金沢大学ナノ生命科学研究所（WPI-NanoLSI）／名古屋大学大学院工学研究科の高橋康史教授，WPI-NanoLSI の華山力成教授，福間剛士教授，および海外主任研究者（PI）で英国・インペリアル・カレッジ・ロンドンのユリ・コルチェフ教授らの共同研究グループは，生細胞表面の構造をナノスケールのレベルで可視化する技術を確立し，細胞外物質の取り込み過程や，細胞間コミュニケーションに関与するエクソソーム（※1）の可視化に成功しました。
ウィルスの細胞内への侵入や，細胞内外との物質のやり取りを観察するためには，現状の顕微鏡技術の空間分解能では不十分です。そのため，超解像度顕微鏡（※2）など高分解能化が進められていますが，依然として空間分解能に課題を抱えています。細胞を生きたまま直接可視化するライブセルイメージングは，細胞のダイナミックな動きを理解することのできる方法です。走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）（※3）は，細胞のナノ構造を侵襲することなく生きた状態でライブイメージングを行うことができます。しかしながら，SICM の解像度向上に不可欠なガラスナノピペット（※4）の微細化が困難なため，これまではその高度な技術を持つ限られた研究グループのみが超解像度のイメージングを達成してきました。本研究では，このような細胞表面のナノスケールの構造変化を再現性良く観察するため，キーとなる微細なガラスナノピペットの作製法を確立しました。さらに，高解像度 SICM により，細胞外の物質を取り込む過程の1つであるエンドサイトーシスを連続的に可視化することや，細胞外へ放出されるエクソソームの動きを捉えることに成功しました。
本研究成果は，2023 年 8 月 20 日付（米国東部時間）でアメリカ化学雑誌『Analytical Chemistry』のオンライン版に掲載されました。
【本研究のポイント】
- 生きた細胞のダイナミックな構造変化をナノスケールで可視化。
- イメージングの再現性を大幅に向上させるプローブ作製方法を確立。
- 細胞外物質の取り込み過程を可視化。
- 細胞が放出したエクソソームを直接可視化。
- 細胞間コミュニケーションの理解への貢献が期待。
図１：走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）の計測原理図
ナノピペットと試料の存在する溶液に配置した2本のAg/AgCl電極の間に一定の電圧を加え，その際に生じるイオン流に起因したイオン電流を利用して，ナノピペットと試料との距離を制御し，高さ情報を取得します。XY方向に走査しながらこの計測を行うことで，形状イメージを取得することができます。
【用語解説】
※1：エクソソーム
細胞から分泌される直径 50-150 ナノメートル（nm：10 億分の 1 メートル）の顆粒状の物質。その表面は細胞膜由来の脂質，タンパク質を含み，内部には核酸（マイクロ RNA，メッセンジャーRNA，DNA など）やタンパク質など細胞内の物質を含む。
※2：超解像度顕微鏡
蛍光分子の特徴を巧みに利用することで，回折限界を超えた高い空間分解能を達成する手法。時空間分解能はトレードオフであり，さまざまな手法が開発されている。
※3：走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）
ガラスナノピペットをプローブに用いて，溶液中でイオン電流をフィードバックシグナルとして利用し，ガラスナノピペットと試料との距離を制御しながら，試料表面の形状を計測する手法。
※4：ガラスナノピペット
ガラスキャピラリー（毛細管）を，専用の伸長装置を使って，加熱しながら引っ張ることで作製した尖った先端部にナノスケールの開口を有する中空のガラスピペット。
ジャーナル名：Analytical Chemistry
研究者情報：高橋 康史
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