東北大,細胞中の温度をラマンで計測

東北大学の研究グループは,細胞の中にある水を観測することで,細胞内の温度分布を無染色で可視化する測定法の開発に成功した(ニュースリリース)。

健康状態を知るために体温の計測を行なうように,生物の最小単位である細胞の「健康状態」などを知るために,細胞一つひとつの温度測定が必要な場合がある。しかし,従来の単一細胞の温度測定は,温度に応答する蛍光色素を細胞内にあらかじめ導入する必要があった。

研究グループは,細胞内にもともと存在する「水」に着目した。水は細胞内のほぼすべての領域で存在する。水分子の間で形成される水素結合の強さが温度に依存するため,水素結合の強さを測定できれば,細胞内のすべての領域の温度をラベルフリーで測定できると考えた。

細胞内の水分子の水素結合の測定について,研究ではラマン散乱を画像化するラマン顕微鏡を用いた。ラマン散乱の測定から分子の振動スペクトルを得ることができる。細胞内にある水分子のO-H伸縮振動のラマンバンドが水素結合によって変化するために,O-H伸縮振動バンドを解析することで細胞の中の水の温度が得られる。

水のラマンスペクトルから温度を測定するために,始めに細胞を培養する水溶液のO-H伸縮振動バンドの温度依存性を測定し,水のラマンバンドの変化の大きさが,温度に比例して直線的に変化することを観察した。この温度とラマンバンドの直線は,ラマンバンドから水溶液の温度を得る検量線として用いることができる。

単一生細胞についても,細胞のOH伸縮振動バンドの細胞内分布(ラマンイメージ)を様々な水溶液の温度にて測定し,ラマンバンドと温度との検量線を得た。細胞内の核と細胞質については,細胞質内にあるタンパク質のラマンバンドで判別した。この検量線を用いて細胞内の温度をラベルフリーで測定できる。

得られた核,細胞質の温度検量線を使って,薬剤の導入に伴う細胞内温度変化を測定した。細胞質の温度上昇を誘起する薬剤の添加前後で細胞のラマンイメージング測定を行ない,1.8℃の温度上昇を観測した。

この上昇値は蛍光色素を用いて得られた結果とも一致し,作成した温度検量線を用いることで細胞内温度をラベルフリーで測定することに成功した。さらに単一細胞の温度イメージの作成にも成功した。

これにより,がんなどの疾病のスクリーニングへの応用が期待されるほか,新薬や新たな疾病の治療手法への展開,様々な
生理現象の解明につながることが期待されるとしている。

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