全身イメージングでの使用に適合した顕微鏡学からの細胞標識法

通常は目から隠されている体内のプロセスや構造を、医用画像で可視化することができます。科学者は画像を使用して細胞や臓器の複雑な機能を調査し、病気をより適切に検出して治療する方法を探します。日常の医療行為では、身体からの画像は、医師が病気を診断し、治療が機能しているかどうかを監視するのに役立ちます。体内の特定のプロセスを描写できるようにするために、研究者は細胞や分子にラベルを付けて、体外で検出して意味のある画像に変換できる信号を発するようにする新しい技術を開発しています。ミュンスター大学の研究チームは、現在顕微鏡で使用されている細胞標識戦略、いわゆるSNAPタグ技術を、陽電子放出断層撮影（PET）による全身イメージングで使用するために採用しました。

この方法では、腫瘍や炎症細胞など、まったく異なる細胞タイプで機能する2つのステップで細胞にラベルを付けます。まず、細胞は遺伝子組み換えされて表面に生成されます。これは、標的細胞に固有のいわゆるSNAPタグ酵素です。次に、酵素を適切なSNAPタグ基質と接触させます。基質はシグナルエミッターで標識され、化学的に構造化されているため、酵素によって認識および分割され、シグナルエミッターを酵素に移すことができます。このプロセスでは、酵素が修飾されて活性がなくなり、その結果、シグナルエミッターが酵素にしっかりと結合したままになります。研究者によると、SNAPタグ酵素はその生物学的活性を通じてそれ自体を標識します—これは非常に迅速に、そして生物の自然なプロセスを妨げることなく起こります。

顕微鏡検査では、蛍光色素を使用して細胞を標識しますが、それらの信号はより厚い組織層によって散乱され、その結果、測定できなくなるため、全身のイメージングにはほとんど適していません。この問題を解決するために、科学者たちは放射性信号エミッターであるフッ素-18を使用して新しいSNAPタグ基板を合成しました。チームは、血流を介してこの基質を生物に注入することにより、マウスの腫瘍細胞の標識に成功しました。その後、PETイメージングを使用して腫瘍を視覚化することができました。

この技術は、さまざまなイメージングモダリティとさまざまな時間的段階で体内の遺伝的にコード化された細胞を視覚化する可能性を開きます—研究者はそれをマルチスケールイメージングと呼んでいます。フッ素-18からの放射性信号は短時間しか安定しませんが、2番目の標識ステップを繰り返すことができるため、同じ細胞を数日から数週間にわたって何度も視覚化できます。

顕微鏡検査によって提供される高レベルの詳細により、個々の細胞が互いにどのように通信するかを研究することが可能になります。全身イメージングによって提供される全体像は、科学者がこれらの細胞が臓器系全体の一部としてどのように機能するかを評価することを可能にします。時間は、炎症において個々の細胞型がどのような役割を果たしているかを明らかにする可能性があります。研究者たちは、これらすべての情報を組み合わせることで、すべてが体内でどのように接続されているかを理解できると述べています。

次の重要なステップは、十分に強い信号を取得するために必要な細胞の数と、この方法を使用して、生体内を移動する細胞、特に免疫系細胞を視覚化できるかどうかをテストすることです。このアプローチが引き続き成功する場合、この技術は、特定の病気と戦うことができるように、体自身の免疫細胞が実験室で遺伝子組み換えされる免疫療法の将来の研究にとって重要になる可能性があります。このような治療法はすでに癌治療に使用されており、炎症性疾患の治療にも役立つ可能性があります。イメージングは​​、そのような治療法の開発と改善に役立つ可能性があります。

科学者が科学シンポジウムで初めて結果を発表したとき、彼らは驚きました—テュービンゲンの同僚が同時にそこで同様の研究を発表しました。互いに独立して、両方の研究チームは同じ基本的な考え、フッ素-18でラベル付けされたSNAPタグ基板を持っていました。化学的に言えば、彼らはアイデアを異なる方法で実装しましたが、同じ生物学的モデルシステムを使用して得られた基質をテストし、同様の結果に到達しました。テュービンゲンチームは癌の免疫細胞を研究するための新しいラベリング方法を開発していますが、ミュンスターのチームは炎症性疾患に焦点を合わせているため、研究は互いに非常によく補完し合っています。

すべてのSNAPタグ基板と同様に、新しく開発された分子は、科学者が放射性同位体フッ素-18を付着させたベンジルグアニンに基づいており、PETイメージングに最適です。目標は、可能な限り強い信号を得るために、いくつかの簡単なステップで合成を設計することでした。フッ素-18は半減期が短いため、110分ごとに放射性が半分に減少します。当初、科学者たちは、フッ素-18が分子の目的の位置に付着していないことを発見しました。ベンジルグアニンは明らかに感度が高すぎて、フッ素-18で直接標識することができませんでした。そのため、研究者は最初に必要な化学反応に反応しない小分子（フルオロエチルアジド）にラベルを付け、次にクリック反応を使用してそれをベンジルグアニンに結合させました。これは非常に高速で選択的です。

科学者たちはまず、試験管内の血液と接触したときに合成された基質が安定しているかどうかを確認し、次に細胞培養での最初の実際のテストで細胞が基質とどのように相互作用するかを調べました。そうすることで、彼らは、SNAPタグ酵素を遺伝的に組み込んだヒト腫瘍細胞を、酵素を産生しなかった細胞と比較しました。彼らは、放射性崩壊がSNAPタグ酵素を生成した細胞によってのみ吸収されたことを非常にはっきりと見ることができました。最後に、細胞培養や人工的に作られた器官では分子が複雑な生物学的環境でどのように振る舞うかを完全にシミュレートすることはできないため、チームは個々のマウスを対象とした研究を行いました。科学者たちは、基質が血流に注入されると、それが体全体に非常に迅速に分布することを示すことができました。さらに、彼らはそれが排泄される経路を特定しました。次に、SNAPタグ酵素を使用した場合と使用しない場合の腫瘍細胞が生体内の基質にどのように反応するかを比較しました。この目的のために、腫瘍細胞をマウスの皮下に注射し、オートラジオグラフィーで結果を確認するために、検査後に再び除去しました。