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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

研究課題

研究課題/領域番号 21H04663
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分30:応用物理工学およびその関連分野
研究機関神戸大学

研究代表者

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)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
43,420千円 (直接経費: 33,400千円、間接経費: 10,020千円)
2023年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
2022年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円)
2021年度: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円)
キーワード生体深部イメージング / 量子ドット / 蛍光イメージング / 生体深部イメージンング
研究開始時の研究の概要

生体深部の高解像度イメージングを実現するため、複数波長に応答する量子ドットを生体深部に導入する技術と、導入した量子ドットに十分な光エネルギーを届ける深部集光操作技術、量子ドットからの信号を用いて蛍光タンパク質からの信号を高解像度画像に復元する画像再構成技術の3つの技術を開発する。これらを組み合わせ、組織深部に量子ドットを含有したコケ植物を作成し、幹細胞運命転換過程における分子動態を可視化する。

研究成果の概要

本研究では,生体内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,量子ドットの散乱点像分布関数の取得,共通光路型蛍光ディジタルホログラフィー,深層学習搭載ライトフィールド顕微イメージングシステム,強度輸送方程式蛍光光波測定系を構築し、有用な成果を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

蛍光性量子ドットを生体内部の輝点情報として散乱特性を計測する手法は学術的及び光学的に利用価値のある方法であると考える。特に無機材料であるため,明るい輝点情報が得られるため深部観察に有用な方法となる。本研究で開発した量子ドットは近赤外の波長域で蛍光を発するため散乱や吸収係数も比較的小さく,生体組織の自家蛍光の影響も少ない特徴がある。開発した照明方法では,量子ドット周辺の細胞の照明も期待できる。また,散乱で劣化した蛍光画像の回復も可能であり,有用な成果が得られている。

報告書

(5件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (52件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 2件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (32件) (うち国際学会 8件、 招待講演 17件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] 3D fluorescence imaging through scattering medium using transport of intensity equation and iterative phase retrieval2024

    • 著者名/発表者名
      Matsuda Shiori、Shoda Marin、Yoneda Naru、Kumar Manoj、Watanabe Wataru、Murata Takashi、Matoba Osamu
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 32 号: 6 ページ: 10599-10617

    • DOI

      10.1364/oe.510191

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In vivo real-time fluorescence imaging using quantum dots reveals the dynamics of transplanted stem cells in different inflammatory states of acute liver failure mice.2023

    • 著者名/発表者名
      Yamada S, *Yukawa H, Yoshizumi Y, Kitamura K, Mizumaki T, Oohara T, Nanizawa E, Hirano F, Sato K, Ishikawa T, Baba Y.
    • 雑誌名

      Cell Transplantation

      巻: 0 ページ: 1-11

    • DOI

      10.1177/09636897231176442

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Theranostics applications of quantum dots in regenerative medicine, cancer medicine, and infectious diseases2023

    • 著者名/発表者名
      *Yukawa H., Sato K., *Baba Y.
    • 雑誌名

      Advanced Drug Delivery Reviews

      巻: 0 ページ: 114863-114863

    • DOI

      10.1016/j.addr.2023.114863

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Resistive Pulse Sensing on a Capillary-Assisted Microfluidic Platform for On-Site Single-Particle Analyses2023

    • 著者名/発表者名
      Shimada Taisuke、Fujino Keiko、Yasui Takao、Kaji Noritada、Ueda Yasuyuki、Fujii Kentaro、Yukawa Hiroshi、Baba Yoshinobu
    • 雑誌名

      Analytical Chemistry

      巻: 95 号: 50 ページ: 18335-18343

    • DOI

      10.1021/acs.analchem.3c02539

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantitative phase imaging based on motionless optical scanning holography2023

    • 著者名/発表者名
      Yoneda Naru、Matoba Osamu、Saita Yusuke、Nomura Takanori
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 48 号: 20 ページ: 5273-5273

    • DOI

      10.1364/ol.496419

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spatially divided two-step phase-shifting method for computational optical scanning holography2023

    • 著者名/発表者名
      Yoneda Naru、Matoba Osamu
    • 雑誌名

      Journal of Optics

      巻: 25 号: 12 ページ: 124001-124001

    • DOI

      10.1088/2040-8986/ad0406

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 補償光学を用いた植物生細胞の深部イメージング2023

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介, 初見洲人, 三浦則明, 服部雅之
    • 雑誌名

      Microoptics News

      巻: 41 ページ: 11-16

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule2023

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa M, Fujiwara A, Kosetsu K, Horiuchi Y, Kamamoto N, Umakawa N, Tamada Y, Zhang L, Matsushita K, Palfalvi G, Nishiyama T, Kitasaki S, Masuda Y, Shiroza Y, Kitagawa M, Nakamura T, Cui H, Hiwatashi Y, Kabeya Y, Shigenobu S, Aoyama T, Kato K, Murata T, Fujimoto K, Benfey PN, Hasebe M, Kofuji R
    • 雑誌名

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

      巻: 120 号: 4

    • DOI

      10.1073/pnas.2210632120

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 「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

    • 著者名/発表者名
      的場修,全香玉
    • 雑誌名

      OplusE

      巻: 44 ページ: 124-128

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Quantitative dynamic evolution of physiological parameters of RBC by highly stable digital holographic microscopy2022

    • 著者名/発表者名
      Kumar Manoj、Matoba Osamu、Quan Xiangyu、Rajput Sudheesh K、Morita Mitsuhiro、Awatsuji Yasuhiro
    • 雑誌名

      Optics and Lasers in Engineering

      巻: 151 ページ: 106887-106887

    • DOI

      10.1016/j.optlaseng.2021.106887

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Micro-/nano-fluidic devices and in vivo fluorescence imaging based on quantum dots for cytologic diagnosis2022

    • 著者名/発表者名
      Minchuan L, *Yukawa H, Baba Y.
    • 雑誌名

      Lab on a Chip

      巻: 22 号: 12 ページ: 2223-2236

    • DOI

      10.1039/d2lc00113f

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fluorescent/magnetic nano-aggregation via electrostatic force between modified quantum dot and iron oxide nanoparticles for bimodal imaging of U87MG tumor cells.2022

    • 著者名/発表者名
      Minchuan L, *Yukawa H. *Baba Y.
    • 雑誌名

      Analytical Sciences

      巻: 38 号: 9 ページ: 1141-1147

    • DOI

      10.1007/s44211-022-00153-z

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Multifunctional Magnetic CuS/Gd2O3 Nanoparticles for Fluorescence/MR Bimodal Imaging-guided Photothermal-intensified Chemodynamic Synergetic Therapy of Targeted Tumors.2022

    • 著者名/発表者名
      Minchuan L, *Yukawa H, Sato K, Tozawa M, Tokunaga M, Kameyama T, Torimoto T, *Baba Y.
    • 雑誌名

      ACS Applied Materials & Interfaces

      巻: 14 号: 30 ページ: 34365-34376

    • DOI

      10.1021/acsami.2c06503

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] In vivo multimodal imaging of stem cells using nanohybrid particles incorporating quantum dots and magnetic nanoparticles.2022

    • 著者名/発表者名
      Yamada S, *Yukawa H, Yamada K, Murata Y, Jo J, Yamamoto M, Sugawara-Narutaki A, Tabata Y, Baba Y.
    • 雑誌名

      Sensors

      巻: 22 号: 15 ページ: 5705-5705

    • DOI

      10.3390/s22155705

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Holographic microscope and its biological application.2021

    • 著者名/発表者名
      Quan X, Kato D, Daria V, Matoba O, Wake H.
    • 雑誌名

      Neurosci Res

      巻: - ページ: 1-1

    • DOI

      10.1016/j.neures.2021.10.012

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 2D full-field displacement and vibration measurements of specularly reflecting surfaces by two-beam common-path digital holography2021

    • 著者名/発表者名
      Kumar Manoj、Matoba Osamu
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 46 号: 23 ページ: 5966-5966

    • DOI

      10.1364/ol.438860

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 画像相関型補償光学によるユニバーサル生体深部高解像イメージングへの挑戦2021

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介, 三浦則明, 初見洲人, 服部雅之
    • 雑誌名

      OPTRONICS

      巻: 40 ページ: 115-120

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Image Recovery of Fluorescent Beads by TIE-based Computational Imaging and Phase Retrieval2023

    • 著者名/発表者名
      Shiori Matsuda, Naru Yoneda, Manoj Kumar, Xiangyu Quan, Wataru Watanabe, Osamu Matoba
    • 学会等名
      Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC) 2023, BISC6-03
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      松田 汐利,正田 茉鈴,米田 成,全 香玉,的場 修,渡邉 歴
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第1回静電気学会研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      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」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Improvement of Reconstructed Images in Light-field Microscopy with Deep Learning Data Acquisition2022

    • 著者名/発表者名
      R. Shinke, N. Nakatani, X. Quan, S. K. Rajput, O. Matoba
    • 学会等名
      The first conference of sensing and imaging through scattering and fluctuating field in biology, telecommunication, and astronomy (SI-Thru2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of Multi-spot Generation in Holographic Two-photon Illumination for Live Cell Stimulation2022

    • 著者名/発表者名
      T. Noda, X. Quan, M. Morita, O. Matoba
    • 学会等名
      The first conference of sensing and imaging through scattering and fluctuating field in biology, telecommunication, and astronomy (SI-Thru2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Two-Step Phase-Shifting Motionless Optical Scanning Holography2022

    • 著者名/発表者名
      N.Yoneda, O. Matoba
    • 学会等名
      3D Image Acquisition and Display: Technology, Perception and Applications 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Common-path Incoherent Digital Holography Using Polarizing Optical Elements2022

    • 著者名/発表者名
      M. Nishimura, X. Quan, O. Matoba
    • 学会等名
      3D Image Acquisition and Display: Technology, Perception and Applications 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Measurement of Scattered Fluorescence Light by TIE-based 3D Fluorescence Imaging Technique2022

    • 著者名/発表者名
      M. Shoda, X. Quan, T. Murata, Y. Awatsuji, O. Matoba
    • 学会等名
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第18回分子代謝医学セミナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第78回日本顕微鏡学会学術集会 シンポジウムIS04
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第3回名古屋大学イニシアティブウェビナー
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第37回日本薬物動態学会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      2022年度岐阜大学公開講座
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      Biothermology Workshop 2022 温度生物学若手の会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介
    • 学会等名
      第31回日本バイオイメージング学会学術集会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介, Nan Gu
    • 学会等名
      宇都宮大学第3回コラボレーションフェア
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ヒメツリガネゴケにおける熱ショック応答を介した局所的遺伝子発現誘導に関する定量的解析2022

    • 著者名/発表者名
      友井拓実,吉田優佳,大江駿,坂本丞,玉田洋介,亀井保博
    • 学会等名
      第63回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 植物科学を切り拓く次世代バイオイメージング法創出への挑戦2022

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介
    • 学会等名
      宇都宮大学 理化学研究所 ジョイントシンポジウム “植物を「観る」から農作物を「みる」へ”
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 天文技術補償光学を用いた深部生細胞イメージング2022

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介
    • 学会等名
      強光子場科学研究懇談会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] In vivo fluorescence imaging of transplanted stem cells by quantum dots for regenerative medicine2021

    • 著者名/発表者名
      Hiroshi Yukawa
    • 学会等名
      7th Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC'21)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子ナノ光学に基づく最先端イメージング計測技術の構築と医学領域への展開2021

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第52回中部化学関係学協会支部連合秋季大会 特別討論会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子ナノマテリアルによる最先端イメージング計測と薬学・医学応用2021

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第43回日本バイオマテリアル学会大会・第8回アジアバイオマテリアル学会 (43JSB・8ABMC)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子ナノ光学に基づく最先端イメージング計測技術の構築と生物医学応用2021

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第42回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] エネルギー移動エンジニアリングによる量子ドットの生物医学応用の最前線2021

    • 著者名/発表者名
      湯川博
    • 学会等名
      第83回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Dynamic characteristics of living cells by computational TIE-based fluorescence imaging2021

    • 著者名/発表者名
      Manoj Kumar,Marin Shoda,Sudheesh K. Rajput,Xiangyu Quan,Takashi Murata,Yasuhiro Awatsuji, Osamu Matoba
    • 学会等名
      Optics and Photonics Japan 2021, 27aBJ9
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 深層学習を用いたライトフィールド顕微イメージングの画質向上2021

    • 著者名/発表者名
      新家 涼,Rajput Sudheesh,Kumar Manoj,全 香玉,的場 修
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第42回年次大会,X02-14a-X-04
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 深層学習を用いたTIE3次元蛍光像の改善2021

    • 著者名/発表者名
      大浦 秀喜,Sudheesh K. Rajput,Manoj Kumar,全 香玉,的場 修
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第42回年次大会,X02-14a-X-03
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Application of infrared laser to living cells for manipulation of gene expression and in vivo temperature measurement method2021

    • 著者名/発表者名
      Takumi Tomoi, Joe Sakamoto, Suguru Ohe, Yosuke Tamada, Yasuhiro Kamei
    • 学会等名
      7th Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC'21)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 天体観測に用いる補償光学を応用した深部生細胞イメージングと光細胞操作2021

    • 著者名/発表者名
      玉田洋介
    • 学会等名
      ユーグレナ研究会 第36回研究集会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 近赤外フェムト秒レーザーによる自然に生育した植物の切断2021

    • 著者名/発表者名
      飛田拓海,長谷川智士, 椎名謙介, 初見洲人, Nan Gu, 早崎芳夫, 玉田洋介
    • 学会等名
      Optics and Photonics Japan 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] コケ植物における赤外光を用いた局所的遺伝子誘導法の確立および幹細胞化誘導の試み2021

    • 著者名/発表者名
      吉田優佳,友井拓実,大江駿,坂本丞,亀井保博,玉田洋介
    • 学会等名
      Optics and Photonics Japan 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] システム計測研究室

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 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

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考]

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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