2023-11-22 九州⼤学
ポイント
- 光励起三重項電⼦スピンを⽤いた動的核偏極法による NMR の⾼感度化は、これまで最も重要なMRI 癌プローブであるピルビン酸に適⽤できなかった。
- 超分⼦相互作⽤を利⽤することによって疎⽔性の偏極源分⼦と親⽔性のピルビン酸の相溶性を向上させ、⾼感度化されたピルビン酸 ¹³C-NMR を観測することに成功した。
- ⾼核偏極化したピルビン酸を⽤いた⾼感度 ¹³C-MRI 癌診断への応⽤に繋がると期待される。
概要
核磁気共鳴分光法 (NMR)*1 や磁気共鳴イメージング (MRI)*2 は今⽇の化学・医療分野では必要不可⽋な分光法です。しかし、その感度は⾮常に低く、特に MRI では観測対象が体内に多量に存在する⽔分⼦に限られています。NMR や MRI を⾼感度化する⼿法として、電⼦スピンの⾼偏極状態を核スピンへと移⾏する動的核偏極法 (DNP)*3 があります。電⼦スピンとして特に光励起三重項電⼦スピンを⽤いた triplet-DNP は穏和な条件で DNP を実⾏できることから、低コストで⾼感度 MRI を実現できる技術として注⽬されています。
今回、九州⼤学⼤学院⼯学研究院の濱地智之⼤学院⽣、楊井伸浩准教授、北⾥⼤学未来⼯学部の渡辺豪教授、理化学研究所開拓研究本部及び仁科加速器科学研究センターの⽴⽯健⼀郎研究員、上坂友洋主任研究員らの研究グループは、医療応⽤に向けて最も重要な MRI 癌プローブであるピルビン酸の¹³C核スピンを triplet-DNP によって⾼偏極化することに初めて成功しました。
これまで triplet-DNP に⽤いられてきた偏極源分⼦は疎⽔的なペンタセンに限られており、応⽤上重要な⽣体分⼦プローブである親⽔的なピルビン酸とは相溶性が悪く、ピルビン酸の⾼核偏極化は困難でした。研究グループは、⽔溶性ペンタセン誘導体とシクロデキストリンとの超分⼦相互作⽤を利⽤することで偏極源の分散性を改善し、ピルビン酸の ¹³C 核スピンへの偏極移⾏を実現しました。
今回の成果により、応⽤上最も重要な⽣体分⼦プローブであるピルビン酸を triplet-DNP によって⾼核偏極化することが可能になり、低コストで⾼感度な ¹³C-MRI 癌診断に繋がると期待されます。
本研究成果は、⽇本時間2023 年11 ⽉21 ⽇(⽕)に英国 Royal Society of Chemistry の国際学術誌「Chemical Science」にオンライン掲載されました。
偏極源-シクロデキストリン超分⼦錯体からピルビン酸 への偏極移⾏の様⼦
楊井准教授からひとこと
主に量子物理分野で開発されてきた光励起三重項を用いた動的核偏極法ですが、最も重要な癌プローブであるピルビン酸に適用できませんでした。そこで化学的な手法を適用することでこの問題を解決し、我々が掲げる「量子と生命を化学で繋ぐ」というコンセプトを実証出来ました。今後は実用化に向けた偏極率の向上に取り組んで参ります。
用語解説
(※1) 核磁気共鳴分光法 (NMR)
核スピンは静磁場中とのゼーマン相互作用により、磁場の向きと同じあるいは逆向きの2状態に分裂します(α スピン、β スピン)。2状態のエネルギー差に対応する周波数のラジオ波を照射することで核スピンの共鳴現象が起こります。核スピンの共鳴エネルギーは、分子構造や分子のおかれている環境によって変化するため、NMR 測定から分子構造や分子のダイナミクスを解析することが可能です。
(※2) 磁気共鳴イメージング (MRI)
MRI は NMR の原理を利用したイメージング手法であり、生体内部を非破壊・非侵襲で撮像することが可能です。¹H 核スピンの緩和時間は体内組織や器官によって異なるため、信号強度の違いからコントラストを表示し、組織の状態を診断することができます。
(※3) 動的核偏極法 (Dynamic Nuclear Polarization :DNP)
電子スピンは高磁場・極低温において100%に近いスピン偏極率を有します。動的核偏極法では、電子スピンにマイクロ波を照射することで核スピンへと偏極状態を移行します(下図)。その結果、核スピンの偏極率が向上し、高感度化した NMR や MRI が得られます。
動的核偏極法(DNP)の模式図。マイクロ波照射によって電子スピンの高偏極状態を核スピンへと移行し、高偏極化した核スピンが得られる。
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論文情報
掲載誌:Chemical Science
タイトル:Triplet Dynamic Nuclear Polarization of Pyruvate via Supramolecular Chemistry
(超分子化学によるピルビン酸のtriplet-DNP)
著者名:濱地智之・西村亘生・坂本啓太・川嶋優介・河野宏徳・佐藤俊輔・渡辺豪・立石健一郎・上坂友洋・楊井伸浩
DOI:10.1039/D3SC04123A
研究に関するお問い合わせ先
⼯学研究院 楊井 伸浩 准教授
