生きた細胞の中を染めずに三次元動画で撮る顕微鏡、東大と理研が開発

約400倍。細胞の中の成分を見分けながら立体で撮る速さが、これまでの同じ方式からそれだけ上がった。東京大学と理化学研究所（理研）が開発した顕微鏡で、生きた細胞の中を1秒間に19.2個の立体像として撮り続けられる。色素で細胞を染める必要もない。

発表は11月2日。研究したのは東京大学大学院の井手口拓郎教授らのグループで、井手口教授は理研のチームディレクターも兼ねる。論文は学術誌「Nature Communications」に載った。

染めずに、なぜ成分の違いがわかるのか。分子に含まれる化学結合は種類ごとに決まった振動をしていて、それに合った波長の中赤外光を吸収する。中赤外光は目に見えない赤外線の仲間だ。どの波長が吸われたかが、成分の手がかりになる。

ただ、この光をそのまま捉える一般的な赤外顕微鏡では、目に見える光を使う顕微鏡ほど細かく見分けられない。今回の「中赤外フォトサーマル顕微鏡」は読み取り方が違う。光を吸ったところはわずかに温まり、光の曲がり具合を表す屈折率が少し変わる。その変化を、波長の短い可視光で捉える。

11方向の光を約2.3ミリ秒ごとに切り替える

平面の画像なら、この方式でもすでに速く撮れていたが、立体は別だった。これまでの三次元の撮影は、立体像が1秒間に0.05個未満。1つに20秒より長くかかる計算で、細胞の中で短い時間に起きる動きは、立体のままでは追えなかった。

研究グループは、細胞に当てる可視光の向きを約2.3ミリ秒ごとに切り替え、11方向から撮るようにした。強い中赤外光のパルスを使うことで、1つの向きにつき1回撮るだけで、雑音に負けない信号が得られる。中赤外光を当てたときと当てないときの画像の差から、立体像を組み立てる。

こうして、1つの立体像にかかる時間は52ミリ秒まで縮んだ。生きた細胞でも、横方向で約0.35マイクロメートル、奥行き方向で約1.2マイクロメートルの空間分解能を保てた。空間分解能はどこまで近い2点を見分けられるかを表す値だ。1マイクロメートルは1ミリの1,000分の1にあたる。

中赤外光の波長を変えながら撮れば、場所ごとに中身がどう違うかもわかる。約1秒で20通りの波長の立体像がそろう。生きた細胞ではなく固定した細胞で試すと、脂肪滴と、核の中にある核小体とで、吸収の出方が違っていた。脂肪滴は中性脂肪などの脂質を細胞の中にためておく器官だ。

平面の画像では見落とす、奥への動き

生きた細胞で追ったのも、この脂肪滴だ。当てる光の波長を脂質に多いCH₂結合の振動に合わせると、脂質に富む脂肪滴が浮かび上がる。その様子を約3.6秒間、続けて立体で撮った。

解析すると、脂肪滴は「異常拡散」を示していた。ふつうの拡散より、動き回る範囲がゆっくりとしか広がらない動き方だ。動き方は向きや細胞内の場所によっても違っていた。奥行き方向の移動は平面の画像では見落とされるため、こうした違いは立体で撮らないと十分に評価できない。

発表が応用先に挙げるのは、脂肪滴ができて育ち、合わさる過程や、ほかの細胞小器官とのやりとりだ。タンパク質などの分子が寄り集まってできる液滴状の構造が、生まれ、合わさり、消えていく様子も入る。

細胞内の物質が「どこにあるか」だけでなく、「どのような成分が、三次元空間でどのように動くか」。発表は、そこまで染めずに調べられるようになったとする。粒の中身と行き先を、同じ立体の動画から読み取る研究は、これから広がりそうだ。