神戸大ら,細胞を3D蛍光・位相イメージング

神戸大学,京都工芸繊維大学,宇都宮大学の研究グループは,蛍光タンパク質により細胞核を蛍光標識した植物細胞を用いて,ディジタルホログラフィーによる生細胞3次元シングルショット蛍光・位相イメージングを実証した(ニュースリリース)。

この研究では,物体からの光波の情報を干渉計測を用いて記録し,計算機による光伝搬計算で元の物体の3次元空間情報を再現するディジタルホログラフィーという技術を基に,物体の位相情報と蛍光情報を同時記録するマルチモーダルディジタルホログラフィック顕微鏡を構築した。

この光学系は2つの系から成る。このうちホログラフィック蛍光3次元イメージング系は,3次元蛍光情報を取得するために,微小な蛍光分子から発した蛍光を空間光変調素子を用いて2つの光波に分割し,それらの光を干渉させる。

この時,一方の光波に少し異なる曲率半径と伝搬方向を与えることで,物体光のもつ3次元情報を保存しつつ,2つの光波がほぼ同軸を進む共通光路型となり時間的に安定した干渉計測が行なえる。この研究ではこの光学系を定式化し,記録される干渉強度分布を初めて明らかにした。

この定式化により蛍光再生像を改善するための実験条件を求めることができる。このホログラフィック蛍光3次元イメージングの応用として生きた細胞や組織の同時3次元イメージングが挙げられる。生きた細胞における分子や構造を蛍光タンパク質により標識し,その動態を蛍光顕微鏡などにより観察することが可能となる。

この研究にて構築したシングルショット3次元蛍光観察技術により,これまではレーザースキャン(走査)により比較的長い時間がかかっていた3次元イメージングをシングルショット・スキャンレスで行なえるようになる。

もう一つは,この研究で導入したホログラフィック位相3次元イメージング系。生きた植物細胞には,細胞核,ミトコンドリア,葉緑体,細胞壁などが存在し,それらの構造を位相(光路長)の違いにより可視化することが可能となる。

この系では,マッハツェンダー型干渉計を採用することで,平面参照波を用いることができ,簡単でかつ測定物体に応じた最適な干渉縞を得ることができる。

これら蛍光と位相計測の2つを一体化し,ディジタルホログラフィック顕微鏡を構築し,生きた植物細胞の可視化に適用することに成功した。

この技術では,蛍光及び位相同時3次元計測を実現するシングルショットマルチモーダルディジタルホログラフィック顕微鏡を提案した。これにより定量位相と蛍光イメージングを同時に実現できるため,生きた細胞群や生体組織における生命現象の可視化に新しい基盤技術を提供するとしている。

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