バイオフォトンによる生体計測(<特集>光を応用した医科器械の進歩)

バイオフォトン(biophoton；生物フォトン)とは, 生物がその生命活動に伴って放射している極めて弱い自発的発光である. 生体内における酸化的代謝過程での生体物質の化学的励起に主として起因するものであり, 発光強度にしておよそ10^-16 W/cm^2 (～10^3 photon/s・cm^2 )程度以下の紫外域から可視, 近赤外波長領域の発光である. 生命活動や生理代謝作用に付随して普遍的に観測される発光現象であるが, ホタルや発光バクテリアなどの生物発光として知られている現象とは区別される. 生物発光はルシフェリン－ルシフェラーゼ反応や発光タンパク質などに基づく高収率な, 特定の発光代謝機構, 器官を有した一部の生物種の発光であるが, 生物フォトンは通常の生化学反応過程で生じる活性酸素種やフリーラジカルなどを主に起源とする, 生体構成物質の酸化的修飾過程での励起分子の生成に由来する超微弱な発光である. たとえば細胞内呼吸やエネルギー代謝過程などの生理的機能との関連や, 内因的, 外因的に発生した活性酸素種による酸化作用とそれを消去する抗酸化作用のバランス関係が酸化側に傾いた「酸化的ストレス状態」に関連した各種病態での発光の増加が知られている. 活性酸素種が関与したタンパク質のアミノ酸残基, 不飽和脂肪酸, 核酸など生体構成物質の酸化過程でのフリーラジカルの生成と, これにより形成された酸素化中間体とその電荷分離を経た励起状態の生起, またはその蛍光性物質へのエネルギー移行, あるいは活性酸素種である励起一重項酸素分子の発光などが発光種および発光メカニズムとして推定されている. しかしこのようにすべての動植物から微生物にわたり, かつマクロからミクロな生体系の階層構造の各レベルにおいて協同的に生じる生物フォトン発光現象のメカニズムは複雑多岐にわたり, メカニズムの詳細についてはまだ解明されていないところが多い. 生物フォトンを放出するためのエネルギー源は代謝過程にあるため, それを検出する際には外界から一切のエネルギーの付加(励起)を必要としない. すなわち生物フォトン発光による生体計測は, 非侵襲・非接触計測という大きな特長をもつが, その一方で諸種の物理, 化学的プローブと生体物質との相互作用により生じる分光的特性変化を観測して情報を抽出する, いわば選択(外部励起)的な計測手法と異なり, いかにして有効な情報を分析, 抽出するかが重要な課題である. われわれは, これまでに生物フォトンの各種分析手法, 装置の研究開発を進めてきたが, 本報告では生物フォトンの時空間特性分析や, 分光分析, 光子統計・光子相関分析について最近の新しい計測・分析手法とこれを生体医用計測に応用するため諸種の検討結果を中心に紹介する.