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2022 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

Research Project

Project/Area Number 21H04663
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

的場 修  神戸大学, 次世代光散乱イメージング科学研究センター, 教授 (20282593)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 湯川 博  名古屋大学, 未来社会創造機構, 特任教授 (30634646)
玉田 洋介  宇都宮大学, 工学部, 准教授 (50579290)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2024-03-31
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
Outline of Annual Research Achievements

令和3年度から進めている偏光依存性のある偏光ディレクトフラットレンズおよ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について研究を進めた。直径10 umまたはそれ以下の蛍光ビーズを用いて同軸型ホログラムの記録に成功しているが,視野全体に均質なホログラムが得られておらず,再構成結果が十分でない。そのため,干渉性の高いレーザー光源を併用して課題解決に取り組んでいる。また,深部照明技術には高速2値位相変調型空間光変調素子を用い,高速3次元光スポットパターンを生成した。高速2値位相変調型空間光変調素子は最高速度5000フレーム毎秒で2048x2048画素の2値位相分布を表示可能である。100個のスポットを作成したときに,スポット強度分布のピーク強度値に対する標準偏差の大きさは15%程度に抑えられることが分かった。研究分担者の湯川は,令和3年度に作製した赤外光によって2光子励起され,バイオイメージングによく用いられる黄色や赤色蛍光タンパク質の蛍光とほぼ同じ波長域に発光中心を持つ量子ドットを用いて,量子ドット近傍にある蛍光タンパク質の劣化画像復元のための高輝度基準光源としての有用性を検証した。また,蛍光性量子ドットと蛍光タンパク質の2光子励起で用いる近赤外光と同じ波長で1光子励起に応答する2種類の量子ドットを作製した。さらに,的場と緊密に連携し,本量子ドットを用いて新規3次元蛍光イメージング技術を元に,深部集光のための高輝度基準光源としての有効性検証を開始できた。的場と玉田は引き続き,コケ植物ヒメツリガネゴケの生細胞に対してより効率的にガラスナノキャピラリーを挿入するための実験系を検討した。また,ヒメツリガネゴケにおける幹細胞運命転換の鍵因子の有力候補を同定した。深部イメージングの対象として,この因子の蛍光タンパク質標識株の作出に着手した。

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の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。バイオイメージングによく用いられる黄色や赤色蛍光タンパク質の蛍光とほぼ同じ波長域に発光中心を持つ量子ドットを開発し,量子ドット近傍にある蛍光タンパク質の劣化画像復元のための高輝度基準光源としての有用性を検証することに成功している。また,量子ドットから蛍光の散乱による劣化画像を取得するためのアプローチとして蛍光ディジタルホログラフィーとライトフィールドイメージングの研究も進展させている。さらに量子ドットと蛍光タンパク質を選択的に励起できる照明技術の開発も進めている。以上の結果からおおむね順調であると判断した。

Strategy for Future Research Activity

生体内部に親和性の高い量子ドットを導入する方法について検討する。ナノインジェクション技術などによるヒメツリガネゴケ生細胞への量子ドットの導入,および幹細胞運命転換の鍵因子候補を蛍光タンパク質にて標識した遺伝子組換え株の作出と観察に向けた研究を継続する。量子ドットをヒメツリガネゴケ生細胞に注入した後,その蛍光を用いた散乱画像取得実験を行う。生きた植物または動物細胞において量子ドットを選択的に励起し,散乱により劣化した蛍光画像を取得する。この劣化情報を用いて,照明技術と併せて周辺にある蛍光タンパク質を照明し,劣化した蛍光画像を取得する。この2つの劣化画像から蛍光タンパク質画像の回復を試みる。劣化蛍光画像としては,強度のみならず,振幅及び位相情報または,光線の伝搬方向を取得する。これら多次元的な計測により劣化画像の画像回復を改善することに取り組む。

  • Research Products

    (26 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 2 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 9 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] 補償光学を用いた植物生細胞の深部イメージング2023

    • Author(s)
      玉田洋介, 初見洲人, 三浦則明, 服部雅之
    • Journal Title

      Microoptics News

      Volume: 41 Pages: 11-16

  • [Journal Article] 「散乱・揺らぎ場の包括的理解と透視の科学」におけるコンピュテーショナルイメージングの活用2022

    • Author(s)
      的場修,全香玉
    • Journal Title

      OplusE

      Volume: 44 Pages: 124-128

  • [Journal Article] Holographic microscope and its biological application2022

    • Author(s)
      X. Quan, D. Kato, V. Daria, O. Matoba, H. Wake
    • Journal Title

      Neuroscience Research

      Volume: 179 Pages: 57-64

    • DOI

      10.1016/j.neures.2021.10.012

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quantitative Dynamic Evolution of Physiological Parameters of RBC by Highly Stable Digital Holographic Microscopy2022

    • Author(s)
      M. Kumar, Y. Awatsuji, O. Matoba
    • Journal Title

      Optics and Lasers in Engineering

      Volume: 151 Pages: 106887

    • DOI

      10.1016/j.optlaseng.2021.106887

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Micro/Nano-fluidic devices and in vivo fluorescence imaging based on quantum dots for cytologic diagnosis2022

    • Author(s)
      L. Minchuan , H. Yukawa, Y. Baba
    • Journal Title

      Lab on a Chip

      Volume: 22 Pages: 2223-2236

    • DOI

      10.1039/D2LC00113F

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fluorescent/magnetic nano-aggregation via electrostatic force between modified quantum dot and iron oxide nanoparticles for bimodal imaging of U87MG tumor cells.2022

    • Author(s)
      L. Minchuan , H. Yukawa, Y. Baba
    • Journal Title

      Analytical Sciences

      Volume: 38 Pages: 1141-1147

    • DOI

      10.1007/s44211-022-00153-z

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multifunctional Magnetic CuS/Gd2O3 Nanoparticles for Fluorescence/MR Bimodal Imaging-guided Photothermal-intensified Chemodynamic Synergetic Therapy of Targeted Tumors2022

    • Author(s)
      L. Minchuan, H. Yukawa, K. Sato, M. Tozawa, M. Tokunaga, T. Kameyama, T. Torimoto, Y. Baba
    • Journal Title

      ACS Appl. Mater. Interfaces

      Volume: 14 Pages: 34365-34376

    • DOI

      10.1021/acsami.2c06503

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] n vivo multimodal imaging of stem cells using nanohybrid particles incorporating quantum dots and magnetic nanoparticles2022

    • Author(s)
      S. Yamada, H. Yukawa, K. Yamada, Y. Murata, J. Jo, M. Yamamoto, A. Sugawara-Narutaki, Y. Tabata, Y. Baba
    • Journal Title

      Sensors

      Volume: 22 Pages: 5705

    • DOI

      10.3390/s22155705

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule2022

    • Author(s)
      M. Ishikawa, A. Fujiwara, K. Kosetsu, Y. Horiuchi, N. Kamamoto, N. Umakawa, Y. Tamada, 他20名
    • Journal Title

      Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

      Volume: 120 Pages: e2210632120

    • DOI

      10.1073/pnas.2210632120

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 強度輸送方程式に基づく蛍光3次元イメージングと位相回復法を組み合わせた散乱透視イメージング2023

    • Author(s)
      松田 汐利,正田 茉鈴,米田 成,全 香玉,的場 修,渡邉 歴
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • [Presentation] 生体ナノ量子センサによる最先端イメージング診断技術の創製と医学・薬学応用2023

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      第1回静電気学会研究会
    • Invited
  • [Presentation] ナノ量子センサによる最先端イメージング診断・治療技術の開発と散乱透視学への応用2023

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      散乱透視学・ジオラマ行動力学領域融合企画「ジオラマ透視学」
    • Invited
  • [Presentation] Improvement of Reconstructed Images in Light-field Microscopy with Deep Learning Data Acquisition2022

    • Author(s)
      R. Shinke, N. Nakatani, X. Quan, S. K. Rajput, O. Matoba
    • Organizer
      The first conference of sensing and imaging through scattering and fluctuating field in biology, telecommunication, and astronomy (SI-Thru2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Improvement of Multi-spot Generation in Holographic Two-photon Illumination for Live Cell Stimulation2022

    • Author(s)
      T. Noda, X. Quan, M. Morita, O. Matoba
    • Organizer
      The first conference of sensing and imaging through scattering and fluctuating field in biology, telecommunication, and astronomy (SI-Thru2022)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two-Step Phase-Shifting Motionless Optical Scanning Holography2022

    • Author(s)
      N.Yoneda, O. Matoba
    • Organizer
      3D Image Acquisition and Display: Technology, Perception and Applications 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Common-path Incoherent Digital Holography Using Polarizing Optical Elements2022

    • Author(s)
      M. Nishimura, X. Quan, O. Matoba
    • Organizer
      3D Image Acquisition and Display: Technology, Perception and Applications 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of Scattered Fluorescence Light by TIE-based 3D Fluorescence Imaging Technique2022

    • Author(s)
      M. Shoda, X. Quan, T. Murata, Y. Awatsuji, O. Matoba
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子ナノ光学に基づく最先端イメージング診断技術の創製と薬学・医学応用2022

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      第18回分子代謝医学セミナー
    • Invited
  • [Presentation] 幹細胞イメージングを可能にする量子ドット開発と再生医療2022

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      第78回日本顕微鏡学会学術集会 シンポジウムIS04
    • Invited
  • [Presentation] 量子ナノ光学に基づく最先端イメージング計測と医学・薬学応用2022

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      第3回名古屋大学イニシアティブウェビナー
    • Invited
  • [Presentation] 量子ナノ光学に基づく最先端イメージング診断技術の薬物動態領域への応用展開2022

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      第37回日本薬物動態学会シンポジウム
    • Invited
  • [Presentation] 量子ナノ光学に基づく最先端イメージング診断・治療薬の創製2022

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      2022年度岐阜大学公開講座
    • Invited
  • [Presentation] バンド端-欠陥型近赤外蛍光量子ドット開発による生体深部温度イメージング計測の実現2022

    • Author(s)
      湯川博
    • Organizer
      Biothermology Workshop 2022 温度生物学若手の会
    • Invited
  • [Presentation] 生きた植物細胞における光波の揺らぎと深部3次元イメージング2022

    • Author(s)
      玉田洋介
    • Organizer
      第31回日本バイオイメージング学会学術集会
    • Invited
  • [Presentation] 顕微鏡イメージング・細胞操作による植物の高い再生能力の解明2022

    • Author(s)
      玉田洋介, Nan Gu
    • Organizer
      宇都宮大学第3回コラボレーションフェア
  • [Remarks] 神戸大学大学院システム情報学研究科システム計測分野ホームページ

    • URL

      https://www.lab.kobe-u.ac.jp/csi-applied-optics/index.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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