テラヘルツ光照射による細胞内タンパク構造の操作
理化学研究所 光量子工学研究センター
テラヘルツイメージング研究チーム
上級研究員

保科宏道

背景：テラヘルツ光技術の発展
波長1µm

1mm
ミリ波

周波数THz

遠赤外赤外

近赤外 可視1 PHz(1015Hz)

1 THz(1012Hz)= 300 µm

電波の領域

紫外

光の領域

① Radar（自動運転，モーションセンサ）② 次世代無線通信

https://atap.google.com/soli/

日常生活での利用が進む
人体への影響は？

背景：テラヘルツ光の生体影響
インターネット上の偽情報

電波防護指針（総務省）① THz光は健康に良い→ 石などのグッズ販売（根拠のないトンデモ理論）② THz光は健康に悪い→ 恐怖をあおる陰謀論（5G基地局の放火＠英国）••

0.3THz以上：0.3THz以下：



規定無し
電波である（電波法第2条）

一般環境： 体表面眼
管理環境： 体表面眼

10 mW/cm2 以下
2 mW/cm2 以下
50 mW/cm2 以下
10 mW/cm2 以下（電気通信技術審議会答申 諮問第89号 平成9年）

科学的根拠は全く無い

考慮されている生体影響
・ 熱作用：電磁波を吸収して温度が上昇→ 生体組織のダメージ
・ 非熱作用（刺激作用）：電磁界による電界や磁界→ 未解明！！

THz光の非熱生体作用は，よくわかっていない3

本研究の概要目的：THｚ光照射の非熱生体作用の解明

手法：
・タンパク，生細胞にTHz光を照射・温度上昇とは異なる現象を発見する
解析

THz光照射
細胞生体高分子（タンパク質，DNAなど）

水分子

手法：テラヘルツ光源
大型施設のTHz光源

実験室のTHz光源

自由電子レーザー（大阪大学）

非線形THzレーザー（波長変換）

パルス光，3-6THz, mJ以下

Mittleman Nat. Photon. 2013

ジャイロトロン（福井大学）

パルス光，0.1-10THz, mJ以下

半導体光源

連続光，1 THz以下, W以下 大出力 → 大きな（~cm）試料への照射

連続光，1 THz以下, mW以下

 弱い出力を集光 → 顕微鏡視野内の照射

手法：アクチン蛋白質
生体高分子「アクチン」
 単量体、重合化した繊維の二つの形態を持つ
アクチン繊維の機能✓細胞骨格✓細胞質分裂✓細胞遊走、浸潤

アクチン研究チーム

山崎祥他研究員（東北大→理研→NICT)

原田昌彦教授（東北大)https://nurseful.jp/nursefulshikkanbetsu/orthopedics/section_0_00/

アクチン蛋白質の蛍光画像
アクチン繊維 （～ 1 µm）重合反応

ヒトがん細胞（HeLa細胞）

精製したアクチン溶液で重合反応を再現可能

脱重合反応

アクチン単量体（～10 nm）

分子 ⇔ 細胞6

本研究の概要目的：THｚ光照射の非熱生体作用の解明

手法：
・タンパク，生細胞にTHz光を照射・温度上昇とは異なる現象を発見する

発見①

発見②

THzパルス光による衝撃波発生とアクチン繊維の破壊

THz連続光によるアクチン繊維化の促進THz照射の非熱作用① THzパルス光による衝撃波発生とアクチン重合体の破壊

精製アクチン溶液への照射
アクチンの重合反応中にパルスTHz光を照射

精製アクチン溶液

FEL:自由電子レーザー（阪大）

2 ps = 2×10-12秒
THz Pulse
瞬間的にエネルギーが集中

30分間照射後の比較
非照射試料

照射試料

アクチン繊維数アクチン線維数が減少 → THz光がアクチン重合化を阻害？

THz衝撃波の発見
アクチンの重合反応中にパルスTHz光を照射
FEL:自由電子レーザー（阪大）

2 ps = 2×10-12秒
THz Pulse

200 µm

瞬間的にエネルギーが集中

水観測光

THz光誘起衝撃波を観測（世界初）
Tsubouchi, et al. Sci.Rep. 10, 18537

細胞内アクチンへの照射影響
細胞内アクチンに対するTHz衝撃波照射実験
HeLa細胞（アクチン繊維が光るように蛍光標識）

水浸対物レンズ培地

カバーガラス

温調ステージTHz 光・ THz光は培地で吸収され，細胞には衝撃波のみが到達
・ THz照射面から距離があるため，温度上昇が無い

細胞内アクチン繊維の断片化
Yamazaki et al. Sci. Rep. 10, 9008 (2020)

THz照射の非熱作用②

THz連続光によるアクチン繊維化の促進

ジャイロトロンによるTHz連続光の照射
THz連続光の照射（衝撃波の発生しない条件）
ジャイロトロン（福井大学遠赤外領域開発センター）

0.46 THz, 570 mW/cm2
Duty比 1％THz光•照射による瞬間的な温度上昇は0.5℃以下•

熱電対で測定した平均温度の上昇は0.1℃以下•

0.5℃程度の温度上昇ではアクチン重合速度が変化しない（遅くなる）事は確認済み•

精製アクチン重合反応への照射，HeLa細胞への照射を行った．

ジャイロトロンによるTHz連続光の照射
アクチンの重合反応中にTHz光を照射
F-アクチン脱離

蛍光強度

成長平衡
重合核形成

時間

G-アクチン

THz光照射2.5
2.3
2.1
1.9
1.7
1.5
1.3
1.10.9
0.7
0.5

1.5

•
•1.3

蛍光強度

蛍光強度

THz光照射非照射
照射051015時間（分）1.10.9非照射
照射0.7200.5051015時間（分）THz光照射によるピレン蛍光強度の増加
蛍光顕微鏡観察によるアクチン繊維数の増加→ 照射によるアクチンの繊維化の促進

THz光照射はアクチンの重合・脱離反応の速度を変えている20
Yamazaki et al. Sci. Rep. 8，9990 (2018)

ジャイロトロンによるTHz連続光の照射
HeLa細胞にTHz光を照射

非照射

照射

••

照射によって細胞は死んでいない
照射サンプルの方が，蛍光強度が増加しているように見える→ 統計処理30分

0分

HeLa細胞（SiRアクチン染色）• Yamazaki et al. PLoS ONE 16, e0248381 (2021)

ジャイロトロンによるTHz連続光の照射
HeLa細胞にTHz光を照射
HeLa細胞（SiRアクチン染色）•••120個以上の細胞について蛍光強度変化を測定
THz光照射によってアクチン繊維が増加アクチンを増やす薬剤（Jasplakinolide）に類似の効果が認められた• Yamazaki et al. PLoS ONE 16, e0248381 (2021)

THz光照射の細胞機能への影響
細胞質分裂の阻害

アクチン：細胞質分裂を起こす
収縮環の成分
• Yamazaki et al. PLoS ONE 16, e0248381 (2021)

照射光学系の小型化
IMPATTダイオード光源の導入

特性
Gyrotron

IMPATT Diode

周波数0.46 THz

0.28 THz

光強度

0.6 W/cm2

0.1 W/cm2

サイズ

2～3 ｍ

20～30 cm

精製アクチンへの照射実験
ジャイロトロン

IMPATT Diode＠理研仙台

ジャイロトロンよりも効果が弱く，時間を要するものの，アクチン繊維の伸長を促進する効果が観測された→ ポータブルなTHz光照射環境の実現
IMPATT DiodeTeraSense社• Yamazaki et al. PLoS ONE 16, e0248381 (2021)

THz光照射の非熱作用の発見
2つの異なる非熱作用
パルスTHz光
アクチン繊維の切断

THz連続光アクチンの繊維化

結論

結論

論文

論文

特許

特許

•衝撃波の発生•• 水溶液にTHzパルス光を照射すると衝撃精製アクチンの繊維化反応を阻害波が発生することを発見• 細胞内アクチン繊維の断片化• 発生した衝撃波は水中を3ミリ以上伝搬する→ 表皮の厚さよりも長距離• 発生した衝撃波によって細胞内のアクチン繊維が断片化する• Tsubouchi, et al. Sci.Rep. 10, 18537 (2020)• Yamazaki et al. Sci. Rep. 10, 9008 (2020)「生体高分子操作装置および生体高分子操作方法」
山崎祥他，保科宏道，大谷知行，原田昌彦，坪内雅明，小川雄一，磯山悟朗，永井正也
特願2020-188243（2020年11月11日出願）•

精製アクチンの繊維化反応を促進•• 水溶液にTHzパルス光を照射すると衝撃細胞内アクチン繊維の増加波が発生することを発見• 細胞質分裂の阻害• 発生した衝撃波は水中を3ミリ以上伝搬する→ 表皮の厚さよりも長距離• 発生した衝撃波によって細胞内のアクチン繊維が断片化する••

Yamazaki et al. Sci. Rep. 8，9990 (2018)
Yamazaki et al. PLoS ONE 16, e0248381(2021)「細胞質分裂の阻害方法および細胞質分裂の阻害装置」
山崎祥他，保科宏道，大谷知行，原田昌彦，小川雄一，山口裕資
特願2022-021133（2022年2月15日出願）

想定される用途
医療への応用アクチン繊維の役割
がん細胞の転移THz光医療？
経口

THz光源の埋め込み注射
点滴
創傷治癒

•

可逆的操作

•

ON/OFFによる副反応の制御が可能•

超長期照射（予防）•照射部位の限定

アクチン以外の蛋白質やDNAも？
→ 現在研究中

想定される用途安全基準の再検討

次世代通信

生体へのTHz光照射に非熱作用の存在が明らかになってきた パルスTHz光の生体影響は今後考慮されるべき この研究で生体影響が確認された強度は，総務省の電波防護指針よりも強い 安全基準作成の為には，より多様な生体試料への影響評価とメカニズムの解明が必要21

今後の研究について

阪大
THZ-FEL

アクチン研究チーム（東北大）

テラヘルツ研究チーム（理研）

大学，企業との共同研究

福井大
ジャイロトロン

保科宏道
上級研究員

山崎祥他
（東北大→理研→NICT)

上野佑也（東北大D1
理研JRA)

原田昌彦教授（理研客員研究員）• 実用化に向けた課題••

発見されて間もない現象で，メカニズムなど未解明な部分が多い→ 未だ研究フェーズである
何に作用するか，どのような照射条件が必要かなどの，情報が不足→ アプリケーションが明確でない• 企業への期待••

医療・創薬など，本技術を用いた応用研究への参加
バイオテクノロジー分野の応用研究にTHz光照射技術を導入
THz照射用顕微鏡など，本技術を用いた装置開発

22

本技術に関する知的財産権
１．
• 発明の名称• 出願番号
• 出願人
• 発明者
2．
• 発明の名称• 出願番号• 出願人• 発明者：生体高分子操作装置および生体高分子操作方法：特願2020-188243：理化学研究所，京都大学：山崎祥他，保科宏道，大谷知行，原田昌彦，坪内雅明，小川雄一，磯山悟朗，永井正也：細胞質分裂の阻害方法および細胞質分裂の阻害装置：特願2022-021133：理化学研究所：山崎祥他，保科宏道，大谷知行，原田昌彦，小川雄一，山口裕資

23

お問い合わせ先株式会社理研鼎業

新技術説明会事務局
E-mail:senryaku@innovation-riken.jp