生物組織におけるMINFLUX蛍光ナノスコピー

2024-12-28 Sat
MINFLUXナノ顕微鏡の生物組織への応用：蛍光顕微鏡の分解能限界を突破学術的背景蛍光顕微鏡は生物学研究において重要な役割を果たしていますが、その分解能は回折限界によって制約され、通常は約200ナノメートル程度に留まります。近年、超解像顕微鏡（super-resolution microscopy, SR）技術の発展により、この限界を突破し、ナノスケールで生物分子の分布を観察することが可能になりました。しかし、複雑な生物組織、特に厚いサンプルでは、光学収差や光の吸収・散乱などの問題が超解像顕微鏡の性能に深刻な影響を与えます。生理学的に関連する環境でナノスケールのタンパク質分布を可視化するために、研究者たちは新しいイメージング技術の探索を続けています。
MINFLUX（minimal photon fluxes）ナノ顕微鏡は、新たな光学イメージング技術であり、座標ターゲティングと座標ランダム超解像顕微鏡の利点を組み合わせ、極めて少ない光子フラックスでナノスケール分解能の蛍光イメージングを実現します。しかし、MINFLUX技術を厚い生物組織サンプル、特に脳組織切片に応用するには、多くの課題が残されています。本研究は、MINFLUX技術の生物組織におけるイメージング性能、特に深部組織でのナノスケール分解能イメージングを探求することを目的としています。
論文の出典本論文は、Thea Moosmayer、Kamila A. Kiszkaら研究者によって共同執筆され、研究チームはドイツのマックス・プランク多学科科学研究所（Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences）、ゲッティンゲン大学（University of Göttingen）などの機関に所属しています。論文は2024年12月20日に『米国科学アカデミー紀要』（PNAS）に掲載され、タイトルは「MINFLUX fluorescence nanoscopy in biological tissue」です。
研究の流れと結果1. 実験設計と装置の改良生物組織でのMINFLUXイメージングを実現するため、研究チームは既存のMINFLUX顕微鏡にいくつかの改良を加えました。まず、シリコンオイル浸漬対物レンズを採用し、屈折率のマッチングを向上させ、収差を低減しました。次に、深さに応じて調整可能なフォーカスロックシステムを開発し、異なる深さでサンプル位置を安定化させ、ナノスケールの精度で位置決めを行うことを可能にしました。さらに、研究チームはプログレッシブアクティベーションスキームを導入し、アクティベーションレーザーのパワーを段階的に増加させることで、蛍光分子の検出効率を向上させました。
2. 組織サンプルの調製とイメージング研究チームは、マウスの脳組織切片を実験サンプルとして使用し、厚さは50～300マイクロメートルの範囲でした。彼らは、皮質と海馬をイメージング領域として選択し、共焦点顕微鏡を使用して事前スキャンを行い、関心領域を特定しました。その後、MINFLUX顕微鏡を使用してこれらの領域をナノスケール分解能でイメージングしました。
3. MINFLUXイメージングの性能研究チームはまず、浅い組織深さ（0～80マイクロメートル）でCaveolin-1タンパク質をイメージングし、80マイクロメートルの深さでも5ナノメートル未満の位置決め精度を実現できることを示しました。深さが増すにつれて信号対雑音比（SBR）は低下しましたが、深い組織でもMINFLUXは高い位置決め精度を維持しました。
次に、研究チームはシナプス後タンパク質PSD95とアクチンをイメージングしました。その結果、MINFLUXは深い組織でこれらのタンパク質の分布を明確に識別でき、位置決め精度は10ナノメートル以内でした。さらに、研究チームは二色MINFLUXイメージングを実証し、PSD95とアクチンの分布を同時に観察し、シナプス構造のナノスケールの詳細をさらに明らかにしました。
4. 生体組織イメージングMINFLUXの生体組織でのイメージングの可能性を探るため、研究チームは急性脳組織切片をイメージングしました。その結果、MINFLUXは生体組織でも固定組織と同様のイメージング性能を示し、位置決め精度はやや低いものの、ナノスケールの範囲内に留まりました。これは、MINFLUX技術が将来的に生体組織のナノスケール分解能イメージングに使用できる可能性を示しています。
5. 三次元MINFLUXイメージング研究チームはまた、新しい三次元MINFLUXイメージングスキームを開発し、複雑な組織環境でナノスケールの三次元位置決めを実現しました。彼らは、通常の焦点とドーナツビームを組み合わせたイメージングモードを使用し、深い組織でも高い位置決め精度を達成しました。この技術により、研究チームはシナプス後タンパク質PSD95とAMPA受容体の三次元イメージングに成功し、これらのタンパク質がシナプス内でどのように空間的に分布しているかを明らかにしました。
結論と意義本研究は、MINFLUXナノ顕微鏡が厚い生物組織でナノスケール分解能のイメージングを実現できることを示しており、特に脳組織切片では10ナノメートル以内の位置決め精度を達成しました。この技術は、組織イメージングにおける従来の蛍光顕微鏡の分解能限界を突破し、生理学的に関連する環境でのタンパク質分布を研究するための新しいツールを提供します。
MINFLUX技術の応用は固定組織に限定されず、生体組織でのイメージングの可能性は、将来の神経科学研究に新たな方向性を開くものです。ナノスケール分解能のイメージングにより、研究者はシナプス構造と機能の分子メカニズム、特に学習や記憶などの神経プロセスにおけるタンパク質の動的変化をより深く理解することができます。
研究のハイライトナノスケール分解能：MINFLUX技術は、厚い生物組織で10ナノメートル未満の位置決め精度を実現し、従来の蛍光顕微鏡の分解能限界を突破しました。
深部イメージング：研究チームは80マイクロメートルの組織深さでも高いイメージング性能を維持し、深部組織のナノスケール分解能イメージングの可能性を示しました。
二色および三次元イメージング：MINFLUX技術は、複数のタンパク質の分布を同時に観察し、ナノスケールの三次元位置決めを実現し、複雑な生物構造を研究するための新たな視点を提供します。
生体組織イメージング：研究チームはMINFLUXの生体組織でのイメージングの可能性を示し、将来の神経科学研究のための新しいツールを提供しました。
今後の展望MINFLUX技術のさらなる発展により、研究者はより複雑な生物組織でナノスケール分解能のイメージングを行い、特に生体組織でのタンパク質の動的変化を観察することが可能になるでしょう。さらに、自動化されたイメージングスキームと組み合わせることで、MINFLUX技術は神経科学、細胞生物学などの分野でより大きな役割を果たし、生物分子の分布と機能をより深く理解するのに役立つことが期待されます。
本研究は、ナノスケール分解能の生物組織イメージングのための新しい技術手段を提供し、重要な科学的価値と応用の可能性を持っています。