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 Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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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, グループリーダー (00272203)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| 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)
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| 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 |
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| 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。
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| 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。
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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。
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| 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。
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
