画像診断から動画診断へ ～非線形ラマン散乱による超解像ライブ細胞診の開発～

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H02000
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 加納 英明 九州大学, 理学研究院, 教授 (70334240)
• 研究分担者: 野口 雅之 筑波大学, 医学医療系, 教授 (00198582) ; 猪子 誠人 愛知医科大学, 医学部, 講師 (30393127)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: ラマン / CARS / 非線形光学 / 生細胞

研究実績の概要

近年、穿刺吸引細胞診によって臨床的確定診断が行われる症例が増加しており、ガンの新しい確定診断法としての細胞診が益々注目を集めている。しかしながら、従来の細胞診では染色工程が必須であるため、死細胞の染色像という細胞の「スナップショット」による画像診断しか行えない。これに対して、患者から採取したばかりの細胞は新鮮な生細胞であるため、細胞を特徴付ける分子情報が全て揃っている。そこで本研究では、非線形光学過程、特に非線形ラマン散乱の一種であるコヒーレント・アンチストークス・ラマン散乱（coherent anti-Stokes Raman scattering; CARS）を基盤技術として用い、オルガネラを高い空間分解能でそのままライブで可視化する”動画診断”を可能とする、まったく新しい細胞診の開発を目的として研究を行った。研究期間内に、新規細胞診を実現するための顕微イメージング装置の開発を行った。近赤外域のコヒーレントラマン信号を効率よく取得するための高感度・低雑音・高速電荷読み出しが可能な新規CCDディテクタを導入することで、世界最速の超広帯域マルチプレックスCARS分光顕微鏡を立ち上げることができた。また、生細胞の活性を保ったまま顕微イメージングを行えるよう、装置の拡張・開発を行った。ハードの改良に加え、重水素置換プローブを組み合わせることで、代謝物の選択的可視化とそのタイムラプス測定を実現した。特に褐色脂肪細胞を対象とした研究では、細胞内不飽和脂質を一定に保つ働き（不飽和脂質ホメオスタシス）を持つことが示された。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Limoges University(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Limoges University
• [雑誌論文] Visualization of intracellular lipid metabolism in brown adipocytes by time-lapse ultra-multiplex CARS microspectroscopy with an onstage incubator (2021)
  • 著者名/発表者名: Takei Yuki、Hirai Rie、Fukuda Aya、Miyazaki Shinichi、Shimada Rintaro、Okamatsu-Ogura Yuko、Saito Masayuki、Leproux Philippe、Hisatake Koji、Kano Hideaki
  • 雑誌名: The Journal of Chemical Physics 巻: 155 ページ: 125102～125102
  • DOI: 10.1063/5.0063250
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Label‐free detection of polysulfides and glycogen of Cyanidium caldarium using ultra‐multiplex coherent anti‐Stokes Raman scattering microspectroscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Oka Yuki、Yoshida Masaki、Minoda Ayumi、Leproux Philippe、Watanabe Makoto M.、Kano Hideaki
  • 雑誌名: Journal of Raman Spectroscopy 巻: 52 ページ: 2572～2580
  • DOI: 10.1002/jrs.6142
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visualizing intra-medulla lipids in human hair using ultra-multiplex CARS, SHG, and THG microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneta Daiki、Goto Makiko、Hagihara Motofumi、Leproux Philippe、Couderc Vincent、Egawa Mariko、Kano Hideaki
  • 雑誌名: The Analyst 巻: 146 ページ: 1163～1168
  • DOI: 10.1039/D0AN01880E
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Visualization of water concentration distribution in human skin by ultra-multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaneta Daiki、Kimura Masahiro、Leproux Philippe、Couderc Vincent、Goto Makiko、Egawa Mariko、Kano Hideaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 042010～042010
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abee9f
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multimodal nonlinear optical imaging of Caenorhabditis elegans with multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering, third-harmonic generation, second-harmonic generation, and two-photon excitation fluorescence (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Shinichi、Leproux Philippe、Couderc Vincent、Hayashi Yu、Kano Hideaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 072002～072002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab9711
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Photo-induced meta-stable polar conformations in polystyrene microspheres revealed by time-resolved SHG microscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Makihara Kazuyuki、Kaneta Daiki、Iwamura Takumi、Sugita Atsushi、Leproux Philippe、Couderc Vincent、Kano Hideaki
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 13 ページ: 052003～052003
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ab84be
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Multiplex CARS microspectroscopy in the “long-pulse” regime: where are we now? (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Kano and Philippe Leproux
  • 学会等名: Photonics West BiOS - SPIE
  • 国際学会
• [学会発表] CARS分光学的イメージング ～生細胞の分子指紋を読む～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 加納英明
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 生細胞をそのまま見る～非線形ラマン散乱を用いた分子指紋イメージング～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 加納英明
  • 学会等名: 第95回日本薬理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrabroadband CARS spectroscopic imaging using a sub-1-MHz supercontinuum light source (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Kano
  • 学会等名: Σ-TECH DAYS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スーパーコンティニューム光を用いた生細胞・生体組織の非線形光学イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 加納英明
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 白色レーザーを用いた生細胞内代謝物のラベルフリー非線形光学イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 加納英明
  • 学会等名: 第94回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] CARSによる振動分光学的イメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 加納英明，岡祐貴, 吉田昌樹，渡邉信
  • 学会等名: Optics & Photonics Japan2020
  • 招待講演
• [学会発表] 非線形光学顕微鏡によるラベルフリーイメージング (2020)
  • 著者名/発表者名: 加納英明
  • 学会等名: Optics & Photonics Japan2020
  • 招待講演
• [学会発表] 非線形ラマン散乱で藻類を見る (2020)
  • 著者名/発表者名: 加納英明
  • 学会等名: 「超遅球生命体を解き明かすポストコッホ機能生態学」第1回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [備考] 加納研究室ウェブサイト
  • URL: http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/PhotoPhysChem
• [産業財産権] ラマン分光法による皮膚内部の水のイメージング方法 (2021)
  • 発明者名: 大江麻里子・新妻真紀子・加納英明・服部利明・金田大輝
  • 権利者名: 大江麻里子・新妻真紀子・加納英明・服部利明・金田大輝
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2021- 020179