高分解能ラマン顕微鏡の開発と生体機能イメージングへの応用

• Project/Area Number: 22K12810
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
• Research Institution: Kwansei Gakuin University
• Principal Investigator: 名和 靖矩 関西学院大学, 生命環境学部, 講師 (20753057)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2026: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000); Fiscal Year 2025: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ラマン散乱顕微鏡 / 高分解能 / 超解像

Outline of Research at the Start

本研究では、ラマン散乱顕微鏡の高分解能化と、生体機能のより詳細な描画を目的とする。開発する顕微鏡では、生体試料中に混在する多種多様な分子種からの信号を、高い分解能で検出する。そのため、生体機能を反映する、より多くの分子種と分子状態を、分離して計測できる。また、生体機能が発現している状態を計測するための高速撮像を可能とする。上記性能を実現する顕微鏡技術を開発・実装し、生体試料の計測を行う。計測された生体機能は、複数の異なる計測手法による計測結果と比較することで、検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ラマン散乱顕微鏡の高分解能化と、生体機能のより詳細な解析を目的とする。そのため高分解能かつ高速な顕微鏡技術を開発・実装し、生体試料の計測を行う。微小空間で生じる生体現象を高い波数分解能で計測することで、近接する分子からのラマン散乱信号を分離・識別することを目指す。
本年度は、昨年度に試作した装置に二つの自動回転ステージを導入し、焦点位置をx-yの二次元方向に走査できるイメージングシステムを構築した。本装置において、ラマン散乱スペクトルが検出できることを確認している。焦点位置の走査とラマンスペクトルの取得及び保存を同期して行うための制御ソフトを自作し、イメージングが行えることを確認した。また、本装置は簡単なレンズの追加と取外しを行うことにより照明パターンを変更する事ができ、様々なイメージング方法が適用できる。シリンドリカルレンズを用いることで、ライン状の照明パターンが形成でき、照明されたライン状の領域からのラマン散乱を同時に検出できる。イメージングを行う際は、ラインに対して垂直な方向に照明パターンを走査するだけでよいため、高速観察が可能である。通常のレンズやマイクロレンズアレイを用いることで、単一/多焦点での照明も可能である。現在は、エタノールやビーズ試料の観察を行い、信号対雑音比および空間/波数分解能の評価を行っている。信号のスループットが不十分であり、波数域や試料によっては信号対雑音比を向上する必要があるため、高分解能化技術の導入を試みるとともに、表面プラズモンを利用した信号増幅効果の利用を検討している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

自身の所属異動により、当初予定していた高分解能化技術を実装するためのイメージング装置の構築、制御/解析ソフトの作成、および信号対雑音比の改善に時間を要しており、原理検証が計画より遅延しているため。

Strategy for Future Research Activity

構築したイメージング装置を用いて高分解能化技術の実装及びアプリケーション開発を進める。まずは蛍光信号による原理検証実験を進め、ラマン散乱イメージングへの応用を行う。また、表面プラズモンによる信号の増幅効果を利用することで、感度の向上を試みる。

Research Products

• [Journal Article] Nanoantenna Effect at the Center of the Bull’s Eye Pattern by Controlling the Refractive Indices and Layer Thicknesses of Dielectric Media on a Silver Surface (2024)
  • Author(s): Tawa Keiko、Shinohara Takeha、Nawa Yasunori、Hasegawa Seiju、Imura Kohei
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 128 Issue: 7 Pages: 3011-3018
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.3c07171
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Label-Free Evaluation of Maturation and Hepatotoxicity of Human iPSC-Derived Hepatocytes Using Hyperspectral Raman Imaging (2023)
  • Author(s): Li Menglu、Ueyama-Toba Yukiko、Lindley Matthew、Kongklad Gunganist、Nawa Yasunori、Kumamoto Yasuaki、Ishida Seiichi、Kanda Yasunari、Fujita Satoshi、Mizuguchi Hiroyuki、Fujita Katsumasa
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 95 Issue: 24 Pages: 9252-9262
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.3c00976
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] プラズモニックチップを利用した非標識センシング技術の開発 (2023)
  • Author(s): 名和 靖矩、吉田 潤平、田和 圭子
  • Journal Title: 応用物理学会 有機分子・バイオエレクトロニクス分科会会誌 Volume: 34 Pages: 54-57
• [Journal Article] Label-free chemical imaging of cytochrome P450 activity by Raman microscopy (2022)
  • Author(s): Li Menglu、Nawa Yasunori、Ishida Seiichi、Kanda Yasunari、Fujita Satoshi、Fujita Katsumasa
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 5 Issue: 1 Pages: 778-778
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03713-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Label-Free Monitoring of Drug-Induced Cytotoxicity and Its Molecular Fingerprint by Live-Cell Raman and Autofluorescence Imaging (2022)
  • Author(s): Li Menglu、Liao Hao-Xiang、Bando Kazuki、Nawa Yasunori、Fujita Satoshi、Fujita Katsumasa
  • Journal Title: Analytical Chemistry Volume: 94 Issue: 28 Pages: 10019-10026
  • DOI: 10.1021/acs.analchem.2c00293
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 高アスペクト比ピラーアレイ型プラズモニックチップの光学特性 (2024)
  • Author(s): 清水 淳史、名和 靖矩、田和 圭子
  • Organizer: 第71回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 格子結合型表面プラズモン共鳴を利用したナノ粒子の高感度暗視野観察 (2024)
  • Author(s): 河西 晃佑、名和 靖矩、田和 圭子
  • Organizer: 第71回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] プラズモニックチップを用いたPDA膜厚の高空間分解能SPRイメージング (2024)
  • Author(s): 名和 靖矩、田和 圭子
  • Organizer: 第71回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] プラズモン増強蛍光イメージングによる唾液中のカンジダマンナン変化量評価 (2024)
  • Author(s): 能見 隆登、八子 将也、名和 靖矩、田和 圭子、栗田 浩
  • Organizer: 日本化学会第104春季年会(2024)
• [Presentation] A Colorimetric Detection Method at Solid/Liquid Interface with a Plasmonic Chip (2023)
  • Author(s): Yasunori Nawa, Yuya Kimura, Keiko Tawa
  • Organizer: MRM&ICA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] プラズモニックチップを用いた高空間分解能SPRイメージング法の開発 (2023)
  • Author(s): 名和 靖矩、田和 圭子
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Single extracellular vesicles detected by post-labeling method on the plasmonic chips with a fluorescence microscope (2023)
  • Author(s): Makoto Tokami, Kazuma Fukutomi, Yasunori Nawa, Keiko Tawa
  • Organizer: ICP2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Label-free and live-cell Raman and autofluorescence imaging of drug distribution and induced cytotoxicity (2023)
  • Author(s): Menglu Li, Hao-Xiang Liao, Kazuki Bando, Yasunori Nawa, Satoshi Fujita, Katsumasa Fujita
  • Organizer: SPIE Photonics WEST 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 格子結合型表面プラズモン共鳴を利用した高感度暗視野検出法の開発 (2023)
  • Author(s): 吉田 潤平、名和 靖矩、田和 圭子
  • Organizer: 第70回 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 初代培養海馬神経細胞の神経回路網形成に伴う還元型チトクロムc/b分布変化のラマンイメージング (2023)
  • Author(s): 増井 恭子, 長野 貴裕, 谷 知己, 名和 靖矩, 藤田 克昌, 石飛 秀和, 藤田 聡史, 細川 千絵, 井上 康志
  • Organizer: 第46回日本神経科学大会(2023)
• [Presentation] 共鳴ラマンイメージングを用いた培養神経細胞ネットワーク形成に伴う分子分布変化 (2022)
  • Author(s): 増井 恭子, 長野 貴裕, 名和 靖矩, 谷 知己, 藤田 克昌, 石飛 秀和, 藤田 聡史, 細川 千絵, 井上 康志
  • Organizer: 2022年 電子・情報・システム部門大会
• [Patent(Industrial Property Rights)] 細胞内におけるCYP酵素群の酵素活性の検出方法 (2022)
  • Inventor(s): 名和靖矩、李梦露、石田誠一、諫田泰成、藤田聡史、藤田克昌
  • Industrial Property Rights Holder: 国立研究開発法人 産業技術総合研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2022
  • Overseas