酸化カーボンナノチューブ(CNT)を用いた高輝度近赤外蛍光イメージングプローブ

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簡便に効率良くCNTを酸化する手法を開発

2018/04/19 国立研究開発法人 産業技術総合研究所 株式会社 島津製作所

ポイント

  • 近赤外領域で蛍光を発する酸化カーボンナノチューブ(CNT)の高効率・簡便な合成法を開発
  • 新規合成法による酸化CNTを用いた近赤外蛍光イメージングプローブを作製し、マウスの血管造影で実証
  • 励起光や蛍光の生体透過性が良く、高輝度なので、生体内イメージングプローブとしての活用に期待

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)ナノチューブ実用化研究センター【研究センター長 畠 賢治】CNT評価チーム 飯泉 陽子 テクニカルスタッフと岡崎 俊也 研究チーム長(兼)同研究センター 副研究センター長らは、株式会社 島津製作所【代表取締役社長 上田 輝久】(以下「島津製作所」という)と共同で、カーボンナノチューブ(CNT)を酸化する簡便な方法を考案するとともに、この方法で合成した酸化CNTを用いて、生体透過性の良い第2近赤外(NIR-II)領域で発光する近赤外蛍光イメージングプローブを開発した。

CNTは蛍光を発することが知られているが、近年、CNTを孤立分散させた水に、オゾン水を混和し光を照射して、より高い蛍光量子収率の酸化CNTを合成する方法が報告されている。この酸化CNTは生体透過性の良い近赤外光で励起でき、NIR-II領域で発光する。しかし、酸化CNTの大量合成ができないなどの課題があった。

今回、紫外線照射で発生したオゾンでCNT薄膜に数分間の酸化処理を行うことで、酸化CNTを合成する方法を開発した。この方法は、数時間の反応時間を要する従来法に比べ、短時間に多量の酸化CNTを合成できる。合成した酸化CNTは近赤外光励起によりNIR-II領域で蛍光を発光するため、近赤外蛍光イメージングプローブとして応用できる。合成した酸化CNTの表面をリン脂質ポリエチレングリコール(PLPEG)でコーティングして水に分散できるようにし、生体内イメージングプローブとして用いてマウスの血管を長時間高輝度で造影できた。また、免疫グロブリンG(IgG)を修飾したPLPEG(IgG-PLPEG)でコーティングしたところ、免疫沈降(IP)反応により、標的指向性を付与できる可能性が確認できた。

なお、この成果は、2018年4月19日(英国時間)にScientific Reportsにオンライン掲載される。

概要図

酸化カーボンナノチューブの蛍光とマウスの血管造影の概念図

開発の社会的背景

生物科学では、蛍光イメージングは必須の研究ツールとなっている。近年は、より高感度で低ノイズの蛍光画像を得るため、近赤外領域で発光する蛍光イメージングプローブの開発が盛んである。これまで、主に波長約700~900 nmの近赤外領域で発光する蛍光イメージングプローブが開発されてきたが、より長波長の1000~1400 nm付近のNIR-II領域では、生体分子や水による吸収や、光散乱の影響をさらに軽減できるため、十分な輝度や生体親和性を持つ新たなNIR-II領域の蛍光イメージングプローブの開発が期待されている。

CNTには、直径のサイズやグラファイト層の巻き方によって、NIR-II領域で蛍光を発光するものがある。また、これまでのCNTの安全性評価では、明確な急性毒性は確認されていないため、NIR-II領域の生体内イメージングプローブの有力な候補となっている。さらに、CNTを酸化すると、近赤外光で励起できることが報告されたが、従来法では一度に多量の酸化CNTを合成できないなどの課題があり、CNTを簡便に酸化する方法が求められていた。

研究の経緯

産総研では、CNT産業の創出を目指し、CNTの大量合成、構造分離、機能性複合材料作製、安全性評価などの基盤技術を開発してきた。その中で、機能化したCNTの光物性や、分散液中でのCNT分散状態の研究を行ってきており、安定なCNT蛍光イメージングプローブの合成技術を保有している。一方、島津製作所は、可搬型 in vivo 蛍光イメージングシステムを開発し、NIR-II領域の蛍光を使ったマウスのイメージングアプリケーション開発に取り組んできた。現在上市されている蛍光イメージングプローブには毒性があることが確認されており、無毒または低毒性の新規蛍光イメージングプローブの開発が望まれていた。

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