第48回のスポットライトリサーチは、東京工業大学 生命理工学院・口丸高弘 助教にお願いしました。

口丸先生の属する近藤研究室では、とりわけがん組織に特徴的な微小環境のバイオイメージング法の開発を一つの柱として取り組んでいます。今回紹介する成果は、問題点の一つだった、蛍光分子の長波長化を達成し、それが実際に深部イメージングに有効であることを実証したという内容になります。プレスリリースおよび論文として公開されたことを機に、紹介させて頂く運びとなりました。

“A luciferin analogue generating near-infrared bioluminescence achieves highly sensitive deep-tissue imaging”
Kuchimaru, T.; Iwano, S.; Kiyama, M.; Mitsumata, S.; Kadonosono, T.; Niwa, H.; Maki, S.; Kizaka-Kondoh, S. Nat. Commun. 2016, 7, 11856. doi:10.1038/ncomms11856

研究室を主宰されている近藤科江 教授は、口丸先生をこう評しておられます。

口丸さんは、大学・大学院で量子工学を専攻し、X線顕微鏡を組み立てる研究をしていました。しかし、X線顕微鏡で観る対象である細胞に興味をもち、生物をほぼ独学で習得し、現在は、工学・生物学・医学の境界領域の研究に取り組んでいます。好奇心・探求心が彼の研究を、より大きく、深いものにしています。これからの成長が楽しみです。

それではいつも通り、現場のお話を伺ってみました。

Q1. 今回のプレス対象となったのはどんな研究ですか？簡単にご説明ください。

生物発光イメージングの重要な課題であった発光波長の長波長化を達成し、生体深部組織の高感度イメージングを可能にする実用的な合成基質AkaLumine-HCl (Aka-HCl)を報告しました。

生物発光イメージングは、バックグラウンドシグナルが非常に小さく、生体組織や小動物の非侵襲イメージングにおいて、蛍光イメージングよりも高感度に生命現象を可視化できます^[1]。しかし、現在、標準的に用いられているホタルルシフェラーゼ (Fluc)とその天然基質のD-luciferinによって生成される生物発光の最大波長は約560 nmと生体組織に吸収されやすく、生体深部組織のイメージングに課題を残していました^[2]。　Aka-HClとFlucの反応によって生成される最大発光波長677 nmの生物発光は(図1a)、D-luciferinよりも生体深部を高感度にイメージング可能であることをマウスのがん転移モデルなどを使って示しました (図1b)。

図1 (a) Aka-HClとD-luciferinの化学構造とFlucとの反応によって生成によってされる生物発光 (BL)スペクトル。(b) Flucを発現するがん細胞によって形成されたマウス肺転移の検出感度の比較。

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

私自身は、生体光イメージングを使ったがん生物学の研究に従事しており^{[3, 4]}、化学者ではありません。本研究論文の共著者である、発光基質の有機合成を専門に研究している電気通信大学の牧昌次郎先生と岩野智さんとは、2013年頃に知り合いました。当時、牧グループは、近赤外発光基質の合成に成功しており^[5]、この発光基質の生体発光イメージングにおける有用性評価を細胞や動物を使って私が担当するという形で共同研究が始まりました。細胞や動物での評価を始めると、生体内環境における合成基質の興味深い特性が幾つか見つかり、今回の論文でも重要な論点になりました。これらについて考察する過程で、私自身、酵素・基質反応や発光基質の生体内動態などに理解が深まり、生物発光イメージングについてより多面的視点を持てるようになったことが大きな収穫です。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか？またそれをどのように乗り越えましたか？

材料の持っている可能性をどのように評価してアピールするかという点です。私自身、共同研究を始めた当初は合成発光基質の評価方法などに関する知識が余りなかったので、過去の文献をくまなく調査して、必要な実験系を選び出すところから始めました。結果として、それほど特殊な実験を行ったわけではありませんが、Aka-HClの特性を多角的に評価できたと考えています。

Q4. 将来は化学とどう関わっていきたいですか？

化学は今後、生物・医学研究をより高度に発展させる上で益々重要な学問になるかと思います。化学者とより深い対話ができるように、化学の素養を少しでも身につけることが私の当面の目標です。

Q5. 最後に、読者の皆さんにメッセージをお願いします。

異分野間での共同研究は、ユニークな研究テーマを探しだす良い機会になるかと思います。皆さん、共同研究を通して新しい世界を目指しましょう!

関連文献

1. A. Paley and J. A. Prescher, Bioluminescence: a versatile technique for imaging cellular and molecular features. Med. Chem. Commun. 2014, 5, 255-267.
2. T. Adams Jr. and S. C. Miller, Beyond D-luciferin: expanding the scope of bioluminescence imaging in vivo. Curr. Opin. Chem. Biol. 2014, 21, 112-120.
3. Kuchimaru et. al., Bone resorption facilities osteoblastic bone metastatic colonization by cooperation of insulin-growth factor and hypoxia. Cancer Sci. 2014, 105, 553-559.
4. Kuchimaru et. al., In vivo imaging of HIF-active tumors by an oxygen-dependent degradation probe with an interchangeable labeling system. PLoS ONE, 2010, 5, e15736.
5. Iwano et. al. Development of simple firefly luciferin analogs emitting blue, green, red, and near-infrared biological window light. Tetrahedron 2013, 69, 3847-3856.

関連リンク

• 東京工業大学 生命理工学院　近藤研究室 
• 電気通信大学 平野・牧研究室
• 体の深部を探る世界初の近赤外発光基質を開発―生体発光イメージングの感度を飛躍的に高め、創薬研究の推進に貢献―（東工大プレスリリース）
• TokeOni：特性と応用|シグマアルドリッチジャパン

研究者の略歴

口丸 高弘　（くちまる たかひろ）

所属: 東京工業大学生命理工学院　近藤科江研究室　助教

研究テーマ: 生体光イメージング、がん生物学

経歴: 1980年兵庫県生まれ。2009年3月大阪大学工学研究科電気電子工学専攻博士後期課程修了、博士 (工学)取得 (飯田敏行研究室)。同年4月京都大学医学研究科特任研究員 (CKプロジェクト)。その後、2010年5月より東京工業大学近藤科江研究室で、科研費研究員、JSPS特別研究員を経て、2013年2月より現職。