第2、3の生体窓と高次非線形光学効果を駆使した深部超解像蛍光イメージング

• 研究課題/領域番号: 23K25178
• 補助金の研究課題番号: 22H03924 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分90110:生体医工学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山中 真仁 大阪大学, 大学院工学研究科, 特任准教授(常勤) (90648221)
• 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) ; 新岡 宏彦 九州大学, データ駆動イノベーション推進本部, 教授 (70552074)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2024年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2023年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円); 2022年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
• キーワード: 近赤外 / 蛍光 / 深部 / イメージング / 深部イメージング

研究開始時の研究の概要

生体内に移植された細胞などの生体内挙動や機能は未だ未知のものが多い。本研究では、第2、第3の生体窓と呼ばれる生体透過性の高い近赤外光、高次非線形な蛍光応答、およびAI技術を駆使することで、生体試料の内部を単一細胞レベルで可視化し、細胞の挙動を詳細に解析できる深部・近赤外・高空間分解能蛍光イメージング技術を開発する。本研究で開発した技術を医療技術の発展に資するイメージング技術へ発展させることを目指す

研究実績の概要

本研究では、生体深部を単一細胞レベルの高解像度で可視化するために、第２および第３の生体窓の波長を積極的に活用した蛍光イメージング技術の開発を目的としている。既製品のレーザー顕微鏡システムは、この波長帯の使用を想定しておらず、十分な透過率が得られないため、生体試料内部の微小信号を検出するのには適さない。そこで、本研究では、第２および第３の生体窓の波長において、高い透過率または反射率を有する光学素子、レンズ、対物レンズなどを用い、この波長帯でも十分な信号を検出できる自作の正立型のレーザー走査顕微鏡システムの開発を進めた。開発した顕微鏡システムを用い、蛍光プローブで標識した細胞の凝集体（スフェロイド）や組織試料越しに標識細胞を観察した結果、単一細胞レベル程度の空間分解能で観察対象を観察できることが確認できた。また、生体模擬試料を用いた実験において、観察する深度を深くしていった場合でも、空間分解能の劣化が抑制できていることが確認できている。これは、従来よりも波長が長いレーザー光を励起光源として利用したことが寄与していると考えられる。現在、また、近赤外光励起で使用できる各種蛍光プローブの検討、およびAI技術を用いた画像処理についての検討を進めた。AI技術を用いた画像処理については、開発した顕微鏡で得られた低信号対ノイズ比の画像において、様々なノイズ低減技術を検討し、信号対ノイズ比の向上に成功している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究実績の概要でも記載したとおり、これまでに開発を進めてきたレーザー走査型顕微鏡システム、検討を進めてきたAI技術による画像処理について当初の見込み通りの成果が得られ始めている。検討段階の内容や開発途中の内容もまだ多い状況ではあるが、確証が得られている内容について、論文にまとめ、現在、国際学術誌に投稿中である。以上の状況から、「(２)のおおむね順調に進呈している」と判断した。

今後の研究の推進方策

概ね順調に計画を進めているが、これまでの研究成果を詳細に確認し、検討した結果、今後計画している内容を実現するには、イメージング時の信号対ノイズ比のさらなる向上が必要になる可能性がある。今年度には、補償光学技術の導入など信号対ノイズ比を改善する方策を導入する予定であるが、それに加え蛍光プローブの励起方法の改善・変更、もしくは蛍光プローブの再選定も視野に入れる予定である。