東北大など、高速に3次元観察が可能なレーザー走査型蛍光顕微鏡を開発

東北大学と大阪大学(阪大)は2月28日、細長い「針」状の分布を持つレーザー光による2次元走査を1回するだけで、試料の3次元情報を一挙に取得できる新たなレーザー走査型蛍光顕微鏡を開発したと発表した。

同成果は、東北大多元物質科学研究所の小澤祐市准教授、阪大産業科学研究所の中村友哉准教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、光学やフォトニクスなど全般を扱う学術誌「Biomedical Optics Express」に掲載された。

レーザー走査型の蛍光顕微鏡法は、生体試料を生きたまま3次元的な観察ができることから、生命科学研究や医療診断などの分野では必須の観察方法として広く普及している。一方で、3次元画像を得るためには、観察面を移動しながらレーザー光の2次元的な走査を何度も繰り返す必要があり、3次元画像の取得に時間がかかる(リアルタイム性に欠ける)という制約があったほか、レーザー光の長時間照射による試料への影響(ダメージ)や光退色も課題とされてきた。

そうした中で研究チームは今回、試料の深さ方向に伸びた「針」状の強度分布を持つレーザー光を使ったイメージング法に着目。このような針状スポットを用いたイメージングは、試料の深さ方向に対して広い範囲でピントの合った画像を得られることが以前より知られていたほか、最近では生きた生体脳での神経活動を高速に観察する技術としても活用されていたが、これまでは深さ方向の情報が失われた2次元画像しか得られず、深さ情報を含めた3次元的な立体画像を得ることは困難だったという。

そこで、今回の研究では、試料から発生する蛍光信号に対して、その空間的な伝搬特性を操作する新たな原理を考案。同原理は、立体ディスプレイや精密計測の分野で用いられている計算機合成ホログラムと呼ばれる技術が応用されており、顕微鏡装置に空間光変調器を導入することで実現する。

具体的には、針状スポットによって照明された発光物体が、その深さ位置に応じて像面での異なる面内位置に像を結ぶような波面制御パターンを設計することにしたという。これによって、針状スポットの深さ方向に沿って存在する発光物体の情報を像面での面内方向の情報として変換し、異なる深さ情報を同時に検出することが可能になるとしている。

光の「針」と独自の波面制御の原理に基づく高速な3次元イメージング法。(a)今回開発された方法の模式図。(b)従来のレーザー顕微鏡法による3次元画像構築の模式図 (出所:東北大プレスリリースPDF)

そして、同原理に基づいたレーザー顕微鏡システムが構築され、通常の集光スポットの20倍以上の長さを持つ針状スポットの2次元走査を1回行うことで、深さ20μmの範囲の3次元的な撮像に成功したという。

また、水中に浮遊する蛍光ビーズの3次元的な可視化が試みられ、個々の微粒子がブラウン運動する様子を3次元的な動画として記録できる性能が実証されたという。

水中に浮遊する直径1μmの蛍光粒子の像の連続記録(31Hz)。(a)「針」状スポットの1回の2次元走査から構築された粒子の3次元的な分布。(b)5秒間の記録に対して粒子の3次元的な位置が追跡された結果 (出所:東北大プレスリリースPDF)

さらに、今回構築されたシステムでは深さ20μmの深さの範囲を一挙に可視化できる性能を持つことから、厚みのある試料に対しても少ない撮像回数で3次元観察が可能となるという。実際、従来の装置では観察位置を変えながら200回近い2次元撮像を繰り返す必要のあった生体試料に対しても、今回のシステムでは13回の撮像で同じ領域を可視化でき、3次元観察に対して10倍以上の高速化に成功したとした。

厚みのある生体試料の観察例(固定したマウス脳スライス標本) (出所:東北大プレスリリースPDF)

今回の成果は、生体試料の微細形態の詳細な可視化や速い動きの動的な3次元記録を可能にするだけでなく、医療における病理診断での迅速化や高精度化などにもつながることが期待されるという。

また、今回開発されたイメージング法は、通常のレーザー走査型顕微鏡装置と同様の構成において、照明光であるレーザー光と試料からの検出信号に対する光の波面操作で実現するものであり、高い拡張性と汎用性を有していることが特徴だ。そのため、生体試料だけでなく、材料科学研究で必要となる表面形状の観察や、産業現場における高速な3次元検査装置などへの応用展開も見込まれるとしている。今後、今回の装置の小型化と適用範囲の拡大を図りながら、同システムの実用化へ向けた検討を進めていく予定としている。