Development of generic X-ray-based optogenetics using a highly efficient and multi-color system

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私たちは、生体を透過するX線を用いて神経細胞の活動を遠隔操作する「X線光遺伝学」を独自に開発した（Matsubara et al., Nat. Commun., 2021）。しかしながら、本技術は技術として未成熟であり、汎用性を高める必要がある。そこで、本研究では、様々な発光波長を持つ高効率シンチレータを活用するとともにX線エネルギーを高効率で光感受性タンパク質に伝達する技術を開発することで、汎用的な脳神経機能の遠隔操作技術を確立することを目標とする。新たなシンチレータ素材候補としてRb2CuRr3, Cs3Cu2I5,(C38H34P2)MnBr4のバルク結晶を作成するとともに、中国の研究者よりさらに3種類のシンチレータ材料を得た。これら結晶を粉砕して粒子化し、マウス脳に注射して留置したところ、いずれも注入部位に強い炎症反応が見られた。したがって、これら粒子をX線光遺伝学に利用するためには被膜を施すなどの工夫が必要であることが分かった。これらの結果を踏まえ、シリカ被膜法の条件検討と生体無害なシンチレータと予想される素材（未公表のため割愛）の新規合成を進めた。他方、Ce:GAGG粒子を最小化するため、Ce:GAGGナノ粒子を生成し、条件検討により量子効率９０％を達成した。また、新たなシンチレータ素材を用いたX線光遺伝学の有効性を直接的に検討するため、ヒト用レントゲン照射装置と電気生理学的計測を組み合わせたセットアップを構築した。生体マウス脳から神経活動を記録しながら、Ce:GAGGとChRmineを用いた従来のX線光遺伝学法を用いて神経活動を操作し、神経細胞の発火頻度上昇を確認した。さらに、2021年度中にX線光遺伝学を用いた行動実験を行うことができる高出力のX線照射が可能なX線照射装置が新たに導入された。