倉田奨励金研究報告書 第 52 集
2021 年度（第 53 回）助成

自然科学・工学－健康・医療：1 年助成

奨励金№1505

ナノダイヤモンドと磁性ナノ粒子を用いた癌モニタリングシステムの開発
桑波田
東北大学

晃弘

大学院工学研究科

准教授

Development of cancer monitoring system withnano diamond and magnetic nanoparticles
Akihiro Kuwahata,
Graduate School of Engineering, Tohoku University, Associate Professor

非侵襲な磁気温熱システムによるがん治療のために、本研究は、ナノダイヤモンドと磁性ナノ粒子を用いた温度計測技術を開発することが目的である。磁気ハイパーサーミアについて、ナノダイヤモンドと磁性ナノ粒子を用いて温度計測ができることを明らかとした。本研究成果によって、非侵襲でより安全な磁気加熱によるがん治療が可能となり、副作用を少なく、術後の患者の生活の質を向上できると考える。ならびに、がん転移と温度依存性などのがんメカニズムの解明、基礎医学へと貢献できる。
The objective of this study is to develop a temperature measurement technique using nanodiamonds and magnetic
nanoparticles for non-invasive magnetic thermotherapy in cancer treatment. We have demonstrated that temperature
measurement can be performed using nanodiamonds and magnetic nanoparticles for magnetic hyperthermia. With
the results of this research, it is believed that non-invasive and safer cancer treatment through magnetic heating will
become possible, reducing side effects and improving the quality of life for postoperative patients. Additionally, thisresearch can contribute to the understanding of cancer mechanisms such as metastasis and temperaturedependence, thereby contributing to basic medicine.

1．研究内容ん転移に関して、がん細胞周辺の温度が関与するがんを非侵襲に治療するために、磁性ナノ粒子ことが示されている。乳がんは、女性において罹と交流磁場を用いた磁気加熱がん治療（磁気ハイ患数が第一位であり、現在は標準的な治療法が確パーサーミア）が注目されている。がんへと直接立され、生存率は高い。しかしながら、乳がん診投与された磁性ナノ粒子を外部からの交流磁場を断機器の発展により、多くの早期のがんが発見さ用いて加熱する（43℃以上）ことで、低侵襲にがれるようになった。従って、より早い段階での転んを死滅させることが可能である。しかしながら、移診断や治療も可能であるため、転移を促進する過度な加熱（47℃以上）は正常組織に対してもダ可能性のあるがん細胞の温度を評価することは医メージを与えてしまうため、がんの温度をモニタ学的にも重要である。

リングし、磁気加熱装置の加熱パワーをコント

本 研 究 で は、ナ ノ ダ イ ヤ モ ン ド（ND: nano-ロール可能な機器の開発が期待されているが、正diamond）NV（窒素-空孔）センタと磁性ナノ粒確な温度モニタリングが可能なシステムは開発さ子（MNP: magnetic nano-particle）を用いたデュれていない。また、近年、乳がん細胞の生成やがアル温度計測技術を開発することを目的とする

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図 1．磁性ナノ粒子による磁気ハイパーサーミアがん治療とダイヤモンド NV による磁気と温度の計測。

（図 1）。本研究成果によって、非侵襲でより安全な磁気加熱によるがん治療が可能となり、副作用を少なく、術後の患者の生活の質を向上できると考える。ならびに、がん転移と温度依存性などのがんメカニズムの解明、基礎医学へと貢献できる。
【光-温度計測：ナノダイヤモンド NV センタを用いた絶対温度モニタリング技術の開発】

図 2．ナノダイヤモンドによる温度計測システム。

図 2 に示すように、ナノダイヤモンド NV からの光を検出するために、光ファイバの先端部分にナノダイヤモンドを NV 接続し、対象となるナノダ イ ヤ モ ン ド NV へ と 光 の 送 受 信 を 行 う。モジュール化のために、2 分岐光ファイバを用いて、一つのファイバで緑励起光と赤色蛍光の光通信を行うシステムを開発した。ダイヤモンド NV 専用のコイルを用いて、マイクロ波（2.87 GHz）を印加しながら、電子スピン状態をコントロールすることが可能である。ダイヤモンド NV の電子スピ

図 3. ナノダイヤモンド NV 温度計測結果。

ン状態は温度に依存する性質があるため、温度を計測できる。ナノダイヤモンド NV を緑色光で励した。ナノダイヤモンド NV の温度が変化すると、起し、励起されたナノダイヤモンド NV からの赤電子スピン状態にも変化が生じるため、共鳴の周色の蛍光を検出した結果を図 3 に示す。高感度化

波数がシフトする。この周波数シフトを読み出すのために、フォトダイオードで計測された光電流ことで絶対温度を評価することが可能となる。生は、電流アンプによって増幅される。2.87 GHz 近体模擬ファントムの温度を磁気加熱により加熱変傍においてマイクロ波周波数を掃引することで、化させることで、スピン共鳴に必要な周波数が変電子スピン共鳴による赤色蛍光強度の現象を観測化することを観測した。温度を 30℃から 90℃へと倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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自然科学・工学－健康・医療：1 年助成変化させたときに、共鳴周波数が 2.87926 GHz から 2.87485 GHz へと 4410 kHz 変化していることから、感度は、－73.5 kHz/K である。これは、先行研究の－74.2 kHz/K と誤差 1℃（1 K）以内であり、磁気ハイパーサミアにおいて、高感度に温度を計測できることを明らかとした。
図 4．磁性ナノ粒子による温度計測システム。

【磁場-温度計測：磁性ナノ粒子（MNP）によるワイヤレス温度モニタリング技術の開発】
がん表面・内部などの生体内部に存在する磁性ナノ粒子（MNP）からの磁気信号の変化を検出することで、生体内部の温度を計測することが可能である。図 4 に磁性ナノ粒子による温度計測システムを示す。MRI（magnetic resonance imaging、磁気共鳴画像）や強磁性共鳴（FMR: ferromagneticresonance）などの磁性スピン現象と同様に、磁場励起コイルの交流磁場で磁性ナノ粒子を励起し、励起された磁性ナノ粒子からの磁気信号を磁気検出コイルで検出することで温度変化を計測できる。
本研究では、より高感度に計測するために、磁性ナノ粒子の磁化応答非線形性を応用した、高調波磁場計測システムを開発した。図 5 に高調波が発図 5．磁性ナノ粒子の（a）磁化応答非線形性と、高調波発生のメカニズム。（b）磁性ナノ粒子からの歪んだ磁気信号、（c）励起磁場の時間変化、（d）計測した磁気信号のフーリエ解析。

生する原理を示す。非線形磁化特性を有する磁性ナノ粒子（図 5（a））に、交流磁場を印加する（図5（b））した場合、歪んだ磁気信号が生じる（図5（c））。計測された磁気信号をフーリエ解析すると第 3 次高調波を含むことがわかる。この第 3 次高調波を計測することで、励起磁場の基本波周波数から生じるノイズのないノイズフリーな高調波計測が可能となる。また、励起磁場からの影響そのものを除去するために、磁気検出コイルを 2 つ用いた差動型のコイルシステムを開発した。図 6図 6．磁性ナノ粒子による温度計測。に示すように、高調波の磁気信号の強度変化を検出することで、磁性ナノ粒子の温度変化を誤差1℃以内で高精度にワイヤレスモニタリングが可能であることを明らかとした。

【結論】
本研究では、磁気ハイパーサーミアがん治療のための、ナノダイヤモンド NV センタと磁性ナノ粒子を用いた温度計測技術を開発した。高精度に温度を計測することで、非侵襲でより安全な磁気倉田奨励金研究報告書 第 52 集
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加熱によるがん治療が可能となり、副作用を少なく、術後の患者の生活の質を向上できると考える。

2．発表（研究成果の発表）（1）桑波田晃弘、荒井慧悟、西谷大祐、藤崎伊久哉、松木亮磨、西尾有輝、辛宗浩、曹馨雨、波多野雄治、小野田忍、真栄力、宮川仁、谷口尚、山﨑正俊、寺地徳之、大島武、波多野睦子、関野正樹、岩﨑孝之、ダイヤモンド
NV センタを用いた生体磁場計測、第 37 回 日
本生体磁気学会、The 37th Annual Meeting ofJapan Biomagnetism and Bioelectromagnetics
Society、2022/6/14-15、ロイトン札幌（2）Akihiro Kuwahata, Ryuichi Hirota, Ariunbuyan
Sukhbaatar, Tetsuya Kodama, and Shin
Yabukami, Wireless temperature monitoringby using magnetic nanoparticles for clinical
trials on magnetic hyperthermia treatment,
The 67th Annual Conference on Magnetismand Magnetic Materials （MMM 2022）,
Minneapolis, Minnesota, from October 31 toNovember 4, 2022, AD-07（QOA-10）, QOA-10（3）Akihiro Kuwahata, Ryuichi Hirota, Ariunbuyan
Sukhbaatar; Tetsuya Kodama, and Shin
Yabukami, Wireless temperature monitoring byusing magnetic nanoparticles for biomedical
applications on magnetic hyper thermia
treatment, AIP Advances 13, 025142（2023）.

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