細胞の中で脂肪の小さな粒が動くとき、平面の画像だけでは奥行き方向の移動を見落とします。一方、立体像を丁寧に撮る間に粒が動いてしまえば、動きの経過を追いにくくなります。東京大学の福島真人氏、戸田圭一郎氏、井手口拓郎氏らは、細胞を染色せずに化学的な特徴を読み取り、毎秒19.2回の立体像を取得する光学顕微鏡を報告しました。論文は2026年10月30日にNature Communicationsで公開されています。
簡単にまとめると？
- MIP-ODTは、中赤外光の吸収による小さな屈折率変化を可視光で読み、細胞内部の化学的な分布を立体的に再構成します。
- 11方向の観測と赤外光のオン・オフを高速に切り替え、約52ミリ秒で1つの立体像を取得。生きた細胞内の脂肪滴を3次元で追跡しました。
- 毎秒19.2立体像で動きを追う測定と、波数を変えて成分の手がかりを読む測定は別モードです。厚い組織やあらゆる分子を同じ速度で見られる段階ではありません。
分子が吸収した赤外光を、可視光で読む
この手法の正式名は「中赤外光熱光回折トモグラフィー」、略してMIP-ODTです。長い名前ですが、役割を分けると理解しやすくなります。中赤外光は分子の結合の振動に応じて吸収され、そのエネルギーが局所的な温度変化を生みます。温度がわずかに変わると、光の進み方を決める屈折率も変わります。光熱とは、この光の吸収と熱のつながりを指します。
研究チームは、その小さな変化を別の可視光で読み取ります。赤外光を当てたときと当てないときの光の波面を比べ、可視光を入射させる方向を変えて観測を繰り返す。各方向の情報を組み合わせることで、屈折率が変化した場所を3次元に再構成します。これが光回折トモグラフィーの部分です。赤外光は分子の特徴を選ぶ役、可視光は細かい空間構造を読み出す役を担います。
たとえば脂質に多いCH₂結合の振動に対応する2920 cm⁻¹の波数を選べば、脂質を多く含む構造を見やすくできます。蛍光色素で目印を付けなくても、分子自身の吸収を手がかりにできるためです。ただし、この波数だけで特定の脂質分子を一意に同定できるわけではありません。
52ミリ秒で立体像を作るための二つの改善
従来のMIPによる立体撮影では、弱い信号を補うために何度も平均したり、光の入射角を切り替えるのに時間がかかったりしていました。今回の装置は、1回の撮影で十分な信号を得るためのナノ秒パルス中赤外光源と、入射方向を高速に変える空間光変調器を組み合わせています。さらに、光源、変調器、カメラのタイミングをそろえ、微小な位相変化を乱す揺らぎを抑えました。
観測方向は11通り。赤外光を当てる場合と当てない場合の2組を、毎秒422.4フレームで取得するので、立体像の速度は422.4 ÷（2 × 11）＝毎秒19.2回、1回あたり約52ミリ秒になります。約400倍という高速化は、論文が比較する従来のMIPトモグラフィーに対する値です。顕微鏡一般が一律に400倍速くなったという意味ではありません。
速度には条件もあります。観測方向を増やせば立体像の再構成を詳しくできる一方、同じ撮影速度では1つの立体像に時間がかかります。今回の11方向は、細胞の全体的な形を保ちながら速度を上げるための選択です。速さと像の忠実さを、観察したい動きに合わせて選ぶ設計といえます。
脂肪滴の動きと、成分の分布は分けて測る
実証では、オレイン酸を与えて脂肪滴を増やした生きたCOS-7細胞を、約3.6秒にわたり撮影しました。脂肪滴の一例は横方向だけでなく奥行き方向にも動いており、各軸で約200〜300ナノメートルの移動が見られました。平面への投影では失われる動きを、x・y・zの軌跡として比較できる点に価値があります。単に明るい粒を追うのに加え、脂質に由来する振動の信号で追跡対象を絞れます。
もう一つのモードでは、中赤外光の波数を順に変えます。2800〜3100 cm⁻¹の範囲をおよそ1秒で測り、細胞内の場所ごとに吸収の違いを調べました。この分光測定の実証には固定した細胞を用いています。「生きた細胞の全成分を毎秒19.2回測った」とは読めません。1つの波数で動きを速く追うことと、複数の波数から成分の手がかりを得ることを区別する必要があります。
また、参照スペクトルとの比較で得た重みは、分子の絶対濃度や分子数の割合そのものではありません。形、位置、動き、化学的な特徴が一緒に見えることと、試料中の全分子を定量できることは別です。
今回の実証が届く範囲
測定は、厚さが数マイクロメートルから約10マイクロメートルの単一細胞の範囲です。厚い組織では水による中赤外光の吸収や可視光の散乱が増え、再構成に使う弱い散乱の近似も成り立ちにくくなります。細胞の結果を、そのまま生体深部の撮影性能へ広げることはできません。
動きの解析にも選別があります。追跡しやすい、互いに離れた脂肪滴を学習用データに使っているため、密集した場所の脂肪滴は十分に代表されない可能性があります。高速の生細胞撮影は同じ培養皿の異なる視野にある3細胞で行われ、粒子の追跡解析には50本の軌跡を用いています。細胞内の移動が一様ではないと調べられる手法ですが、あらゆる細胞や生理条件で同じ挙動を確認した研究ではありません。
装置を比較するときには、毎秒の画像枚数だけでなく、それが平面像か立体像か、単一波数か複数波数か、どの厚さと信号強度で得られた値かを見ると判断しやすくなります。今回の進展は、化学的な目印を残したまま、細胞内の短い時間の立体的な動きを測るところにあります。
出典
- Fukushima, M. et al. “Video-rate volumetric chemical imaging via mid-infrared photothermal optical diffraction tomography”, Nature Communications 17, 11075, 2026年10月30日。本文、図1〜4、Methods、利用条件を参照。
- 東京大学大学院理学系研究科・理学部の発表、2026年10月30日。同じ研究の発表であり、独立した追試ではありません。