2017 Fiscal Year Annual Research Report
Sophistication and application of in vivo imaging technologies by using vector laser light
| Project Area | Resonance Biology for Innovative Bioimaging |
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| Project/Area Number |
15H05953
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
根本 知己 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (50291084)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 俊一 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30162431)
川上 良介 愛媛大学, 大学院医学系研究科, 准教授 (40508818)
大友 康平 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40547204)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | ２光子顕微鏡 / バイオイメージング / ベクトルビーム / Ca2+シグナル / 開口放出 / ナノマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き本年度もベクトルビームを活用し、多光子顕微鏡法の高度化を実施した。W-VIEW光学系を新たに改良することで第2次高調波の縦偏光・横偏光成分とを分離し、高速撮像することを可能とした。その結果、第2次高調波を発生するコラーゲン繊維について、分子配向方向の高速ライブイメージングを実現した。またナノシート材料を用いてオープンスカル法の改善を行い、in vivoイメージングの安定化を進めた。
Ca2+インジケータを発現する遺伝子改変マウスを用いて、Ca2+依存性開口放出における高速3次元イメージングの可能性を検討した。吸引型臓器保定装置の改良により、安定したin vivoイメージングが可能となった。特に、保定した膵臓の表面から外分泌腺腺房を深部観察し、アゴニスト刺激による腺房細胞集団のCa2+濃度上昇をサブセルラーレベルで高速に可視化した。同様に膵臓ランゲルハンス氏島を同定し、β細胞におけるCa2+オシレーションをin vivoで観察することにも成功した。その結果、低血糖時での高頻度Ca2+スパイクが存在する可能性が明らかになった。
ベクトルビームの超解像特性のさらなる向上のために、ビーム径や強度分布、位相分布などのパラメータを変えながら、詳細に集光スポットの計算を行い、限界に近い超解像特性の発現条件を求めた。また、ベクトルビームの特異的な特性のひとつである光軸方向に針状の長い強度分布を用いた新しい顕微鏡法の検討を進めた。
その他、研究領域の内外との共同研究、連携研究を推進し、植物細胞の細胞分裂における細胞骨格動態のマルチカラーイメージングやオートファジーのin vivoイメージングなど新たな知見を得ることに成功した。特に、他の計画班との共同研究のひとつとして、ベクトルビームの光ニードル特性や自己治癒効果を利用する新たな高速イメージング法の開発研究を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
生命科学現象の可視化解析のためには、生きたままの生体組織に対して、非侵襲的かつ高速の断層イメージングが必要である。本年度は、マルチビーム型レーザースキャナーを用いた多光子顕微鏡の高速性を活用し、生体深部のin vivoイメージングの有用性を明瞭に示すことができた。特に、超短光パルスレーザが生体内で引き起こした非線形光学過程である第二次高調波発生という現象を利用することで、分子配向を直接的に可視化する手法を確立できたことは極めて重要な成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2光子顕微鏡システムに空間光変調器を導入するなど実施し、レーザー光のベクトル化や生体観察用の補償光学系の構築を推進してきたが、今後はさらなるイメージング技術の高度化を推進する。また、脳の透明化技術の推進、開口放出機能の高速可視化解析を推進する。特に得られた成果に基づき、さらに以下の点を推進する。
１．新規2光子顕微鏡とナノ薄膜材料を用いてオープンスカル法等でのマウス生体脳イメージングへの適用可能性の検討を推進する。特に、長期観察や、聴覚野や前頭前野などの多様な脳領域への適用等の可能性を検討する。また、生体脳の光学的な特性について得られた知見やベクトルビームの技術を基盤に、撮像範囲の広範囲化を図るために、励起レーザー光を光ニードルに変換する手法を検討する。また生体脳深部での光破断の方法や障害の定量的な画像解析法の開発を推進する。
２．マルチビーム型レーザースキャナーに超短光パルスレーザーに導入し、広視野・高速の２光子イメージングを可能が可能となった。そこで、Ca2+インジケータを発現する遺伝子改変マウスや有機小分子系のCa2+指示薬を用いることで、マウス膵臓組織等をモデルとして、Ca2+動態やCa2+依存性開口放出機能の可視化解析を推進する。
3．昨年度までに、マルチビーム型レーザースキャナーに偏光素子を組み合わせ、高速な分子配向イメージング法を完成させた。そこで、本方法論に基づく分子配向のin vivoでの定量的解析方法の確立を進める。
4．ベクトルビームの技術や画像処理技術を活用した超解像イメージング技術について検討を進める。
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