レーザ顕微鏡はバイオの重要なツール

ライフサイエンスにおける光学顕微鏡の使用は、小さな生命体を垣間見るために最初にそれを使用したことで有名なオランダのビジネスマン、アントニ・ファン・レーウェンフックの時代にまでさかのぼります。それから約400年時代が進んでも、ライフサイエンスの全分野の科学者は、仕事の重要なツールとして依然として光学顕微鏡に依存しています。それは、とにかくかなりの長寿命と言えるでしょう。そしてもちろん、「微視的」という言葉は、小さなものを指すために広く受け入れられている用語です。

作動中の3D顕微鏡。Chameleon Discoveryレーザからの2つの波長を使用して、いくつかの細胞成分が異なる色として視覚化されるマウス頸動脈。メイン画像は頸動脈の「正面」を示しており、右側の垂直スライスは動脈壁の直交図です。

顕微鏡による生命のマッピング

なぜ、光学顕微鏡は依然としてそれほど重要な役割を担っているのでしょうか。そして、それはレーザと何の関係があるのでしょうか。顕微鏡は、小さなものの構造を画像化するための最も簡単な道具です。しかし、同様に重要なのは、それらの構造が何でできているかを知ることができる唯一の機器になるように進化したことです。科学者は、サンプルと相互作用する光の色（波長）を操作および測定することにより、あらゆる種類の異なる生化学物質のマップを作成できます。また、単一細胞のアメーバから樹木、象に至るまで、すべての生物は複雑な生化学反応に基づいているため、これは非常に便利な機能です。

この化学的マッピングは、以前はかなり粗雑なものでした。100年前には、植物や動物の死んだ（「固定された」）サンプルは、染みと呼ばれる着色染料で化学的に処理されていました。染料は、サンプル内のすべての脂肪、またはおそらくすべてのタンパク質に付着する可能性があります。次に、観察者は、サンプルのどのビットがこの染料によって着色され、どのビットが着色されなかったかを確認できました。

今日の科学者は無数の染料から選択することができるようになり、その研究ははるかに洗練されています。これらのほとんどは、しばしばフルオロフォアまたは蛍光色素と呼ばれる蛍光化学物質です。（蛍光材料は、ある波長の光を吸収し、別のより長い波長の光を再放射します。） 一部のフルオロフォアは、ボトルから出てくる単なる化学物質ですが、多くの場合、植物または動物が直接生成するように遺伝子組み換えされた蛍光タンパク質です。

レーザは究極の顕微鏡光源

ではレーザはどうでしょうか。私たちは今そこにいます。いくつかの理由から、レーザは蛍光顕微鏡検査を行うための究極の光源であることがわかりました。科学者は、顕微鏡を使用してこれまで以上に詳細を確認したいと考えています。これを空間解像度、または単に解像度と呼びます。科学者はまた、死んだ薄いスライスだけでなく、実際の3次元のものを見たいと思っています。また、顕微鏡を使用して、リアルタイムで起こっている生きたバイオを観察したいと考えています。レーザは、そのすべてのロックを解除する光源であることが判明しました。

レーザは、蛍光顕微鏡にいくつかの大きな利点をもたらします。まず、レーザは1つの波長のみで光を放射します。また、光励起半導体レーザ（OPSL）テクノロジーのおかげもあり、この波長は特定のフルオロフォアの吸収に合わせて選択できます。次に、顕微鏡カメラの前にあるガラスフィルターが、サンプルによって散乱されたレーザ光（つまり、グレア）を遮断し、蛍光のみが選択的に画像化されるようにします。これで、ランプまたはフィルター付きLEDを使用して単一波長帯域を取得できます。しかし、レーザ出力ビームは、ランプやLEDからの光よりもはるかに小さなスポットに焦点を合わせることができます。これは、共焦点レーザ走査型顕微鏡（CLSM）の鍵であり、焦点の合ったバックグラウンド蛍光による3D画像を提供します。これはCLSMでなければ、おそらく不可能でしょう。

レーザは、ランプやLEDよりもはるかに高い強度を提供することもできます。そのため、かすかな蛍光でも高速に画像化できます。さらに、レーザの高強度と調整可能な強度は、数ナノメートルまでの解像度の画像を生成する最新の超高解像テクノロジー（PALM、STORMなど）を実現するための鍵となります。そして、それは2014年にノーベル賞の受賞として結実しました。なぜなら、40年前までは、回折の厳しい限界、つまり約250ナノメートルを超えて可視顕微鏡を撮ることはできないと考えられていたからです。

ライブの画像を

ライフサイエンスの多くの分野、特に神経科学では、研究者は解像度と同じくらいの深さのイメージングを望んでいます。研究者は、組織の奥深く、さらに生物全体の奥深くでさえ鮮明な画像を取得したいと考えています。そして、生きている組織でこれを可能にしたいと考えています。しかし、共焦点および超解像法は固定サンプルには最適ですが、生きた標本では通常過度の光損傷を引き起こします。幸いなことに、マルチフォトン顕微鏡と呼ばれる技術は、ウルトラファーストレーザによってこの課題に対処できます。（さらにもう一つのノーベル賞！）。実際、これはウルトラファーストレーザにとって非常に重要な用途であるため、Coherentは、マルチフォトン顕微鏡専用に調整されたChameleonウルトラファーストレーザのファミリーを製造しています。

将来を見据えて、科学者たちはマルチフォトン顕微鏡法に基づいた、リアルタイム生検などの医療用途向けのツールを開発しています。多光子法の中には、色素や蛍光タンパク質さえまったく必要としないものもあるため、これが可能です。これらを総称してラベルフリーイメージングと呼びます。

つまり、バイオにおけるレーザ顕微鏡の大きな影響を垣間見ることができます。ファン・レーウェンフックが私たちの存在を知れば、おそらく非常に驚いて感動したと思います。