細胞と音波のインタラクションの可視化とメカニズムの解明

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14J09091
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中川 桂一 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2014-04-25 – 2017-03-31
• キーワード: 衝撃波医療 / 高速度撮影 / メカノバイオロジー / 医療・福祉 / 低侵襲治療 / 超短パルス光 / イメージング / 波形整形

研究実績の概要

本年度は，申請者が開発した超高速イメージング技術「Sequentially Timed All-optical Mapping Photography (STAMP)」の発表と，STAMPの重要なコンポーネントであるSpatial Mapping Deviceに関して新しいデザインの装置の開発，衝撃波（音波）を用いた培養細胞への照射実験を行った．
本研究の目的は，細胞に対する音波の影響を調査するため，細胞内を伝播する衝撃波を可視化することである．しかしながら，これまでの技術では観察に適切な高速度撮影技術が存在しなかった．これに対し，従来の高速度カメラの速度を1000倍以上向上させる全光学的高速度カメラSTAMPを2014年夏に発表した．本技術はこれまでブラックボックス化されていた未知の現象を捉えることでプロセスの理解を深め，これまで断片化していた音波によるメカノバイオロジカルな知見を統合することに貢献し，将来的には音波による生体細胞・組織・器官の活性化や再生などの治療技術の確立に寄与することが期待される．
そのほか，夏に発表したSTAMPではSpatial Mapping Deviceにて申請者が開発したスペクトラルイメージング手法を用いていが，本要素技術に新しいアイデアを組み込み，従来技術より多くの撮影枚数を実現する手法を提案・開発した．この技術はSTAMPのみならず，広くスペクトラルイメージング技術として用いることができ，内視鏡診断，食品の検査，天体観測など，多くの分野で用いられることが期待される．また，培養細胞を用いた衝撃波照射実験においては，HUVECの細胞間接着の一時的剥離，およびPC12の突起伸長促進をin-vitro実験にて確認した．これらの技術はドラッグデリバリや神経障害の低侵襲的な治療などに貢献することが期待される．

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

目標とする細胞内衝撃波伝播の可視化を行い，現象を解析・理解するためには，原理実証でくみ上げた6枚の撮影を行うシステムでは性能が不足している．この撮影枚数を向上させるためには単に技術的な改善ではなく，手法の大幅な変更が必要であった．これに対し申請者は撮影枚数の向上が可能で，画質もさらに優れたものが取得できる新しいシステムを考案し，所属研究室の学生，東京大学天文学の研究チーム，理化学研究所の研究チームと共同で開発することに成功した．原理実証では白色光を用いたスペクトラルイメージングを行い，現在論文投稿準備中である．本手法をSTAMPに組み込むことで，当初の研究計画で挙げていた撮影枚数の大幅な向上を実現できる見込みである．

今後の研究の推進方策

目標としている撮影条件である1 Gfpsから10 Tfpsという広い時間領域にて，20枚程度の撮影を行う超高速撮影を実現するよう，今後もSTAMPの改良・開発を続けてゆく．

研究成果

• [雑誌論文] Localizing fluorophore (centroid) inside a scattering medium by depth perturbation (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Zhou, T. Ando, K. Nakagawa, H. Liao, E. Kobayashi and I. Sakuma
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Optics 巻: 20 ページ: 017003
  • DOI: 10.1117/1.JBO.20.1.017003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Design for sequentially timed all-optical mapping photography with optimum temporal performance (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tamamitsu, K. Nakagawa, R. Horisaki, A. Iwasaki, Y. Oishi, A. Tsukamoto, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 40 ページ: 633-636
  • DOI: 10.1364/OL.40.000633
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 超高速イメージング「STAMP」：１兆分の１秒の世界へ (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，佐久間一郎
  • 雑誌名: 自動車技術 巻: 69 ページ: 92-93
• [雑誌論文] Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP) (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nakagawa, A. Iwasaki, Y. Oishi, R. Horisaki, A. Tsukamoto, A. Nakamura, K. Hirosawa, H. Liao, T. Ushida, K. Goda, F. Kannari and I. Sakuma
  • 雑誌名: Nature Photonics 巻: 8 ページ: 695-700
  • DOI: 10.1038/nphoton.2014.163
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Motion Picture Femtophotography (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nakagawa, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • 雑誌名: OPTICS & PHOTONICS NEWS 巻: December ページ: 59
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] High-speed multispectral videography with a periscope array in a spectral shaper (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Hashimoto, H. Mizuno, K. Nakagawa, R. Horisaki, S. Iwasaki, F. Kannari, I. Sakuma and K. Goda
  • 雑誌名: Optics Letters 巻: 39 ページ: 6942-6945
  • DOI: 10.1364/OL.39.006942
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 1兆分の1秒以下の世界を捉える連写カメラ (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，合田圭介
  • 雑誌名: セラミックス 巻: 49 ページ: 12
• [学会発表] Sequentially timed all-optical mapping photography for sub-nanosecond single-shot imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Nakagawa
  • 学会等名: Asian International Symposium, The 95th CSJ (The Chemical Society of Japan) Annual Meeting
  • 発表場所: Chiba, Japan
  • 年月日: 2015-03-26 – 2015-03-29
  • 招待講演
• [学会発表] 超高速かつ非反復的な現象を捉えるSTAMP (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第26回先端光量子科学アライアンスシンポジウム
  • 発表場所: 神奈川，慶應義塾大学
  • 年月日: 2015-03-19
  • 招待講演
• [学会発表] STAMP法によるサブナノ秒シングルショット撮影 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，岩崎純史，大石裕，堀崎遼一，塚本哲，中村葵，廣澤賢一，廖洪恩，牛田多加志，合田圭介，神成文彦，佐久間一郎
  • 学会等名: 平成26年度衝撃波シンポジウム
  • 発表場所: 群馬，伊香保
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-11
• [学会発表] 光学変換による超高速撮影－１兆分の１秒の世界へ－ (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第134回微小光学会研究会
  • 発表場所: 東京，東京工業大学
  • 年月日: 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] １兆分の１秒を捉える時空間写像イメージング (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一
  • 学会等名: 第158回次世代画像入力ビジョンシステム部会定例会
  • 発表場所: 東京，東京理科大学
  • 年月日: 2014-11-17
  • 招待講演
• [学会発表] 時空間分散を用いた超高速シングルショットイメージング (2014)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，岩崎純史，大石裕，堀崎遼一，塚本哲，中村葵，廣澤賢一，廖洪恩，牛田多加志，合田圭介，神成文彦，佐久間一郎
  • 学会等名: 日本光学会年次学術講演会2014
  • 発表場所: 東京，筑波大学
  • 年月日: 2014-11-05 – 2014-11-07
  • 招待講演
• [図書] ブレインサイエンス・レビュー2015 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中川桂一，小林博文，于原駿，脇坂佳史，野沢泰佑，合田圭介
  • 総ページ数: 17
  • 出版者: ブレインサイエンス振興財団
• [備考] 中川 桂一 （NAKAGAWA Keiichi）
  • URL: https://sites.google.com/site/keinakagawa6/
• [備考] 世界最高速の連写カメラ ～ 1兆分の1秒以下の超高速で複雑な動的現象の可視化を実現 ～
  • URL: http://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/1364/
• [備考] World’s fastest burst-mode camera
  • URL: http://www.u-tokyo.ac.jp/en/utokyo-research/research-news/worlds-fastest-burst-mode-camera/
• [備考] 1兆分の1秒以下の世界をとらえる超高速カメラ
  • URL: https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/story/newsletter/46/4.html