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化学者のつぶやき

生体医用イメージングを志向した第二近赤外光(NIR-II)色素:①単層カーボンナノチューブ

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糖化学ノックイン領域では膜動態を標的とした研究を志向しているため、バイオイメージングについての理解も深めておくことが必要になります。今回はバイオイメージングにおけるの先端領域の一つである「第二近赤外光(NIR-II)色素」についての総説を取り上げます。

“Recent advances in near-infrared II fluorophores for multifunctional biomedical imaging”
Ding F., Zhan, Y., Lu, X., Sun, Y. Chem. Sci. 2018, 9, 4370-4380. doi:10.1039/C8SC01153B

【概要】 癌などの病変部や生体組織の構造を生きた動物体内や組織切片で蛍光イメージングする目的に、組織透過性の高い近赤外光が用いられてきた。これまでは主に 700-900 nm の第一近赤外光(NIR-I) を用いた蛍光イメージングが行われてきたが、光散乱や自家蛍光の存在のため、光情報が得られる組織深部までの距離が短いこと、分解能が低いこと、バックグラウンドが高いことなどが問題であった。 この問題を解決する手法として、光散乱や自家蛍光の影響がより少ない第二近赤外光(NIR-II, 1000-1700 nm) を用いたイメージング法に注目が集まっている。どのような蛍光体(色素)が用いられているか、その利点や現在の問題、今後の展開について概観する。

1. 序論

これまで小動物やヒト(前)臨床試験におけるイメージングでは、蛍光、光音響、ポジトロン断層法(PET)、MRI などが用いられてきた。その中でも第一近赤外光(NIR-I, 700-900 nm)を用いた蛍光イメージングは、感度、撮像速度、安全性、及びコストの観点から生物医学研究で汎用されてきた。NIR-Iは可視光に比べて組織透過性が高いため、 小動物や組織切片の深部イメージングに適している。この特徴を活かして癌組織を光らせることで病変範囲を可視化し、外科的に除去する方法(蛍光イメージガイド手術) が開発されてきた。

最近になり、 NIR-I よりも更に長波長の 第二近赤外光(NIR-II、1000-1700 nm)を用いたイメージングが注目を集めている。 光散乱や光吸収によって組織深部まで光は透過しにくいが、長波長光はその影響を受けにくい(図 1) 。特にNIR-II 領域ではその影響が低いため、より深部の組織情報を得ることができる。加えて検出できる光強度が高くなるため露光時間が短くなり、時間分解能を向上させることができる。また、光散乱は標的部位から発せられる蛍光をボケさせるが、 NIR-IIイメージングでは光散乱の影響が抑制されるため、空間分解能も向上する。更にこの波長域では、 自家蛍光(組織成分由来の蛍光)の強度も低く 、バックグラウンド蛍光を抑制した高コントラストな蛍光画像が得られる。

このように NIR-II 蛍光イメージングは大きな可能性を秘めているが、生体組織・生体分子を光らせる蛍光体(色素)の開発は、まだ発展途上である。本記事では、現在開発されている蛍光体(色素)として、カーボンナノチューブ、 合成蛍光色素、共役高分子、 量子ドット、希土類含有ナノ粒子についてそれぞれの進歩を紹介する。

図1. a) NIR の波長域。 b) 光散乱と波長の関係。 c) 自家蛍光と波長の関係

2. 単層カーボンナノチューブ(SWCNTs)

2. 1 構造と分光学的性質

SWCNTsは、単層グラフェンを筒状に丸めた構造を持ち、機械的強度が高く優れた分光学的性質を持つことから、バイオイメージングツールとして脚光を浴びている 。 バンド間遷移に伴い光吸収が起こるとともに蛍光を発し、そのストークスシフトが大きいことが知られている。これまでバイオイメージングで用いられてきた SWCNTs は、 直径が 0.7~1.1 nm のものであったが、NIR-I(700-900 nm)領域の光を吸収し、 NIR-IIa (1000-1400 nm)領域 の蛍光を発する。 また、SWCNTsの直径と遷移エネルギーには反比例の関係が知られており、より大きな直径(0.9~1.4 nm) の SWCNTs を作成することで、蛍光を NIR-IIb(1500-1700 nm)の領域に長波長シフトさせ、光散乱と自家蛍光の影響を大きく抑制できることが報告されている。

2.2 生体適合性

SWCNTs は水に溶けないために、そのままでは生体イメージングに応用することはできず、水溶性を向上させる表面修飾が必要となる。 表面修飾として、水溶性官能基の共有結合性化学修飾と、 PEG などの水溶性ポリマーによる非共有結合性修飾がある 。前者は、多くの研究グループが試みたアプローチではあるが、π共役構造を損傷するため蛍光強度が低下することが示されている。これに対し、後者のアプローチでは、PEG修飾リン脂質を疎水性相互作用を通じて吸着させることで、蛍光強度の低下を抑制しつつも水溶性・生体適合性を向上させ、バイオイメージングへ応用している。

2.3 バイオイメージングへの応用

SWCNTs により、脳血管のイメージングを行い、 NIR-IIb イメージングの有用性が示されている。合成蛍光色素であるインドシアニングリーンはNIR-I の蛍光を発するが、脳血管の微細構造は確認できない。一方、直径が 0.7~1.1 nm と 0.9~1.4 nm の
SWCNTs はそれぞれ、 NIR-IIa と NIR-IIb の蛍光を発するが、 NIR-I イメージングに比べ明確に血管の構造が観察される(図 2) 。更に NIR-IIb イメージングでは、より高い空間分解能とSignal-to-background 比で血管構造を可視化することに成功している。

図 2. イメージングの波長域と分解能と SB 比の関係。 a) NIR-I 色素によるイメージング。 b, c) SWCNTs(直径小(b)と直径大(c))によるNIR-IIイメージング

2.4 現状の課題

SWCNTs は、六員環格子の配列の異なる様々な構造のものが存在するが、バイオイメージングには、それらの混合物が用いられている。励起波長や蛍光波長がそれぞれで異なるため、最適な波長でイメージングすることができない。これは蛍光強度の低下に繋がり、イメージングの質を低下させる。高感度・高分解能のイメージングには、精製方法の最適化や蛍光量子収率の向上が必要とされている 。

次回記事②に続く】

(図1・2は冒頭論文(Chem. Sci. 2018, 9, 4370)より、 CC BY-NC 3.0 licenseの規定に従い引用)
【本シリーズ記事は、糖化学ノックイン領域において実施している領域内総説抄録会の過去資料をブログ記事として転記し、一般公開しているものです】

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2021年度科学研究費助成事業 学術変革領域研究(B)「糖化学ノックイン」の広報アカウントです。生体分子現象の一つ「糖タンパク質の膜動態」にフォーカスし、生命系を理解し制御するための新たな反応化学技術「ケミカルノックイン」の確立を目指しています。
領域ホームページ:https://glycan-chemical-knockin.com/

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