2018 Fiscal Year Research-status Report
ラマンスペクトル変化の深層学習による細胞の力学応答解析手法の開発
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18K04977
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
安國 良平 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (40620612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新岡 宏彦 大阪大学, データビリティフロンティア機構, 特任准教授(常勤) (70552074)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | フェムト秒レーザー誘起衝撃力 / メカノレスポンス / 単一細胞解析 / 顕微蛍光分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、これまで申請者が培ってきた集光フェムト秒レーザーを用いた動物細胞への力学的刺激の付加、顕微分光技術による細胞の生理応答測定、ディープラーニングによる解析を組み合わせ、細胞が識別している本質的な力学的刺激の詳細を明らかにする新しい手法を開発し、細胞の力学応答の作動機構の解明を目指している。
平成30年度ではまず細胞近傍の培養液中へ集光するフェムト秒レーザーのパルス強度、繰り返し周波数、パルス数、集光点と細胞との距離を変え、発生するキャビテーションバブルの高速度イメージングによって、レーザーが誘起する衝撃力が細胞に与える力の大きさに関する時空間的プロファイルを明らかにした。
次にラマン散乱測定に先駆けてシグナル検出が容易な顕微蛍光測定によってレーザー誘起衝撃力が細胞機能へ与える影響を検討した。蛍光イメージングのためにpH感受性のある蛍光色素SNARF-1を細胞に導入し、レーザー誘起衝撃力を与える前後の蛍光スペクトル変化からレーザー誘起衝撃力が細胞のpH調節能へ与える影響を測定した。
その結果、衝撃力の付加後、細胞内のpHが一時的に変化することが明らかになり、衝撃力により細胞に致死的なダメージを与えることなく細胞のpH調節能を制御できる可能性が示された。またこのような細胞の応答は細胞の初期状態にも大きく依存することが明らかになり、単一細胞の制御においては刺激の制御と共に細胞状態をパラメータ化することが重要であることが示唆され、今後の機械学習における細胞制御に向けて重要な知見を得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画通り、レーザー誘起衝撃力により細胞の生理応答として細胞のシグナル伝達が生じ、細胞状態が様々に変化することを示唆する結果が得られている。
今後は、ラマン散乱測定、若しくは蛍光スペクトルのデータ量を増やすことで機械学習を行い、細胞状態に変化を与えるレーザーパラメータのクラスター化を実現できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度ではより一般的な細胞状態を表す蛍光スペクトルとして、細胞の発現させた蛍光タンパク質の蛍光スペクトルを指標に使い、衝撃力の作用前後における蛍光スペクトルとレーザーのパラメータを機械学習により解析することで、レーザーを用いて、細胞状態を任意の状態へ変化させる方法論を開発する。その後ラマン散乱測定へ手法を拡張し、分子網羅的な細胞応答計測に基づいた細胞機能制御法の開発を目指す。
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| Causes of Carryover |
本年度はすでに所有する光学素子で蛍光測定による原理検証を実行した。次年度はより高感度な顕微分光を行うために追加の光学素子の購入を予定している。
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