培養細胞を用いた一細胞イメージング手法を確立した。マイクロPIXEあるいは放射光ナノビームを利用し、細胞内生命金属動態を調べた。ウランばく露細胞では、細胞核近傍のウラン局在やリン・カリウム共局在を示した。また引き続きナノ計測用分析標準の開発を進めた。
3)ケミカルイメージング 化学形解析:細胞内ウラン濃集部のXAFSスペクトルの取得を行った。空間分解能1 μm × 1 μm~5 μm × 5 μmの条件下における2次元化学状態分析(2D-XAFS)についてXAFSスペクトル精度の評価を行った。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度はバイオイメージングについてはハイパースペクトルの特性抽出を中心に検討を行う。ケミカルイメージングについては、元素分布・局在解析のナノ計測を進め、基礎データの構築を進めると共に、定量分析の精緻化を行う。化学形分別イメージングについては空間分解能・測定時間の短縮等を考慮した手法についても着手する。
1)バイオイメージング:ハイパースペクトルのウラン特性の抽出を中心に行う。構築した腎臓試料は尿細管培養細胞のスペクトルデータから波長およびスペクトル波形特性の解析手法を検討する。適時吸着樹脂等を用い、化学形との対応も行う。組織中に局在する生命金属特有のハイパースペクトルについてても、SR-XRF・XAFSによる元素同定や化学状態分析との対応を引き続き進め、特性波長を抽出する。
2)金属分布・局在解析:ナノビームイメージングおよび局所定量分析を引き続き進める。ナノ計測における分析標準の適正評価を行い、適時分析標準開発に取り組む。一細胞イメージングを進め、生命金属細胞内動態の尿細管領域特性を調べる。3次元計測についても着手する。
3) 化学形分別イメージング:SR-XRFによる元素分布解析試料と同一試料に対し細胞内局所のXAFS分析を行い、化学形情報を構築する。2次元XAFSのスペクトル・位置精度についても引き続き検討を行うとともに、生体内化学形標準についても適時合成・適正評価を行う。空間分解能の向上や測定時間の短縮等を考慮し、結像イメージングなどの新たな手法についても検討を行う。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report

Research Products

(16 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 6 results) Book (3 results)

  • [Journal Article] Single-Cell Imaging for Studies of Renal Uranium Transport and Intracellular Behavior2021

    • Author(s)
      Homma-Takeda Shino、Fujishiro Hitomi、Tanaka Izumi、Yakumaru Haruko、Ayama Kyoko、Uehara Akihiro、Oikawa Masakazu、Himeno Seiichiro、Ishihara Hiroshi
    • Journal Title

      Minerals

      Volume: 11 Pages: 191-191

    • DOI

      10.3390/min11020191

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantitative Analyses of Urinary Uranium by μ-PIXE2021

    • Author(s)
      A. Uehara, M. Oikawa, I. Tanaka, H. Ishihara, S. Homma-Takeda
    • Journal Title

      Minerals

      Volume: 11 Pages: 147-147

    • DOI

      10.3390/min11020147

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 元素イメージングのための組織試料作製手法の検討:自家蛍光を利用した組織構造および元素局在部の抽出2020

    • Author(s)
      武田志乃、吉田峻規、沼子千弥、及川将一、上原章寛、田中泉、石原弘
    • Journal Title

      X線分析の進歩

      Volume: 51 Pages: 91-96

    • NAID

      40022215511

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 生体内ウランの化学形解析2021

    • Author(s)
      武田志乃
    • Organizer
      第58回SPring-8先端利用技術ワークショップ
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 量子ビーム元素分析:細胞内生命金属動態解明戦略2020

    • Author(s)
      武田志乃
    • Organizer
      第93回日本生化学会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Application of Quantum beam Elemental Analyses for Dynamics of Cellular Distribution of Bio-metals2020

    • Author(s)
      S. Homma-Takeda
    • Organizer
      第58回日本生物物理学会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ウラン腎毒性と細胞内分布特性2020

    • Author(s)
      武田志乃
    • Organizer
      メタルバイオサイエンス研究会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Application of Elemental Imaging with Quantum beam to Toxicological Studies of Uranium2020

    • Author(s)
      S. Homma-Takeda, D. Ohsawa, S. Kodaira, A. Uehara, M. Oikawa, T. Konishi
    • Organizer
      IAEA Technical Meeting on Imaging Using Ionizing Radiation to Address Biologocal Challenges
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Formation of Uranium Concentrated Areas and the Surrounded Tissue Characteristics in Kidney2020

    • Author(s)
      武田志乃、薬丸晴子、阿山香子、上原章寛、田中泉、石原弘
    • Organizer
      日本放射線影響学会第62回大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] X線吸収分光を用いた血清内アクチニドのキレート剤による除染評価2020

    • Author(s)
      上原章寛、松村大樹、薬丸晴子、城鮎美、田中泉、辻卓也、齋藤寛之、石原弘、武田志乃
    • Organizer
      メタルバイオサイエンス研究会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 量子ビームを利用したin situウラン腎臓内動態解析2019

    • Author(s)
      武田志乃
    • Organizer
      メタルバイオサイエンス研究会2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 腎臓内ウラン濃集部のマイクロビーム動態解析2019

    • Author(s)
      武田志乃
    • Organizer
      第14回バイオミネラリゼーション研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] ウラン腎尿細管細胞内動態解析に向けた基礎検討2019

    • Author(s)
      武田志乃、吉田峻規、沼子千弥、及川将一、上原章寛、寺田靖子、関澤央輝、新田清文、田中泉、石原弘
    • Organizer
      第55回X線分析討論会
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      2019 Annual Research Report
  • [Book] 「第7章 方法論 第10節 量子ビームを利用した元素動態解析」生命金属ダイナミクス: 生体内における金属の挙動と制御2020

    • Author(s)
      武田志乃
    • Total Pages
      8
    • Publisher
      エヌ・ティー・エス出版
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  • [Book] 「第10章 環境中のウランと生体への影響」「第17章 生体中Uの状態評価」ウランの化学(Ⅱ): 方法と実践2020

    • Author(s)
      武田志乃
    • Total Pages
      16
    • Publisher
      東北大学出版会
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      2020 Annual Research Report
  • [Book] 「第14章 放射光実験」ウランの化学(Ⅱ): 方法と実践2020

    • Author(s)
      上原章寛
    • Total Pages
      7
    • Publisher
      東北大学出版会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2019-07-04   Modified: 2022-07-01  

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