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光で分子を振動させて,細胞の形態と分子分布を同時に見る光学顕微鏡を開発 ~標識不要な定量位相顕微鏡と分子振動顕微鏡のコラボレーション~

 東京大学,大阪大学,および国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年4月20日,東京大学大学院 理学系研究科の玉光 未侑大学院生,井手口 拓郎准教授らの研究グループが,生体細胞等の観察のため,定量位相顕微鏡と分子振動顕微鏡を融合した新たなラベルフリー顕微鏡(赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡)の開発に成功した,と発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業(さきがけ)の支援を受け,東京大学大学院 薬学系研究科,同大学医学部附属病院,大阪大学大学院 情報科学研究科と共同で行われ,成果はOptica誌に掲載された(注).

 生体細胞の顕微鏡観察では,特定の分子に蛍光標識(ラベル)を導入してその発光を見ることが行われている.しかし蛍光物質の使用は,分子活性の変化や細胞への導入時のダメージがあり,細胞に変化を与えることなく観察できる顕微鏡(ラベルフリー顕微鏡)が求められていた.これまでの代表的ラベルフリー顕微鏡は,屈折率分布から細胞の形態や細胞内小器官を可視化する定量位相顕微鏡と,赤外線分光測定から生体分子の細胞内分布を推測する分子振動顕微鏡である.前者は高解像度で乾燥密度も分かるが生体分子の判別がつかない,後者は空間解像度が赤外線の回折限界で制限され,細胞形態の詳細な可視化には向かず,高強度パルスレーザが細胞に悪影響を及ぼすなどの問題がある.

 これに対し研究グループは,定量位相顕微鏡と分子振動顕微鏡を融合した新たな赤外フォトサーマル定量位相顕微鏡を開発した.定量位相顕微鏡の試料台に置かれた細胞全体に特定波長の赤外光を照射し,共鳴する生体分子が存在すれば分子振動が誘起され,その緩和熱が周囲に伝わり屈折率が変化し画像として観察される.これにより,局所的な赤外吸収を空間解像度の高い可視光により高感度で結像することが可能で,高強度レーザーも不要になる.さらに定量位相顕微鏡に開口合成法を取り入れることで,深さ方向2.3μm,横方向190nmの高い空間解像度が得られた.より解像度の高い対物レンズを使えば,理論的には,深さ方向200nm,横方向100nm程度の空間解像度も実現可能という.腎臓培養細胞に波数1450~1640cm-1の赤外光パルスを3cm-1の間隔で波長を変化させながら照射し,得られたアミドバンドの計測結果と,観測波長523nmの定量位相画像を合わせて,タンパク質由来信号の核小体への集中が観察された.観察で求められた屈折率変化の絶対値から,細胞内の実際の温度上昇は細胞への影響がない0.1K程度と推定された.この結果から,より強力な赤外線を使い計測の高速化も可能と考えられる.

 本研究の手法は,生きたままの細胞観察ツールとして,再生医療における幹細胞の光学的分類や,創薬研究における薬効評価などさまざまな生命科学分野での利用が期待される.

(注)Miu Tamamitsu, Keiichiro Toda, Hiroyuki Shimada, Takaaki Honda, Kohki Okabe, Yu Nagashi-ma, Ryoichi Horisaki, and Takuro Ideguchi, "Label-free biochemical quantitative phase imaging with mid-infrared photothermal effect", Optica, Vol. 7, Issue 4, pp. 359-366 (2020), odoi: 10.1364/OPTICA.390186; Published: April 20, 2020