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
• Project/Area Number: 19H05775
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: National 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, 上席研究員 (00272203)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥66,820,000 (Direct Cost: ¥51,400,000、Indirect Cost: ¥15,420,000); Fiscal Year 2023: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000); 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 / 蛍光Ｘ線分析 / 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

生命金属の理解には、組織構造や細胞配列を保持したまま、生命金属の分布や化学形を把握する必要がある。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、放射光やプロトンなどの量子ナノビームを利用して非破壊的に生命金属動態を可視化、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組み合わせた、バイオ・ケミカルイメージングの確立に取り組む。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（放射光蛍光X線分析）、PIXE（荷電粒子励起X線）分析、XAFS（X線吸収微細構造法）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3年度はケミカルイメージングの高度化を中心に行った。ナノ計測や3次元計測に取り組むとともに、領域内連携を展開し、様々な生体試料に対応した。また、シングルセルイメージングのためのバイオイメージングにも取り組んだ。

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3年度は引き続き組織局在性を把握しているウラン投与ラット腎臓試料を用いてのバイオイメージングのためのハイパースペクトル画像を構築するとともに、他の組織への応用等ケミカルイメージングの高度化を進めた。またシングルセルのバイオイメージングについても検討した。
1）バイオイメージング：散乱光を利用した細胞のバイオイメージングとして、29.43 - 31.73 keVの散乱光を可視化したところ、細胞の明視野画像とよく一致し細胞膜や核が明確に判別可能な細胞構造の画像が得られた。この散乱光イメージングは目的元素のイメージングと同時に取得できることから、シングルセルイメージングにおいて活用が期待できる。また自家蛍光によるバイオイメージングを腸管組織に応用した。絨毛やクリプトの構造が識別できた。
2）ケミカルイメージング高度化：放射光ナノビーム（ビーム径：100 nm × 100 nm）SR-XRFによる元素分布解析を行い、ウランをばく露した細胞内の数百ナノ四方のウラン局在部を見出した。放射光μCT差分吸収法によるウランの3次元計測を検討した。ウラン溶液を用いたファントムにより定量化を検討した。領域内連携を展開し、カドミウムやプラチナ等の生命金属についても薄切分析標準による腎臓組織試料における定量化の適正評価を行った。環境生物試料の昆虫硬組織や貝類消化管等における生命金属分布についてμPIXE分析を開始し、元素局在部における共存元素情報を収集した。また神経変性疾患症例における生命金属分布解析にも着手した。

Strategy for Future Research Activity

今後はこれまで確立してきた量子ビームケミカルイメージングを領域内連携・展開により生命金属動態の理解につなげるとともに、精度高度化と汎用手法の開発を進める。令和4年度はバイオイメージングならびにケミカルイメージングの汎用手法に向けてハイパースペクトルの元素・化学形特性解析を中心に検討を行う。
1）バイオイメージング：元素の化学状態に特有なハイパースペクトルの構築を行う。金属スカベンジャー等の各種官能基を付加した特殊樹脂等を活用し、化学形分別・特定のための標準を開発する。領域内連携し、組織元素局在部のハイパースペクトルをXAFSにより精査し、元素および化学形のハイパースペクトルライブラリーを拡充する。パイパースペクトル情報を共有、汎用イメージング手法に展開させる。
2）ケミカルイメージング：細胞内化学形情報の構築と酸化状態のイメージングを主体に取り組む。細胞内生命金属の精細イメージングのためのナノ計測では、試料ステージ稼働の際の微細振動も位置情報の正確性に大きく影響することから、2次元XAFS用の分析標準を開発し、位置精度の検証を行う。3次元計測については定量化の精緻化を進める。
3）　バイオ・ケミカルイメージングの高度化：腎臓以外にも腸管や神経組織等へも応用し解析技術の高度化を行う。本解析技術を活用して組織・細胞内元素濃集の元素特異性を明らかにする。ウラン生体濃集について、濃集部の細胞小器官や濃集経路の対応を検討する。ケミカルイメージングの汎用手法に向け、元素局在・化学形特異的なハイパースペクトルによる可視化を試みる。

Research Products

• [Journal Article] マイクロPIXEによる腸管の元素分布解析 (2022)
  • Author(s): 薬丸晴子、田中泉田、中美香、横地和子、阿山香子、及川将一、上原章寛、石原弘、武田志乃
  • Journal Title: X線分析の進歩 Volume: 53 Pages: 195-202
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 放射光μCTによるラット大腿骨内に濃集するウランの三次元定量化法の検討 (2022)
  • Author(s): 大澤大輔、上原章寛、小西輝昭、寺田靖子、星野真人、上杉健太朗、武田志乃
  • Journal Title: X線分析の進歩 Volume: 53 Pages: 127-138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Single-Cell Imaging for Studies of Renal Uranium Transport and Intracellular Behavior (2021)
  • Author(s): S. Homma-Takeda, H. Fujishiro, I. Tanaka, H. Yakumaru, K. Ayama, A. Uehara, M. Oikawa, S. Himeno, H. Ishihara
  • Journal Title: Minerals Volume: 11 Issue: 2 Pages: 191-191
  • DOI: 10.3390/min11020191
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantitative Analyses of Urinary Uranium by μ-PIXE (2021)
  • Author(s): A. Uehara, M. Oikawa, I. Tanaka, H. Ishihara, S. Homma-Takeda
  • Journal Title: Minerals Volume: 11 Issue: 2 Pages: 147-147
  • DOI: 10.3390/min11020147
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Presentation] マイクロPIXEによる生命金属分布解析 (2021)
  • Author(s): 武田志乃
  • Organizer: 第33回タンデム加速器及びその周辺技術の研究会
  • Invited
• [Presentation] 量子ビームを利用した生命金属動態解析 (2021)
  • Author(s): 武田志乃
  • Organizer: 金属創薬シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] ウラン体内動態に関する検討：尿細損傷回復期の腎臓内元素分布解析 (2021)
  • Author(s): 武田志乃、薬丸晴子、上原章寛、田中泉、及川将一、石原弘
  • Organizer: 2020年度量研機構共用施設成果報告会
• [Presentation] ウラン細胞内動態に関する研究：PIXEシングルセルイメージング (2021)
  • Author(s): 田中泉、藤代瞳、薬丸晴子、田中美香、横地和子、阿山香子、上原章寛、石原弘、及川将一、武田志乃
  • Organizer: 2020年度量研機構共用施設成果報告会
• [Presentation] 腎臓内元素動態に関する研究：腎臓内カドミウム分布解析 (2021)
  • Author(s): 藤代瞳、田中泉、上原章寛、石原弘、及川将一、武田志乃
  • Organizer: 2020年度量研機構共用施設成果報告会
• [Presentation] Intracellular dynamics of uranium distribution in cultured renal tubular cells (2021)
  • Author(s): 武田志乃、藤代瞳、田中泉、薬丸晴子、阿山香子、上原章寛、及川将一、関澤央輝、新田清文、姫野誠一郎、石原弘
  • Organizer: 第48回日本毒性学会学術年会
• [Presentation] X‐ray absorption spectroscopy on uranium ligand exchange in serum between biological ligands and chelating agents (2021)
  • Author(s): 上原章寛、松村大樹、辻卓也、薬丸晴子、田中泉、城鮎美、齋藤寛之、石原弘、武田志乃
  • Organizer: 第48回日本毒性学会学術年会
• [Presentation] シンクロトロンX線μCT法によるラット大腿骨内に濃集するウラン分布の可視化 (2021)
  • Author(s): 大澤大輔、上原章寛、小西輝昭、寺田靖子、星野真人、上杉健太朗、武田志乃
  • Organizer: 第30回バイオイメージング学会学術集会
• [Presentation] Bioconcentration of uranium and tissue alteration in kidney of rats exposed to uranyl acetate during tubular development (2021)
  • 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: 第64回放射線影響学会
• [Presentation] X線吸収分光法を用いた血清内の生体内配位子及び除染剤キレートによるウランの配位状態解析 (2021)
  • 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
• [Presentation] 腸管組織の元素分布解析のための試料調製法の検討 (2021)
  • Author(s): 薬丸晴子 田中泉、及川将一、上原章寛、石原弘、武田志乃
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会
• [Presentation] 腸管のPIXEによる元素分布解析 (2021)
  • Author(s): 薬丸晴子、田中泉、及川将一、上原章寛、石原弘、武田志乃
  • Organizer: 第57回Ｘ線分析討論会
• [Presentation] 放射光μCTによるラット大腿骨内に濃集するウランの3次元定量化法の検討 (2021)
  • Author(s): 大澤大輔、上原章寛、小西輝昭、寺田靖子、星野真人、上杉健太朗、武田志乃
  • Organizer: 第57回Ｘ線分析討論会
• [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
  • 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
  • Invited
• [Presentation] Application of Quantum beam Elemental Analyses for Dynamics of Cellular Distribution of Bio-metals (2020)
  • Author(s): S. Homma-Takeda
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会
  • 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
  • Invited
• [Presentation] Application of Elemental Imaging with Quantum beam to Toxicological Studies of Uranium (2020)
  • 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
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of Uranium Concentrated Areas and the Surrounded Tissue Characteristics in Kidney (2020)
  • 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
• [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
• [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
  • 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
  • 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
• [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
• [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
• [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