レーザー粒子が組織画像を6倍鮮明にする

マサチューセッツ工科大学、ハーバード大学、マサチューセッツ総合病院の科学者等に寄って開発された新しいテクニックは、深部組織のセル構造と他の高密度物質や不透明材料に光を当てようとしています。彼らの手法は、材料内に埋め込まれた、レーザー光を発する微小な粒子を利用しています。

チームは、このレーザー粒子を、各々が人毛の幅よりはるかに小さい、微小な箸の形に合成しました。その粒子は、ソーラパネルにも使われていて、効率良く光を吸収して閉じ込める物質のヨウ化鉛ペロブスカイトから作られています。前記の研究者等が、粒子にレーザー光を照射すると、その粒子は、通常の散乱蛍光を発し輝きます。しかし、入射レーザー出力を所定の発振閾値に合わせると、粒子は即座にレーザー光を発します。

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6倍高解像度

Laser particles could provide sharper images of tissues

The researchers, led by MIT graduate student Sangyeon Cho, demonstrated they were able to stimulate the particles to emit laser light, creating images at a resolution six times higher than that of current fluorescence-based microscopes.

「MIT大学院生サンヨン・チョー氏率いる研究者達は、前述の粒子がレーザー光を発するように誘導できることを実証し、最新の蛍光ベースの顕微鏡の解像度よりも、6倍高解像度な画像を作り出しす事に成功しています。」

“That means that if a fluorescence microscope’s resolution is set at 2 micrometers, our technique can have 300-nanometer resolution — about a sixfold improvement over regular microscopes,” Cho says. “The idea is very simple but very powerful and can be useful in many different imaging applications.”

「”それは、もし蛍光顕微鏡の解像度が、2マイクロメートルに設定された場合、我々の手法が標準の顕微鏡に対し約6倍の性能向上に当たる、300ナノメートル解像度を持つことができることを意味しています、”と、チョー氏は言ってます。”その着想はとても単純ですが、とても効果的で、多種多様な撮像用途利用可能です。”」

暗闇の光

When you shine a flashlight in a darkened room, that light appears as a relatively diffuse, hazy beam of white light, representing a jumble of different wavelengths and colors. In stark contrast, laser light is a pointedly focused, monochromatic beam of light, of a specific frequency and color.

「暗い部屋で懐中電灯を照らすと、その光は、比較的、拡散したかすみがかった白色光で、雑多な波長と色を示しているように見えます。全く対照的に、レーザー光は、的を射るように収束した、一定周波数と色の単色ビーム光です。」

In conventional fluorescence microscopy, scientists may inject a sample of biological tissue with particles filled with fluorescent dyes. They then point a laser beam through a lens that directs the beam through the tissue, causing any fluorescent particles in its path to light up.

「一般的な蛍光顕微鏡では、科学者等は、蛍光染料で満たされた粒子を生物組織の試料に注入します。その後、彼らは、組織を通過するビームを導くレンズを通して、レーザー光を向け、光の経路にある全ての蛍光粒子を輝かせます。」

But these particles, like microscopic flashlights, produce a relatively indistinct, fuzzy glow. If such particles were to emit more focused, laser-like light, they might produce sharper images of deep tissues and cells. In recent years, researchers have developed laser-light-emitting particles, but Cho’s work is the first to apply these unique particles to imaging applications.

「しかし、こういった粒子は、微小な閃光のように、相対的に不明瞭でぼやけた輝きを作り出します。もしそういった粒子が、もっと集束した、レーザーのような光を発することができれば、それらは、深部組織と深部細胞のより鮮明な画層を生み出すかもしれません。ここ数年、研究者は、レーザー発光粒子を開発していますが、チョー氏の研究が、初めて、撮像用途にこのユニークな粒子を応用しています。」

箸レーザー

The team first synthesized tiny, 6-micron-long nanowires from lead iodide perovskite, a material that does a good job of trapping and concentrating fluorescent light. The particles’ rod-shaped geometry — which Cho describes as “chopstick-like” — can allow a specific wavelength of light to bounce back and forth along the particles’ length, generating a standing wave, or very regular, concentrated pattern of light, similar to a laser.

「チームは最初に、微小な6マイクロン長のナノワイヤを、蛍光のトラップと凝集をうまくこなす物質、ヨウ化鉛ペロブスカイトで合成しました。チョー氏が箸状と表現しているその粒子の棒状形状が、光の特定の波長を、その粒子の長さに沿って何度も往復させ、定在波、あるいは、レーザーに似た、非常に均一な光の集中パターンを生み出します。」

The researchers then built a simple optical setup, similar to conventional fluorescence microscopes, in which a laser beam is pumped from a light source, through a lens, and onto a sample platform containing the laser particles.

「研究者はその後、従来の蛍光顕微鏡に似た、レーザー光がレンズを通して光源からレーザー粒子を含む試料台の上に供給されている、簡素な光学装置を構築しました。」

For the most part, the researchers found that the particles emitted diffuse fluorescent light in response to the laser stimulation, similar to conventional fluorescent dyes, at low pump power. However, when they tuned the laser’s power to a certain threshold, the particles lit up considerably, emitting much more laser light.

「研究者は、当該粒子が、たいてい、低いポンプ出力で、従来の蛍光染料のように、レーザー刺激を受け、散乱蛍光を発することを発見しましたが、所定の閾値へレーザーの出力を調整すると、粒子が大量のレーザー光を発し、明るさが大幅に増しました。」

入射レーザーの出力次第で、レーザー粒子が放出する光が、蛍光にもレーザーにもなるというのは、確かに非常にクレバーなアイデアです。

レーザー粒子誘導放出顕微鏡法

Cho says that the new optical technique, which they have named LAser particle Stimulated Emission (LASE) microscopy, could be used to image a specific focal plane, or a particular layer of biological tissue. Theoretically, he says, scientists can shine a laser beam into a three-dimensional sample of tissue embedded throughout with laser particles, and use a lens to focus the beam at a specific depth. Only those particles in the beam’s focus will absorb enough light or energy to turn on as lasers themselves. All other particles upstream of the path’s beam should absorb less energy and only emit fluorescent light.

「チョー氏は、彼らが、レーザー粒子誘導放出(LASE)顕微鏡法と名付けているその新しい手法が、特定の焦点面、あるいは、特定の生物組織層を撮像するのに利用できるかもしれないと述べています。理論上は、彼が言うには、科学者は、レーザー光線を、レーザー粒子を至る所に埋め込んだ3次元組織サンプル中へ照射でき、特定の深さにその光線の焦点を合わせるためにレンズを使うことができるそうです。光線の焦点内の粒子だけが、自身をレーザーとして作動させるのに十分な光やエネルギーを吸収します。経路の光線の上流にある他の全ての粒子はより少ないエネルギーを吸収し、蛍光だけを発します。」

“We can collect all this stimulated emission and can distinguish laser from fluorescent light very easily using spectrometers,” Cho says. “We expect this will be very powerful when applied to biological tissue, where light normally scatters all around, and resolution is devastated. But if we use laser particles, they will be the narrow points that will emit laser light. So we can distinguish from the background and can achieve good resolution.”

「”この誘導放出を全て集め、分光計を使って簡単にレーザーと蛍光を区別できます”とチョー氏は言う。”我々は、これが、光が至る所に散乱して解像度が劣化する生物組織に適用された時に、威力を発揮するだろうと期待していますが、もし我々がレーザー粒子を使った場合、それらがレーザー光を発する細かい点になるので、背景のようなノイズと区別でき、良好な解像度を達成できます。”」

背景と試料を区別できて、さらに解像度が最新の蛍光顕微鏡より6倍上がれば、研究効率がかなり上がるでしょうし、検査の正確性も増します

To implement this technique in living tissue, Cho says laser particles would have to be biocompatible, which lead iodide perovskite materials are not. However, the team is currently investigating ways to manipulate cells themselves to glow like lasers.

“Our idea is, why not use the cell as an internal light source?” Cho says. “We’re starting to think about that problem.”

「この手法を生体組織で使用するために、チョー氏は、レーザー粒子が、ヨウ化鉛ペロブスカイト材料と違って、生体適合性がなければならないと言っています。そう言いながらも、チームは現在、細胞自身をレーザーのように光らせる方法を吟味しています。”我々の考えは、内部光源として何で細胞を使わないんですが?”とチョー氏は言っています。”我々はその問題について熟考し始めています。”」

ヨウ化鉛ペロブスカイトは、聞いただけで体に悪そうですが、こういった有毒材料を生体組織に埋め込みまくるのは無理があります。その一方で、体に有害な、放射性物質を注入する検査や治療も存在するし、大量の放射線を照射する検査や治療も存在します。それは置いておくとして、細胞自身がレーザーを発するようになるとか、そもそも可能なのか?という疑問が生じてきます。今後が大変そうな研究なように思えます。

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