生きた細胞内の成分を三次元動画で捉える顕微鏡を開発――ビデオレート非標識三次元化学イメージングを実現――

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2026-11-02 東京大学,理化学研究所

東京大学と理化学研究所の研究グループは、生きた細胞内の物質を染色せずに、成分情報と三次元的な動きを同時に観察できる顕微鏡を開発した。中赤外光が分子振動に応じて吸収される性質と、その吸収によって生じる微小な屈折率変化を可視光で検出するフォトサーマル計測を組み合わせた。さらに、空間光変調器による照明方向の高速切り替えと高感度検出技術を導入し、従来の三次元中赤外フォトサーマル計測に比べ約400倍高速となる、毎秒19.2回の三次元画像取得を実現した。生きた細胞内の脂肪滴を約3.6秒間連続撮影し、奥行き方向を含む三次元軌跡や異常拡散などの運動特性を定量的に解析した。また、約1秒で20波数の三次元分光イメージングにも成功した。細胞内輸送、脂質代謝、分子集合体の形成・消失など、動的な生命現象の解明に役立つ新しい計測技術である。

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図1:ビデオレート三次元中赤外フォトサーマル顕微鏡の原理

<関連情報>

中赤外線光熱光学回折トモグラフィーによるビデオレート体積化学イメージング Video-rate volumetric chemical imaging via mid-infrared photothermal optical diffraction tomography

Masato Fukushima, Keiichiro Toda, Yusei Sugawara, Shotaro Kawano & Takuro Ideguchi
Nature Communications  Published:30 October 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-78699-z

Abstract

Label-free vibrational microscopy provides chemically specific access to cellular structures, yet quantitative volumetric imaging of intracellular dynamics remains challenging on subsecond timescales. Here, we demonstrate video-rate mid-infrared photothermal optical diffraction tomography (MIP-ODT) by combining high photothermal sensitivity with rapid angular scanning. The system achieves 19.2 volumes per second, nearly 400 times faster than previous MIP tomography implementations, with a signal-to-noise ratio exceeding 70 and no temporal averaging. We track lipid droplets in living cells and quantify anomalous diffusion from three-dimensional trajectories, revealing heterogeneous intracellular transport behaviors obscured in two-dimensional measurements. Rapid mid-infrared wavenumber sweeping further enables broadband multi-wavenumber volumetric chemical imaging across a 300 cm⁻¹ spectral window within 1 s. These results establish MIP-ODT as a platform for high-speed, label-free volumetric chemical imaging of single cells and quantitative investigation of dynamic intracellular organization.

生物工学一般
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