生命のエネルギー産生を支える分子の分布と変化を、染色せず高速に捉えることに成功
理学研究院
平松光太郎教授／村上優介助教
ポイント
・細胞や組織内における分子の局在を可視化することは、生命現象や病気の仕組みを理解するうえで重要です。通常は蛍光標識や染色が用いられますが、細胞への影響や蛍光の退色により、長時間の観察が難しいという課題があります。
・コヒーレントラマンイメージング※1は、分子を染色不要で高速に可視化できる手法ですが、感度に限界があり、複数の分子が混在する生体内において低濃度分子の検出は困難でした。
・本研究では、高感度かつ複数分子を識別できるコヒーレントラマンイメージング法を開発しました。これにより、生細胞や生体組織に低濃度で存在し、エネルギー代謝を担うシトクロム※2の可視化に成功しました。本手法により、生体内のエネルギー代謝を支える生命現象や病気の仕組みを解明することが期待されます。
概要
九州大学大学院理学研究院の村上優介助教（研究当時：筑波大学グローバル教育院大学院生）、平松光太郎教授、桶谷亮介助教、大学院理学府の左神法秀氏、江嶋郁人氏（研究当時）らは筑波大学国際統合睡眠医科学研究機構 正木みのり氏（研究当時：筑波大学グローバル教育院大学院生）、柳沢正史教授、本城咲季子特任助教、慶應義塾大学理工学部 加納英明教授と共同で、電子共鳴による感度向上と広帯域なラマン計測を組み合わせ、低濃度分子を高速・高感度かつ高い識別能で可視化できるBER-CARS/CSRS（Broadband electronic-resonance coherent anti-Stokes/Stokes Raman scattering）顕微鏡を開発しました。
細胞や組織内で分子がどこに存在するかを可視化することは、生命現象や病気による変化を理解するために重要です。コヒーレントラマンイメージングは、細胞や組織を染色することなく、分子の分布を高速に観察できる技術です。しかし、従来法で観察できるのは主に高濃度で存在する分子に限られ、生体内の低濃度分子を捉えることは困難でした。
本研究では、分子が特定の波長の光を強く吸収する性質を利用することで、従来よりも大幅に検出感度が向上したBER-CARS/CSRS顕微鏡を開発しました。
その結果、光を吸収する分子を、通常より1000倍以上低い濃度でも検出できることを示しました。この高感度化により、ミトコンドリアに存在し、エネルギー代謝に関与するシトクロムを、生細胞およびマウスの脳や肝臓などの生体組織内で無標識に可視化することに成功しました。さらに、シトクロムに加えて核酸、脂質、タンパク質を同時に観察し、細胞死の進行に伴って、これらの分子の分布が変化する様子を追跡しました。
本成果は、細胞のエネルギー産生や状態変化を無標識で観察する新たな技術であり、がん、神経疾患、肝疾患などの病態解析や創薬研究への応用が期待されます。
本研究成果は、アメリカ科学振興協会（American Association for the Advancement of Science）のジャーナル「Science Advances」に、2026年8月1日（土）午前3時（日本時間）に掲載されました。
研究者からひとこと
私たちは、光を用いて生命現象や分子を可視化する技術を開発しています。本研究では、電子共鳴効果と広帯域技術を組み合わせ、従来は観察が難しかった低濃度分子の検出に成功しました。今後は、顕微鏡技術を発展させ、生命科学や医学の新たな発見につなげます。（村上 優介 助教）
用語解説
（※1） コヒーレントラマンイメージング
複数の光を試料に照射し、分子が持つ固有の振動を利用し、細胞や組織を染色せずに、その中に含まれる分子の種類や分布を画像化することができる手法です。
（※2） シトクロム
細胞内でエネルギーを生み出す反応に関わる、可視領域の光を吸収するタンパク質の一群です。エネルギー産生に加え、細胞死や薬物代謝などにも関与しています。シトクロムcやbなど、種類によって働く場所や役割が異なります。
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