CO2同位体ガスの医療応用

CO2は、不燃性、非爆発性、非放射性のガスであり、物理、化学、生物、医療分野で世界中で使用されています。化学合成により、13CO2を原料として多数の複雑な化合物を製造できます。これらの化合物は、環境基準、法医学研究、診断など幅広い用途があります。13C尿素は尿素呼気検査に使用できることはよく知られています（被験者に13C標識尿素を経口投与した後、胃にピロリ菌感染が存在する場合、13C標識尿素は13C標識CO2に分解されます。したがって、高精度ガス同位体比質量分析計で呼気中の13C-CO2を検出することにより、ピロリ菌感染を診断できます）。 （経口投与された13C-尿素は胃に到達後均一に分布するため、13C-尿素が接触する部位にピロリ菌が存在する場合は、高感度にピロリ菌感染を検出できる。）近年では、このように多種多様な化合物を用いた非侵襲的な呼気検査も医療現場で用いられるようになった。レーザーにおいては、13CO2もレーザーガスとして使用されている。基礎研究だけでなく、レーザー腹腔鏡検査などの臨床現場でも利用されている。

生物学者は、藻類、細菌、その他の微生物に同位体標識された13Cガスを与え、NMRを用いて代謝過程を研究します。13C標識された生物からは、様々なアミノ酸、タンパク質、脂肪、糖、DNAを抽出できます。標識された藻類や細菌に栄養を与えて高度な微生物を生産すると、抽出される成分の数は劇的に増加します。科学者は、標識された成分を用いて高分子の構造やタンパク質間の配位基の相互作用を解明します。純粋な13CO2雰囲気下で藻類を培養すると、藻類全体が均一に13C標識されます。また、この13C標識スピルリナを鶏に与えて活性アミノ酸を研究する人もいます。

13Cグルコースおよび13Cグルタミン酸の重要な応用例の一つは、脳における代償性代謝MRI（磁気共鳴画像法）である。13C標識DNAを用いて細胞増殖を測定できる。13C標識成分と最新の13C-MRS（磁気共鳴分光法）を用いることで、遺伝子構造や遺伝子定量化を探索し、ヒト遺伝子の包括的な理解や生細胞の分子組成の変化を把握することが可能である。13CO2を生物系に直接適用する（例えば、13CO2を豊富に含む空気で野外土壌を覆う）ことで、生命実験における生物の炭素動態をモニタリングできる。13C標識物質は、土壌の有機炭素組成や輸送経路を追跡するためにも使用できる。

植物が空気中のCO2を吸収する際、CO2に13Cを標識することも可能です。これは基礎科学および応用科学の研究に利用できます。例えば、標識植物を与えた有機物の栄養素の生物学的利用能や代謝（動物やヒトにおける様々な食品からの栄養素の生物学的利用能）などが挙げられます。13C標識化合物と分析機器の開発は、安定同位体利用の拡大につながり、人間と環境に関する新たな知識分野を切り開いています。