研究紹介
丸文学術賞 受賞者

小関 泰之

東京大学 大学院工学系研究科准教授

高速誘導ラマン分光イメージング法の開発と医学・生物学応用
パルスレーザー技術を駆使して生体の構造と働きを可視化する研究の背景ます。
しかし、ラマン散乱光は極めて微弱で調を施しておきます。
これらの光パルスを合あるため、ラマン顕微法によるイメージング波し、対物レンズで試料に集光します。ポン

医学・生物学において、生体の構造や働には数十分〜数時間程度の長時間を要プパルスとストークスパルスの光周波数差きを可視化することは極めて重要です。生し、その応用は限られていました。高速なラが分子の振動周波数と一致するとSRSが体可視化法には様々な方式がありますが、

マン顕微法として、2色の同期した光パル生じ、ポンプパルスの減衰とストークスパル

中でも、光学顕微法は、サブミクロンの空間スを用いるコヒーレント反ストークスラマンスの増幅が生じます。その結果、ストークス分解能を有し、生きたままの生体観察が可散乱（CARS）顕微法などが提案されていパルスの強度変調がポンプパルスに転写能であることから広く使われています。
しかましたが、不要なバックグラウンドやスペクトされます。
この転写された強度変調をロックし、生体はミクロなスケールではほぼ透明でル歪みが発生し、観察結果の解析が困難

イン検出することでSRS信号を得て、レーあるため、従来の光学顕微法では生体試であるなどの問題を抱えていました。

ザービームを走査することでイメージングを行います。

料に対して染色もしくは蛍光標識を施す必要があります。
このため、染色・標識の困難な生体分子からなる試料の観察は困難であり、また、生命活動に対する染色・標識の影響も無視できません。

高速誘導ラマン
分光イメージング法の開発とその応用

私は特に、SRS顕微法において高速かつ高感度な無標識イメージングを行う上で「 量子限界感度 」を達成することの重要性を指摘しました【1, 2】。つまり、SRS信号

近年、生体を無染色・無標識で観察する

私は、高速なラマン顕微法の実現手法

はレーザー強度のわずかな変化（0.1%以手法として、ラマン散乱を用いた光学顕微として、「 誘導ラマン散乱(SRS)」を活用す下）として検出されますが、レーザーの強度法の研究がなされてきました。ラマン散乱とることを、アメリカ・ドイツのグループと独立雑音や検出系の雑音を理論限界まで抑は分子振動を介した光散乱のひとつであに提案しました【1, 2】。SRS顕微法の原理えることで、SRSの高感度性が得られるとり、その光スペクトルを計測すると分子構造模式図を図1に示します。2色の同期したピいうことです。その後、独自のレーザー光に関する情報が得られます。
このことからラコ秒光パルス（ポンプパルス、ストークスパ源や光学系を開発し、SRS顕微法の可マン散乱は「分子の指紋」とも呼ばれていルス）を用い、一方のパルスのみに強度変能性を大きく広げてきました。そのひとつの【3】
到達点が「分光イメージングシステム」です。従来のSRS顕微法では、単一の分

図1 SRS顕微法の模式図

子振動周波数におけるSRS像しか得られませんが、開発した分光イメージングシステムでは、１秒間に30回画像を取得する高速SRSイメージングを行いつつ、フレーム毎にレーザーパルスの波長を変化させ、複数の分子振動周波数の情報を取得することができます。このキー技術が波長可変ピコ秒パルス光源【 4 】です。Ybファイバーレーザーにより発生する波長1 µm帯の超短光パルスが有する広帯域スペクトルのOB：対物レンズ
F：光フィルタ
PD：フォトダイオード

一部を光フィルタリングし、Yb添加光ファイバーで増幅することで、パルスを発生します。光フィルタはガルバノスキャナと4-f光学系、回折格子から構成される独自の丸文学術賞 受賞者光学系によるものであり、その透過波長をミリ秒程度で切り替えることができます。
この分光イメージングシステムの医学応用として、肝臓や小腸などの様々な観察実験を進め、図2に示すように、透明な生体組

図3 微細藻類ミドリムシのSRSイメージング【5】（a）ミドリムシが有する脂質、パラミロン（多糖類）、葉緑体、タンパクと核酸のSRSスペクトル（b）薬剤で固定したミドリムシのSRSイメージング。91波数におけるSRS像を3秒で取得し、4成分をスペクトル分離し、カラー合成した。
（ c ）生きて動くミドリムシのSRSイメージング結果。毎秒110フレーム、4波数で取得した。

織を染色することなく、数秒〜数十秒でカラー可視化できることを実証しました【3】。本
技術は、手術中の病理診断に対するSRS顕微法の高速イメージング性能の有効性を強く示唆する結果です。また、生物学応用として、生きて動くミドリムシ細胞に含まれる油脂や多糖類等の代謝物の可視化に成功しました【5】。近年、微細藻類を用いた物質生産が注目を集め、特に脂質や多糖類のバイオ燃料やバイオ医薬品への応用が期待されていますが、その生産効率の向上が課題とされています。細胞ごとの生産量には大きなばらつきがありますが、従来の解析手法では多数の細胞の平均的な生産量しかわかりません。本研究で実証した
細胞解析法は、生産効率の高い細胞を探る分野のバックグラウンドを持つ人々が、新今後の抱負

しい分野に飛び込むことは、新しい技術を本研究は、応用に特化したレーザー光源開拓し、社会を活性化する上で今後ますまを開発し、無標識生体イメージングの可能す重要になると考えます。
このような異分野また、レーザー光源の実用性向上にも性を大きく広げたものと自負しています。今融合を進めていく上では、失敗が許され、再取り組み、固体レーザーよりも小型・安定な後、光源のさらなる性能向上と実用性向上チャレンジが奨励され、その中から新しい技

ファイバーレーザー【6】や半導体レーザー【7】を進めつつ、本手法のキラーアプリを増やし術を生み出すダイナミズムが必要です。今を用いたパルス光源の積極的な導入を進ていくことが重要であり、その研究を継続し後も、そのような雰囲気作りを進めていきためてきました。近年、パルスレーザー技術のたいと考えています。
また、本研究の特徴のいと考えています。

索し、さらには創出していく上で大きな役割を果たすものと期待されます。

発展には目を見張るものがありますが、応ひとつは異分野融合にあると考えます。そ

用に特化したレーザー光源の開発はまだまもそも、私のバックグラウンドは電子工学やだ発展途上と感じています。今後も継続的光ファイバー通信ですが、バイオイメージン

本研究は、大阪大学 伊東一良教授（現に光源開発を続け、SRS顕微法の実用性グという異なる分野に飛び込み、分からない名誉教授）の研究室でスタートし、多くの共をさらに高めていきたいと考えています。

ことだらけの中でもがいたことが、幸いにも同研究者と学生のハードワークで進められ新しい技術の創出にたものです。全ての皆様に深く感謝いたし結びつきました。
また、ます。
また、本研究はJSTさきがけ、科学研

医学・生物学応用は、究費補助金、内閣府ImPACT、先端光量図2 SRSイメージングによる臓器切片の無染色可視化例【3】（a）ラット肝臓のカラー像。細胞核、細胞質、脂肪滴、繊維構造、血管構造等を無染色で可視化した。
（b）
ラット肝臓血管周辺の繊維構造の3次元像（c）
マウス小腸のカラー像。細胞質や核の3次元構造を可視化した。

謝辞

様々な分野の研究者

子科学アライアンスの支援を受けて実施さとの共同研究で進めれました。
この場をお借りして御礼申し上げられたものです。異なます。

References（参考文献 ）【1】嶽 文宏ら，Optics &Photonics Japan, 5pC12（2008）.
【2】Y. Ozeki et al., Opt. Express 17, 3651（2009）.
【3】Y. Ozeki et al., Nature Photon. 6, 845（2012）.
【4】Y. Ozeki et al., Opt. Lett. 37, 431（2012）.
【5】Y. Wakisaka et al., Nature Microbiology 1, 16124（2016）.
【6】K. Nose et al., Opt. Express 20, 13958（2012）.
【7】K. Tokunaga et al., Opt. Express 24, 9617（2016）.