組織内水のケミカルイメージングから迫る脳の生理学

• Project/Area Number: 20K20593
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 48:Biomedical structure and function and related fields
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 塗谷 睦生 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 准教授 (60453544)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2023: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2021: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2020: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 組織内水 / ケミカルイメージング / 脳 / 分子動態

Outline of Research at the Start

脳の機能は、脳組織内における分子やイオンの伝達により支えられています。よって、これらの物質の脳組織内における動きの理解は、脳機能の理解に必要なものとなります。ここで、脳は他の組織同様、水に満ちた組織で、これらの分子の動きは、それを溶かしている水の動きにより制御されていると考えられます。つまり、脳機能の理解には、脳内の水の動きとその制御の理解が必要となります。しかし、水分子はサイズが小さいことから、可視化して研究することが困難でした。本研究では、このような技術的な困難を、新たな顕微鏡技術を応用することで乗り越え、脳の中の水の流れとその制御を明らかにし、脳機能の理解を促進することを目指します。

Outline of Annual Research Achievements

近年、脳の生理・病態生理機能が、溶質であるイオンや生理活性物質そのものに加え、それらの共通の溶媒である脳組織内の水の量や状態によって強く制御されているという概念が提唱されるようになった。しかし、脳は光を通し難く、また、水はラベルが困難なため、脳組織内における水を見て理解する可視化解析は非常に困難であった。本研究はこれらの問題を、組織透過性が高い近赤外光を用い、分子の固有振動を捉えることで可視化するラマン散乱顕微鏡を適用することで乗り越え、脳内水動態の可視化解析を図るものである。研究最終年度の本年度は、これまでに取得に成功したデータを取りまとめ論文発表すると共に、今後の更なる展開に向けた新規顕微鏡装置の開発と応用を行った。
これまでに開発に成功した誘導ラマン散乱（stimulated Raman scattering: SRS）検出系を備えたマルチモダル多光子顕微鏡システムを用い、マウスから調製した急性脳スライス内での水と溶質の挙動の解析を行った。ここから、これまで水動態の指標として使われてきた蛍光色素と異なり、水分子は脳組織内を速く拡散すること、数十秒の単位では細胞内外を問わずに拡散することなどが分かった。更に、脳組織内での色素の動きが変化する、異なる発達段階や疾患条件下においても、水の動態が変化しないということが明らかとなった。これらの結果は、脳組織内における水の動態は、色素とは全く異なる特徴を持ち、変化に対して非常に安定なものであることを示すものとなった。
更に、脳スライスでの知見を動物個体の脳へと展開するため、in vivo用多光子顕微鏡装置のSRS化に取り組んだ。これにより、実際に生きた動物の脳内の観察が実現し、動物に投与した重水が脳内に移行する様子を捉えることに成功し、今後の更なる展開の基盤の確立に成功した。

Research Products

• [Journal Article] Stimulated Raman scattering microscopy reveals a unique and steady nature of brain water dynamics (2023)
  • Author(s): Takanori Shinotsuka, Tsuyoshi Miyazawa, Keiko Karasawa, Yasuyuki Ozeki, Masato Yasui, Mutsuo Nuriya
  • Journal Title: Cell Reports Methods Volume: 3 Issue: 7 Pages: 100519-100519
  • DOI: 10.1016/j.crmeth.2023.100519
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protocol to image deuterated propofol in living rat neurons using multimodal stimulated Raman scattering microscopy (2023)
  • Author(s): Zhong W, Oda R, Ozeki Y, Yasui M, Nuriya M
  • Journal Title: STAR Protocols Volume: 4(2) Issue: 2 Pages: 102221-102221
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2023.102221
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonlinear Microscopy Imaging of Living Cells (2023)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 63 Issue: 1 Pages: 33-37
  • DOI: 10.2142/biophys.63.33
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 非線形光学顕微鏡の脳科学研究への応用 (2023)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Journal Title: フォトニクスニュース Volume: 8(3) Pages: 131-135
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Probing the spatiotemporal dynamics of oxytocin in brain tissue using a simple peptide alkyne-tagging approach (2022)
  • Author(s): Nakamura K, Karasawa K, Yasui M, Nuriya M
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 94(35) Issue: 35 Pages: 11990-11998
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c00452
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of non-linear Raman scattering microscopy to pharmacology to visualize invisible targets (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Journal Title: Folia Pharmacologica Japonica Volume: 157 Issue: 5 Pages: 371-375
  • DOI: 10.1254/fpj.22060
  • ISSN: 0015-5691, 1347-8397
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ラマン散乱を用いた細胞水イメージング (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Journal Title: 月刊「細胞」 Volume: 54(13) Pages: 8-11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct visualization of general anesthetic propofol on neurons by stimulated Raman scattering microscopy (2022)
  • Author(s): Robert Oda, Jingwen Shou, Wenying Zhong, Yasuyuki Ozeki, Masato Yasui, Mutsuo Nuriya
  • Journal Title: iScience Volume: 25(3) Issue: 3 Pages: 103936-103936
  • DOI: 10.1016/j.isci.2022.103936
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Differentially regulated pools of aquaporin-4 (AQP4) proteins in the cerebral cortex revealed by biochemical fractionation analyses (2021)
  • Author(s): Julia Ramadhanti, Tomoko Yamada, Masato Yasui, Mutsuo Nuriya
  • Journal Title: Journal of Pharmacological Sciences Volume: 146(1) Issue: 1 Pages: 58-64
  • DOI: 10.1016/j.jphs.2021.03.003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 脳組織内における水の流れの可視化解析 (2024)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 日本分光学会生細胞分光部会研究会
  • Invited
• [Presentation] マルチモダルな多光子顕微鏡による脳組織の水動態の可視化 (2023)
  • Author(s): 篠塚崇徳、宮澤剛史、唐澤啓子、小関泰之、安井正人、塗谷睦生
  • Organizer: 日本神経科学会年会
• [Presentation] マルチモダル多光子顕微鏡を利用した脳内の水の動態の可視化 (2023)
  • Author(s): 篠塚崇徳、宮澤剛史、唐澤啓子、小関泰之、安井正人、塗谷睦生
  • Organizer: 日本流体力学学会年会2023
• [Presentation] 非線形光学と非蛍光標識を用いた生理活性物質の可視化解析 (2023)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 東京大学IRCN光学セミナー
  • Invited
• [Presentation] 非線形光学顕微鏡を用いた細胞・組織内分子動態の解析 (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 超高速光エレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] 脳組織内水動態の可視化解析 (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 第96回日本薬理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 多光子マルチモダルイメージングを使った脳組織内の水動態の可視化 (2022)
  • Author(s): 篠塚崇徳、宮澤剛史、唐澤啓子、小関泰之、安井正人、塗谷睦生
  • Organizer: 第96回日本薬理学会年会
• [Presentation] マルチモダル多光子顕微鏡を用いた生理活性物質の可視化解析 (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 2021年度日本分光学会生細胞分光部会研究会
  • Invited
• [Presentation] 微視的薬物動態の解析手段としての非線形光学顕微鏡 (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 第95回日本薬理学会年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非線形光学イメージングの生命科学研究への応用 (2022)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 第42回レーザー学会学術講演会
  • Invited
• [Presentation] 新規プローブの開発と応用による低分子量生体分子の可視化解析 (2021)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 第30回日本バイオイメージング学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] High-speed super-multiplex imaging of brain tissue (2021)
  • Author(s): Robert Oda, Jingwen Shou, Keiko Karasawa, Mutsuo Nuriya, Masato Yasui, Yasuyuki Ozeki
  • Organizer: SPIE BiOS, 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非線形光学顕微鏡 ~SHG 顕微鏡~ (2020)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 日本分光学会 第56 回 秋期セミナー
  • Invited
• [Presentation] 多光子現象を駆使した脳内化学情報伝達の可視化解析 (2020)
  • Author(s): 塗谷睦生
  • Organizer: 学術変革（B）革新ラマン領域会議
  • Invited
• [Remarks] 塗谷グループのホームページ
  • URL: http://user.keio.ac.jp/~aa606547/homepage.html
• [Remarks] 塗谷グループホームページ
  • URL: http://user.keio.ac.jp/~aa606547/homepage.html