体内をより鮮明に照らす、安定した「近赤外蛍光色素」をMITが開発
これまで実用化が困難だった、不安定なホウ素含有分子。この分子をベースにした新しいタイプの蛍光色素を、MITの化学者チームが開発しました。この色素は、生体組織の奥深くまで届く「近赤外光」で明るく輝き、がん腫瘍などのより鮮明な画像診断を可能にするかもしれません。研究チームがいかにしてこの不安定な分子を安定化させ、高性能な色素材料へと変えたのか、その詳細に迫ります。
MITの化学者たちは、腫瘍のより鮮明な画像の生成といった用途での使用が期待される、新しいタイプの蛍光分子を設計しました。この新しい色素はボレニウムイオン（borenium ion）——赤色から近赤外（near-IR）領域の光を発することができるホウ素の陽イオン形態——に基づいています。最近まで、これらのイオンは不安定すぎてイメージングやその他の生物医学的用途に使用できませんでした。
2025年10月6日に『Nature Chemistry』誌に掲載された研究で、研究者らはボレニウムイオンをリガンド（ligands）に結合させることで安定化できることを示しました。このアプローチにより、彼らはボレニウム含有フィルム、粉末、結晶の作製に成功し、これらすべてが赤色および近赤外領域の光を吸収・発光します。近赤外光は組織深部の構造を画像化する際により見やすいため、これは重要です。これにより、体内の腫瘍や他の構造のより鮮明な画像化が可能になる可能性があります。論文タイトルは「Unlocking Red-to-Near-Infrared Luminescence Via Ion-Pair Assembly in Carbodicarbene Borenium Ions（カルボジカルベン-ボレニウムイオンにおけるイオンペア集合を介した赤色から近赤外発光の解放）」です。
「私たちが赤色から近赤外に焦点を当てる理由の一つは、それらのタイプの光が、紫外線や可視光域の光よりもはるかに良く体や組織を透過するからです。それらの赤色色素の安定性と輝度が、私たちがこの研究で克服しようとした課題です」と、MITのノバルティス化学教授であり、この研究の上級著者であるロバート・ギリアード博士（Robert Gilliard, PhD）は述べています。
MITの研究科学者であるチュンリン・デン氏（Chun-Lin Deng）が、この論文の筆頭著者です。他の著者には、ビ・ヨウアン（エリック）・トラ博士（Bi Youan (Eric) Tra）（2025年卒）、元客員大学院生のシバオ・チャン氏（Xibao Zhang）、大学院生のチョンヘ・チャン氏（Chonghe Zhang）が含まれます。
安定化されたボレニウム
ほとんどの蛍光イメージングは、青色または緑色の光を発する色素に依存しています。これらのイメージング剤は細胞レベルではうまく機能しますが、組織内ではあまり有用ではありません。なぜなら、体内で生成される低レベルの青色や緑色の蛍光がシグナルと干渉するためです。また、青色や緑色の光は組織内で散乱しやすく、透過できる深さが制限されます。
赤色蛍光を発するイメージング剤は、より鮮明な画像を生成できますが、ほとんどの赤色色素は本質的に不安定であり、量子収率（quantum yields）（吸収された光子あたりに放出される蛍光光子の比率）が低いために明るいシグナルを生成しません。多くの赤色色素の量子収率はわずか約1パーセントです。
近赤外光を発することができる分子の中には、ボレニウムカチオン（borenium cations）——ホウ素原子1個が他の3個の原子に結合した陽イオン——があります。
これらの分子が1980年代半ばに初めて発見されたとき、それらは「実験室の珍品」と見なされていた、とギリアード博士は言います。これらの分子は非常に不安定であったため、空気への暴露から保護するためにグローブボックスと呼ばれる密閉容器内で取り扱う必要があり、空気に触れると分解してしまう可能性がありました。
後に、化学者たちはこれらのイオンをリガンドと呼ばれる分子に結合させることで、より安定化できることに気づきました。これらのより安定したイオンを用いて、ギリアード博士の研究室は2019年に、それらがいくつかの珍しい特性を持つことを発見しました。すなわち、温度の変化に応答して異なる色の光を発することができるという点です。
しかし、その時点では、「それらはまだ反応性が高すぎて、開放された空気中で取り扱うには重大な問題があった」とギリアード博士は言います。
彼の研究室は、2022年の研究で報告したカルボジカルベン（CDCs: carbodicarbenes）として知られるリガンドを用いて、それらをさらに安定化する新しい方法に取り組み始めました。この安定化により、これらの化合物は現在、グローブボックスを使用せずに研究・取り扱いが可能になりました。また、以前の多くのボレニウムベースの化合物とは異なり、光による分解にも耐性があります。
今回の研究で、ギリアード博士はCDC-ボレニウム化合物の一部であるアニオン（陰イオン）を用いた実験を開始しました。これらのアニオンとボレニウムカチオンとの間の相互作用が、励起子カップリング（exciton coupling）として知られる現象を生み出すことを研究者らは発見しました。彼らが見出したところによると、このカップリングが分子の発光および吸収特性をカラースペクトルの赤外端に向かってシフトさせました。これらの分子はまた、高い量子収率を生み出し、より明るく輝くことを可能にしました。
「私たちは正しい領域にいるだけでなく、分子の効率も非常に適しています」とギリアード博士は言います。「赤色領域の量子収率は30パーセント台に達しており、これは電磁スペクトルのその領域にとっては高いと考えられています。」
潜在的な応用
研究者らはまた、ボレニウム含有化合物を、固体結晶、フィルム、粉末、コロイド懸濁液（colloidal suspensions）など、いくつかの異なる状態に変換できることも示しました。
生物医学イメージングに関して、ギリアード博士は、これらのボレニウム含有材料をポリマーに封入し、イメージング色素として体内に注入できるようにすることを構想しています。第一歩として、彼の研究室はMITの化学科およびMIT・ハーバードブロード研究所（Broad Institute of MIT and Harvard）の研究者と協力し、これらの材料を細胞内でイメージングする可能性を探る計画です。
その温度応答性のため、これらの材料は温度センサーとしても展開できる可能性があります。例えば、医薬品やワクチンが輸送中に高すぎる、または低すぎる温度にさらされていないかを監視するためなどです。
「温度追跡が重要なあらゆるタイプの応用において、これらのタイプの『分子温度計』は非常に有用です」とギリアード博士は言います。
薄膜に組み込まれれば、これらの分子は有機EL（OLEDs: organic light-emitting diodes）としても有用である可能性があり、特にフレキシブルスクリーンなどの新しいタイプの材料において有用だとギリアード博士は述べています。
「近赤外領域で達成された非常に高い量子収率は、優れた環境安定性と相まって、このクラスの化合物を生物学的応用に非常に興味深いものにしています」と、この研究には関与していないラトガース大学の化学教授であるフリーダー・イェックル氏（Frieder Jaekle）は述べています。「バイオイメージングにおける明らかな有用性に加え、強力で調整可能な近赤外発光は、これらの新しい蛍光色素を、偽造防止、センサー、スイッチ、および高度な光電子デバイス用のスマートマテリアルとしても非常に魅力的なものにしています。」
これらの色素の応用可能性を探ることに加え、研究者らは現在、追加のホウ素原子を組み込むことによって、その色発光を近赤外領域のさらに遠くまで拡張することに取り組んでいます。それらの余分なホウ素原子は分子をより不安定にする可能性があるため、研究者らはそれらを安定化させるのに役立つ新しいタイプのカルボジカルベンの開発にも取り組んでいます。
この記事は、アン・トラフトン氏（Anne Trafton）によるリリースに基づいています。
ロバート・ギリアード博士（Robert Gilliard, PhD）
