細胞を取り巻く「足場」の影響を取り除き、ラマン分光で細胞本来の化学情報を抽出~複雑なハイドロゲル足場上のシングルセル解析の高精度化を実現~

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2026-11-11 北海道大学,大阪大学

北海道大学と大阪大学などの国際共同研究グループは、細胞培養用ハイドロゲルなどの足場から発生する信号の影響を除去し、細胞本来の化学情報を高精度に抽出するラマン画像解析手法「ALIVA(Adaptive Local Intensity Variation Adjustment)」を開発した。ラマン顕微鏡は、染色や蛍光標識を使わずに生細胞の分子組成を分析できるが、培養足場自体のラマン信号や不均一性、レーザー照明むらが測定精度を低下させる問題があった。新手法では、地理学のトブラーの第一法則「近いものほど関連が強い」と機械学習のベイズ最適化を組み合わせ、細胞周辺の画像情報から足場由来の背景スペクトルを局所的に推定・除去する。SS18-SSX1融合遺伝子を導入したマウス細胞を用いた検証では、従来法より足場由来の信号や画像間のばらつきを低減し、細胞固有の生化学情報を抽出できることを確認した。本技術は、細胞を取り巻く材料環境が細胞の性質やがん幹細胞化に及ぼす影響の解明、再生医療や細胞培養材料の評価などへの応用が期待される。


図1.Adaptive Local Intensity Variation Adjustment(ALIVA)補正によるハイドロゲル上培養細胞のラマンスペクトルの解析。①⾜場環境のラマン信号の混⼊、照明ムラを反映したラマン画像。②Toblerの地理学における第⼀原理「「近いものほど互いに関連が強い」」とベイズ最適化に基づく局所環境補正の概念図。③ALIVAによる局所環境補正後のラマン画像。

<関連情報>

ベイズ最適化を用いた局所背景補正による足場環境下のシングルセル固有のラマン特性を抽出する Extracting Single-Cell Raman Signature in Scaffold Environments through Bayesian-Optimized Local Background Correction

Jean-Emmanuel Clément; Zannatul Ferdous § ; Khalifa Mohammad Helal; Masumi Tsuda; Yasuaki Kumamoto; Menglu Li; Thomas Bocklitz; Jian Ping Gong; Katsumasa Fujita; Shinya Tanaka; Tamiki Komatsuzaki
Analytical Chemistry  Published:November 06, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c03142

Abstract

Despite the fact that a hydrogel provides a scaffold on which cells experience elevation of stemness marker expression in cell culture, technologies for real-time, noninvasive monitoring of biochemical states in these 3-dimensional (3D) systems remain limited. Recent advances in high-speed Raman imaging enable label-free biomolecular mapping with high spatial resolution and chemical specificity; however, spectral interference from scaffold polymers often obscures cellular features and complicates data interpretation. Here, we introduce a Bayesian-optimized background subtraction method that employs spatially adaptive Gaussian kernels to minimize scaffold contamination that may have spatial inhomogeneities. Applied to Raman images of murine C2C12 cells infused with the synovial sarcoma fusion gene SS18–SSX1 cultured on scaffold hydrogel and quartz substrates, our method improved the overlap of cellular spectral signatures across substrates and reduced unwanted variation within substrates, as confirmed both in the principal component space and in the wavenumber space. Compared to conventional preprocessing techniques that consider only the spectral dimension in background correction, our method is shown to be more effective in suppressing substrate features in cell spectra. As a result, the random forest classification of cells between the types of scaffold was primarily driven by cellular information, whereas conventional methods led to decisions dominated by substrate information. This approach is expected to advance Raman imaging for hydrogel-based cell culture analysis, enabling more accurate metabolic profiling of single cells and may, after further validation, be extended to more complex biological systems such as organoids in complex in situ-like environments.

細胞遺伝子工学
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