「酸化ストレス」を検出する世界初の量子センサーを開発

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光とMRIを使い、生活習慣病や炎症から体を守る先制医療に向けて

2021-01-29 量子科学技術研究開発機構

発表のポイント

  • 生活習慣病や炎症等から生じる体内の酸化ストレス1)状態を可視化するために、強い蛍光を発する量子ドット2)と、MRI3)造影剤を組み合わせた量子センサーを開発しました。
  • この量子センサーは細胞内の活性酸素4)の産生と活性酸素を消去する抗酸化能5)の両者を捉え、そのバランスが崩れた状態である酸化ストレスに応答して量子ドットの蛍光とMRIの信号がON/OFFします。
  • この量子センサーを応用、発展させることで、量子ドットの高輝度の蛍光を利用した血液検査により酸化ストレスの状態を手軽に観察できます。血液検査で強い酸化ストレスが検出されたらMRIにより全身を調べ、病気が発症する前の段階で、酸化ストレスが生じている部位を特定できます。
  • 本研究成果はがん・認知症・糖尿病などの生活習慣病が発症する前に予防的な介入をする、という将来の先制医療に繋がると期待されます。また、感染症によって、心臓や脳などに深刻な障害が起きつつあるか、後遺症リスクがどの程度あるかを推定する重要な手法になると期待できます。

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長 平野俊夫。以下「量研」という。)量子医学・医療部門放射線医学総合研究所分子イメージング診断治療研究部のルミアナ バカロバ主任研究員、青木伊知男グループリーダー、東達也部長は、ブルガリアのソフィア大学・ブルガリア科学技術アカデミーとの国際共同研究で、酸化ストレスに応答して、量子ドットの蛍光とMRIの信号がON/OFFする量子センサーの開発に成功しました。

酸化ストレスとは、生活習慣、病気の存在、ストレス、老化等の様々な原因により、体を傷つける活性酸素の産生が過剰となり、それを消去する抗酸化能とのバランスが崩れた状態をいいます。酸化ストレスは、炎症を伴う非常に多くの病気と関連し、例えば、感染症、がん、心筋梗塞、動脈硬化症、腎機能障害、また認知症、パーキンソン病、自閉症、うつ病などの脳疾患が酸化ストレスと関連していると言われています。こうした多くの病気から体を守るためには、酸化ストレスの状態を常に把握し、体のどこでバランスが崩れているかを知り、病気になる前に介入する必要があります。

しかし、病気を発症する活性酸素の量が決まっているわけではありません。また、活性酸素の産生や抗酸化能には個人差があります。このため、「活性酸素の過剰な状態(酸化状態)」と「抗酸化の能力(還元状態)」の両方を捉えないと、どちらの方が強く、または弱くなって酸化ストレスの状態になったかはわからないのですが、既存のセンサーでは両方の状態を捉えることができません。

そこで、国際共同チームは、細胞内の酸化ストレスに応答して、量子ドットの蛍光とMRIの信号がON/OFFする「量子センサー」を開発しました。このセンサーは、直径約2 nmの量子ドットの表面を、生体に安全なシクロデキストリン(糖の一種)で被覆し、MRI造影剤として機能するニトロキシルラジカル6)という化合物と結合させたものです。酸化状態(酸化ストレス状態)になると量子ドットの蛍光が消失し(OFF)、MRI信号が上昇(ON)します(図1右)。還元状態になると量子ドットが蛍光を発し(ON)、MRI信号が低下(OFF)します(図1左)。この様に、双方向のセンサーで、「活性酸素の過剰な状態(酸化状態)」と「抗酸化の能力(還元状態)」の両方の状態を量子ドットの蛍光とMRIと組み合わせて捉えることができます。

量子ドットは蛍光の輝度がとても高いため、測定技術の改良により、血液サンプルで酸化ストレスを測ることができると考えられます。これができれば、血液検査等で酸化ストレスが検出されたら、MRIにより全身を調べて、体のどの部位で酸化ストレスが強く生じているか検査し、病気が発症する前の段階で治療に入る、という医学応用が考えられます。

そこで、生活習慣によって酸化ストレスが生じるモデルとして、マウスに高コレステロールのエサを2カ月間与えて飼育することにより、「高コレステロール血症」になりつつある状態を作りました。この状態では、腎臓に深刻な障害はまだ起きていませんが、軽度の炎症が生じ、尿にタンパク質が漏れる状態になります。開発した量子センサーを投与してMRIで撮像した結果、まだ深刻な腎臓の障害が起きる前の段階で、腎臓が酸化ストレス状態にあることを画像で捉えることに成功しました。

これらのことから、この量子センサーを用いた酸化ストレス評価技術を応用、発展させることで、例えば、健康診断時の血液検査によって酸化ストレスの状態を常に観察できるようになれば、前がん状態や慢性炎症による発がんリスク、糖尿病・認知症・腎臓病あるいは感染症などにおける軽度な炎症を検出し、重篤な病気が発症する前に予防的な介入をする先制医療に繋がると期待されます。

本研究は、科学技術振興機構(JST)の「センター・オブ・イノベーション(COI)プログラム(COI Stream)、日本医療研究開発機構(AMED)の次世代がん医療創生研究事業(P-CREATE)「DDS技術を基盤とした革新的がん治療法の開発」およびJSPS科研費JP18K04909による支援を受け実施されました。この成果は、米国化学会が発行する学術雑誌で、分析化学分野で最も引用数が多い国際的学術雑誌である「Analytical Chemistry」誌のオンライン版に1月28日付で掲載されました。

開発した量子センサーの模式図

図1.開発した量子センサーの模式図

研究開発の背景と目的

酸素は生命活動に必須の物質ですが、体内では、その一部が活性酸素という体を傷つける物質に変化します。体が健康なときは活性酸素の産生と、それを消去する抗酸化能のバランスが取れていて問題は生じません。しかし、生活習慣、病気の存在、ストレス、老化等の様々な原因により活性酸素の産生が過剰になる、あるいは抗酸化能が低下することによりバランスが崩れた状態を酸化ストレスといいます(図)。

活性酸素と抗酸化能のバランス

図 活性酸素と抗酸化能のバランス

酸化ストレスは、炎症を伴う非常に多くの病気との関連が指摘されています。感染症(ウイルス、細菌、寄生虫)、がん、心筋梗塞、動脈硬化症、腎機能障害、脳に関しては、ADHD7)、パーキンソン病、アルツハイマー病、自閉症、うつ病、慢性疲労症候群、アスペルガー症候群などの疾患・症候が酸化ストレスに関連していると言われています。

酸化ストレスの状態を常に把握すると共に、バランスが崩れた状態が体のどの部位で生じているかを知り、病気になる前に、活性酸素と抗酸化能のバランスを取り戻させることで、上記の多様な病気の発症の予防、予測、早期診断、そして再発の防止に役立つ可能性があります。このため、酸化ストレスを捉えるセンサーとして、蛍光やMRIのプローブなどが開発されています。

しかし、病気を発症する活性酸素の量が決まっているわけではありません。また、活性酸素の産生や抗酸化能には個人差があります。このため、「活性酸素の過剰な状態(酸化状態)」と「抗酸化状態(還元状態)」の両方を捉えないと、どちらの方が強く、または弱くなって酸化ストレスの状態になったかはわからないのですが、既存のプローブでは両方の状態を捉えることができません。

そこで研究チームは、「活性酸素の過剰な状態(酸化状態)」と「抗酸化状態(還元状態)」の両方の状態を捉えることができる双方向のセンサーの開発を目的としました。

研究の手法と成果

テレビモニタの発光材料にも使われている、直径約2nmの量子ドットの表面を、生体に安全なシクロデキストリン(糖の一種)で被覆し、MRI造影剤として機能して体内の酸化ストレス状態を可視化するニトロキシルラジカルという化合物と結合させた、新しいセンサーを開発しました。このセンサーは酸化状態になると量子ドットの蛍光が消失・MRI信号が上昇し、還元状態になると量子ドットが蛍光を発し・MRI信号が低下するように設計しました(図2)。

開発した量子センサーの模式図

図2.開発した量子センサーの模式図
量子ドットに結合させたニトロキシルラジカルが酸化されると、電子がシクロデキストリンの囲いの中に移動しやすくなり量子ドットに作用して蛍光が消えます。


このセンサーを含む還元状態の溶液に酸化剤を加えたところ、酸化能が高い酸化剤ほど蛍光量が減少しました(図3)。

図3. 量子センサーの酸化剤に対する反応

図3. 量子センサーの酸化剤に対する反応
量子ドットの蛍光強度は、酸化効果が強い化合物と混ぜると、より小さくなり、消光します。


一方、このセンサーを含む酸化状態の溶液に、抗酸化能を持つ化合物や還元剤を加えたところ、抗酸化能が高い化合物ほど、蛍光量が増加しました(図4)。

図4. 量子センサーの還元剤に対する反応

図4. 量子センサーの還元剤に対する反応
量子ドットの蛍光強度は、還元効果が強い化合物と混ぜると、より大きくなり、蛍光が再び観察できるようになります。


これらのことから、開発したセンサーが「活性酸素の過剰な状態(酸化状態)」と「抗酸化状態(還元状態)」の両方を捉えることができることが確認できました。

今後の展開

量子ドットは蛍光の輝度がとても高いため、測定技術の改良により、量子センサーを用いて血液サンプルの酸化ストレスの状態を測ることができると考えられます。これができれば、血液検査等で酸化ストレスが検出されたら、今度は量子センサーをMRI造影剤として用いて全身を調べて、体のどの部位で酸化ストレスが強く生じているか検査する、という医学応用が考えられます。そこで、生活習慣によって酸化ストレスが生じるモデルとして、マウスに高コレステロールのエサを与えて2ヶ月間飼育し、「高コレステロール血症」になりつつある状態を作り出しました。この状態では、腎機能の低下や腎組織の障害はまだ起きていませんが、腎臓で軽度の炎症が生じ、尿にタンパク質が漏れる状態になっています。​

量子センサーを投与してMRIで撮像した結果、通常の食事で飼育された健康なマウスでは腎臓付近の信号が短時間で消えましたが(図5左)、高コレステロール血症になりつつある状態のマウスでは、腎臓とその周囲の組織で長時間MRI信号が高い状態が維持され、酸化ストレスの存在が観察されました(図5右)。現在、病院で使われているMRIやCTなどの診断技術では、かなり悪化が進んだ腎障害の診断は可能ですが、こうした初期の腎機能の失調を観察することはできません。

図5.量子センサーを投与して撮像したマウスの腎臓のMRI画像

図5.量子センサーを投与して撮像したマウスの腎臓のMRI画像
量子センサーを投与する前にMRIを撮影して得られた信号強度を、投与後に撮像した信号強度から差し引いた画像(差分画像)。投与後の信号強度が高く、差分が大きいところほど明るく見えるように着色しています。


今後、この量子センサーとMRI・蛍光イメージングを用いた酸化ストレス評価技術の研究開発を進めます。研究としては、多様な生活習慣病について、発症前に検出することができるかどうか、その検出力と精度を検証し、高める技術開発を行います。​

医療および我々の生活への応用としては、まず血液検査に応用するためには、採血後、細胞の状態を保ったまま素早く計測するための技術の改良が必要で、健康診断や献血での利用を念頭に開発を進めます。また、MRIに応用するためには、より安全な量子ドットの開発が必要で、これらは製薬企業だけでなく、材料とくに半導体を開発する企業との協力が重要になり、5年後の実用化を目標に開発を行います。

この量子センサー技術を応用・発展させることで、体内で炎症が持続的に起きていないかなど、気がつかない異常を知り、例えば、がん・糖尿病・認知症・腎臓病など病気が発症する前の段階で、予防的な介入をするという先制医療に繋がると期待されます。特に、がんの場合は、例えばごく少量のがん細胞の転移や、前がん状態などの検出に有望と考えられます。また、感染症によって、心臓や脳などに深刻な障害が起きつつあるか、後遺症リスクがどの程度あるかを推定する重要な手法になると期待できます。

用語解説

1) 酸化ストレス

生体内において、活性酸素などによる酸化反応が抗酸化作用を上回り、細胞などに有害な作用を及ぼすこと(デジタル大辞泉より引用)。

大気中には、約20%の酸素が含まれており、生物はこの酸素を利用し生命活動を維持しています。酸素は、外部からの様々な刺激を受け、反応性の高い活性酸素に変化します。活性酸素は、細胞伝達物質や免疫機能として働く一方で、過剰な産生は細胞を傷害し、がん、心血管疾患ならびに生活習慣病など様々な疾患をもたらす要因となります。そのため生体内には、活性酸素の傷害から生体を防御する抗酸化防御機構が備わっていますが、活性酸素の産生が抗酸化防御機構を上回った状態を酸化ストレスといいます(厚生労働省e-ヘルスネット、高橋将記・記述より引用)。

2) 量子ドット

量子ドットは半導体の結晶をコアとしており、発する蛍光波長は半導体材料や粒径(結晶数)によって決定される。よく利用される材料はCdSeであるが,同じ材料でも粒径を1〜10nmと変えることでバンドギャップが変化し、青から赤に蛍光波長が変化する(薬学用語解説、日本薬学会より引用)。本量子センサーに用いた量子ドットもCdSeで蛍光波長は黄色。

3) MRI

MRIはMagnetic Resonance Imagingの略で、磁気共鳴画像法と訳される。高い磁場の中で体内の水に特定の周波数の電磁波(FM電波)を与えて、共鳴により得られた信号をコンピュータにより画像化する手法です。国内では6千台以上が稼働するなど、非侵襲的に生体の断層画像を取得する方法として、診断を中心に広く臨床現場で使用されています。通常の医療では磁場の強さが3テスラ以下のMRIが使用されます。MRIは、高い磁場ほど強い信号を検出できるので、小さな個体を対象とする本研究では、7テスラMRIが使用されました。使用されたMRIでは50ミクロンの解像度で生体の断層画像を得ることができます。ヒト用の7テスラMRIも研究用に世界で50台以上稼動しており、米国で脳診断用に臨床認可を得るための申請がなされています。本研究で得られた結果は、3テスラ以下の臨床装置でも再現が可能です。

4) 活性酸素

酸素が化学的に活性になった化学種を指す用語です。一般に非常に不安定で強い酸化力を示します。

活性酸素は微量であれば人体に有用な働きをしますが、大量に生成されると過酸化脂質を作り出し、動脈硬化・がん・老化・免疫機能の低下などを引き起こします。一方、白血球から産生される活性酸素(スーパーオキシド・過酸化水素など)は、体内の免疫機能や感染防御の重要な役割を担います。また細胞間のシグナル伝達、排卵、受精、細胞の分化・アポトーシスなどの生理活性物質としても利用されています(厚生労働省e-ヘルスネット、高橋将記・記述より引用)。

5) 抗酸化能

ここでは、活性酸素の傷害から生体を防御する抗酸化防御機構の能力として使用しています。生体が有する抗酸化防御機構には、スーパーオキシドジスムターゼ、カタラーゼ、グルタチオンペルオキシダーゼなどの内因性の抗酸化酵素があります。また、抗酸化物質の能力として使用される場合もあります。例えば、ビタミンC、ビタミンE、カロテノイド類、カテキン類などが外因性の抗酸化物質です。

6) ニトロキシルラジカル

ニトロキシド基を含む化合物で、古くは電子スピン共鳴法(ESR または EPR)を用いて、フリーラジカル反応を研究するための分子プローブとして使用されてきました。「ラジカル」という名称を含むが、フリーラジカルとは違い安定型のラジカルのため、逆に不安定なフリーラジカルと結合して、安定化させる「ラジカル消去剤(スカベンジャー)」としての作用を持ちます。MRI でも「酸化型」では信号が検出可能で、フリーラジカルを消去する能力が高い状態では、酸化型から還元型に移るため、この信号が消える設計となっています。近年、組織の酸化還元反応(レドックス)を検出する方法として再び注目されていいます。併せて、米国では、放射線治療の際に脱毛を防止する放射線防護剤として注目され、臨床応用が進められる他、脳梗塞を発症した際の保護的効果など、造影剤としてだけでなく、薬剤としての有用性もあります。

7) ADHD(Attention-deficit hyperactivity disorder)

年齢あるいは発達に不相応に、不注意、落ちつきのなさ、衝動性などの問題が、生活や学業に悪影響を及ぼしており、その状態が6ヶ月以上持続していることと定義されています。脳機能の発達や成熟に偏りが生じた結果と考えられていますが、その原因はまだよくわかっていません(国立神経・精神医療研究センターNCNP病院より引用)。

掲載論文

Analytical Chemistry (ACS publication)

2019 Impact Factor: 6.785

2019 Total Citations: 140,785

Quantum sensors to track total redox-status and oxidative stress in cells and tissues using EPR, MRI and optical imaging

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