有機フォトン・アップコンバージョン粒子による神経細胞の光操作に成功

• フォトン・アップコンバージョン（UC）^※1を用いた生体内における神経細胞の光操作は、生体適合性の低い重金属が必要であった。
• 生体内で近赤外光を青色光に変換可能な、重金属を含まない有機フォトン・アップコンバージョン材料の開発に成功した。
• 青色光に応答するタンパク質と組み合わせることで、生体内で発生したフォトン・アップコンバージョン発光を用いてタンパク質の発現を誘導できた。

　オプトジェネティクス（光遺伝学）^※2は、光で活性化するタンパク質を用いて神経細胞を制御する技術であり、神経科学の発展に大きく貢献しています。光応答性タンパク質を活性化するためには、一般的に波長500 nm以下の青色光が用いられます。しかし、青色光は皮膚や生体内物質によって強く散乱・吸収されるため、青色光を生体内に届けるためには光ファイバーを挿入する必要があり、生体組織の損傷や機能障害を起こす可能性があります。
　今回、九州大学大学院工学研究院の宇治雅記大学院生、楊井伸浩准教授（現 東京大学大学院理学系研究科 教授）らの研究グループは、東京医科歯科大学の味岡逸樹教授、神奈川県立産業技術総合研究所の原央子博士、九州大学大学院工学研究院の近藤純平大学院生（当時）、君塚信夫教授らと共同して、生体透過性が高い赤色・近赤外光を生体内で青色光に変換可能なフォトン・アップコンバージョン（以下、UC）ナノ粒子を開発し、生体内で神経細胞を光操作することに成功しました。
　本研究では、新規有機増感剤分子の開発により、赤色・近赤外光から青色光への変換効率が2倍以上更新されました。また、従来のUC材料ではオスミウムといった生体毒性の懸念がある重金属が含まれていましたが、本研究で開発されたUC材料は有機分子のみで構成されており重金属を含みません。マウスの皮下に有機UCナノ粒子を投与し、体外から赤色光を照射することで、生体内で青色光応答性のオプトジェネティクス操作に成功しました。今回の成果により、生体内の神経活動を低侵襲的に光操作できるようになり、オプトジェネティクスによる生命・医療分野への展開が期待されます。
　本研究成果は、2024年9月23日（現地時間) にWileyの国際学術誌「Advanced Materials」にオンライン掲載されました。

掲載誌：Advanced Materials
タイトル：In Vivo Optogenetics Based on Heavy Metal-Free Photon Upconversion Nanoparticles（重金属フリーなフォトン・アップコンバージョンナノ粒子を用いた生体内オプトジェネティクス）
著者名：宇治雅記・近藤純平・原央子・秋本沙織・晴気怜奈・佐々木陽一・君塚信夫・味岡逸樹・楊井伸浩
DOI：10.1002/adma.202405509

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東京大学　大学院理学系研究科　楊井 伸浩　教授