NTTと静岡大学は2月6日、超伝導磁束量子ビットにより、単一細胞相当の空間分解能で神経細胞中の鉄イオンの検出に成功したことを発表した。

同成果は、NTT物性科学基礎研究所の樋田啓氏、酒井洸児氏、角柳孝輔氏、Imran Mahboob氏、齊藤志郎氏、NTTリサーチ 生体情報処理研究所の手島哲彦氏、静岡大学の堀匡寛 准教授、小野行徳 教授らによるもの。詳細は2023年2月6日付で英国科学誌「Communications Physics」に掲載された。

  • 今回の研究成果の概要

    今回の研究成果の概要 (出所:NTT)

人の身体には、さまざまな微量金属元素が含まれており、中でも鉄は、その酸化・還元状態を知ることが酸素運搬や電子伝達系の理解に重要だと考えられているほか、アルツハイマー病などの病変による細胞への沈着といった病理学的な観点でも重要な役割を果たすと考えられている。

そうした細胞中の金属イオンの分析手法の1つとして電子スピン共鳴スペクトルの分析が知られているが、それにより金属イオンの酸化・還元状態などの詳細な情報が得られる一方、分析には1013個以上の電子スピンを含むミリリットル単位の試料が必要で細胞単位での分析や組織内での金属イオンの分布を調べることは困難であったという。

そうした中、研究グループはこれまで結晶中の不純物を超伝導磁束量子ビットで検出し、さらに電子スピン共鳴により不純物元素の同定を行ってきた経緯があるという。同手法は1秒の積算で20スピンを検出できる感度と、数μmの空間分解能を持つため、生体試料の分析に応用範囲を広げることで、細胞単位での空間分解能で微量金属元素が分析可能になると期待されていたという。

そこで今回の研究では、超伝導磁束量子ビットを高感度磁場センサとして用い、超伝導磁束量子ビットを作製したシリコン基板に貼り付けた神経細胞の磁化の測定を極低温下にて実施することにしたという。また、神経細胞は超伝導磁束量子ビットの動作に影響を与えないように絶縁膜(パリレン)上に培養を行ったとする。

その結果、試料中の電子スピンの揃い具合に対応して、温度の低下とともに超伝導磁束量子ビットで検出した磁束の値が増加している様子が観測されたとするほか、外部から印加する磁場の増加とともに試料の磁化も大きくなることが確認され、試料中に不対電子が存在することが判明したという。

研究チームでは、この磁化が生じる起源が、神経細胞なのか、パリレン膜なのか、両者からなのかの区別ができなかったことから、参照実験として、パリレン膜単体の磁化測定も実施。パリレン膜上に培養した神経細胞の磁化測定の結果と比較したところ、パリレン膜由来の磁化は神経細胞によるものより十分小さく、磁化は主に神経細胞から生じることが確認されたとする。

  • 10mTの磁場下において超伝導磁束量子ビットを用いて検出した磁束の温度変化

    10mTの磁場下において超伝導磁束量子ビットを用いて検出した磁束の温度変化(左)と、異なる磁場下において超伝導磁束量子ビットを用いて検出した磁束の温度変化(右) (出所:NTT)

また、神経細胞の中には複数の種類の金属イオンが含まれるものの、ここまでの実験ではそれらを区別することができなかったことから、超伝導磁束量子ビットで測定した試料と同じ条件で培養した神経細胞を従来型の電子スピン共鳴装置で測定し、電子スピン共鳴スペクトルを取得したところ、磁化の起源が主に神経細胞中の鉄(III)イオンであることが示されたという。

さらに、磁化の大きさと含まれる不対電子の数は1対1に対応することから、試料にどのくらいの量の鉄が含まれるかを推定することができるため、研究グループは先行実験の結果から磁化を鉄イオンの数(鉄イオンの質量に対応)に変換し、それを超伝導磁束量子ビットが磁化を検出する体積(測定した細胞の重量に対応)で割ることで、乾燥した細胞1gあたり6μgの鉄が含まれていることを突き止めたとする。この結果は、他グループが多数の細胞を用いて測定した平均値と矛盾しないものであり、超伝導磁束量子ビットを活用することで、少数の細胞に対しても含まれる金属イオンの定量が可能なことが示されたと研究チームでは説明している。

  • 作製されたパリレン膜とその上で培養した神経細胞

    作製されたパリレン膜とその上で培養した神経細胞 (出所:NTT)

なお、研究チームでは、今回は、磁化の起源が鉄イオンであることを示すために、従来型の装置によりミリリットル単位の試料に対する電子スピン共鳴スペクトルを取得したとしているが、今後は、細胞単位で電子スピン共鳴スペクトルを取得し、従来型の電子スピン共鳴装置なしでイオンの種類を同定することを目指すとしているほか、同時に磁場センサの感度と空間分解能のさらなる改善を行い、単一電子スピンの検出が可能なデバイスを開発するとしており、そうした高感度・高精度センサを開発することで、より高度な生体検査とそれを基にした高度な治療が可能となる社会の実現を目指すとしている。