新技術「時間決定型クライオ光学顕微鏡法」を開発~細胞を瞬時に“止めて”、じっくり観察 ~

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2025-08-24 大阪大学

大阪大学の藤田克昌教授らの研究グループは、光学顕微鏡観察中の細胞を任意のタイミングでミリ秒精度で凍結固定し、その瞬間の状態を高精度に観察できる新技術「時間決定型クライオ光学顕微鏡法」を開発した。従来の細胞動態観察では、露光時間を短くすると信号量が低下し定量性や分解能が損なわれる課題があった。本研究では、細胞試料を入れる独自の凍結チャンバーと、±10ミリ秒の精度で寒剤を滴下できる装置を開発。これによりカルシウムイオン波や小器官の動きを観察しながら瞬時に凍結固定し、その後に長時間露光や超解像・3次元顕微鏡で詳細観察することに成功した。凍結直前までの時空間情報を保持したまま「ある瞬間」の状態を高定量・高分解能で可視化でき、異なる計測法でも同一時点の細胞状態を解析可能となった。生命科学や医学研究の幅広い分野で応用が期待され、分子レベルでの生命機能理解にも貢献すると見込まれる。成果は国際誌「Light: Science & Applications」に掲載された。

新技術「時間決定型クライオ光学顕微鏡法」を開発~細胞を瞬時に“止めて”、じっくり観察 ~

図1. (上)本研究成果の技術のコンセプト。(下)蛍光顕微鏡で観察中のラット初代培養心筋細胞内を伝搬するCa²⁺波を急速凍結固定。細胞にはCa²⁺濃度が高くなると明るく光る蛍光性Ca²⁺指示薬を導入。細胞の左上から右下に流れるCa²⁺波が急速凍結により瞬時に停止し、凍結直前の細胞内Ca²⁺分布が保持されている様子が確認できる。

<関連情報>

時間決定論的クライオ光学顕微鏡 Time-deterministic cryo-optical microscopy

Kosuke Tsuji,Masahito Yamanaka,Yasuaki Kumamoto,Shoko Tamura,Wakana Miyamura,Toshiki Kubo,Kenta Mizushima,Kakeru Kono,Hanae Hirano,Momoko Shiozaki,Xiaowei Zhao,Heqi Xi,Kazunori Sugiura,Shun-ichi Fukushima,Takumi Kunimoto,Yoshino Tanabe,Kentaro Nishida,Kentaro Mochizuki,Yoshinori Harada,Nicholas I. Smith,Rainer Heintzmann,Zhiheng Yu,Meng C. Wang,Takeharu Nagai,… Katsumasa Fujita
Nature Science & Applications  Published:23 August 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41377-025-01941-8

Abstract

Fluorescence microscopy enables the visualization of cellular morphology, molecular distribution, ion distribution, and their dynamic behaviors during biological processes. Enhancing the signal-to-noise ratio (SNR) in fluorescence imaging improves the quantification accuracy and spatial resolution; however, achieving high SNR at fast image acquisition rates, which is often required to observe cellular dynamics, still remains a challenge. In this study, we developed a technique to rapidly freeze biological cells in milliseconds during optical microscopy observation. Compared to chemical fixation, rapid freezing provides rapid immobilization of samples while more effectively preserving the morphology and conditions of cells. This technique combines the advantages of both live-cell and cryofixation microscopy, i.e., temporal dynamics and high SNR snapshots of selected moments, and is demonstrated by fluorescence and Raman microscopy with high spatial resolution and quantification under low temperature conditions. Furthermore, we also demonstrated that intracellular calcium dynamics can be frozen rapidly and visualized using fluorescent ion indicators, suggesting that ion distribution and conformation of the probe molecules can be fixed both spatially and temporally. These results confirmed that our technique can time-deterministically suspend and visualize cellular dynamics while preserving molecular and ionic states, indicating the potential to provide detailed insights into sample dynamics with improved spatial resolution and temporal accuracy in observations.

生物工学一般
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