2021 Fiscal Year Annual Research Report
量子ドット３次元蛍光イメージングと適応型深部光照明による生体深部観察技術の創成
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21H04663
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
的場 修 神戸大学, 先端融合研究環, 教授 (20282593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
湯川 博 名古屋大学, 未来社会創造機構, 招へい教員 (30634646)
玉田 洋介 宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Keywords | 生体深部イメージンング / 量子ドット / 蛍光イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
新規３次元蛍光イメージングとして偏光依存性のある偏光ディレクトフラットレンズ及び偏光回折格子を用いた異軸型共通光路蛍光ディジタルホログラフィーシステムを検討した。空間光変調素子の回折効率に比べて光エネルギー利用効率の増加が期待できる。蛍光ビーズによる干渉縞形成と再生像について原理検証実験を実施し，再生可能であることを示した。また，ライトフィールド３次元顕微蛍光イメージングシステムの改良につとめ，再構成画像の画質向上を深層学習を用いて実現した。学習用データとして教師画像となる高解像度画像を同時に取得可能な実験系を構築した。量子ドッド開発では，低毒性，高感度，安定性，耐光性，近赤外発光特性を有する生体親和性に優れた800 nm蛍光発光中心の量子ドットを新たに開発することに成功した。そして，マウス脳組織に対して高輝度基準光源としての有用性を検証した。具体的には，波長1600 nmのレーザーを用いた２光子励起により，摘出したマウス脳組織の2 mm程度の深さにある新規量子ドット由来の800 nmの強い蛍光を検出することに成功した。これらの成果は，生体深部の観察に有用な蛍光プローブのみならず，散乱特性を補正するための高輝度基準光源としての有用性を示唆するものである。また，深部高解像度イメージングを実現する生物として，コケ植物ヒメツリガネゴケを用いた。ヒメツリガネゴケは，環境刺激によって幹細胞の運命転換を容易に誘導できるため，幹細胞運命転換機構の解明に適している。村田博士（神奈川工科大学）との共同研究のもと，硬い細胞壁と高い膨圧を有するヒメツリガネゴケ生細胞に量子ドットを導入するための低侵襲ガラスナノキャピラリー挿入技術を確立した。また，幹細胞運命転換を制御すると考えられる転写因子などの分子を蛍光タンパク質にて標識した遺伝子組換え株について，一部作出に成功し，その他の株も作出中である。
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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
本研究では，生体深部に導入した蛍光性量子ドットと蛍光タンパク質を選択的に励起し，量子ドットによる蛍光劣化情報を利用して蛍光タンパク質の劣化画像を改善することを目指している。量子ドッド開発では，低毒性，高感度，安定性，耐光性，近赤外発光特性を有する生体親和性に優れた800 nm蛍光発光中心の量子ドットを新たに開発することに成功した。また，量子ドットから蛍光散乱劣化情報を取得するために，共通光路型で１度の記録で３次元蛍光情報を取得できる蛍光ディジタルホログラフィー及びライトフィールド顕微イメージングシステムを構築した。高効率化を図り，蛍光散乱光の取得を実施する必要がある。以上の結果からおおむね順調であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
波長800 nm中心の蛍光を発する量子ドットを用いて植物細胞下で蛍光散乱光を取得する実験を実施する。高分解能画像再生に向けては，量子ドットからの散乱画像と細胞等の蛍光タンパク質の散乱画像及び位相分布を用いて深層学習や画像処理を利用する。今年度開発した共通光路型蛍光ディジタルホログラフィー及びライトフィールドイメージングシステムを改良し，植物細胞を用いた実験を実施する。量子ドットをナノインジェクションによってヒメツリガネゴケ生細胞に注入し，それを用いて散乱画像取得実験を実施する。これらの結果を元に計測系及び選択的照明方法の設計及び改良を行う。
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