[論文レビュー] Photogenerated singlet oxygen damages cells in optical traps

S.D. Zakharov N.C. Thanh|ArXiv.org|Nov 24, 2009

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、光学トラップにおける細胞傷害の主な原因として光生成された三重状態酸素（¹O₂）を特定し、一時的な酸素-溶媒錯体によって促進される溶解酸素におけるレーザー誘発三重状態-基底状態遷移が細胞傷害性の¹O₂を生成することを示した。主な発見は、単一細胞の光傷害の作用スペクトルが¹O₂生成のそれと一致しており、これがレーザー誘発細胞傷害の原因であることを確認している。

ABSTRACT

The origin of photodamage of single cells confined in laser tweezers is determined by comparison of action spectra with these recorded for a photoinduced response of cell populations. Triplet-singlet transitions in dissolved oxygen provide a common cause of both phenomena. Such transitions are forbidden in isolated O2 molecules, but occur in solutions due to the formation of temporary oxygen-solvent complexes. In dependence on the photon energy oxygen molecules may be excited alone or in combination with roto-vibrational excitations in H2O. The photodamage is a consequence of a toxic action produced by the singlet oxygen 1O2 (1.DELTA.gO2.).

研究の動機と目的

• レーザー光学トラップで捕獲された単一細胞における光傷害の原因を特定すること。
• 観察された細胞傷害に寄与しているのは酸素生成状態酸素（¹O₂）の生成であるかどうかを調査すること。
• 単一細胞の光傷害作用スペクトルと細胞集団における光誘発反応の作用スペクトルを比較すること。
• 溶解酸素における三重状態-基底状態遷移が光傷害を引き起こす役割を解明すること。
• 溶液中における一時的な酸素-溶媒錯体を介した酸素生成状態酸素生成のメカニズムを確立すること。

提案手法

• 単一細胞レーザー捕獲実験の作用スペクトルと集団レベルの光応答の作用スペクトルを比較すること。
• 孤立したO₂分子では禁じられているが、溶液中では一時的な酸素-溶媒錯体によって許可される溶解O₂分子における三重状態-基底状態遷移の分析。
• 光子エネルギーが酸素生成状態酸素生成に与える影響の調査、特にH₂Oにおける振動-回転励起状態の寄与。
• 作用スペクトルを診断的ツールとして用い、光傷害と特定の光化学反応を結びつけること。
• 光化学および溶液中動力学の原則を応用し、レーザー誘発細胞毒性を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トラップで閉じ込められた細胞における光傷害の主なメカニズムは何か？
• RQ2 単一細胞の光傷害作用スペクトルは、細胞集団における光誘発反応のそれとどのように比較できるか？
• RQ3 なぜO₂分子における三重状態-基底状態遷移は気相では禁じられているが、溶液中では許可されるのか？
• RQ4 一時的な酸素-溶媒錯体は、レーザー放射下での酸素生成状態酸素生成を促進するために果たす役割は何か？
• RQ5 水分子の振動-回転励起状態は、酸素生成状態酸素生成にどの程度寄与するか？

主な発見

• 光学トラップにおける光傷害は、主に溶解酸素におけるレーザー誘発三重状態-基底状態遷移によって生成される酸素生成状態酸素（¹O₂）に起因する。
• 単一細胞の光傷害作用スペクトルは、細胞集団における光誘発反応のそれとよく一致しており、共通のメカニズムがあると示唆している。
• 孤立分子では禁じられているO₂における三重状態-基底状態遷移が、溶液中では一時的な酸素-溶媒錯体によって許可される。
• 酸素生成状態酸素（¹ΔgO₂）が、レーザー放射下での細胞傷害を引き起こす細胞傷害性物質である。
• 光子エネルギーは酸素生成状態酸素生成の程度に影響を与え、O₂の直接励起とH₂Oにおける振動-回転励起状態の両方の寄与がある。
• 本研究では、レーザー誘発細胞傷害と水溶液環境における溶解酸素を介した光化学反応との直接的な関連を確立した。