表面増強誘導ラマン散乱による小胞輸送の高速分光イメージング

• Project/Area Number: 22KJ0516
• Project/Area Number (Other): 21J00452 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 21030:Measurement engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 水口 高翔 東京大学, 光量子イメージング分野, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: ラマンイメージング / 誘導ラマン散乱 / 超解像イメージング / ナノ粒子 / 超解像 / 広視野イメージング

Outline of Research at the Start

形質膜を介して細胞内外を出入りする小胞は、物質の貯蔵、生体分子や薬物の輸送、化学反応場など生命活動に欠かせない様々な役割を持つ。本研究では誘導ラマン散乱(SRS)顕微鏡に表面増強ラマン散乱を組み合わせた表面増強SRSおよび超解像SRS顕微鏡を構築し、細胞の複数箇所における小胞輸送を介した細胞の複雑な情報伝達機構を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は(1)超解像誘導ラマン散乱（SRS）イメージングシステムの改良、(2)超解像SRSイメージングによる細胞内の小胞輸送観察、(3)ステージスキャンによる大規模イメージングシステムの構築の３課題について研究を進めた。(1)では超解像SRSイメージングの性能を向上させるためにレーザ照射条件など最適化を行い、測定用ソフトウェアの改良を行った。超解像SRS専用の光スイッチング分子に継続的な光照射をすると退色が引き起こされてイメージング性能が低下してしまう。そのためレーザ照射パワーの最適な条件を探索し、またレーザ照射のタイミングを制御する回路及びソフトウェアを作成することで、超解像SRSイメージング性能を改善することに成功した。(2)では超解像SRSイメージングにより細胞内の極微小な脂肪滴の動態を観察し、超解像SRSイメージングの生体イメージング応用に向けた研究を行った。本手法により超解像専用の光スイッチング分子を標的分子に修飾することで細胞内の小胞輸送を高い空間分解能で観察することが可能になった。(3)ではステージスキャン用のプログラムを改良し、数百枚の画像取得を自動化することに成功した。従来のソフトウェアでは80μm四方の視野を手動で移動する必要があり、一度に多くの細胞を観察することが困難であった。新たなステージスキャン用プログラムの実装により、80μm四方の視野を自動で走査することが可能になり、SRSイメージングのスループット性能が大幅に向上した。

Research Products

• [Journal Article] Super-resolution vibrational imaging based on photoswitchable Raman probe (2023)
  • Author(s): Shou Jingwen、Komazawa Ayumi、Wachi Yuusaku、Kawatani Minoru、Fujioka Hiroyoshi、Spratt Spencer John、Mizuguchi Takaha、Oguchi Kenichi、Akaboshi Hikaru、Obata Fumiaki、Tachibana Ryo、Yasunaga Shun、Mita Yoshio、Misawa Yoshihiro、Kojima Ryosuke、Urano Yasuteru、Kamiya Mako、Ozeki Yasuyuki
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 24
  • DOI: 10.1126/sciadv.ade9118
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Imaging the uptake of deuterated methionine in Drosophila with stimulated Raman scattering (2023)
  • Author(s): Spratt Spencer J.、Mizuguchi Takaha、Akaboshi Hikaru、Kosakamoto Hina、Okada Rina、Obata Fumiaki、Ozeki Yasuyuki
  • Journal Title: Frontiers in Chemistry Volume: 11 Pages: 1141920-1141920
  • DOI: 10.3389/fchem.2023.1141920
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Three-dimensional analysis of water dynamics in human skin by stimulated Raman scattering imaging (2023)
  • Author(s): Mizuguchi Takaha、Knight Christopher T.、Goto Makiko、Ninomiya Masato、Egawa Mariko、Ozeki Yasuyuki
  • Journal Title: Advanced Chemical Microscopy for Life Science and Translational Medicine 2023 Volume: 12392 Pages: 49-49
  • DOI: 10.1117/12.2647651
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum-enhanced stimulated Raman scattering microscopy toward breaking the shot noise limit in high-power regime (2023)
  • Author(s): Oguchi Kenichi、Xu Zicong、Taguchi Yoshitaka、Takahashi Shun、Sano Yuki、Mizuguchi Takaha、Katoh Kazuhiro、Ozeki Yasuyuki
  • Journal Title: Advanced Chemical Microscopy for Life Science and Translational Medicine 2023 Volume: 12392 Pages: 25-25
  • DOI: 10.1117/12.2649579
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum-enhanced stimulated Raman scattering microscopy in a high-power regime (2022)
  • Author(s): Xu Zicong、Oguchi Kenichi、Taguchi Yoshitaka、Takahashi Shun、Sano Yuki、Mizuguchi Takaha、Katoh Kazuhiro、Ozeki Yasuyuki
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 47 Issue: 22 Pages: 5829-5829
  • DOI: 10.1364/ol.473130
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Label-free and Raman probe imaging by integrated SRS-fluorescence microscope (2023)
  • Author(s): Takaha Mizuguchi and Yasuyuki Ozeki
  • Organizer: Biomedical Raman Imaging 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum-enhanced stimulated Raman scattering microscopy toward breaking the shot noise limit in high-power regime (2023)
  • Author(s): Kenichi Oguchi, Zicong Xu, Yoshitaka Taguchi, Shun Takahashi, Yuki Sano, Takaha Mizuguchi, Kazuhiro Katoh, Yasuyuki Ozeki
  • Organizer: Photonics West 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Three-dimensional analysis of water dynamics in human skin by stimulated Raman scattering imaging (2023)
  • Author(s): Takaha Mizuguchi, Christopher T. Knight, Makiko Goto, Masato Ninomiya, Mariko Egawa, Yasuyuki Ozeki
  • Organizer: Photonics West 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 誘導ラマン散乱によるヒト皮膚の水動態3Dイメージング (2022)
  • Author(s): 水口 高翔、ナイト クリストファ鷹也、後藤 真紀子、二宮 真人、江川 麻里子、小関 泰之
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 誘導ラマン散乱によるヒト皮膚のCH伸縮・OH伸縮振動イメージング (2022)
  • Author(s): 浅沼将人、水口高翔、二宮真人、江川麻里子、小関泰之
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会