脳の深部イメージングの性能を非浸襲で飛躍的に向上、人工生物発光システム：医療技術ニュース

理化学研究所は、脳の深部を観察できる人工生物発光システム「AkaBLI」を開発した。天然基質による従来法に比べ、発光シグナルを100〜1000倍の強さで検出できる。非侵襲のため、ストレスに影響を受けやすい生体現象を調べる上で有用な手法だ。

[MONOist]

　理化学研究所は2018年2月23日、脳の深部を非侵襲で観察できる人工生物発光システム「AkaBLI」を開発したと発表した。この研究は、同研究所 脳科学総合研究センター 細胞機能探索技術開発チーム チームリーダーの宮脇敦史氏らの共同研究グループによるものだ。

　動物個体のバイオイメージングでは、一般的にホタルの生物発光システムである、天然基質D-luciferinと天然酵素Flucが用いられるが、D-luciferinには、組織透過性があまりよくないという課題がある。また、脳深部の観察技術として注目される蛍光内視鏡は、侵襲性の強さと観察視野の狭さが問題となっている。

　AkaBLIは、脳深部を非侵襲的、包括的にモニターできることから、高等動物の高次脳機能をより自然な状況で解析できる。また、少数の腫瘍細胞や幹細胞から始まる生着、増殖、転移などの現象を高感度かつ定量的に観察可能で、動物個体を扱う生命科学分野での幅広い利用が期待される。

　AkaBLIは、2013年開発の人工基質AkaLumineと、AkaLumineに合わせて今回開発した人工酵素Akalucから構成される。AkaBLIをマウス実験に用いたところ、天然基質による従来法と比較して、肺や脳の深部からの発光シグナルを100〜1000倍の強さで検出できることが分かった。

　また、AkaBLIを用いてマウスの線条体の中の標識神経細胞を発光させた。その結果、麻酔なしかつ自由に行動できる状態で、線条体からのシグナルを毎秒十数枚の速度で追跡できた。この高速撮影は、マウスにAkaLumineを注射する方法だけでなく、AkaLumine含有水の経口投与でも可能だったことから、AkaBLIはストレスに影響を受けやすい生体現象を調べる上で有用だと考えられる。

　さらに、より高次の脳機能を解析するために用いられる霊長類動物マーモセット（成体）でも1年以上にわたり発光シグナルを明瞭に観察できた。同じ個体で無麻酔、自由行動下の発光追跡もできた。

　この他、AkaBLIを使って、マウスの海馬領域の神経細胞が環境の変化に応じて興奮したりしなかったりする様子を同一マウス個体を使って追跡した。実験終了後に脳を観察したところ、Akalucが導入された神経細胞はわずか49個だった。これにより、少数の標識で海馬の神経興奮を追跡可能なこと、つまりAkaBLIが実用的な明るさであることが証明された。

　最後に、Akaluc発現腫瘍細胞とAkaLumineの組み合わせによって、マウスの尾静脈から多数注入された腫瘍細胞が肺の毛細血管にトラップされる現象を、1細胞レベルで可視化することにも成功した。

人工生物発光システムAkaBLIの開発。ホタルの生物発光を基質と酵素の両面から共進化した 出典：理化学研究所

マウス線条体の発光シグナル（従来法とAkaBLIシステムとの比較） 出典：理化学研究所