細胞内のATP濃度を決定できる蛍光寿命型センサーの開発に成功

金沢大学 ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）の新井 敏 教授、ブー・クアン・コン 特任助教、シンガポールA*STARの伊藤 秀城 上級研究員（研究当時）とレーン・エレン 主席研究員（研究当時）、東京科学大学 総合研究院化学生命科学研究所の北口 哲也 准教授らの共同研究グループは、ATP濃度を「蛍光寿命」という蛍光たんぱく質の光学的特性に変換して測定できる、新しい蛍光センサーを開発しました。

私たちの体を構成する最小単位「細胞」では、さまざまな化学反応が起こっており、その“燃料”として働くのが、ATP（アデノシン三リン酸）です。ATPは「エネルギーの通貨」とも呼ばれ、細胞活動の根幹を支えています。そのため、細胞内のどこに、どのくらいのATPが存在するのかを正確に測定することは、生命現象の理解に不可欠です。

これまで、細胞内の標的分子の濃度変化は、蛍光の明るさ（蛍光輝度）の変化として検出するセンサーが広く用いられてきました。しかしこの手法では、細胞の形状やセンサーの導入量、励起光の強度などの影響を強く受けるため、定量的な解析が困難という課題がありました。本研究では、この課題を克服するため、前述の要因の影響を受けにくい「蛍光寿命」という頑強な光学パラメーターを導入しました。ATP濃度を蛍光寿命値に変換できるセンサーを開発し、ATP濃度と蛍光寿命値の対応関係（検量線）を用いた定量的な比較を可能にしました。これにより、細胞ごとのATP濃度の違いを正確に評価できるようになりました。

この手法を用いて疾患細胞を解析したところ、ミトコンドリア病患者由来の細胞では、ミトコンドリア内のATP濃度が健康な細胞に比べて低いこと（防衛医科大学・大澤氏らとの共同研究）、悪性度の高いがん細胞ほど細胞質内のATP濃度が高いことが明らかとなりました（金沢大学 ナノ生命科学研究所／がん進展制御研究所・中山氏、大島氏らとの共同研究）。

本研究は、細胞内エネルギーの定量イメージングに新たな道を開く成果です。今後、この技術は、がん、神経疾患、代謝異常など、細胞エネルギー異常が関与する多くの疾患研究への応用が期待されます。

本研究成果は、2025年11月13日（英国時間）に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン版に掲載されました。