2021 Fiscal Year Annual Research Report
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 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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| Keywords | 量子ビーム / 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 / ウラン / 腎臓 |
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| 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。
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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。
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| 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。
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