広報活動

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2014年11月7日

独立行政法人理化学研究所
独立行政法人科学技術振興機構
国立大学法人東京大学

マウスを丸ごと透明化し1細胞解像度で観察する新技術

-血液色素成分を多く含む臓器なども脱色して全身を透明化-

マウス全身の透明化と個体丸ごとイメージングの図

マウス全身の透明化と個体丸ごとイメージング

哺乳動物などの不透明な生物の個体全身を1細胞レベルの解像度で観察することは、生物学や医学において大きな課題の1つでした。免疫疾患やがんなどでは、わずか1個の細胞の変化が、細胞ネットワークを通じて生命システム全体に重大な影響を与えることが知られています。個体全身を1細胞解像度で解析できれば、既存技術では検出が難しい病気の初期過程において、細胞ネットワークの中で何が起こっているのかを知る、有効なアプローチとなります。理研の研究者を中心とした共同研究グループはこれまでに、マウスの脳を透明化し1細胞解像度で3次元画像として取得する、全脳イメージング・解析技術「CUBIC」を開発しています。しかし、血液などの生体色素を多く含む心臓や肝臓などの臓器も脱色して全身を透明化するには、生体色素を除去する効果的な手法の開発が必要でした。

そこで、共同研究グループは、マウスの全身丸ごと透明化に取り組みました。CUBICで用いた透明化試薬を調べたところ、試薬に含まれるアミノアルコールが、血液中に含まれる生体色素「ヘム」を溶出し組織の脱色をうながすことを発見しました。さらに、特定の手順を踏むことで、マウスを丸ごと透明化できる新たな手法を開発しました。透明化試薬を希釈して全身に循環させた後、臓器であれば10日間、全身であれば2週間透明化試薬に浸すことで、“マウスの臓器・全身丸ごと”透明化が可能です。また、透明化した臓器や個体サンプルを「シート照明型蛍光顕微鏡」で観察すると、体内の解剖学的構造や遺伝子発現などの様子を、1細胞解像度の三次元イメージとして、わずか1時間程度で取得することができました。

新しい透明化手順を用いて、膵臓に散在する内分泌機能をもつ細胞群「ランゲルハンス島」の体積や個数を統計処理する手法も開発しました。健常マウスと糖尿病モデルマウスとの比較を行い、糖尿病モデルマウスではランゲルハンス島の数が減少し、体積の大きなランゲルハンス島ほど数が減っていることを確認し、三次元での病理解析に成功しました。一方、三次元イメージを解析することで、各臓器について解剖学的に重要な構造、例えば、心臓の心室や心房、肺の気管支樹、腎臓の皮質・髄質・腎盂(う)、肝臓の脈管構造など抽出し、可視化しました。さらに、CUBICと免疫染色法を組み合わせた「臓器丸ごと免疫染色法」を確立し、解剖学だけでなく、免疫組織化学的な解析に適用できることも示しました。

今回開発した技術は、個体レベルの生命現象とその動作原理を対象とする「個体レベルのシステム生物学」の実現に一歩近づくものです。全身の細胞の働きを1細胞解像度で網羅的に観察するこの技術は、生物学だけでなく医学分野にも貢献をもたらすと期待できます。

理化学研究所
生命システム研究センター 細胞デザインコア
コア長 上田 泰己 (うえだ ひろき)