Development of deep-tissue super-resolution imaging using the second near-infrared window and its application to regenerative medicine

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H04503
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 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)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山中 真仁 大阪大学, 工学研究科, 特任准教授(常勤) (90648221) ; 古川 太一 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 助教 (70749043) ; 長原 一 大阪大学, データビリティフロンティア機構, 教授 (80362648)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 超解像顕微鏡 / 生体深部イメージング / 近赤外第二領域 / 蛍光プローブ / 再生医療

Outline of Annual Research Achievements

1. 昨年度組み立てた深部超解像レーザー走査蛍光顕微鏡とNaYF4:Yb蛍光ナノ粒子を用いてイメージング実験を行った。NaYF4:Yb蛍光ナノ粒子は波長915 nmの光で励起でき、波長980 nmの蛍光を発する。この蛍光ナノ粒子をカバーガラス上に散布し、厚さ500 マイクロメートルの生体模倣材料(1 %イントラリピッド)を通して観察した。結果として、提案手法を用いることでおよそ1.5倍程度の空間分解能の向上に成功した。上記と同様の実験を、波長820 nmの光で励起でき波長900 - 950 nm付近の蛍光を発するY2O3:Nd蛍光ナノ粒子を用いて試してみたところ、空間分解能の向上を確認した。
2. 深部イメージングにおいては光散乱により励起光が深部に届きにくく、蛍光も同様に検出器に届きにくいためSN比が悪くなる。教師なしで画像のノイズ除去が可能な深層学習アルゴリズムを構築し、得られた顕微鏡画像へ応用したところ、SN比の向上を達成した。この深層学習アルゴリズムはイメージング速度の高速化や、さらに深部の領域を観察可能にする技術となる。
3. 合成したNaYF4:Yb蛍光ナノ粒子をHeLa細胞へ導入する実験を行った。細胞培養時に、培養液にNaYF4:Yb蛍光ナノ粒子を混ぜておくと、エンドサイトーシスにより蛍光ナノ粒子がHeLa細胞へとりこまれた。さらに、上記のレーザー走査蛍光顕微鏡により蛍光画像を取得したところ、細胞内に存在する蛍光ナノ粒子の分布を確認した。
4. スフェロイドの培養を行ったところ、直径200 - 400マイクロメートルほどのスフェロイドの培養に成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

1. 深部超解像顕微鏡の構築及び、それを用いたイメージングに成功したため。2. 深層学習を用いたノイズ除去アルゴリズムの構築も達成したため。

Strategy for Future Research Activity

レーザー光源としてパルスレーザーを用いることで更なる空間分解能の向上を目指す。また、蛍光ナノ粒子をスフェロイドや細胞シートなどの分厚い細胞組織に導入し、深部超解像イメージングが可能なことを実証する。さらに、光学系の安定化するために、光ファイバーを用いた光学系とする。レーザー照射による細胞など生体試料へのダメージを評価する。