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作成： 2005/11/22 湯川雅枝
データ番号 ：040308
マイクロビームPIXE分析の医学・生物学研究への応用
目的 ：生体中の微量元素の分布・存在量の情報から微量元素の生理学的機能、疾病との関連の解明
放射線の種別 ：陽子（入射）、エックス線（検出）
放射線源 ：静電加速器（3MeV）
利用施設名 ：フランス・ボルドー大学、ドイツ・ライプツィッヒ大学、放射線医学総合研究所、東北大学サイクロトロン・RIセンター、日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所
照射条件 ：真空、He気中
応用分野 ：分析化学、加速器利用、
概要 ：
高感度非破壊多元素同時分析法である荷電粒子励起X線（PIXE）分析は、医学・生物学分野で、生体中の元素の分布や存在量への情報を提供する手段として利用され、微量元素の生理学的機能解明や、疾病との関連の研究に役立っている。最近では、μmサイズに絞ったイオンビームを用いて試料表面をスキャンニングすることにより、組織レベルから細胞レベルまでの、より微細な元素の分布図を描くことが出来るようになった。
詳細説明 ：
PIXE分析は、加速器で発生させたイオン(おもにプロトン)で励起される元素の特性X線を測定して分析を行う方法である。この分析法の特徴として、高感度な多元素同時分析法であること、非破壊分析が可能であること、比較的分析時間が短いことが挙げられる。電子やX線励起による蛍光X線分析に比べ、X線スペクトルのバックグラウンドが低いことや、通常用いるSi(Li)検出器では、軽元素からのX線を検出しないことから、生物試料を構成する主要元素であるC、H、N、O等の軽元素マトリクス中の微量元素分析にもっとも適している。近年、励起源であるイオンビームをμmサイズに絞って照射を行えるようになり、組織レベルから細胞レベルの構造について微量元素の分布が調べられ、病気の診断や、元素の生理機能についての研究に応用され始めている。
一般的に生体試料を分析する場合には、薄いバッキング膜上に固定した試料を真空中に置き、1μmサイズに絞られたプロトンビームを照射しながら試料表面を走査する。試料が十分薄ければ（通常30μm以下）、STIM（走査型透過イオン顕微鏡）を用いて、試料の密度分布か厚み分布による構造情報が得られるので、顕微鏡を見ながら多くの元素の分布図を同時に描くことができる。
フランス、ボルドー大学の施設では、核マイクロプローブ技術によるマイクロビームPIXE、RBS（ラザフォード後方散乱分析）、STIMと電子マイクロビーム、シンクロトロン放射X線マイクロビームを組み合わせて、微細な元素分布を定量的に明らかにする研究が精力的に進められている。細胞については、Ortegaの総括的な紹介がある（原論文１）。一例として、図２のように、指標植物として有用なシロイヌナズナの細胞をin vitroで（試験管内で）CsClと接触させたところ、細胞内に取り込まれたCsの分布が画像化され、Kと共存している様子が鮮明に示された。
図1 Nuclear microprobe analysis of Arabidopsis thaliana cells exposed in vitro to CsCl. STIM images of individual cells (upper row) and μPIXE images of potassium and cesium distributions (lower row). Image division Cs/K demonstrates that Cs is fully co-localized with K. Both elements share the same intracellular distribution than the main mass distribution determined by STIM. Bar=20μm.
（原論文1より引用。 Reprinted by permission of Elsevier from:
R. Ortega. Chemical elements distribution in cells. Nucl. Instr. and Meth., B 231, 218-223 (2005). Figure 1）
また、ヒトの皮膚についての研究も行われ、マウスに移植した皮膚を用いて、日焼け止めクリームに含まれるTiが、表皮のバリアである角質を通り抜けて顆粒層付近に達していることを図２のような分析で明らかにした（原論文２）。なお、図２では、STIM画像にマイクロビームPIXEによるTiのＸ線分布が重ねてある。
図2 (a) Median energy map and Ti distribution of a skin section which was exposed to Anthelios XL 60 F suncreme for 48h in occlusion. Scan size: 100×100μm2. (b) Distribution of Ti on the section shown in Fig.2. Scale bar: 10μm.（Fig.2は皮膚の断層のSTIM画像を指す）
（原論文2より引用。 Reprinted by permission of Elsevier from:
Zs. Kertesz, Z. Szikszai, E. Gontier, P. Moretto, J.-E. Surleve-Bazeille, B. Kiss, I. Juhasz, J. Hunyadi, A.Z. Kiss. Nuclear microprobe study of TiO2 penetration in the epidermis of human skin xenograft. Nucl. Instr. and Meth., B 231, 280-285 (2005). Figure 3）
ドイツのライプツィッヒ大学では、パーキンソン病やアルツハイマー病のような神経変性疾患において、特定の元素の蓄積がいわれていることから、基礎となる正常な元素分布を明らかにするために、脳内の元素分布を細胞レベルで研究している（原論文３）。パーキンソン病の脳内では、黒質内のFe分布が正常とは異なることを明らかにするとともに、神経細胞内でのFeとSの分布を明瞭な画像として示した（図３）。
図3 Three-element map of P, Fe, S of a human SNpc neuron in PD. Phosphorus (green) iron (red) and sulphur (blue) is shown The neurons can be localized by its phosphorous rich somata. The violet colour is an overlap of red and blue which shows a clear spatial correlation of iron and sulphur, i.e. the binding of iron to neuromelanin.（SNpcはsubstantia nigra pars compacta、PDはParkinson's diseaseの略）
（原論文3より引用。 Reprinted by permission of Elsevier from:
M. Morawski, Ch. Meinecke, T. Reinert, A.C. Dorffel, P. Riederer, T. Arendt, T. Butz. Determination of trace elements in the human substantia nigra. Nucl. Instr. and Meth., B 231, 224-228 (2005). Figure 2）
放射線医学総合研究所では、雄性生殖器に対する重金属や放射線の影響を研究する手段としてマイクロビームPIXEが用いられ、ラットの精巣内の元素分布が明らかにされた（原論文4）。精子の放射線感受性が高いことや、外因性内分泌かく乱物質、いわゆる環境ホルモンとしての金属毒性が問題とされていることから、これらの機構解明のために有効な研究手段となっている。マイクロビーム走査によって、精巣断面を直接画像化できるようになるまでは、精細管内での精子形成ステージに伴う元素の分布を調べるためには、精細管を取り出し、ステージごとに分割して分析する以外に手段がなかった。
東北大学では、マイクロビームPIXEを応用した”ミクロンCT”により、蟻の脳を３次元で画像化するという斬新な成果が報告されている（参考資料１，２）。通常のX線管等を用いたCTと異なり、加速器からのイオンマイクロビームで金属を照射し、特性X線を誘起して細いX線ビームとし、試料を回転してCT画像を得る。現在、数ミクロンの空間分解能を達成している。これは、元素分析手段としてのPIXEの利用ではなく、X線発生法としての利用である。X線マイクロビームで試料の微小部位を照射できるとともに、金属を変えることにより希望するエネルギーの単色X線を利用することができるので、微小領域のより鮮明な画像が得られると期待される。
コメント ：
マイクロビームPIXEは医学・生物学分野における微量元素の生体影響研究あるいは生理作用研究において強力な武器となるが、照射面積が小さくなるためマトリックスの影響をより強く受けるようになる。そのため、RBS分析で主成分元素を分析し、その主成分元素の組成を考慮してPIXE分析で得られる微量元素成分値を補正する複合分析は不可欠な手法となる。このことから、近年では、マイクロプローブを含めたPIXE分析は単独で用いられるよりも、イオンビーム分析の中でほかの分析法と相補的に用いられることが多くなり、対応する解析ソフトの開発も行われている。
原論文１ Data source 1：
Chemical elements distribution in cells
R. Ortega
Chimie Nucleaire Analytique Bioenvironmentale, Universite de Bordeaux
Nucl. Instr. Meth. B 231, 218-223 (2005)
原論文２ Data source 2：
Nuclear microprobe study of TiO2 penetration in the epidermis of human skin xenografts
Zs. Kertesz, Z. Szikszai, E. Gontier, P. Moretto, J.-E. Surleve-Bazeille, B. Kiss, I. Juhasz, J. Hunyadi, A.Z. Kiss
Institute of Nuclear Research of the Hungarian Academy of Science
Nucl. Instr. Meth. B 231, 280-285 (2005)
原論文３ Data source 3：
Determination of trace elements in the human substantia nigra
M. Morawski, Ch. Meinecke, T. Reinert, A.C. Dorffel, P. Riederer, T. Arendt, T. Butz
Paul-Flechsig-Institut fur Hirnforschung, Universitat Leipzig
Nucl. Instr. Meth. B 231, 224-228 (2005)
原論文４ Data source 4：
Stage-specific and age-dependent profiles of zinc, copper, managanese, and selenium in rat seminiferous tubules
S. Homma-Takeda, Y. Nishimura, Y. Watanabe, H. Imaseki, M. Yukawa
National Institute of Radiological Sciences
J. Radioanal. Nucl. Chem. 259, 521-525 (2004)
参考資料１ Reference 1：
大気マイクロPIXEカメラを中心としたマイクロイオンビームイメージング技術
石井慶造、松山成夫、山崎浩道
東北大学大学院工学研究科
第42回アイソトープ・放射線研究発表会要旨集、p.184（Radioisotope誌「講座」に執筆予定）
参考資料２ Reference 2：
３次元ミクロンCTの開発（1）−システムの開発−
渡辺慶人、石井慶造、山崎浩道、松山成夫、菊池洋平、山口喬、猪股一正、石崎梓、川村悠、小山亮平
東北大学大学院工学研究科
第22回PIXEシンポジウム要旨集、p.27
キーワード：PIXE、微量元素、元素分布、生理機能、マイクロビーム、細胞、組織、画像化
PIXE, trace elements, elemental distribution, physiological function, microbeam, cell, tissue, imaging
分類コード：040401, 040101, 040501
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