核スピン（原子核が持つ磁石のような性質）の振る舞いを見るNMR（核磁気共鳴）やMRI（磁気共鳴イメージング）の検出感度は、核スピンの向きの揃い具合（偏極率）に比例します。一般的な偏極率は極めて低く、より高度なNMRやMRI測定、例えば微小な腫瘍のMRI検出などは困難です。極低温で核スピンの向きを揃える動的核偏極（DNP）と呼ばれる方法が盛んに研究されていますが、高価な装置や液体ヘリウムなどの寒剤がネックとなり、広く社会に普及していません。

徳島大学大学院社会産業理工学研究部物理科学分野の犬飼宗弘准教授、大阪大学量子情報・量子生命研究センターの宮西孝一郎講師、根来誠准教授、大阪大学ヒューマン・メタバース疾患研究拠点　香川晃徳特任准教授（常勤）、筑波大学計算科学研究センターの堀優太助教、重田育昭教授、金沢大学理工研究域の栗原拓也助教らからなる研究チームは、光とマイクロ波を照射することで引き起こされる量子力学的過程によって、室温でスピンの向きを揃えられる光励起三重項の電子スピンを用いたDNP（トリプレットDNP）に注目しました。トリプレットDNPは古くから研究されている手法ですが、この技術を応用するためには課題が残されており、適用できる分子の種類が限られていました。

本研究では、トリプレットDNPが適用できる分子の種類を劇的に増やす方法として、共結晶化技術を開発しました。トリプレットDNPにより感度を向上させたいターゲット分子、補助分子、そして感度向上の元となる偏極源から組み上がる共結晶を開発し、MRI分子プローブである尿素を含む複数分子のトリプレットDNPを室温で実現しました。

将来、本研究が提案する共結晶化技術とMRIを組み合わせることで、従来法では困難であった精密ながんの診断や治療判定を可能とする超高感度MRIが期待されます。

本成果は令和6年5月17日10時（日本時間）に米国化学会のJournal of the American Chemical Societyオンライン版に公開されました。

図1. ターゲット分子、補助分子、偏極源を含む共結晶の開発に成功しました。トリプレットDNPにより共結晶全体の核スピンのNMR信号を室温で増大することができます。

核スピン（原子核が持つ磁石のような性質）の振る舞いを見るNMR（核磁気共鳴）法は、分子や材料の構造や運動状態を調べる解析方法として広く利用されています。また、人体の内部に含まれる水分子が持つ水素原子核の核スピンを画像化したものがMRI（磁気共鳴イメージング）であり、医療分野において重要な検査法の一つです。それらの検出感度は、核スピンの向きの揃い具合（偏極率）に比例します。一般的な偏極率は極めて低く、より高度なNMRやMRI測定、例えば微小な腫瘍のMRI検出などは困難です。近年、比較的向きの揃いやすい電子スピンを利用して、核スピンの向きを揃えるDNP（動的核偏極）と呼ばれる方法が盛んに研究されています。しかしながら、一般的なDNPは、装置の一部であるミリ波発振源と極めて低い温度環境を作る液体ヘリウムに多額の費用が掛かるため、広く社会に普及していません。

一方、分子の光励起三重項が持つ電子スピンの偏りを高感度化に利用するトリプレットDNPは、極低温環境の代わりにレーザーを用いることで核スピンの高偏極化が可能です。レーザーとマイクロ波を照射することで引き起こされる量子力学的過程を利用しており、量子技術の一つとして注目されています。利点として、上記に挙げたミリ波発振源や液体ヘリウムなどの寒剤を使用せずに高い偏極率を得ることができます。しかしながら、試料中の核スピンが長いスピン緩和時間を持つ必要があり、かつ偏極源となる分子を均一に添加できることも必要です。それらを両立できる試料はほぼなく、適用できる分子や材料は限られています。

図2. NMR・MRIの感度を向上させる動的核偏極。本研究では、極低温の代わりにレーザーを使用することで核スピンを偏極します。

研究グループは、トリプレットDNPが適用できる分子の種類を劇的に増やす方法として、ターゲット分子、補助分子、そして偏極源から組み上がる共結晶化技術を開発しました。一般的に共結晶を含む有機結晶の結晶構造は最も安定な構造です。密に分子が充填された結晶内部の運動は非常に小さく「硬い」状態です。その硬さによりスピン緩和は長くなるため、多くの共結晶がトリプレットDNPに適していることを発見しました。また共結晶の結晶構造内部に、偏極源となるペンタセンを、結晶構造を保ったまま均一に添加できることも見いだしました。共結晶は組み合わせ次第で、多彩な結晶構造や物性を示し、高い多様性を持っています。ターゲット分子として、MRI分子プローブの一つである尿素を選びました。ピルビン酸と尿素の二種類のMRI分子プローブを組み合わせたMRI計測の高感度化は、精密ながん診断や治療効果判定への応用が期待されています。本研究では、共結晶化技術を用いて尿素を含む多数の有機分子のトリプレットDNPに室温で成功しました。

図3. MRI分子プローブなどのターゲット分子、補助分子、そして偏極源から組み上がる共結晶。

図4. a) 共結晶のトリプレットDNPとb) MRI分子プローブの一つである尿素のトリプレットDNP

共結晶は、創薬の分野で広く研究されており、膨大な数の結晶構造が既に報告されて、データベースに格納されています。それらを参考にしながら、分子の組み合わせを最適化することで、偏極できる分子の種類を増やすことができ、より高い偏極率を得ることが期待できます。

トリプレットDNPは、比較的安価、かつコンパクトな装置で寒剤を一切使用せずに、偏極することが可能です。既設のMRIの側にトリプレットDNPの装置を設置することで、超高感度MRIによる精密がん診断が期待されています。本研究が提案する共結晶を用いたスピン偏極材料により、MRI分子プローブの室温トリプレットDNPを可能としました。超高感度MRIの実現に向けて大きく前進したと考えています。

【発表者】
犬飼 宗弘（徳島大学 大学院社会産業理工学研究部理工学域 准教授）
佐藤 晴紀（徳島大学 大学院創成科学研究科 博士後期課程2年）
宮西 孝一郎（大阪大学量子情報・量子生命研究センター 講師）
根来 誠（大阪大学量子情報・量子生命研究センター 准教授、同大学ヒューマン・メタバース疾患研究拠点
准教授、量子科学技術研究開発機構量子生命科学研究所 チームリーダー兼任）
香川 晃徳（大阪大学ヒューマン・メタバース疾患研究拠点 特任准教授（常勤））
堀 優太（筑波大学計算科学研究センター 助教）
重田 育照（筑波大学計算科学研究センター 教授）
栗原 拓也（金沢大学理工研究域 助教）
中村 浩一（徳島大学 大学院社会産業理工学研究部理工学域 教授）