生体膜や細胞内の脂質の状態を"見える化"します！ 細胞内脂質代謝のイメージング試薬特集

脂質滴（Lipid droplet）はすべての真核生物に見られ、中性脂質、主にトリアシルグリセロールおよびコレステロールエステルの受け皿として機能します。貯蔵された脂質は、エネルギー、ステロイド合成または膜形成のために使用されるため、細胞における脂質滴の蓄積自体は正常な現象です。

脂肪細胞は、大量の脂質滴を含んでいますが、細胞内における過剰な脂質滴の蓄積は、代謝欠陥や病因の指標となります。例えば、肝臓細胞（脂肪症）における脂質の過剰蓄積は、細胞機能不全の原因になります。アテローム性動脈硬化症の発症時においては、マクロファージが酸化LDLを貪食して泡沫細胞に発達し、動脈狭窄をもたらします。近年、脂肪滴は脂肪細胞に関わらず、肝細胞や平滑筋細胞、グリア細胞など様々な細胞で発見され、従来考えられていた中性脂質の貯蔵器官としての役割だけでなく、代謝制御や遺伝子発現調節など様々な機能が明らかになってきました。

様々な細胞において脂肪滴の観察が行われていますが、非脂肪細胞の脂肪滴は1 μm以下で脂肪細胞の10～100 μmに比べて非常に小さいことが知られています。そのため、非脂肪生細胞の微小な脂肪滴のイメージングによる検出試薬が使用されてきましたが、Nile Redなどの既存の試薬では、脂肪滴以外の染色が見られる（S/N比が低い）、生細胞イメージングに不向きなどの問題があり、微小な脂肪滴の観察は電子顕微鏡観察に限定されていました。

脂肪酸は細胞を構成するさまざまな脂質の基本要素であり、グルコース、アミノ酸に並ぶエネルギー源として知られています。特に、グルコースが不足する飢餓時には、脂肪酸が積極的に分解されることで多量のATPが産生されます。脂肪酸は炭素鎖の長さの違いや不飽和度の違いでさまざまな種類がありますが、ミトコンドリア等において共通する分解経路が知られており、脂肪酸β酸化（Fatty acid beta-oxidation; FAO）と呼ばれています。 脂肪酸β酸化は主に4段階の酵素反応により段階的に分解する経路で、1）脂肪酸β位の酸化、2）β位の水和、3）β位の酸化、4）開裂により炭素数が2個短い脂肪酸とATPの原料であるアセチルCoAに分解されます。生成した炭素数が2個短い脂肪酸は、さらに同じサイクルで分解され、2炭素ずつ短い脂肪酸を繰り返しながら分解されます。がんや代謝機能障害関連脂肪肝炎（MASH）などの疾患において脂肪酸β酸化は大きく変動することが示唆されており、脂肪酸β酸化の活性測定方法の開発が期待されていました。

脂肪酸は脂質の最小単位で、細胞内でアシルCoA、リン脂質、糖脂質、ジアシルグリセロール（DAG）、トリアシルグリセロール（TAG）など様々な脂質構造に変換されます。脂肪酸代謝には多数の酵素が関与し、厳密に制御されており、その破綻は病態にもつながると考えられています。脂質代謝の理解には脂肪酸の代謝過程を解析するツールが求められており、蛍光標識脂肪酸が汎用されていますが、脂肪酸の代謝過程にかかわらず蛍光特性がほとんど変化しないため、各代謝過程を切り分けて分析することが困難とされていました。

脂質過酸化反応（lipid peroxidation; LPO）は、酸化ストレスがきっかけで脂質が酸化的に分解する反応で、脂質の分解過程の一つです。脂質過酸化反応は、生物における細胞傷害の確立されたメカニズムであり、細胞および組織における酸化ストレスの指標として使用されます。
過酸化脂質は不安定であり、分解して反応性カルボニル化合物を含む複雑な一連の化合物を形成します。多価不飽和脂肪酸過酸化物は、分解時にマロンジアルデヒド（MDA）および4-ヒドロキシアルケナール（HAE）を生成し、これら下流の活性物質が起因してERストレスや細胞毒性、フェロトーシスの誘導など様々な影響を与えることが知られています。これらMDAおよびHAEの測定は脂質過酸化の指標として使用されています（Esterbauer, H., et al., "Chemistry and biochemistry of 4-hydroxynonenal, malonaldehyde and related aldehydes", Free Rad. Biol. Med., 11(1), 81, (1991) [PMID：1937131]）。しかし特異性が不十分で、様々な下流の因子が産生されるため、より上流の因子の測定法が求められていました。

生体膜の構成脂質には様々な種類があり、膜の状態は、その脂質組成によって大きく異なると考えられます。例えば、飽和脂肪酸だけで構成される脂質膜は密度が高く、強固にパッキングされるため、秩序相（Lo）と呼ばれます。一方、不飽和脂肪酸を含む脂質で構成される脂質膜は、密度が低く無秩序相（Ld）と呼ばれます。このような脂質の微小環境を相状態（Lipid order）と呼びます。

単純モデルではLoとLdは分離し明確な相分離が起こりますが（上図参照）、細胞の生体膜には様々な脂質が含まれるため、図中のモデルのような単純な相分離ではなく、総和の性質が反映された相状態となります。相状態は膜タンパク質の存在にも影響を受けると考えられ、実際の細胞膜上における相状態は非常に複雑です。細胞膜上のLoは脂質ラフト（Lipid raft）とも呼ばれ、生体膜の機能性ドメインとして注目されています。それゆえ、生体膜の流動性や硬さなど膜の生物物理学的性質の理解には、脂質膜の相状態の簡便なイメージング解析法の開発が期待されていました。