図1

核スピン（原子核の持つ微小な磁石）から発せられる電磁波信号を解析することで、試料内部の原子レベルの構造情報を知ることができます。これは、化学分析の分野ではNMR（核磁気共鳴）分光として、医療の分野ではMRI（核磁気共鳴画像）として広く利用されています。核スピンの磁気エネルギーは非常に小さいため室温では熱擾乱に負けて向きがほとんどバラバラになっており、発生する信号はほとんどが打ち消しあって、非常に弱くなっています。スピンの向きが揃った割合は偏極率と呼ばれ、発生する信号の強度はこれに比例し、NMRやMRIの感度もこれに比例します。NMR分光が通常行われる室温下で11.7テスラの磁場中では、炭素核（¹³C）スピンの熱平衡状態の偏極率は約0.001％という非常に小さな値です。

マイクロ波を照射することによって、熱平衡状態の偏極率が炭素核スピンよりも1,000倍以上高い電子スピン（電子のもつ微小な磁石）と同程度に核スピン偏極率を増大できる動的核偏極（DNP: Dynamic Nuclear Polarization）と呼ばれる方法が注目を集めており、世界中で研究が進められています。DNPでスピンが揃った「超偏極」状態によってNMR分光信号の強度を増大させることができることから、創薬NMR手法への適用が研究されています。また、高偏極化された物質を水に溶かして体内に注射する溶解DNP法や、その物質の代謝のMRI観測によるがん治療の迅速効果判定などの応用も考えられ、臨床研究が進められています。しかし、熱平衡状態の電子スピンを用いる従来のDNP法で高い偏極率を得るためには、マイナス270℃以下の極低温下でいったん電子スピンの向きを揃えてからDNPを行う必要があり、装置やその運転に多額の費用がかかっていました。

根来らは核スピンを用いる量子コンピュータ初期化のための研究プロジェクトにおいて、2014年、レーザー光とマイクロ波を照射することで温度に関係なく核スピン偏極率を増大できる「光励起三重項（トリプレット）状態の電子スピンを用いたDNP法（略称：トリプレットDNP法）」を用いて、試料を室温に保ったまま固体状態のNMR信号の強度を飛躍的に増大させることに成功しました。室温のままでスピンの向きを高いレベルまで揃えることを「室温超偏極 (room temperature hyperpolarization)」と名付けました(*)。2018年には試料を室温に保ったまま水溶液に溶かす「溶解DNP」の実現にも成功し、溶液状態のNMR信号の強度も増大させることに成功しました。また本年5月に、共晶トリプレットDNP法（後述）を用いて生体分子の室温超偏極にも成功し、論文がThe Journal of Physical Chemistry Letters誌に掲載されたばかりでした。

(*) 大阪大学プレスリリース（2014年5月13日）「世界初、室温でNMR信号を１万倍以上に増大」
https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2014/20140513_1

図2. 極低温を用いるDNPとレーザーを用いて室温で行うトリプレットDNP

今回、同大学量子情報・量子生命研究センターの根来誠准教授（同大学ヒューマンメタバース疾患研究拠点、ならびに量子科学技術研究開発機構量子生命科学研究所を兼任）、同大学基礎工学研究科の宮西孝一郎助教（基礎工学研究科システム創成専攻）、同大学蛋白質研究所の杉木俊彦特任助教（常勤）（現在は北里大学薬学部准教授）、愛知工業大学工学部の森田靖教授らの研究グループは、光励起三重項（トリプレット）状態の電子スピンを用いたDNP法（略称：トリプレットDNP法）によって、サリチル酸の溶液NMR信号を700倍に高感度化することに成功しました（図3）。さらに創薬NMR手法に応用しました。

ペンタセンなどの有機化合物では、光を照射したときに、量子力学的過程によって電子スピンの向きが温度に関係なく非常に偏った励起三重項状態が現れます。このような分子を試料に少量添加してレーザー光照射後にマイクロ波を照射してDNPを行えば、温度に関係なく核スピン偏極率を増大させることができます。今回、図4に示す装置を開発して、ペンタセンを0.03モル％添加した安息香酸のドメイン（相）とサリチル酸のドメインを持つ共晶状態の試料において、まず室温でトリプレットDNPを用いて試料全体の水素核スピンの偏極率を向上させます。ここではNMR活性な炭素である¹³C核を位置選択的に置換したサリチル酸分子を合成したものを用いております。次に、水素核スピンと¹³C核スピンの両方に共鳴する電磁波を与えることで偏極状態を交換する交差偏極現象を引き起こし、3C核スピンの向きを揃えます。ここまでは0.4テスラの低磁場中で行い、その後この試料を高分解能NMR分光のための超伝導磁石の中心に移動させます。そこで、温めた水溶液を試験管に注入し、試料を溶かします。高偏極化された試料が溶けた後に、高分解能溶液NMR信号を測定して得られた信号が図1です。また本装置では、蛋白質や競合する薬剤を溶かした水溶液をさらに追加で注入できるようになっており、図1や図5に示すようにヒト血清アルブミンと呼ばれる蛋白質と混ぜた後で測定したNMR信号と比較することで結合の様子を明確に検出することに成功しました。高偏極化された分子は蛋白質と結合すると、スピン緩和時間や電子環境が変化することで、NMR信号が広幅にな ってピーク強度が落ちて、化学シフトが変わります。また、サリチル酸よりも強く結合するワルファリンと呼ばれる医薬品有機分子を混ぜた際に、NMR信号によりワルファリンがサリチル酸とHSAの結合を阻害する様子を示す明確なNMR信号の観測にも成功しました(図5)。

図3. 700倍に高感度化されたサリチル酸の¹³C 溶液NMR信号（通常の熱平衡状態の信号とDNP信号との比較）

図4. 実験装置

図5. サリチル酸の¹³C 溶液NMR信号から蛋白質との結合や阻害を調べる。ヒト血清アルブミン（HSA）とワルファリン（war）を混ぜた場合の比較

本研究で用いられた結合や阻害の様子を調べる手法は、より強く蛋白質に結合する薬を探すための創薬NMRに用いられています。本成果は、室温でスピンを揃える手法で創薬NMRを700倍以上に高感度化して実現しました。従来の極低温を用いる方法に比べ小型で低コストな装置で可能になると考え、私たちはトリプレットDNPの社会実装を目指しています。創薬NMRの高感度化により、今までよりも少ない量の試料を用いた薬剤探索や、今まで低感度で実現することが難しかった精密な情報を得るNMR手法に応用されることなどが今後の展開として期待されます。

室温超偏極にはまだ解決しなくてはならない課題も多くあります。一番重要な課題はトリプレットDNP法により高感度化できる分子が従来法に比べてまだまだ制限されているということです。これは偏極源であるペンタセンの溶解度が低く、様々な分子に溶けないことに起因しています。2014年の室温超偏極に関する私たちの論文が出版された時点では数種類の分子しか高偏極化できませんでした。しかし、その後、私たちのチームを含む国内外の様々な研究チームがこの課題に取り組みました。可溶性ペンタセン誘導体を偏極源に用いる方法、超偏極状態を液体状態でリレーする方法、そして共晶トリプレットDNP法が開発され、適用可能な分子種は一気に増えています。私たちは、徳島大学と共同して本年5月に、共晶トリプレットDNP法（後述）を用いて生体分子の室温超偏極にも成功し、その論文がThe Journal of Physical Chemistry Letters誌に掲載されたばかりでした。今後もさらに高感度化できる分子が増えれば、様々な分子での創薬NMR手法が行えるようになります。本成果はこのような材料探索の重要性を高め、室温超偏極の応用の道を拓く成果であると私たちは考えています。

本成果は、米国東部時間2023年7月4日（火）8時００分（日本時間7/4（火）21：00）に米国化学会のThe Journal of Physical Chemistry Lettersオンライン版で公開され、Editor's Choiceに選ばれました。
論　文　名：Protein−Ligand Interaction Analyses with Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Enhanced by Dissolution Triplet Dynamic Nuclear Polarization
掲　載　先：The Journal of Physical Chemistry Letters
著　　者：Koichiro Miyanishi, Toshihiko Sugiki, Takumi Matsui, Ryo Ozawa, Yuko Hatanaka, Hideo Enozawa, Yushi Nakamura, Tsuyoshi Murata, Akinori Kagawa, Yasushi Morita, Toshimichi Fujiwara, Masahiro Kitagawa, and Makoto Negoro

なお本研究は、文科省Q-LEAP「量子生命技術の創製と医学・生命科学の革新」（グラント番号：JPMXS0120330644）ならびにJST CREST事業、JSPS WPI「ヒューマンメタバース疾患研究拠点(PRIMe)」の支援のもと、行われました。