厚みがある細胞やミニ臓器であるオルガノイドの内部を高い解像度で生きたまま観察できる「超解像蛍光顕微鏡」をつくる技術を、大阪大学などのグループが開発した。薄いシート状の照明で見たい部分だけ光らせるのが核となる技術で、CTスキャンで人体の断層画像をつくるように細胞の断面を鮮明に見ることが可能となる。より自然な状態での生体の構造や動態を調べられるため、生物学や薬学、医学への幅広い貢献が期待できる。
細胞などを生きたまま観察するには、細胞器官を蛍光タンパク質などで光らせて光学顕微鏡で見る方法がある。しかし、空間分解能は光の波長の半分程度で、0.2マイクロメートル（マイクロは100万分の1）より小さいものは見えなかった。2000年に海外の学者が縞状の光を試料に当てる「構造化照明顕微鏡（SIM）」の原理を論文発表して以降に開発が加速。現在までに研究で用いられる一般的な光学顕微鏡と比べて分解能が2倍まで改善されている。ただ、SIMにおいても見たい場所以外の光が邪魔をするという問題が残っており、試料の表面の観察にとどまっていた。
フォトニクスを専門とする大阪大学大学院工学研究科の天満健太助教と桶谷亮介特任研究員（現九州大学理学研究院助教）、藤田克昌教授らはSIMをベースに、薄いシート状の照明を試料に当て、照明のある面の部分だけ活性化（アクティベート）して蛍光を発する仕掛けができれば、試料の表面だけでなく内部の断面を観察できると考えた。
光照射がスイッチの役目をする蛍光タンパク質を試料の見たい部分にくっつけて、観察方向に垂直な薄いシート照明を当てることで、SIMが蛍光を検出できる「シートアクティベーション型構造化照明顕微法（SPA-SIM）」で蛍光像を見る顕微システムを構築した。
-
SPA-SIMではレンズを2つ使う（左）。シート照明用レンズで発光する場所を決め、もう一つのレンズが縞照明で生じた蛍光を検出する（大阪大学の天満健太助教提供）
シート照明を高速観察可能な性質のもの（1光子ライトシートアクティベーション型）にすると、分解能は面で141.5ナノ（ナノは10億分の1）メートル、奥行き739.2ナノメートルになった。動画が撮れ、断面写真を集めると立体の構築ができる。
-
通常の顕微鏡（右）とSPA-SIMで見た細胞内にあるミトコンドリアの蛍光像。従来のSIMよりもコントラストが高くて高分解能だ（大阪大学の天満健太助教提供）
シート照明を高分解な性質のもの（2光子ベッセルシートアクティベーション型）に変えるとより広い視野でピントが合いやすくなり、分解能は面で144.3ナノメートルと少し下がったが、奥行き293.4ナノメートルまで改善し、全体としての解像度は向上した。内部構造も鮮明に見られるようになった。
-
核内のヒストンタンパクに蛍光タンパクを付けた細胞塊内部を見ると、通常の蛍光顕微鏡像（左）では焦点が当たった場所以外で発する背景光によって境目が不明瞭だが、SPA-SIMでは鮮明に見える（大阪大学の天満健太助教提供）
培養皿の底に着いて生存する2次元培養細胞よりも、複数の細胞からなるオルガノイドのような立体的な細胞組織は、生理学的により生物個体に近い挙動を示すため、天満助教は「生体発生や疾患の原因究明、生体の薬剤応答など幅広い分野の研究において関心を集める3Dの多細胞組織の詳細な空間分布を観察可能にできた。顕微観察技術の進展においてマイルストーンとなる」とする。蛍光タンパク質をタンパクにしか付けられず、観察できるものに限りがあるのが今後に向けての課題という。
研究はドイツ・イエナ大学と共同で行い、成果は英科学誌「ネイチャーメソッズ」に4月5日に掲載された。
|
関連記事 |
静岡大など、三次元金属ハライドペロブスカイト材料の光学特性を解明
