細胞内３次元微細構造 観察のための 細胞把持・回転観察機構 名古屋工業大学 大学院工学研究科 機能工学専攻 教 授 松 本 健 郎 1 研究背景 細胞は生体組織を構成している最小単位 Microtubule Actin filament ・物質輸送のレール ・細胞内で圧縮 ・1.9 GPa*1 ・細胞の形を決定 ・細胞内で張力 ・1.3-2.5 GPa*1 Nucleus ・遺伝情報を格納 ・細胞を補強 ・~5 kPa (細胞質 0.5 kPa)*2 細胞小器官の位置関係 機械的特性 細胞の活動 *1Subra 空間的にどのように配置しているか 詳細に知ることが重要 Suresh, Biomechanics and biophysics of cancer cells, Acta Biomaterialia, 3, pp. 413-438, 2007. *2Nathalie Caille et al., Contribution of the nucleus to the mechanical properties of endothelial cells, Journal of Biomechanics, 35, pp. 177-187, 2002. 2 現状: 細胞内３次元微細構造の観察 厚み方向分解能(約0.5µm) < 焦点面内分解能(約0.2µm) 各断層画像の重ね合わせ Objective lens 共焦点レーザ顕微鏡 断層画像の撮影 3次元再構築 断層画像間の情報の欠落 鮮明な3次元再構築像が得られず 3 共焦点レーザ顕微鏡観察の例 QuickTimeý Dz TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ-Ç ÅB 平面像 再構築像 平面像 再構築像 ラット胸大動脈単離平滑筋細胞のアクチンフィラメント像 Digital Eclipse C1, Nikon (60x, NA1.40)使用, deconvolution 処理済 4 技術内容紹介：回転観察法 回転観察装置を 顕微鏡に設置 θ0 すべての方向において 分解能が等しい θ1 回転観察法 θ2 鮮明に3次元再構築が可能 Objective lens 顕微鏡の機能の向上 様々な方向から観察 5 従来の細胞把持･回転観察装置概要 ガラスピペットで細胞表面を吸引把持，顕微鏡下で回転．回転に伴う細胞 の位置ずれは，画像処理信号を元に３軸位置決め装置で修正． 顕微鏡・CCDカメラ 画像処理装置 Y Y X, 一定 回 転 X X, Z X X Z, 面積最小化 Z 細胞 ガラスピペット Z モータ ３軸位置決め装置 コンピュータ 6 従来の細胞把持・回転観察装置：側面 回転軸 ピペット先端 芯出し機構 ピペット ベルト &プーリ 支柱 x y z ピペット先端 位置決め機構(微動) ステッピング モータ 7 従来の細胞把持・回転観察装置：正面 X-Yステージ 位置調節 z y x −12ε Zステージ 位置調節 Lever レバー式 mechanisms 微動機構 ε ステンレス ピエゾ素子 8 従来のピペット芯出し機構 自動調芯滑り 軸受を使用， 回転軸の弾性 変形により， ピペット先端 を回転軸中心 に合せる 9 従来技術とその問題点 軸受のガタのためピペット先端が移動 ピペット先端の画像情報を利用して位置制御 ・回転軸方向に顕著に移動 ・暗視野での観察が困難 ・制御が不安定で回転時間に制約 ピペット芯出し機構の操作性が悪い ピペット先端を回転軸に厳密に合わせることが困難 細胞を同一位置に保つことが難しい リアルタイムの回転観察が困難 10 新技術の特徴・従来技術との比較 従来技術 の欠点 1. 軸受のガタのためX，Y方向に先端が移動 2. ピペット先端芯出し機構の操作性が悪い 3. 細胞把持操作時に細胞が脱落 新技術の 解決法 新技術の 特徴 1. 新たな軸受の導入 2. 新たな芯出し機構の導入 3. 新たな傾斜機構の導入 操作性の向上により 回転観察法の適用範囲を広げる 11 想定される用途 • 顕微鏡の機能向上 – 既存の顕微鏡に取り付け，リアルタイムの３次元 観察が可能 – 比較的安価に３次元観察が可能（試作費用100 万円弱）⇔共焦点顕微鏡は数1000万円 • 顕微鏡下のマニピュレーション – 顕微授精，核移植，細胞内手術 – 細胞のねじり試験装置 – 微細部品の形状チェック など 12 想定される業界 • 想定されるユーザー – 顕微鏡を使用する研究室・工場 – 細胞関係の研究室 – 顕微(人工)授精実施施設 • 想定される市場規模 – 使用施設数400、導入費用250万円と想定 →１０億円の市場規模 13 実用化に向けた課題 • 現在，回転時のピペット先端のブレを回転軸と 直交する方向に±0.5μm以下，回転軸方向 に±0.1μm以下にすることに成功． • しかし，作業の最初にピペット先端を回転軸中 心に合せる芯出し作業に熟練が必要 • 今後，ピペット芯出し機構に作業を容易にする ための更なる改良が必要（改良中） 14 企業への期待 • 当方との共同研究を通じ， • 使い勝手の向上と価格の低減を進め， • 細胞回転観察装置の製品化を目指し て頂ければ，と期待しております． 15 本技術に関する知的財産権 • • • • 発明の名称 ：細胞把持・回転観察装置 出願番号 ：特願2008-043987 出願人 ：名古屋工業大学 発明者 ：松本 健郎，大原 大典 長山 和亮 16 お問い合わせ先 名古屋工業大学 産学官連携センター 企画・管理部門 ＴＥＬ 052－735－5627 ＦＡＸ 052－735－5542 e-mail c-socc.all＠ml.nitech.ac.jp 17 松本研Webサイト http://bio.mech.nitech.ac.jp/top.html 18
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