蛍光イメージングにおける細胞内光学特性の再構築

Publicly Offered Research

Project Area	Comprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance
Project/Area Number	21H05605
Research Category	Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Review Section	Transformative Research Areas, Section (II)
Research Institution	Institute of Physical and Chemical Research
Principal Investigator	渡部匡己国立研究開発法人理化学研究所, 生命機能科学研究センター, 研究員 (70599480)
Project Period (FY)	2021-09-10 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000) Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords	生物画像シミュレーション / 細胞シミュレーション / 蛍光イメージング / 細胞モデリング / データ同化 / アポトーシス
Outline of Research at the Start	本研究課題を４年計画で記した。最初の２年では、「sptPALM観測の際に、細胞内オルガネラの不均一な分布や歪んだ構造が、ミトコンドリア膜上のBak分子の動態計測に、どのくらい影響及ぼすのかを定量的に評価」することを目標として、主に「I. 細胞モデルの構築」と「II. 超解像蛍光顕微鏡シミュレーションの実装」を計画している。残りの２年で、「III. 動的なデータ同化の実装」と「IV. データ同化の評価と実蛍光画像への適用」を計画している。
Outline of Annual Research Achievements	蛍光顕微鏡イメージング法は、細胞内小器官や生体分子などの特性や動態を測定するのに、必要不可欠な役割を果たしている。この方法は、GFPなどの蛍光分子を細胞内の生体分子にタグして観測するため、視覚的に捉えられる要素の分布や動態について計測することを得意としている。しかし、蛍光標識では捉えられない細胞内領域を構成する要素の分布や動態を解析することはほとんどできていない。また、蛍光標識された生体分子が、どのようにして非観測領域に存在する要素と相互作用しているのかは、ほとんど明らかになっていない。本研究課題では、蛍光顕微鏡イメージングと細胞モデリングを融合させる枠組みとして「データ同化」を用いて、細胞内の散乱・揺らぎなどの光学特性の統合的・包括的理解を目指す。本研究課題の研究成果として論文が３／３１付でPhys Rev. Researchに採択された。リンク：https://journals.aps.org/prresearch/accepted/03075Yb1H4c1658438e20192823495d348e110655（論文の掲載は５月末あたりを予定している。）主な結果：（１）シゾン細胞の電験画像をインプットのデータとして、細胞内の屈折率分布由来のフラクタル構造を組み込んだ細胞のモデルを構築した。（２）sptPALMシミュレータを実装するのに欠かすことのできない「細胞内屈折率分布を介した強度輸送方程式」を導出し、光が細胞内を伝搬するプロセスのシミュレーションを行なった。（３）蛍光画像から、細胞内の光学特性（細胞内屈折率分布の揺らぎ、フラクタル次元、散乱係数）を再構築するデモを行なった。
Research Progress Status	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和4年度が最終年度であるため、記入しない。