Holographic optical coherence microscope for high-penetration and label free imaging of intracellular activities
| Project/Area Number |
21H01836
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
安野 嘉晃 筑波大学, 医学医療系, 教授 (10344871)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松阪 諭 筑波大学, 医学医療系, 客員研究員 (00372665)
巻田 修一 筑波大学, 医学医療系, 准教授 (50533345)
三浦 雅博 東京医科大学, 医学部, 教授 (60199958)
福田 慎一 筑波大学, 医学医療系, 准教授 (80643246)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
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| Keywords | 光コヒーレンストモグラフィー / Dynamic OCT / In vitro imaging / drug testing / imaging theory / 顕微鏡 / 腫瘍 / 動物イメージング / in vitro イメージング / OCT顕微鏡 / label-free imaging / in vitro model / animal model / liver disease / zebrafish / OCT / 非侵襲 / 偏光計測 |
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| Outline of Research at the Start |
再生医療、基礎医学、創薬分野において「厚い培養組織・小動物組織の活動性（代謝・細胞
内活動）を非侵襲に、深部まで可視化する技術」が必要とされている。本課題では、このニーズを満たすような「3次元ラベルフリー代謝・細胞内活動性顕微鏡」を開発する。この顕微鏡では、次の新しい計測機能が実現される。 (1) 標的分子なしでの代謝・細胞内活動の可視化・定量化。(2) 分解能と焦点深度のトレードオフを解除し、高画像化深度・高分解能を同時実現する。(3) 偏光計測により、特定の生体分子のラベルフリー３次元可視化を実現する。さらに、この技術を用いた「培養組織を対象とした薬剤の薬効評価手法（プロトコル）を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、生体の活動性を非侵襲・ラベルフリー・３次元的に可視化する新しい顕微的光イメージング手法 dynamic optical coherence tomography (dynamic OCT)を確立した。 Dynamic OCT は連続したOCTは信号計測と、その時系列信号の統計解析を組み合わせることで、外部からのコントラストエージェントの導入なく生体の活動性を可視化する手法である。
本研究では、新たにこの手法を開発し、それを用いた腫瘍スフェロイドの薬剤反応試験、肺胞オルガノイドの線維化過程の可視化、マウス肝臓のゾーン構造の可視化、マウス腎臓の腎障害モデルによる組織活動性の低下の評価に成功した。特に、腫瘍スフェロイドの薬剤反応試験では、三種類の抗がん剤を異なる濃度でスフェロイドに適用し、抗がん剤の作用機序に対応した異った細胞反応が発生することが、その空間パターンも含めて明瞭費可視化された。
さらに、dynamic OCTの理論的な基礎となるOCTのスペックル現象の数理的解明を試み、スペックルが加算的なノイズであること、OCT画像の中にはインコヒーレントなスペックルを伴わない成分が存在することを解明した。
また、この研究を通じで、今後の dynamic OCT 開発における課題も明確になった。一つはより直接的に生体内の組織ダイナミクスに関連した dynamic OCT手法の開発である。今後、今回開発されたスペックル現象の数理モデルを用いてこの問題に取り組むことに成る。もう一つの課題はdynamic OCTの長い計測時間音短縮である。これは、deep-learning 画像生成モデルを用いてより少ない量のデータ（OCT画像）から高品位な dynamic OCTを生成する手法を確立することで対応する予定である。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(99 results)
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[Presentation] Quantitative dynamic optical coherence tomography by multi-time-window signal intensity variance2024
Author(s)
Rion Morishita, Ibrahim A. El-Sadek, Pradipta Mukherjee, Tanatchaya Seesan, Yiheng Lim, Tomoko Mori, Atsuko Furukawa, Satoshi Matsusaka, Shuichi Makita, Yoshiaki Yasuno
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