〔SUMMARY〕1．はじめにMEDCHEM NEWS 34（1）25-29（2024）25Keyword Molecular probe, NMR/MRI, Hyperpolarization, Metabolic reaction 谷田部浩行Hiroyuki Yatabe＊1・山東信介Shinsuke Sando＊2 核磁気共鳴イメージング（NMR/MRI）は、生体内の標的分子を非侵襲的に観測することができる。一般にMRIは医療現場に広く普及しており、主に生体内の水分子を観測することで、診断に利用している。しかしながら、NMR/MRIは感度が低いという欠点を抱えており、生体内に大量に存在する水の1H核以外を感度よく検出することは一般に困難とされてきた。そこで近年、生体内代謝計測を目的とし、NMR/MRI分子プローブ感度を劇的に向上させる超偏極技術が注目されている1，2）。 超偏極技術の原理を簡単に説明する。核スピンは磁場中においてゼーマン分裂によって2つのエネルギー準位 超偏極技術は、核磁気共鳴イメージング（NMR/MRI）分子プローブの感度を劇的に向上させることで、従来のNMR/MRIでは一般的に困難な生体内検出を可能にする。超偏極技術の一つである動的核偏極法（DNP）は、高感度化した分子プローブの代謝解析を通じて、代謝反応のリアルタイム追跡や病態診断に応用されている。例えば、代表的なDNP-NMR分子プローブである［1-13C］ピルビン酸は、［1-13C］乳酸への代謝率を指標に、さまざまながんの病態診断に利用されている。しかし、実用的なDNP-NMR分子プローブは極めて少なく、その設計指針も確立されていない。筆者らは、緻密な分子設計によって、多数のDNP-NMR分子プローブを開発してきた。本稿では、緩和理論と分子認識機構の解析に基づき、長い超偏極寿命と速い酵素反応を実現したDNP-NMR分子プローブの例を紹介する。Hyperpolarization techniques dramatically improve the sensitivity of nuclear magnetic resonance imaging （NMR/MRI） molecular probes enabling in vivo detection that is typically difficult with conventional NMR/MRI. Dynamic nuclear polarization （DNP）, one of hyperpolarization techniques, has been applied for real-time monitoring of metabolic reactions and pathological diagnosis through metabolic analysis of highly sensitive molecular probes. For example, ［1-13C］pyruvate, a representative DNP-NMR molecular probe, has been utilized for pathological diagnosis of various cancers based on its metabolic rate to ［1-13C］lactate. However, there are very few practical DNP-NMR molecular probes, and their design guidelines have not been established. We have developed various DNP-NMR molecular probes through precise molecular design. In this manuscript, we introduce examples of DNP-NMR molecular probes with long hyperpolarization lifetimes and fast enzymatic reactions developed based on relaxation theory and mechanistic insight into molecular recognition.（αとβ）に分裂する。スピン占有数はボルツマン分布に従うが、熱平衡状態では、両者のエネルギー差は非常に小さいため、スピン占有数の差は非常に小さい。これがNMR/MRIの感度が低い原因である。超偏極技術は、核スピンの占有数の差を大きくすることで、NMR/MRI感度を向上させることできる（図1a）。例えば、13C核では104～106倍の感度上昇を実現可能である。超偏極化 （高感度化）した分子プローブを用いたMRIは、従来のMRIでは困難な生体内検出を可能にするため、新たな生命現象の解明や代謝異常に基づく疾患の早期診断につながる手法として期待されている。 超偏極技術の中でも、溶解動的核偏極法（dissolution DNP）は、幅広い分子に適用でき、高い偏極効率を得られる手法である3）。DNPによって体外で超偏極された分子プローブを生体投与することで、生理学的・病理学的パラメータの測定や疾患特異的な酵素活性のリアルタイム検出などが可能になる。例えば、DNP-NMR分子プローブのゴールドスタンダードである［1-13C］ピル＊1 東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 博士後期課程2年 Doctoral student, Department of Chemistry and Biotechnology, Graduate School of ＊2 東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻/バイオエンジニアリングEngineering, The University of Tokyo専攻 教授Professor, Department of Chemistry and Biotechnology/Department of Bioengineering, Graduate School of Engineering, The University of TokyoHyperpolarized MRI molecular probes for investigation of biological phenomena and pathological diagnosis生命現象の理解と病態診断に貢献する 超偏極MRI分子プローブ
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