超伝導磁束量子ビットを用いて神経細胞中の鉄イオンの検出に成功：医療技術ニュース

日本電信電話と静岡大学は、10μm程度の超伝導磁束量子ビットを高感度、高空間分解能磁場センサーとして利用することで、単一細胞相当の空間分解能で神経細胞中の鉄イオンの検出に成功した。

[MONOist]

　日本電信電話（NTT）と静岡大学は2023年2月6日、10μm程度の超伝導磁束量子ビットを高感度、高空間分解能磁場センサーとして利用し、単一細胞相当の空間分解能で神経細胞中の鉄イオンを検出することに成功したと発表した。

研究概要［クリックで拡大］ 出所：日本電信電話

　センサーとして用いた超伝導磁束量子ビットは、超伝導ループを含む超伝導回路により構成される量子ビットで、20個の電子スピン（鉄イオン）を検出できる。設計パラメーターの調整により磁場への感度を高められるため、磁化測定に適している。

　今回の研究では、超伝導磁束量子ビットを作製したシリコン基板上に、厚さ2μmの絶縁膜（パリレン）上で培養した神経細胞を貼り付け、極低温で磁化を測定した。

パリレン膜とその上で培養した神経細胞［クリックで拡大］ 出所：日本電信電話

　外部から試料に磁場を印加した際、試料に不対電子が含まれていると、低温では電子スピンの方向がそろって磁化が大きくなる。一方、高温では向きがそろわず、磁化が小さくなるという性質がある。

　温度を変えながら試料の磁化を測定したところ、温度の低下と磁場の増加に伴って磁化が大きくなり、試料中に不対電子が存在することが示された。また、パリレン膜のみの磁化は、パリレン膜上で培養した神経細胞の磁化よりも十分に小さく、観察された磁化が主に神経細胞由来であることが確認された。

（a）10ミリテスラの磁場下において超伝導磁束量子ビットを用いて検出した磁束の温度変化。（b）異なる磁場下において超伝導磁束量子ビットを用いて検出した磁束の温度変化［クリックで拡大］ 出所：日本電信電話

　次に、神経細胞を電子スピン共鳴装置で測定したところ、不対電子の状態を知るための値「g因子」において、鉄（III）イオンに特徴的なスペクトルである9.8および4.3にピークが現れ、磁化の起源が主に神経細胞中の鉄（III）イオンであることが示された。

神経細胞の電子スピン共鳴スペクトル。緑矢印がg因子9.8、赤矢印がg因子4.3、青矢印がg因子2.0のピーク［クリックで拡大］ 出所：日本電信電話

　磁化の大きさと含まれる不対電子の数は1対1に対応するため、含まれる鉄の量も推定できる。乾燥細胞1g中に含まれる鉄は6μgと推定され、先行研究と矛盾しない結果が得られた。

　今回の研究は単一細胞相当での検出について原理実証したが、今後は細胞組織内でのイオン分布を可視化するといった応用が期待される。さらに、細胞単位での空間分解能で微量の金属元素が分析可能になることで、高精密な病理検査法の確立にも寄与する。