み込まれています. 装置の使用にあたっては, まずエージング操作 ( 自動 ) をしながら装置を立ち上げます. 次に, 照射量に応じて管電圧および電流を決め, 照射時間を設定します. 本体前面の扉を開けると内部にはターンテーブル ( 直径 30cm) がありますので, ここに試料を載せます ( 写真

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1 3. 所属機器紹介 3.1 軟 X 線照射装置 の紹介 ( SOFTEX M-150WE ) 大学院自然科学研究科准教授杉本健吉 理学部生物学科助教藤間真紀 SOFTEX 社製 M-150-WE は小動物 植物等に X 線を照射できる装置です ( 写真 1).X 線管の最大管電圧は 150KVp, 最大管電流は 10.0mA になり, 最大 22Gy/min. で X 線を照射することが可能です. この X 線照射装置は装置全体が完全防 X 線構造をしていて, 装置周辺での漏洩線量は 1μSV/h と安全基準値をはるかに下回ります.X 線照射中, 不用意にキャビネットの扉を開けたような場合にもインターロック装置が働き, 瞬時に X 線が停止するようになっています. また, 逆に扉が完 全に閉じていない様な場合には, 例え電源スイッチが入り, 電源, 電圧の調整がされ,X 線 ON スイッチを入れても X 線は絶対に照射されないしくみになっています. そのほか, 防 X 線のための安全回路や装置が組 9

2 み込まれています. 装置の使用にあたっては, まずエージング操作 ( 自動 ) をしながら装置を立ち上げます. 次に, 照射量に応じて管電圧および電流を決め, 照射時間を設定します. 本体前面の扉を開けると内部にはターンテーブル ( 直径 30cm) がありますので, ここに試料を載せます ( 写真 2). 照射中はこのターンテーブルを回転させる事により, 試料にむらなく X 線を照射できる様になります. 小動物 ( マウス ) などは, 移動できない様に特別の容器にいれて動物を保定し照射を行います ( 写真 3).X 線照射後は電源を OFF にするだけで操作は終了です. 山中教授らが樹立した ips 細胞 (induced pluripotent stem cells) とその作成技術は多くの難治疾患に対して根本的な治療方法である再生医療への道を大きく開きました 1) 2). 我々ヒトを含めた多細胞生物である動物には多くの組織に組織幹細胞が存在し, これらが増殖 分化して様々な機能細胞を生み出し, 生体の恒常性が保たれています. この幹細胞はほぼ一生の間存在し続け, 自己複製により自己と全く同質の細胞を分裂して生み出すと共に, 増殖 分化して様々な機能細胞を作り続けます. 生命系分野としてどのようにして幹細胞の自己複製と増殖 分化が制御されているか- 幹細胞システムの維持機構 -について分子レベルからの解明は重要な研究テーマの1つです. 幹細胞 (stem cells) の存在が早い段階で明らかにされた細胞としては造血幹細胞 (hematopoietic stem cells) があります.1960 年代にカナダの放射線学者 James Till 博士と Ernest McCulloch 博士らは半致死量放射線照射したレシピエントマウスに, 正常なドナーマウス由来の骨髄細胞を移植することにより脾臓に増殖した細胞集団 ( コロニー ) ができる事を見つけ, これを CFU-S(colony forming unit in spleen) と名付けました 3). そして CFU-S 由来の細胞はこれらがレシピエントマウスの造血系を再構築することを明らかにし, 造血幹細胞の存在を明らかにしたのです. その後, さらに多くの研究がなされ, 現在の ES(Embryonic stem cells; 胚性幹細胞 ) 細胞 4) や ips 細胞へと繋がるのです. さて, このような造血幹細胞を扱う研究では半致死量放射線を照射したマウスに細胞移植を行うことによって造血幹細胞の能力を調べるという実験が欠かせません. 骨髄死をもたらす X 線を照射すると, 放射線が DNA の損傷を引き起こすため分裂の盛んな細胞は増殖できなくなります. 末梢血中の有核細胞数を測定すると有核細胞数がみるみる減少していくのがわかります ( 図 4). このマウスに骨髄細胞を移植すると, 移植後 9 日目には脾臓にコロニーが形成されているのがわかります ( 図 5). この脾コロニーこそが, 造血幹細胞に由来するものなのです. 10

3 また, 放射線は腫瘍学や免疫学研究の場でも利用されています. 放射線被曝により生体内でがんが発生するのにはいくつものステップがあると考えられています. 被曝によって細胞のいくつかの遺伝子に突然変異や異常が蓄積されて, 細胞の増殖 死をコントロールしているしくみに破綻が起こり, 正常な細胞から悪性腫瘍が生じます. このような放射線による発がんにどのような生物学的なメカニズムが働いているのはまだ不明な点が多く, この分野の基礎研究は重要です. 免疫学研究では, 放射線によって生じた免疫系の変化と被曝による疾患発生の関係なども調べられています. この装置を使って X 線を照射することにより細胞レベルでも変異を引き起こすことができるので, 基礎研究の場では新たな細胞株を樹立したりするのに利用できます. これは変異原性を示す薬剤を用いて変異株を作成するのに比較して, 安全で簡便な方法であると言えます. また照射量によっては, 細胞の増殖を止めたりする事も可能です. 例えば, マウスの ips 細胞や ES 細胞を用いた再生医療の研究では, これら幹細胞の多分化能 ( 未分化性 ) を維持しながら細胞を増殖させるということが必要です. これらの幹細胞の継代 維持には, 支持細胞株 (OP9 等 ) との共培養という方法が一般的に行われますが, このとき支持細胞が増殖してしまっては困るので, 支持細胞の増殖を抑制する事が必要になります.X 線照射により支持細胞の増殖を抑制する方法は, 細胞増殖を抑制する試薬を用いて支持細胞の増殖を止める方法に比べて確実であり, かつ培養系への残存試薬の影響を考慮しなくて良いという大きなメリットがあります. このようにして ips 細胞や ES 細胞を未分化性を維持した 幹細胞 として維持できるからこそ, 初めていろいろな細胞へと分化させる研究が可能となります. 本装置は軟 X 線照射装置として, 対人, 対装置の防 X 線, 安全対策もとられていますが, 高電圧を使用することから装置の構造を理解し, 操作を習熟することが必要です. 使用に際してはご相談にのりますので, 担当者まで連絡ください. 連絡先 : 杉本健吉 (6151, sugimoto@bio.sc.niigata-u.ac.jp) 参考 1) Takahashi, K., Yamanaka, S.: Cell, 126, (2006) 2) Takahashi, K., Yamanaka, S. et al.: Cell, 131, (2007) 3) Till, J.E., McCulloch, E.A.: Radiation Res., 14, (1961) 4) Mishina, M., Sakimura, K. : Neuroscience Res., 58, (2007) 11

4 3.2 電子スピン共鳴装置 (ESR/EPR) の紹介 (JEOL RESONANCE JES-FA200) 自然科学研究科材料生産システム工学由井樹人 1. はじめに ESR は Electron Spin Resonance の頭文字をとった略号であり, 日本語では電子スピン共鳴という.ESR は不対電子を含む試料を数千ガウスの磁場中に置くことで, マイクロ波 ( 通常は周波数 9.4 GHz, 波長 3 cm 程度の電磁波 :X バンド ) の共鳴吸収現象を観測する測定法である. 従って,ESR の対象物は不対電子を持つ常磁性物質ということになる. また金属核の常磁性を観測する場合は,Electron Paramagnetic Resonance (EPR) と呼ぶ場合もあるが, 基本的な原理や装置などはほぼ共通であるため, 本稿では ESR と略記させて頂く.ESR では, 不対電子の吸収するマイクロ波のエネルギーが, 対象とする不対電子と周囲との磁気的な相互作用により変化するため, その吸収エネルギーや分裂パターンから物質の同定や定量を行うことが可能である. 詳細な測定原理や得られる情報等は, 多くの書籍が出版されているので, 引用している参考文献等を適宜参考にして頂きたい. ESR は, その測定原理上あらゆる不対電子を高感度で測定可能であるため, 化学 物理 薬学 医学 生物学 考古学を代表とする幅広い分野で活用されている. また装置や試料の制約を無視できるなら試料の性状を問わないため, 液体 固体 粉体 ゲル さらには気体も測定可能であり, その適応範囲は広い. 一方で, 測定対象物が不対電子を有さない試料に対しては無力であるため,ESR で有用な情報が得られるか否かは, 事前に十分考慮しておく必要がある. 具体的な ESR の測定対象物の一例をあげる 不対電子分子 :NO, NO 2 など 三重項分子 :O 2 遷移金属イオン :d または f 軌道に奇数個の電子を有する物質 (Fe 3+, Co 2+, Cu 2+ など ) ラジカル : ニトロキシラジカル,DPPH などなどが挙げられるが, これらの試料は多岐に及ぶので, 器機のカタログから抜粋した ESR の適応範囲図 ( 図 1) を参照頂きたい. 一例として, 人間の毛髪中のラジカルを室温で測定した ESR スペクトルを ( 図 2) に示す. 毛髪に存在するメラニン中のラジカルと考えられる, 明瞭な ESR 信号が 338 mt 付近に観測されている. また,333 および 342 mt 付近に存在する, 試料の ESR 信号とは位相が逆転している信号は, 補正用のマンガン ( マンガンマーカー ) の信号である. 実際 図 1. ESR の測定対象物 JEOL Resonance 社のカタログより一部抜粋 12

5 の測定に用いた試料の量としては, ひとつまみの毛髪 ( 長さ約 1cm,20-30 本程度 ) 程度であり, 僅かな量の毛髪中の微量成分であるラジカルも十分に検出できていることが分かる. 2. 装置構成 本装置 ( 図 3) は, マイクロ波ユニット, 冷却装置, 空胴共振器, 電磁石, 励磁電源, 分光計, 温度可変コントローラ, 周波数カウンタ, 恒温冷却装置およびデータ解析システム ( スペクトルの加算, 減算, ベースライン補正, 積分およびスピン濃度の計算, スムージング, 信号拡大縮小,g 値の計算, 等方性, 異方性シミュレーション ) より構成されている. 図 2 で示したように本装置には,g 値を補正するマンガンマーカー図 2. ヒト毛髪および Mn マーカーのが標準装備されているため, 標品の準備をすること無く g 値 ESR 信号 の補正が可能である ( 図 4). その他の装置構成や特徴等は, JEOL RESONANCE 社の HP やカタログ等を参照して頂きたい. 無機試料など安定な不対電子を有する試料の場合は, 常温で ESR 信号を観測可能であるが, 寿命の短い不対電子や信号の極めて弱い試料の測定にはクライオスタットを用いた低温測定が必要である. 本装置では, 液体窒素 (77 K) および液体ヘリウム (4.2 K) での低温測定が可能なオプションを搭載しているため, 室温では測定不可能な試料にも対応可能な状態にしてある. 現状では液体窒素での動作しか行っていないが, 将来的には He 温度での測定を実現したいと考えている. 3. 測定上の注意点 ESR は試料の性状を問わない測定機ではあるが, 本装置特有の制約もあるので, この点は注意が必要である. 保守の観点から, 低温冷却装置は基本的に本体に据え付けた状態で運用している. そのため, 試料管として 4 mmφ 300 mm 程度の試料管でしか使用できず, 特殊な試料管での測定は基本的に行えない点に注意して頂きたい. 測定には試料管の底から2-3 cm 程度まで試料を導入する必要があるため, 液体や微粉体などは比較的容易に試料の充填が可能であるが, 固体や板などは試料管に導入可能な状態になるよう事前に加工する必要がある. また,ESR は電子レンジと同じなので, 水を始めとするマイクロ波の吸収係数が大きな溶媒などを用いる場合は, 低温による凍結などの工夫が必要である. 我々独自の工夫として, 水溶液試料図 3. ESR の装置の外観 電磁石に冷却用の液体窒素デュワーと真空ポンプを接続した状態 13

6 をキャピラリーに封入することで試料を凍結させること無く, 良好な ESR 信号が観測される事を確認している. 試料管の汚染をさけるため, 基本的に試料管は測定者自身で準備して頂きたい. また, プローブ内部での試料管の破損は, 深刻な汚染を招くため, 試料の性状と測定器への導入には細心の注意を払って頂きたい. 低温冷却には, 十分な量の液体窒素の量を確保するとともに, 一晩程度の予備減圧と冷却装置の安定化が必要である. そのため時間的の調整等が必要であり, 理想的には複数の試料の準備と他の測定グループとの共同使用が望ましい. 4. 最後に本装置は, 執筆者が採択された 次世代最先端研究支援プログラム による研究費により独自購入をし, 分析器機センターの器機として登録してある. 従って, 保守管理や費用面などの負担は, 基本的に執筆者の研究グループがその責を全面的に担っているため, 使用にあたっては十分な注図 4. 本装置に装備されている Mn マーカーの機能意と事前の相談を頂きたい. とはいえ積極的な装と g 値の補正 JEOL Resonance 社のカタログより一部抜粋 置の利用, ひいては新潟大学全体の研究推進にも大いに貢献したいと考えており, 先ずはお気軽に相談いただけると幸いです. 連絡先 : 由井樹人 (6767, yui.t@eng.niigata-u.ac.jp) 参考資料 1. JEOL Resonance 社 HP: 2. 新 物質科学ライブラリ15, 磁気共鳴 -ESR, 山内淳著, サイエンス社 3. 電子スピン共鳴法, 河野雅弘著, オーム社 14

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