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単色 X 線とナノ粒子を組み合わせた新しいがん治療技術の開発にむけて

玉野井冬彦＊1

松本光太郎＊1

Tamanoi FuyuhikoMatsumoto Kotaro

齋藤寛之＊2

城Saitoh Hiroyuki

鮎美＊2

Shiro Ayumi

本稿で紹介する実験を行った大型放射光施設

₁ はじめにSPring-8 の（国研）量子科学技術研究開発機構専用

ナノテクノロジーの発展により様々な新規ナノ材

ビームライン BL14B1 の偏向電磁石光源から発生する料が開発されてきた。特にナノ粒子は直径 40〜

X 線のエネルギープロファイルを図 1A に示したが，400 nm のサイズの微小粒子であり様々な物質をがこのビームラインでは 10〜100 keV の範囲で X 線ん細胞に効率よく取り込ませ細胞核の近傍に集めるの明るさがほとんど変化しない，すなわち，各エネことに有効である 。一方，近年の放射線治療の進

ルギーの単色 X 線をほぼ等しい明るさで含む白色展により，がん治療のために X 線，陽子線，中性X 線を発生させ，照射・計測の実験に使用すること子線等を用いた量子ビーム治療技術が開発されてきが可能である。

1）

た。私たちは最近，ナノ粒子を用いて Gd（ガドリ白色 X 線に対して，特定のエネルギーの X 線のニウム）をがん細胞のかたまりに取り込ませ，単色みから構成される X 線を単色 X 線と呼ぶ 3）。単色X 線で照射することによりがんのかたまりを効率よ

光とは，可視光領域の電磁波で再び説明すると，赤く殺傷できることを示した 。この仕事はナノテクや青等の単一色の光のみを含む光に対応する。X 線

ノロジーの研究と量子ビームの研究の融合により初領域のエネルギーを有する電磁波に対しては物質のめて可能になった試みである。本稿ではこの実験の屈折率がほぼ 1 であるため，可視光で行われるよう概要，背景を説明し，将来への展望を議論したい。

なプリズムの原理を使った単色化を行うことはでき

2）ない。そこで白色 X 線を単色化する際には，X 線

₂ 単色 X 線とオージェ効果2.1.

単色 X 線の回折現象を利用する。筆者らの研究では 2 枚のシリコン単結晶からの回折 X 線を取り出すことで単色 X 線を得た。単色化された X 線のエネルギープ

放射線治療で一般的に用いられる X 線は白色 X 線

ロファイルの模式図を図 1B に示す。実験に用いたと呼ばれ，様々なエネルギーの X 線が混ざった状

単色 X 線は通常，無機物の物性研究のための計測態である。白色光は，可視光領域の電磁波で説明すに用いられるもので，非常に鋭いエネルギープロると，太陽光等文字どおり白色に見える光に対応すファイル（ΔE/E〜10 -4, E は単色 X 線のエネルギー）る。どのようなエネルギーを持つ X 線が，どのくを有する。

らいの強度を持って白色 X 線に含まれているのか

X 線と物質の相互作用の大きさは，物質が同じでは，エネルギープロファイルを見ることで分かる。

あれば，X 線のエネルギーによって決まる。X 線のIsotope News

2020 年 8 月号

No.7707図 1 A：大型放射光施設 SPring-8 BL14B1 の偏向電磁石光源から発生する白色 X 線のエネルギープロファ
イル。B：単色 X 線のエネルギープロファイル（模式図）

図2

オージェ電子によるがん殺傷効果の模式図

単色 X 線を Gd ナノ粒子に照射し，細胞への影響が大きいオージェ電子によりがん細胞を殺傷する。正常細胞中は透過力が高い
単色 X 線が透過し，飛程が短いオージェ電子はがん細胞以外の細胞には届かないと期待できるエネルギーが高いほど物質との相互作用が小さくな

2.2.

り，その結果として透過能が増加する。したがって，増幅するオージェ効果により単色 X 線のがん殺傷力を白色 X 線を物質に照射した場合は，低エネルギー基底状態の元素に X 線や電子線を照射すると，の X 線は物質の表面で吸収され，高エネルギーの一定の確率で内殻電子が励起され，内殻に正孔が生X 線は物質の内部まで透過する。白色 X 線によるじる。正孔に外殻から電子が遷移するが，そのときがん治療においては，低エネルギーの X 線が体表に発生する余剰なエネルギーを受け取って放出されの正常細胞にダメージを与えてしまう，等の問題をる電子をオージェ電子と呼ぶ 4）。本稿で取り扱う

引き起こす。ここで，もしがん細胞のみを効果的にGd の オ ー ジ ェ 電 子（KLL オ ー ジ ェ 電 子 ） は 約殺傷できる単色の X 線が存在し，かつ，その X 線33 keV の運動エネルギーを持つ。励起光は内殻をのエネルギーが十分に高ければ，体表や体内の X 線励起するのに必要なエネルギーを持つ必要があり，透過パス中の正常細胞に与えるダメージをできるだ

例えば Gd から K 殻の励起によりオージェ電子を放け少なくしたがん治療が可能になる。透過力の高い

出 さ せ る 場 合，K 吸 収 端 の エ ネ ル ギ ー で あ る

単色 X 線が効率良くがん細胞にダメージを与えら

50.24 keV よりエネルギーが大きい励起光が必要でれるように工夫を施すことが重要である。

ある。Gd 等の高 Z 元素に単色 X 線をあてて放出された電子は細胞の殺傷力が高い。オージェ電子は吸収端直上の単一のエネルギーを持つ X 線の照射によって効率的に発生させることができる。そこで

8Isotope News

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No.770図 3 Gd 含有 MSN の TEM 画像を左に示した。Gd 含有ナノ粒子（Gd-MSN）は MSN を表面修飾し，Gdを結合させた。エネルギー分散型 X 線分析（EDX），ICP により Gd の結合を確認している

Gd 等の高 Z 元素をあらかじめがん細胞にデリバる た め に 私 た ち は メ ソ ポ ー ラ ス シ リ カ ナノ粒子

リーしておいて単色 X 線を照射するとがん細胞を（MSN）を用いた。MSN は均一な高品質のナノ材殺すことができる。この原理を図 2 に示した。また料であり，効率よくがん細胞に取り込まれること，放出された電子は飛距離が短いので，細胞の殺傷をまたがんへの蓄積能が高いこと等の特徴を有していがん細胞だけに限定して周りの正常細胞への影響をるので，がん治療におけるデリバリーシステムとし最小限にすることができる。て注目されている 6）。筆者らは Gd 等の高 Z 元素を効率的かつ高濃度でがん細胞に運ぶために Gd 含有

3 がんスフェロイドを用いたオージェ効果実験
3.1.

がんスフェロイドナノ粒子を合成した。図 3 ではゾルゲル法という方法で合成した MSN ナノ粒子を示したが，この粒子は直径が約 100 nm であり，多数の孔が開いた構造上に述べたオージェ効果によるがん細胞の殺傷効をしている。ハチの巣やスイスチーズのような形状果を調べるために筆者らはがんスフェロイドの系をである。筆者らは更に表面の電荷を調整して溶液中用いた。がんのモデル系としてはがん細胞の培養とでの分散性を高めた。また MSN の挙動を追跡するマウスを使ったがん移植モデルが使われてきた。しために Rhodamine-B を用いて標識した。Gd を含有かしながら，最近，がんの特徴を維持したモデルとさせるためには表面にアミンを修飾し MSN の表面してがんスフェロイドモデルが使われてくるようにや小孔内の壁にガドペンテト酸を結合させた。

なってきた 。がん細胞を増殖するときに細胞が付

Gd 含有ナノ粒子をがんスフェロイドに加えると，着しないように表面加工した特別な培養容器を使う

ナノ粒子はがんスフェロイドの深部にまで取り込まとがん細胞が集まり三次元のかたまりを作る。このれ，がんスフェロイド全体に分布する。この実験で方法でスフェロイドを形成すると 0.3 mm × 0.3 mm

は緑の蛍光タンパク GFP を発現している卵巣がんの球状のかたまりができる。通常の細胞培養ででき細胞を用いてがんスフェロイドを作成したのでスる二次元の細胞に比べがんスフェロイドは実際のがフェロイドは緑の蛍光を示す。Rhodamine-B で標識んに似ており，抗がん剤に対する感受性も二次元のした赤い蛍光のナノ粒子を加えるとスフェロイド全細胞と異なる。更に間質細胞，免疫細胞，細胞外マ体が赤くなるのが分かる（図 4）。スフェロイド全トリックス等を加えれば，実際のがんに非常に類似体にナノ粒子が分布している点は，更に共焦点顕微したがんオルガノイドというかたまりを作ることが鏡を用いた解析で確かめた。スフェロイドを構成すできる。また患者のがん細胞を用いてがんスフェロるがん細胞についてみるとナノ粒子はこれらの細胞イドを作り患者由来のがんスフェロイドを形成するに取り込まれ DNA が内在する細胞核の近傍に蓄積こともできる。

される。この理由は生体を構成する細胞はエンドサ

5）

イトーシス 7）と呼ばれる細胞外から物質を取り込む
Gd 含有ナノ粒子とがんスフェロイドへの取込み機構を有しており，筆者らが用いた Gd 含有ナノ粒

がんスフェロイドに Gd をまんべんなく分布させ子は卵巣がん細胞のエンドサイトーシス機構を介し

3.2.

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2020 年 8 月号

No.7709図 4 GFP 発現がん細胞から作ったがんスフェロイドにRhodamine-B 蛍光標識した Gd-MSN をインキュベートすると Gd-MSN がまんべんなく取り込まれる。更にがん細胞の中を見ると Gd-MSN が細胞核のすぐ外に局在しているのが分かる。細胞核は青色の蛍光で示した

図5

単色 X 線照射によるがんスフェロイド破壊効果

A：照射実験の光学系の略式図。B：がんスフェロイドは 50.25 keV の単色 X 線により破壊されるが，50.0 keV では影響を受けないて細胞内へと取り込まれるからである。図 4 の右側

Gd を含有したナノ粒子を取り込ませたがんスに示したパネルに見られるように Gd 含有ナノ粒子

フェロイドに単色 X 線を 1 時間照射し，照射の効は青い蛍光で示した細胞核のすぐ外に集まってい果を明らかにするために照射後の細胞を 2〜3 日間る。このことは，Gd を DNA の近くに Gd を局所的培養し GFP 蛍光観察した結果を図 5B に示す。照射に高濃度で局在させることができたことを意味して

X 線のエネルギーによる違いを確認するために Gdいる。の吸収端直上である E＝50.25 keV と吸収端よりもわずかにエネルギーの低い E＝50.0 keV の X 線を照3.3.

射し，結果を比較した。図 5B から明らかなように，がんスフィロイドの照射実験

Gd 含有ナノ粒子を加えたがんスフィロイドの単Gd K 吸収端直上の単色 X 線（50.25 keV）を Gd 含色 X 線照射実験は SPring-8 BL14B1 にて実施した。

有ナノ粒子を取り込ませたがんスフェロイドに照射照射実験に用いた光学系の略式図を図 5A に示す。

したとき，がんスフェロイドが破壊された。一方，

BL14B1 の偏向電磁石光源で発生した白色 X 線を 2 枚

図には示されていないが，Gd を含まないナノ粒子のシリコン単結晶 311 面で単色化し，約 1 mm ×をがんスフェロイドを用いた場合には影響がみられ1 mm のビームサイズに成型した後に試料に照射しなかったので，照射した単色 X 線そのものにはがた。
この研究ではオージェ電子を発生させるために，ん細胞を殺傷する効果は少ないことが分かる。またGd K 吸収端より高いエネルギーの単色 X 線を照射

Gd を含むがん細胞でも，Gd の K 吸収端よりもわする必要があるため，X 線のエネルギーを正確に決ずかに低いエネルギーの単色 X 線（50.0 keV）を照定する必要がある。照射実験の前にあらかじめ標準射した場合には，スフェロイドへの影響がないこと試料である Gd 箔の吸収プロファイルを 2 台のイオも明らかになった。今回のがん殺傷効果は K 殻電ンチャンバーを用いて測定して X 線のエネルギー子を励起する過程により引き起こされていることを較正を行った。入射 X 線を試料に照射するためには，明確に示す結果である。また，
K 殻電子の励起によっ専用の試料台と自動ステージからなる照射システムては蛍光 X 線も発生するが，このとき発生する蛍を構築する必要があった。このステージを XYZ の光 X 線は最もエネルギーが高いもので 48.7 keV であ3 軸を有する自動ステージ上に固定し，ステージをる。50.0 keV の単色 X 線のみではがん細胞に影響を使って照射位置にチューブを移動することで，24 個与えないことからも，今回観察されたがん殺傷効果の試料に対して自動で照射実験を行うことが可能とには蛍光 X 線は関与しておらず，オージェ電子がなる。ビーム照射位置の確認は，あらかじめ X 線重要な役割を果たしていると結論づけられる。がんの光路と一致するように調整したレーザーと顕微鏡

ス フ ェ ロ イ ド へ の 影 響 の メ カ ニ ズ ム に ついてはからなる光学観察システムと，透過 X 線の 2 次元DNA の切断の様式を含め今後の研究が必要である。

像を観察する CCD カメラを用いて行った。

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がんのオージェ治療る 9）。またホウ素（boron-11）に陽子線を照射すると 3 個の a 粒子が放出されがん細胞を殺すことが筆者らの研究によりがんのかたまりに Gd を取りできる 10）。更にカーボンイオンビーム等の重粒子線込ませ 50.25 keV の単色 X 線で照射することによりを活用することも将来できるかもしれない。このよ

がんのかたまりをバラバラにできることが分かっうに量子ビームとナノ材料の組み合わせをいろいろた。同様なアプローチは他の高 Z 元素でも可能な考えることができ，様々な可能性が開けてくると期はずである。例えば Au を使こともできるが，この待される。こうした量子ビームの研究とナノ材料の場合はもっと高いエネルギーの単色 X 線（80.7 keV）研究の融合からできてくる新規研究分野を筆者らはを使う必要がある。このように高 Z 元素と単色 X 線

量子ナノ医療研究と呼んでいる。近年，量子というのエネルギーをデザインすることができる。またこキーワードがいろいろ使われてきている。量子コンの治療の有効性については動物モデルで検討する必ピューターに始まり，バイオ系では量子生命科学と要がある。MSN ナノ粒子はサイズ，表面の電荷をいう研究が進展してきている。更に医療への応用を調整することにより，高いがん蓄積能を示すことを目指す研究として量子ナノ医療は今後発展してくる

考えると今後の展開に期待が持たれる。と考えられる。

5 量子ナノ医療の展開
前述したように私たちの研究は量子ビームである
単色 X 線の研究とナノテクノロジーの研究の融合により生まれた。すなわち異分野の融合により新しい放射線治療の可能性が開かれたと言える。これとは別の組み合わせはいろいろ考えることができる。
例 え ば， ホ ウ 素 中 性 子 補 足 療 法（Boron Neutron8）
Capture Therapy, BNCT）
はホウ素（boron-10）と熱中性子の核反応によって生じる a 線を利用したがん治療方法であり，あらかじめがん周辺に B を集

参 考 文 献1） Maurya, A., et al., Interv Med Appl Sci., 11, 38-54（2019）2） Matsumoto, K., et al., Sci. Rep., 9, 13275（2019）3） Lewis, R., et al., Physics in Medicine and Biology., 42,1213-1243（1997）
4） Auger, P., Surface Science., 48, 1-8（1975）
5） Mehta, G., et al., J Control Release., 164, 192-204（2012）
6） Yanes, R.E., et al., Ther Deliv., 3, 389-404（2012）
7） Patel, S., et al., Advanced Drug Delivery Reviews., 144,90-111（2019）8） Suzuki, M., et al., J Radiat Res., 55, 146-153（2014）
9） Barth, R.F., et al., Cancer Commun., 38（2018）10）Cirrone, G.A.P., et al., Sci Rep., 8, 1141（2018）

積させた状態で中性子線をがんに照射する。中性子線自体は物質との相互作用が小さいため，人体の正（＊ 1 京都大学，物質−細胞統合システム拠点（iCeMS），常組織にはあまり大きなダメージを与えることはな＊い。近年，B を含有したナノ粒子が開発されつつあ究所）

2（国研）量子科学技術研究開発機構 関西光科学研

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