光感受血管からの局所血行力学コントラストを検出することによる生物発光のイメージング

2024-05-23 Thu
学術ニュースレポート：新しいMRI技術が感光血管の局所血流動態を検出することで生物蛍光イメージングを実現学術背景紹介
生物発光プローブは、生体内の生物医学関連プロセスや細胞ターゲットのモニタリングに広く使用されています。しかし、組織による可視光の吸収と散乱は、生物発光の検出深度と分解能を大きく制限します。特に脳内では、頭蓋骨による光子の阻害が短波長光の伝播を制限し、生物発光イメージング（Bioluminescence Imaging, BLI）のデータが浅い層のものに限られ、多くは二次元の投影であり、深さ情報に欠けています。
これらの制限を克服するために、研究者たちは光音響トモグラフィーや他の光散乱再構成に基づく方法を開発しましたが、これらの方法には先験知識と独立したイメージングモードの解剖情報の登録が必要です。別の方法として、生物発光の出力を局所的に他のタイプの信号に変換し、X線トモグラフィー、超音波、または磁気共鳴イメージング（MRI）などの深部組織イメージングを使用して検出することが考えられます。既に光を有用なMRI信号に変換することができるいくつかのプローブ構造が提案されていますが、これらの方法は分解能と感度が不足しており、体内でのBLIの応用をサポートできません。
論文出典この研究は「Nature Biomedical Engineering」に掲載されました。研究チームはマサチューセッツ工科大学（Massachusetts Institute of Technology, MIT）の生物工学部、大脳と認知科学部、核科学および工学部から成ります。もちろん、Max Planck Institute for Biological CyberneticsおよびUniversity of Texas Southwestern Medical Centerからの貢献もあります。Robert OhlendorfとNan Liが本稿の共同第一著者であり、論文の責任著者はAlan Jasanoffです。
研究プロセスと方法紹介a) 研究プロセスこの研究の核心概念は、血管内感光受容体蛋白bpacを利用して生物発光源を感知し、血流動態信号を生成することです。具体的なプロセスは次のとおりです：
光受容蛋白bpacの体外キャラクタリゼーション：まず、ナノルシフェラーゼ（NanoLuc）、改良型ガウシア・ルシフェラーゼ（Gluc）、およびGlucm23を含むさまざまな青色生物発光素酵素の光出力を検出しました。研究により、最も明るいGlucm23が発見され、後続実験の発光源として選択されました。
細胞実験：中国ハムスター卵巣細胞（CHO）と血管平滑筋細胞（VSMCs）を選び、光受容蛋白bpacでcAMP信号伝達を引き起こし、体内での血流動態変化をシミュレートしてテストしました。
体内実験：光照射とMRI：bpacを含むアデノウイルスをラット脳の特定部位に注射し、その後光照射実験を行いました。導光ファイバーを通じて青色光を伝送することで、光活性化後に局所血流の顕著な変化が実現されました。
体内実験：発光異種移植細胞の検出：bpacおよび発光蛋白を表現する脳領域にGlucm23を表現する細胞を植え付けました。MRI連続スキャンで、脳深部での発光細胞による血流動態の変化を検出しました。
b) 主な研究結果体外キャラクタリゼーション結果：生物発光素酵素の輝度を測定し、Glucm23がNanoLucおよびGlucよりも高い輝度を持つことを発見しました。これにより、さらに研究を進めるためにGlucm23が選択されました。また、実験では、bpacはVSMCsで効果的に光依存的なcAMPを生成できることが示されました。
VSMCs細胞におけるbpac光受容蛋白の体外実験：光照射条件下で琼脂糖酸葡萄糖（cAMP）生産メカニズムのよる顕著な細胞内信号が引き起こされることが実験により示されました。
体内光照射実験結果：ラット脳血管に光受容蛋白を導入することにより、高磁場強度下で光感受領域の顕著な信号変化が検出でき、光誘発血流動態信号の検出の可能性が証明されました。
異種移植細胞の生物発光検出：bpacを表現する脳領域に生物発光細胞を移植し、連続MRIスキャンで発光による血流変化を成功裏に捕捉でき、生物発光信号が脳深部で効果的に検出できることを示しました。
研究結論と意義研究によると、光で血管平滑筋内の光受容蛋白を活性化させることで、生物発光信号を血流動態信号に変換し、磁気共鳴イメージングを使用して検出できることが示されました。この方法は、生物発光プローブの深部組織での応用範囲を著しく拡大させ、特に脳科学研究における応用の前景を示しています。
現在、Bioluminescenceは基礎および臨床前生物学に広く応用されており、この研究は高い科学的価値と応用価値を持っています。例えば、神経過程のより深い研究、より正確な腫瘍検出、および血管新生モニタリングに使用できます。
研究のハイライト技術革新：生物発光信号をより容易に検出可能な血流動態信号に変換することで、深部組織での光の伝播の制限を根本的に解決しました。
広い応用前景：この方法は脳科学研究だけでなく、他の深部組織イメージングが必要な領域にも適しています。
イメージング分解能と深度：高磁場強度のMRIを使用することで、高分解能と深度イメージングが実現され、深部脳組織で生物発光信号の検出に成功しました。
さらに、この研究はさらなる最適化と改良の可能性を示しています。例えば、感光受容蛋白をより均等に分布させることで、イメージングの精度と感度を向上させることができます。研究チームの次のステップは、全組織での感光受容蛋白のより広範な分布を実現し、他のイメージングモードでこれらの信号を検出する可能性を探ることです。
まとめこの研究は、生物発光信号を血流動態メカニズムを通じてMRIで検出可能な革新的な方法に変換しました。この画期的技術は、将来の光プローブの深部組織応用や多種多様な生物医学研究に新たな道を開き、より包括的で正確な生物イメージング技術に新たなアイデアを提供します。