東大,超高速共焦点蛍光顕微鏡を開発

東京大学の研究グループは,情報通信技術を応用することで生体の観察に不可欠な共焦点蛍光顕微鏡の撮像速度を桁違いに高速化する技術を開発し,毎秒16,000フレームの速度で生体試料を観察することに成功した(ニュースリリース)。

生物学・医学の分野では細胞や組織などの生体試料を観察する手段として共焦点蛍光顕微鏡は欠かせない。共焦点蛍光顕微鏡は複雑な生体試料の狙った部分だけを観察できたり,1ミクロン以下の微細な構造を観察できたりすることから,通常の顕微鏡よりも生体試料の観察に適している。しかし,従来の共焦点蛍光顕微鏡は,撮像速度が非常に遅く,多数の画像を短時間で取得したり,高速に変化する生体試料の様子を捉えたりすることは困難だった。

研究は情報通信技術に着目し,その原理を共焦点蛍光顕微鏡に応用することで,従来よりも桁違いに高速な生体試料の撮像をできるようにした。具体的には,周波数分割多重や直交振幅変調と呼ばれる技術を用いて,生体試料の別々の場所から出てくる蛍光信号をまとめて捉えることで,撮像時間を大幅に短くした。

これにより,1秒あたり16,000フレームというきわめて高速度で生体試料の観察像を取得することに成功した。従来の共焦点蛍光顕微鏡は1秒に数フレーム~数10フレーム程度の画像を取得するのが一般的なため,従来よりも1000倍程度高速であると言える。

この技術を応用して,水中を動きまわるユーグレナの3次元的な動きを,世界で初めて毎秒104コマという高速度で捉えることに成功した。さらに,細胞集団を整列させて流体中を高速に流す技術と組み合わせることで,約5000個という膨大な量の細胞の個々の画像を短時間で取得・解析し,別々の条件で準備された細胞試料(マウスの白血球)を,約99%の高精度で識別できることを実証した。

この技術により,従来の顕微鏡の撮像速度では時間がかかりすぎるために解析が難しかった膨大な量の細胞サンプルを精密に解析することが可能となる。このため,血液中の多数の細胞をひとつひとつ撮像してがん細胞の有無を調べることでがん診断を行なったり,ユーグレナなどの微小藻類を大量に培養した細胞集団の中からバイオ燃料に適した希少な種を探索したりするなど,さまざまな分野への応用が期待される。

また,従来は観察が難しかった生体の3次元構造の高速な変化など捉えることができるようになり,これまでの予想を覆す基礎科学の新たな発見につながることも期待されるとしている。

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