UVプロジェクターを搭載した新型超解像構造化照明顕微鏡技術

ハルビン工業大学の教授が共同で開発した新しいタイプの超解像構造化照明顕微鏡技術は、生細胞イメージングに適しています。

11月16日、ハルビン工業大学計測器研究所の帰国留学生教授である李浩宇教授が参加した最新の論文がついに『ネイチャー・バイオテクノロジー』に掲載されました。彼は「私たちが世界に好奇心を持ち続ける限り、解像度の追求を止めることはありません」と述べました。

論文のタイトルは「スパース逆畳み込みが生細胞超解像蛍光顕微鏡の解像度を向上させる」です。ハルビン工業大学の李昊宇教授と北京大学の陳良毅教授が本論文の共同責任著者です。

この論文の発表は、李浩宇氏とその共同研究者たちが光学超解像顕微鏡技術の分野で画期的な成果を上げたことを意味します。低光毒性の条件下で、構造化光顕微鏡の解像度は110 nmから60 nmに向上し、生細胞の超高速かつ長時間の超解像イメージングを実現しました。

李昊宇は、光の超解像が物理的な回折限界を破ったと述べました。2014年のノーベル化学賞は、蛍光タンパク質を操作することで上記の物理的限界を克服した科学者たちに授与されました。

これまで、超解像イメージングを実現するための物理的および化学的手法は限界に達しており、より高い顕微鏡解像度の追求は大きな課題に直面しています。本研究は実際には一般化された数学的アルゴリズムのフレームワークであり、いくつかの一般的に使用される蛍光顕微鏡装置のイメージング解像度を2倍に向上させることができます。

ターンテーブル共焦点顕微鏡を例にとります。その市販機器の通常の解像度は約160 nmです。この成果により、約80 nmまで改善することができます。したがって、チームは最適化計算の観点から、これまで到達可能だったボトルネックの限界解像度を前進させました。

研究において、彼と彼のチームは光学回折限界を突破できる計算顕微鏡イメージング手法を提案しました。基本原理は、蛍光イメージングの順方向物理モデルと圧縮センシング理論の助けを借りて、スパース性と時空間連続性の二重制約を用いることで、一般的な画像解法を確立できるというものです。このフレームワークはスパースデコンボリューション技術を備えており、従来の光学超解像顕微鏡システムのハードウェア制限を突破し、空間・時間分解能およびスペクトルの拡張も可能にします。

この技術に基づき、李浩宇らは北京大学の陳良毅チームと共同で、超高速構造化照明超解像蛍光顕微鏡システム（Sparke SIM）を開発しました。本システムは超解像、高スループット、低毒性、非侵襲性などを特徴としています。高速イメージング時には、60ナノメートルの解像度を実現するだけでなく、生細胞の超長時間動的かつ高速イメージングを1時間以上にわたって行うことが可能です。

この成果のイメージング技術の助けを借りて、アクチンの動的ネットワーク、深部細胞内のリソソームや脂肪滴の高速な挙動、そして二色ミトコンドリアの内膜と外膜間の微細な動きも観察することができます。

要約すると、物理的および化学的手法に基づき、李浩宇（Li Haoyu）と彼のチームは、数学的計算の別の視点から光の回折限界を突破するための一般的なアルゴリズムモデルを初めて提案しました。これは単なるゼロからイチへの独創的な研究であるだけでなく、生細胞光学顕微鏡において最高の解像度、最長の撮像時間、最速の撮像速度を持つ超解像顕微鏡装置の開発にもつながっています。

驚くべきことに、この技術的枠組みは、ほとんどの現行蛍光顕微鏡イメージングシステムモードにも適用可能であることが証明されており、安定した空間分解能をほぼ2倍に向上させることができます。これにより、精密医療や新薬の研究開発のための次世代の生物医学超解像イメージング装置が提供され、将来的に疾患モデルの高精度な特性評価を大幅に加速することが可能となります。