広報活動

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2018年2月23日

理化学研究所
日本医療研究開発機構
革新的技術による脳機能ネットワークの全容解明プロジェクト

脳の深部を非侵襲的に観察できる人工生物発光システムAkaBLI

―霊長類動物にも適用可能、高次脳機能のリアルタイム可視化への応用-

蛍光タンパク質を含むさまざまな蛍光分子がバイオイメージングで著しく活躍していますが、蛍光には励起光が必要で、これに基づく弱点がいくつかあります。深部にある蛍光分子に励起光を送り込むことが難しく、高感度で定量的な観察が期待できないのです。一方、生物発光は光照射を必要としません。

今回、理研を中心とした共同研究グループは「人工生物発光システムAkaBLI」を開発しました。AkaBLIは、2013年に開発した人工基質AkaLumineと、AkaLumineに合わせて今回開発した人工酵素Akalucから構成されます。動物個体のバイオイメージングにおいては、一般的にホタルの生物発光システム(天然基質D-luciferinと天然酵素Fluc)が用いられていますが、AkaBLIを用いると深部からの発光シグナルを従来と比べ100~1,000倍の強さで検出できることが分かりました。

具体的には、マウスの線条体(大脳皮質下の領域)の中の標識神経細胞からの発光を、無麻酔かつ自由行動の状態で非侵襲的に可視化することに成功しました。同様に、マーモセット(霊長類動物)の成体でも可視化を実現しました(図参照)。また、マウス海馬のわずか数十個の神経細胞がさまざまな環境の変化に応じて興奮する様子を、同一動物個体を使って追跡することができました。昨今、脳深部を観察する光学的技術として例えば蛍光内視鏡が注目されていますが、強い侵襲性と狭い観察視野が問題となっています。AkaBLIを使えば、注目する神経回路を遺伝的にAkalucで標識し、その活性化を非侵襲的かつ包括的にモニタすることができます。本成果は、高等動物の高次脳機能をより自然な状況で解析するための技術として期待できます。

また、Akalucで標識した腫瘍細胞がマウスの肺の毛細血管にトラップされる現象を一細胞レベルで可視化することにも成功しました。AkaBLIは、少数の腫瘍細胞や幹細胞の新生や移入、さらにその後に起こる生着、増殖、転移などの現象を高感度にかつ定量的に観察することを可能にし、動物個体を扱う生命科学分野で幅広い活躍が期待されます。

A FIRE-MONKEY.マーモセット線条体のAkaBLI発光シグナル(自由行動下)の図

図 A FIRE-MONKEY.マーモセット線条体のAkaBLI発光シグナル(自由行動下)

理化学研究所
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 宮脇 敦史 (みやわき あつし)
(光量子工学研究領域 エクストリームフォトニクス研究グループ 生命光学技術研究チーム チームリーダー)
基礎科学特別研究員 岩野 智 (いわの さとし)