一酸化窒素（NO2）は、体内の重要なシグナル伝達分子であり、学習と記憶に寄与する神経系接続の構築に関与している。 また、心血管系や免疫系のメッセンジャーとしても機能する。 しかし、これらの役割とその機能を正確に研究することはこれまで困難だった。 一酸化窒素は気体であるため、その影響を観察するために特定の個々の細胞に向けた実用的な方法はなかった。MITのPolina Anikeeva教授（写真）、Karthish Manthiram博士およびYoel Fink博士、 大学院生のJimin Park氏、ポスドクのKyoungsuk Jin博士らの科学者と、その他10名のエンジニア（MIT、台湾、日本、イスラエル）のチームは、体内の正確に標的化された場所でガスを生成する方法を発見した。この発見により、この必須分子の効果に関する新たな研究の道が開かれる可能性がある。 この調査結果は2020年6月29日にNature Nanotechnologyのオンラインで発表された。
この論文は「ニューロン調節のための一酸化窒素のIn Situ 電気化学生成（In Situ Electrochemical Generation of Nitric Oxide for Neuronal Modulation.）」と題されている。
「それは非常に重要な化合物だ」とAnikeeva博士は述べた。 しかし、特定の細胞とシナプスへの一酸化窒素の送達と、その結果としての学習プロセスに対する高レベルの影響との関係を理解することは困難だった。
これまでのところ、ほとんどの研究は、メッセンジャーとして必要な一酸化窒素を生成するために体が使用する酵素の生成に関与する遺伝子をノックアウトすることにより、全身効果を調べることに頼っていた。 しかし、そのアプローチは、本質的に生物全体から一酸化窒素をノックアウトし、他の副作用を持つことになる。
Anikeeva博士は、「非常に力ずくである。 これはシステムのハンマーだ。たとえば、特定の領域からだけでなく、たとえば脳内からノックアウトしているのだが、本質的には生物全体からノックアウトしているため、他の副作用が発生する可能性がある。」と述べている。
他の研究者は、体内に一酸化窒素を分解する化合物を導入しようとしたが、これはやや局所的な効果を生み出す可能性があるが、化合物はまだ広がり、非常に遅く、制御できないプロセスだ。
このチームの一酸化窒素の位置を特定するソリューションは、電圧を使用して、一酸化窒素を生成する反応を推進する。 これは、比較的モジュール式で制御可能で、ローカルおよびオンデマンドの化学合成を可能にするいくつかの工業用電気化学的製造プロセスで大規模に行われていることに似ている。
「電気化学プロセスを使用して非常にローカルでモジュール化することができるため、セルレベルでこれを行うことさえできる。」と Manthiram博士。「そして、さらにエキサイティングなのは、電位を使用すれば、生産を開始したり、生産を停止したりできることだ。」
このチームの主な成果は、この種の電気化学的に制御された反応をナノスケールで効率的かつ選択的に操作する方法を見つけたことだった。 それには、良性の前駆体材料から一酸化窒素を生成できる適切な触媒材料を見つける必要があった。 彼らは、亜硝酸塩が電気化学的一酸化窒素生成のための有望な前駆体を提供することを発見した。
「反応を触媒するために調整されたナノ粒子を作るというアイデアを思いついた」とJin 博士は述べた。 彼らは、自然界の一酸化窒素生成を触媒する酵素が鉄硫黄中心を含むことを発見した。 これらの酵素からインスピレーションを得て、彼らは電界と亜硝酸塩の存在下で一酸化窒素を生成する反応を活性化する硫化鉄のナノ粒子からなる触媒を考案した。 これらのナノ粒子にプラチナをさらにドープすることにより、チームは電極触媒効率を高めることができた。
電気触媒セルを生物細胞の規模まで小型化するために、チームは硫化鉄ナノ粒子でコーティングした正と負の微小電極を含むカスタムファイバーと、前駆体材料である亜硝酸ナトリウムを送達するためのマイクロ流体チャネルを作成した。 脳に埋め込まれると、これらの繊維は前駆体を特定のニューロンに向ける。次に、同じファイバー内の電極を介して、反応を随意に電気化学的に活性化し、その場所で一酸化窒素の瞬時のバーストを生成して、その効果をリアルタイムで記録できる。
テストとして、彼らはげっ歯類モデルのシステムを使用して、動機づけと社会的相互作用の報酬センターであることが知られている脳領域を活性化した。 彼らはそれが実際に期待された信号応答を引き起こし、その有効性を実証したことを示した。
Anikeeva 博士は「これは非常に有用な生物学的研究プラットフォームとなるだろう。結局のところ、タスクを実行している生物全体において、単一細胞レベルで一酸化窒素の役割を研究する方法を持ったからだ。」 と述べた。一酸化窒素シグナル伝達経路の破壊に関連した特定の障害があるため、この経路がどのように機能するかについてのより詳細な研究は治療につながる可能性があると彼女は指摘する。
IN SITUシグナル分子生成の応用の可能性
Park氏は、この方法は生物内で生物学的に重要な他の分子を生成する方法として一般化できる可能性があると述べている。 「基本的に、適切な触媒が見つかり、安全である適切な出発化合物が見つかれば、このようにスケーラブルで小型化された方法で多くの分子を生成できる。」 in situ でシグナル伝達分子を生成するこのアプローチは、生物医学で幅広い用途を持つことができると彼は述べた。
非常に有用な領域の幕開け
「この論文のレビューアの1人は、これがかつて行われたことは一度もないことを指摘した。生物学的システムでの電気分解が、生物学的機能を制御するために活用されたことはない。」とAnikeeva博士は述べた。 「つまり、これは本質的に、神経生物学やその他の生物学的機能の研究のために、正確な位置と時間に送達できる分子を研究するための、潜在的に非常に役立つ分野の始まりだ。 体内で要求に応じて分子を作るその能力は、免疫学や癌研究などの分野で役立つかもしれない。」と彼女は述べた。
偶然の会話から発明が生まれた
このプロジェクトは、神経生物学と電気化学という異なる分野で働いている友人であるPark 氏とJin 博士の偶然の会話から始まった。 彼らの最初のカジュアルな議論は、いくつかの部門間の本格的なコラボレーションにつながった。しかし、今日のロックダウンされた世界では、Jin 博士は、そのような偶然の出会いや会話は少なくなっていると述べた。 「2018年でなければ、このコラボレーションは起こらなかった可能性がある。」
バイオエレクトロニクスのマイルストーン
「この研究はバイオエレクトロニクスの画期的な出来事だ」と、この研究には直接関係がないシカゴ大学の化学准教授であるBozhi Tian博士は述べた。 「これは、ナノ対応の触媒作用、マイクロフルイディクス、および伝統的なバイオエレクトロニクスを統合し、信号分子をその場で生成することにより、脳における正確な神経調節という長年の課題を解決する。 このアプローチは、神経科学コミュニティによって広く採用され、他の信号システムにも応用することができる。」
このチームには、MITのほか、台湾の国立交通大学、日本のNEC、イスラエルのワイズマン科学研究所の研究者も含まれていた。
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