生体内の無機結晶性固体の研究一人体中のマゲネタイ卜

1354
研究
生体内の無機結晶性固体の研究一人体中のマゲネタイ卜
小林厚子カI ，山本直一如 ， J. L
.Kirschvinkれ
古1 京都大学大学院人間・環境学研究科，干 606-01 京都市左京区吉田近衛町． 前 Division ofGeologicaland
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1 緒論
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3l ，磁性細菌に似た鎖状のマグ
近年になって細胞内にフェリ磁性体結晶マグ
ネタイト微粒子を前頭部シ骨部内に形成する
ネタイト（ Fe304 ）を生成する生物が次々と発見さ
鮭，鮪叫が挙げられる ． ひざら貝の歯は歯舌部分
れている ． これまで，磁性体結晶の抽出 ， 結晶構造同
過程で歯の成熟が進み歯の表面の色が変わる 5)
定までできた生物として ， ひざら員（学術名
初期段階では，歯は鉄を合まないタンパク質とキチ
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磁性細菌（学術名
「粉体および粉末冶金」第43巻第 11 号
生体内 の無機結晶性固体の研究一人体中 のマグネタイト
リチンが蓄積されるにつれ ，
1
35
5
非品質合水酸化鉄
本研究は， 最初の試みとして，ヒト体内 ， 特に脳
(Fe203ｷnH20）の濃い赤色を帯びていく ． 最終
における強磁性体， 特に鉄化合物の有無の検証を行
的に鉄イオンが還元を受けマグネタイトに変わる
い， 従来報告されている脳内におけるフェリチンの
とそれと共に歯は黒い色を呈する．磁性細菌は，
分布との関連性について報告する
細胞内にリン脂質の膜で覆われた鎖状のマグ、ネタ
イト微粒子を形成する ． 初期段階で， リン脂質の液
胞内に非品質合水酸化鉄が蓄積され， 次に結品質合
2 試料および実験方法
マグネタイトの分布とキャラクタリゼーション
水酸化鉄を経て鎖状にならんだマグネタイトに変
について検討したーヒトの脳細胞組織各部位の残留
わる ． これ等の報告より ， 合水酸化鉄は生体で形成
磁化曲線を求めて ， これより各部位での強磁性体の
されるマグ、ネタイトの先駆体と考えられており 6， η
量を推量すると共に ， この物質を抽出し. HRTEM
.
鉄供給源として細胞内のフエリチン， 或いは前駆体
EPMA により結晶同定を試みた ．
のような物質の存在は， マグネタイトがヒト細胞内
脳全体の相対的鉄濃度の測定 8,
なおすべての実験は， 磁気シールド室附内（4 .2x 3.
3x2.
8m3 ， 室内漏洩磁場約 150 nT）で行なわれた
で形成される可能性を示唆している
9］では， MR
2 . 1 試料
Imaging法と PerLs staining 法叫川とが通常使用され
ヒトの脳組織と髄膜より大脳皮質近傍と小脳の
M RImaging 法では ， 写像強度は ， 水分子の
組織を得，その他に大脳， 大脳基底核群， 脊髄硬膜．
ている .
水素の核の緩和時間に依存する緩和時間は，常磁
中脳．小脳テント（一例のみ）の各部位を入手した
性遷移金属イオンが存在すると磁気双極子相互作
（標本試料は， 死後 12-24 時間経過した検死解剖
用をうけて減少する 12］ . この機構による緩和時間は
済みの8 体より摘出， 36 ー 88 才， 男 5 体， 女 4 体， 内
TI と表わす ． 生体内において室温で磁性金属イオ
4 体はアルツハイマー病 4病歴を有す．南カリフオ
ンを含むものに， 酸素供給の働きをするヘムタンパ
ルニアアルツハイマー病研究センター協会：百四
ク質ヘモグ、ロビン， ミオグロビン ， 鉄貯蔵の働きを
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する非ヘムタンパク質フェリチン等がある. M R
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Imaging 法では， 緩和時間の減少を画像に写出すこ
た． ）
とによって細胞組織内の常磁性物質の有無を調べ
2 . 1.l 試料処理
ることができる ． 上に述べた鉄イオンを含むタンパ
：の好意により提供を受け
試料組織（髄膜と脳組織）から毛細血管を取り除
ク質中の水素の 12 値はすべて短くなるが， フェリ
いた後， これを磁気測定に可能な大きさ（約 5 ～ 25
チンに含まれる鉄イオンの量がヘモグロビンより
g ）に分別した ． 蒸留水で充分洗浄した後， 試料を液
大きい為， 脳の MR Imaging 法の画像では ， T2 への
体チッ素に直接浸透し固形化した 5 g に満たない
影響はもっぱらフェリチン問によるものとして扱
砕けた組織は，少量の蒸留水とともに氷用容器にい
われている（この場合T2 は常磁性塩からのみ寄与
れ同様に固形化した．またSQUID のブランクテス
ト用として，約百～ 18 g の角状の氷を用いた ．
していると仮定されている）
式による錯塩形成による反応で青色に発光さ
せ，その濃淡より相対的分布を調ベる方法である
2.2 実験器具，溶液
試料処理， 抽出作業の際に外部からの強磁性体不
純物の混入を防ぐために下記の様な処置をおこな
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2 . 2 . 1 器具
試料処理用の容器及び器具は ， セラミックナイ
非へムタンパク質フェリチンの 3 価の鉄イオ
ン はこれを酸で溶解させることにより決定する
これらの方法を用いた脳内の 3 価の鉄イオン．
フ ， ガラスピペット ， テフロン製ピンセット ，パ イレ
ッ クスガラス器具，ナイロン糸等非金属製品を使用
した ． またTEM 用のピンセットはチタン製を使用
フヱリチン分布については従来数多くの研究報告
した ． これらの容器， 器具は 2NHC1に 2 日間浸した
がある
後， 蒸留水洗浄， 自然乾燥させた ． ガラスピペットは．
1996年 11 月
小林
1
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厚子， 山本直一， J . L
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その先を熱して丸くし．ガラス粉の試料への混入を
ラスピペットで分散液を吸い上げ ． カーボン膜
避けた ． 抽出の際に， パイレツクス製計量瓶を Fig .2
TEM グリッド上に滴下し， 自然蒸発させた ．
に示されるように細工したものを使用した．すなわ
2 . 3 装置及び操作
ち，計量瓶はその高さの約 2β の長さのガラス管の
2 . 3 . 1 測定装置
先端の底が平たくなるように閉じ ， ふたの中央にそ
磁化測定装置として， SQUID (2 ぐ1 Enterprises 社
のガラス管の直径と同じ大きさの穴を開け， ふたの
製，
試作品）を使用した . IRM コイル（自製）及
内側からガラス管を溶接した ．
びAf コイノレ（ 2・G Enterprises 社製）をFig.I の様に
2 . 2 . 2 蒸留水，溶剤液
設置されている
蒸留水は， イオン交換水を3 度蒸留して得られた
ものを使用した ． 細胞組織溶解剤液（市販： Beckman
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に 5cm 四方の Nd FeBの磁石を数週聞置いてあらか
じめ強磁性体粒子を除去したものを使用した．更に
使用する前に磁石を近づけ， 光学顕微鏡で強磁性体
粒子が完全に除去をされていることを再度確認し
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2.2 . 3 粒子抽出
Fig.3 に示される計量瓶のガラス管に NdFeB 磁石
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棒を挿入し， 試料と細胞組織溶解剤液を加え ， 室温
で撹持し細胞組織を溶解させた ． 細胞組織が完全に
溶解した後， 微量の固体がガラス管先端部に付着す
る（ Fig . 3 ） . これをメチルベンゼ‘ンで・数回洗浄した
後，管内の磁石を抜き取り ， 先端に付いている粒子
を約 0 .25 ml のメチルベンゼ ン 中に移した．更に粒
子をルビーの撹伴棒（自製）で機械分散した後， ガ
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2 . 3 . 2 操作
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る ． 最初に 100 mT で試料を磁化した後SQUID で
「粉体および粉末冶金」 第43巻第 11 号
生体内 の無機結晶性固体の研究一人体中 の マ グネタイト
測定した ． 続いて AF コイルで・試料を消磁（ O ～ 200
mT , 25 ステップ） ， IRM コイルで、逐次印加磁場を変
化させ， 磁化（ 0 ～ 631mT, 25 ステップ）を測定した ．
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粒子観察及び組成分析にはそれぞれ
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(Fhilips ，社製， 日1430), EPMA(EDAX 社製 9900)
を使用した .TEM グリッドは，銅製＇ 200 メッシュ ， ま
たカメラ定数の補正試料には金蒸着膜を使用した
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実験結果
3 . 1 マグネタイト分布
Fig .4(A）に磁気測定による脳試料の残留磁化曲
線の一例を示す．縦軸は比残留磁化（ Af 文は IRM
/slRM ）を，横軸は印加磁場の強度（ 0 ～ 631mT）を
4
示す ．
IRM 曲線と Af 曲線が外部磁場 25mT付近で互いに
円。
100
1000
10000
対称的になり，直線勾配はゆるやかで， また外部磁
場約 300mT でIRM値は飽和に達している
(
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Fig.
4 (B）は，プランクテストの測定結果を示す．残
(A)
留磁化曲線において ， 試料 1 g 当たりのsIRM 値はア
representative brain cerebellum samples. (B)
外部磁場が 600 mT で O.Ql ～ 0.04 (ｵAｷm2/kg ）の
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範囲にあり，脳試料の sIRM値の約百分のーの値
fig.
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を示す．これより ， 脳試料に微量の強磁性体が存在
briefexposuretotheindicatdappliedfieldぉ．
すると推定した Table 1 はー標本における脳組織
残留磁化値 (IRM）の測定から残留磁気曲線を求
slRM の測定値である ． 髄膜を除く脳細胞の単位グ
めた測定中は， 測定器底部から冷却したチッ素ガ
ラム当たり slRM 測定値の平均は， 0 .21 (ｵAｷ
スを流しSQUID 内を－ 15 ℃に保った．
m2/kg）で， 髄膜では3 . 33(ｵ A-m2/kg ）であり，大脳‘中
なおプランクテストとして，各試料の測定前後に前
脳，小脳の各測定部位の聞に顕著な差はなかった ．
述の氷の IRM値を測定した ．
1996年 11 月
13
58
小林厚子，山本直一， J L.
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70 個の粒子の中で 62 個は直径 10 ～ 70nm 範囲に
あり（平均 33,4 土 15,2run），他の 8 個は直径が90 ～
200nm の範囲にある. Fig.6(B）及びFig.6 に FigS (
A)
で示された粒子の電子線回折像およびEPMA の測
定結果を示す . EPMA では純粋な Fe によるピーク
の他に極微量の Si によるピークのみが観察された
(Cu ピークは T
EM グリッドによる）
これより，試料は殆ど Feのみを含む化合物とかん
がえられる
Fig.7 はFig.8 にある集合粒子の指数付けされた電
子線回折像を示す．これらの回折像より．粒子はス
ピネル型結晶構造を持つ強磁性体マグネタイト
Fe304（ より正確には，鉄の酸化が進んだ γ －Fe203)
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ある. Fig.8 に示す回折像と同じ結晶方位く 211 ＞で
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ある．格子間隔 4.85 A をもっ(1 11 ）面がでている
3.2 電子顕微鏡写像と結晶同定
Fig . 3 に大脳組織 40 g より拍出された粒子の集合
の光学顕微鏡写真を示す黒色の粒子は針状の集団
を形成している ． これは． 磁気走行性バクテリアか
ら抽出した磁性体粒子を．同じ様に観察した時の状
態と類似している
Fig . 5(A ）は抽出粒子の TEM写真を示す．粒度は，
4 考察およびまとめ
ヒトの脳と脳髄膜から強磁性体物質マグネタイ
トーマグへマイト（ γ －Fe 203 ）を検出，
結晶を抽
出することができた
試料内の強磁性体粒子は 1) 保磁力を表わす残留
磁化曲線の交差点が， すべての試料で 12 m T （軟
膜）から 50mT（大脳基底核郡）の範囲（平均保磁
「粉体および粉末冶金」第43巻第 11 号
生体内の無機結 品性固体の研究一人体中のマグネタイト
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脳 内 の強磁性体粒子分布と Pert; s
tai.ning 法によ
る 鉄イオ ン 相対濃度分布との違いを考察してみる
力が 3 0 mT）にあ り 単一磁区マグ‘ネタイトの理論値
ヒトの脳内のフェリチン相対漉度分布81 では， 大脳
内にある 2 ）磁性細菌から得られたマ グネ タイト粒
では淡蒼球外側部， 内包， 被殻， 尾状核頭， 後頭葉の
子に よ る 残留磁化曲線の直線勾配（残留磁化曲線の
皮質， 中脳では黒質， 赤核， 小脳では， 歯状核が他の
交差点を原点にして）は 8.2 付近（未発表）である
場所と比ベてフェリチンが多く 分布することが報
が， 試料による直線勾配は， 2.7 付近とゆるやかであ
告されており ， その偏在を示している脳内のマグ
る．これらより ． 単一磁区をもっマグネタイトで， 磁
ネタイトは均一に分布しているという本実験結果
性細菌内のマグネタイト粒子より粒子径にばらつ
と異なっていることが見い出されたアポフェリチ
きをもっと判明された粒度分布ぱらつきにおいて
ン空洞内に合水酸化鉄を蓄積するフェリチンは，マ
はTEM 写真観察による粒径測定と一致する得ら
グネタイト形成段階で，ひざら員の歯の成長時に生
れた標本の平均 sIRM 測定値は， 髄膜で 333 (ｵ
成される合水量変化鉄や， 磁性細菌内の粒子形成段階
Aｷ
m2/kg ） ， それ以外の脳組織では 0 .21 (ｵAｷ
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で蓄積される非品質含水政化鉄に重要な役割を果
と大脳 ， 中脳， 小脳の各測定場所に差はみられなか
たしている＇ · 161 と考えられている脳内のフェリチ
ったので．マグ、ネタイトは脳内に均一に分散してい
ン分布とマグ． ネタイト分布が一致しない本実験結
ると考えられるまた ， マグネタイト l g 当たりの
果は， 脳組織で検出されたマグネタイトは生体細胞
s IRM 値は46x l
O'(Aｷm2 ）であるので， 脳組織 lg 当
によるものであるがフェリチン先駆体である可能
たり 456 ng のマグネタイトが含有すると推定され
性が少ないことを示唆している．しかし脳内のフェ
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脳内 の強磁性 体粒子分布と Perk sta in ing 法 によ
リチン存在量口， 川 (0.3 ～ 7 ｵg
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ネタイトの合有量（ 4
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る鉄イオン相対濃度分 布との違いを 考察し てみる ．
うので， フ ェ リチンとマグネタイトの分布の明確な
ヒトの脳内のフェリチ ン相対濃度分布8）では， 大脳
相関関係が得られていない要因にもなっている
では淡蒼球外側部， 内包， 被殻， 尾状核頭， 後頭葉の
皮質． 中脳では黒質， 赤核． 小脳では， 歯状核が他の
1 996年 11 月
放射性指示薬 Fe日を用いた実験1叫により血液に
異端子として注入されたマグネタイトの鉄は代謝
小林
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厚子，山本直一 ， J . L .
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されフェリチン内に蓄積されていくこと，および鉄
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ポフェリチン空洞内に， マグネタイト結晶を形成さ
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せる実験叫が， 報告されている ． しかしながらアポ
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並びに Carol Garland 技官に心から謝意を表しま
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A.Lowenstam,
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Scien 民
「粉体および粉末冶金」第43 巻第 11 号