メカノバイオロジーを体積（ボリューム）へ拡張
細胞からオルガノイド、組織、または小型生物まで
メカノバイオロジーは、物理的な力や細胞・組織の機械的特性の変化が生物学にどのように影響するかを研究する学際的分野です。本分野では、細胞が機械刺激をどのように感知し、応答し、適応するのかを掘り下げて解明します。機械刺激は、流体の流れや圧力変化から、細胞を取り巻く環境の硬さまで多岐にわたります。メカノバイオロジーから得られる知見は、がんの進行や心血管疾患などの病態理解に不可欠であるとともに、機械的な手がかりを操作して細胞の挙動と機能を導くことで、再生医療や組織工学の発展にも寄与します。
ブリルアン顕微鏡は、細胞や組織を自然な状態のまま非侵襲的に機械的特性を測定できるため、メカノバイオロジーのツールボックスを大きく拡充します。この手法は、微小スケールで硬さや弾性を高精度に検出でき、細胞が機械環境にどのように応答するかについて重要な洞察を提供します。こうした能力は、細胞分化、遊走、器官形成といった重要プロセスに関与することの多い細胞挙動の物理的側面を探究するうえで不可欠です。これらの機械的相互作用の理解を深めることで、ブリルアン顕微鏡は健康と疾患における根底の機械的要因の解明を助け、新たな治療戦略につながる可能性があります。
ブリルアン顕微鏡は、既存のイメージングシステムに有用な新しいコントラストチャネルを追加することで、現代の顕微鏡技術を補完します。ラベルフリーであるため先端プラットフォームへの統合が容易で、蛍光顕微鏡や共焦点顕微鏡など他手法から得られる化学的・生物学的知見と機械データを相関させることが可能です。この統合により、マーカーや染色を用いることなく、高解像度の細胞画像上に機械マップを重ね合わせられ、さまざまな生物学的文脈における細胞ダイナミクスと相互作用をより包括的に把握できます。
再生するヒドラの力学特性測定
淡水性の小さなポリプであるHydra vulgaris（ヒドラ）は、わずかな組織片からでも全身を再生できます。この仕組みを探るため、私たちはヒドラおよびヒドラ・スフェロイドに対して、初めてブリルアン顕微鏡を用いました。これらの試料は透明で生きているため、本手法によりラベルや前処理なしで機械的特性をマッピングできます。
生細胞・高解像度
ブリルアン顕微鏡は、生きたラベルフリー試料において機械的コントラストを提供することで、確立されたイメージング手法に新たな次元を加えます。U2OS細胞を用いたこれらの例は、本手法が明視野および蛍光チャネルを補完し、細胞内の詳細を明らかにすることを示しています。
MCF-7がんオルガノイドの研究
ブリルアン顕微鏡は、3D環境における腫瘍バイオメカニクスを非侵襲的に解析できることで、がん研究を革新しています。単一細胞の分離を必要とする従来法とは異なり、本手法では生理学的に関連性の高い条件下で生きた腫瘍スフェロイドを研究できます。近年の研究では、ECMを模倣したハイドロゲル内のMCF-7乳がん細胞を対象に、その可能性が示されました。研究者らは、細胞周期の進行を追跡しながら、サブセルラー解像度で機械的特性をマッピングしました。これらの結果は、腫瘍細胞が微小環境の手がかりにどのように応答するかを明らかにし、精密医療および標的がん治療の開発に向けた重要な洞察を提供します。
ゼブラフィッシュ網膜
ゼブラフィッシュ幼生の発生過程にある眼の機械的特性を、三次元で探究します。本研究ではブリルアン顕微鏡を用いて、ゼブラフィッシュ幼生の発生中の眼の機械的特性を調べ、眼組織の弾性と粘性を測定します。脊椎動物の眼の発生におけるメカノバイオロジー的側面の理解に重要な、眼の複素縦弾性率に関する知見を提供します。
がんオルガノイド
ブリルアン顕微鏡を用いて、腫瘍スフェロイドの機械的特性が、3D微小環境の硬さおよび分解性によってどのように影響を受けるかを調べました。その結果、より硬い微小環境ではスフェロイドの硬さが増し、浸潤性が低下することが示され、がん進行における機械的コンテキストの重要性が浮き彫りになりました。
膀胱組織
ブリルアン顕微鏡を用いてマウス膀胱組織の機械的特性をマッピングし、健常状態と線維化状態の間に有意な差があることを明らかにしました。これは、従来の組織病理学的解析を補完する診断ツールとしてのブリルアン顕微鏡の可能性を示しています。
