生体試料を凍らせて分子を高感度観察できるクライオ-ラマン顕微鏡を開発

2024-12-12

2024-12-12 大阪大学,京都府立医科大学,理化学研究所,科学技術振興機構

ポイント

生体分子由来の微弱なラマン散乱光を高感度検出できるラマン顕微鏡を開発し、従来技術と比べて約8倍明るい細胞観察を達成。
これまでの生体試料のラマン観察では、ラマン散乱光の微弱さから、信号対雑音比、分解能、観察視野などが、試料の経時変化や光損傷により制限されてきた。
凍結中の細胞を無標識で分析することが可能となり、凍結細胞の状態や凍結条件の評価を行うことが可能になった。
試料内分子の空間分布や化学状態の高感度観察が要求される生物学、医学、薬学などの幅広い研究に役立ち、分光イメージング技術の進展にも貢献する成果が期待される。

大阪大学大学院工学研究科大学院生の水島健太さん(博士後期課程)、藤田克昌教授、山中真仁特任准教授(常勤)、同先導的学際研究機構熊本康昭准教授らの研究グループは、同免疫学フロンティア研究センターのNicholas Smith 准教授、京都府立医科大学の田中秀央特任教授、理化学研究所環境資源科学研究センターの袖岡幹子グループディレクターらと共に、生体試料を凍らせて分子を高感度観察できるラマン顕微鏡を開発することに成功しました。

従来の生体試料のラマン観察における信号対雑音比は、ラマン散乱光の微弱さから、レーザー光の照射による試料のダメージや、観察中の試料の動きにより制限されてきました。また、生体試料の動きを固定するために一般的に用いられる方法の多くは、試料の化学的な状態を変化させてしまうという課題もありました。

今回、本研究グループは、生体試料を急速に凍結し、試料を低温状態のままラマン観察することによりラマン観察の信号対雑音比を向上する、クライオ-ラマン顕微鏡を開発しました。この顕微鏡を用いると、試料中の分子の分布や化学状態を変性させることなく固定でき、また試料を低温下に置いて物理的に安定化させることで、レーザー光による試料のダメージを抑制し、高信号対雑音比、高分解能、広視野でのラマン観察を可能にします。

本研究では、開発した技術を用いて、凍結固定された細胞を長時間観察することに成功し、観察信号の増大、信号対雑音比の向上、実効的な空間分解能とスペクトル分解能の向上を確認しました。また、従来のラマン観察法では観察時間が1時間程度に限られていましたが、約10時間以上の長時間観察も行える安定な顕微鏡システムが構築できたことで、高い信号対雑音比と広い視野での細胞観察が可能となりました。

本研究成果は、米国科学誌「Science Advances」に、12月12日(木)(日本時間)に公開されます。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST(多細胞間での時空間的相互作用の理解を目指した定量的解析基盤の創出) 研究課題名「多細胞の包括的分子イメージング技術基盤の構築」研究(JPMJCR1925)、同共創の場形成支援プログラム(COI-NEXT) 「フォトニクス生命工学研究開発拠点」研究(JPMJPF2009)、同次世代研究者挑戦的研究プログラム(SPRING) 「学際融合を推進し社会実装を担う次世代挑戦的研究者育成プロジェクト」(JPMJSP2138)の一環として行われました。