高度な顕微鏡ベース細胞ラベリング技術で全身イメージングを実現

通常は目に見えない体内のプロセスや構造を、医療イメージングで可視化できます。科学者たちはイメージングを用いて細胞や臓器の複雑な機能を調べ、疾患のより良い検出と治療の方法を探っています。日常の医療現場では、体内からの画像が医師の疾患診断と治療効果のモニタリングを助けます。体内の特定プロセスを描写するため、研究者たちは細胞や分子をラベリングし、体外で検出可能な信号を出させ、意味ある画像に変換する新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、顕微鏡で現在使われている細胞ラベリング戦略、いわゆるSNAPタグ技術を、陽電子放出断層撮影（PET）を用いた全身イメージング向けに適応させました。

この手法は、腫瘍細胞や炎症細胞など、完全に異なる細胞タイプに対応する2ステップで細胞をラベリングします。まず、標的細胞に特有のSNAPタグ酵素を細胞表面に生成するよう遺伝子改変します。次に、この酵素を適切な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、酵素によって認識・分解される化学構造を持ち、シグナルエミッターが酵素へ転移します。この過程で酵素は変性し不活性化するため、シグナルエミッターが強く結合したままになります。研究者たちによると、SNAPタグ酵素はその生物学的活性を通じて自己ラベリングを行います。これは非常に速く、生体内の自然なプロセスを攪乱しません。

顕微鏡では蛍光色素で細胞をラベリングしますが、それらはほとんど全身イメージングに適しません。信号がより厚い組織層で散乱され、測定できなくなるためです。この問題を解決するため、科学者たちは放射性シグナルエミッターであるフッ素-18を用いた新しいSNAPタグ基質を合成しました。チームはこの基質を血流経由で生体内に注入し、マウスの腫瘍細胞をラベリングすることに成功。PETイメージングで腫瘍を可視化できました。

この技術は、遺伝子コードされた細胞を異なるイメージングモダリティと時間段階で可視化する展望を開きます。研究者たちはこ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、第2ラベリングステップを繰り返せるため、同じ細胞を数日・数週間にわたり繰り返し可視化できます。

顕微鏡の高い詳細度により個々の細胞間コミュニケーションを研究できます。全身イメージングの俯瞰視により、これらの細胞が臓器システムの一部としてどう機能するかを評価できます。時間の経過とともに、個々の細胞タイプが炎症の開始・継続・解決でどんな役割を果たすかが明らかになるでしょう。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、体内のすべてがどう繋がっ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、十分な強度の信号を得るために必要な細胞数の検証と、生物体内で移動する細胞、特に免疫細胞の可視化への適用可能性の検証です。このアプローチが成功し続ければ、実験室で遺伝子改変された自分の免疫細胞で特定疾患と戦う免疫療法の将来的研究で重要になる可能性があります。こうした療法はすでにがん治療で用いられ、炎症性疾患の治療にも潜在的可能性があります。イメージングはこうした治療の開発と改善に役立つでしょう。

科学者たちが初めて科学シンポジウムで結果を発表したとき、驚きがありました。チュービンゲンの同僚たちが同時に類似研究を発表していたのです。互いに独立して、両チームともSNAPタグ基質にフッ素-18を標識するという同じ根本的アイデアを持っていました。化学的には異なる実装でしたが、同じ生物学的モデル系でテストし、類似の知見を得ました。チュービンゲンチームはがん免疫細胞研究向け新ラベリング法を開発中で、ミュンスターチームは炎症性疾患に焦点を当てており、研究は非常にうまく補完し合っています。

すべてのSNAPタグ基質と同様、新たに開発された分子はベンジルグアニンベースで、そこに放射性同位元素フッ素-18を付加しました。これはPETイメージングに理想的です。目標は、できるだけ強い信号を得るために合成を少ない迅速なステップで設計することでした。フッ素-18は半減期が短く、110分ごとに放射能が半減します。当初、フッ素-18が分子上の望ましい位置に付かないことが判明しました。ベンジルグアニンは必要な化学反応に対して敏感すぎて、直接フッ素-18で標識できなかったのです。そこで研究者たちは、必要な化学反応に鈍感な小さな分子、フルオロエチルアジドをまずフッ素-18で標識し、その後クリック反応（非常に速く選択的）でベンジルグアニンに結合させました。

科学者たちはまず、合成基質が試験管内の血液と接触しても安定かを確認し、細胞培養での最初の実用テストで細胞が基質とどう相互作用するかを調べました。遺伝的にSNAPタグ酵素を組み込んだヒト腫瘍細胞と、酵素を産生しない細胞を比較しました。SNAPタグ酵素を産生する細胞だけが放射能を取り込むことが明確にわかりました。最終的に、生きた生物での複雑な生物学的環境での分子振る舞いは細胞培養や人工臓器では完全にシミュレートできないため、個々のマウスで標的研究を行いました。基質を血流に注入すると、体内全体に非常に速く分布することを示しました。また、排泄経路も特定しました。続いて、SNAPタグ酵素あり・なしの腫瘍細胞が生体内で基質にどう反応するかを比較。腫瘍細胞をマウス皮下に注入し、検査後に除去してオートラジオグラフィで結果を確認しました。