勾配野顕微鏡によるラベルフリーな疾病診断

テウ・キム、シャミラ・スリドハルン、ガブリエル・ポペスク

透明サンプルの透過率を利用する内因性コントラスト法によって、臨床病理学が変化していくことは周知の通りである。これらの方法は、蛍光染色のようなラベルを必要としない非侵襲な技術であり、生物学の標本サンプルを生きたまま研究したり、癌などの疾病を診断したりすることが可能になる。

非染色のライブセルや組織の薄い切片の観察（生体組織検査）は構造物が透明でコントラストが低いため、イメージングが非常に困難である。過去400年の間、半透明な標本の高コントラスト化という目標を掲げることで、光学顕微鏡は大きく発展してきた（1）。
　顕微鏡でコントラストを作り出す方法は2つに分けられる。外因性のものと内因性のもので、コントラストを発生させるためのアプローチに外部要因を必要とするかどうかで分けられる。外因性アプローチとしては、標準的な臨床病理学で使われる固定染色法や、細胞生物学で頻繁に使われる蛍光染色法などがある。内因性アプローチとしては、位相差顕微鏡や微分干渉（DIC：differential interference contrast）顕微鏡が含まれる（2）。内因性アプローチは、対象となる構造物へ吸収剤や排出剤を添付するというよりも、光と組織の間に起きる特定の干渉を利用している。そのため、内因性コントラスト法は細胞や組織を破壊しない状態で研究できるという利点がある。
　定量的位相イメージング（QPI：Quantita tive phase imaging）は、標本サンプルで視野の各位置において光がどの程度遅延するかを計測する内因性コントラスト法として注目されている（3）。ここでの光路長や位相情報は、標本サンプルの屈折率や厚みに関係しており、それゆえ新たな生物学、特に細胞の構造やダイナミクスの研究を可能にしている（4）～（6）。近年、米イリノイ大学（University of Illinois）の我々のグループは、QPI が臨床病理学に対して価値ある将来性を持っていることを発見した。それは、空間光干渉顕微鏡（SLIM：spatial light interference microscopy）を利用して、生体組織検査に関連する光学距離マップが癌診断に活用できるというものである（7）。
　SLIMはゼルニケの位相差顕微鏡とガボールのホモグラフィ顕微鏡を組み合わせて定量的な位相画像を描画するもので、空間的には0.3nm、一時的に0.03nmの光学距離の変化も検出できる（8）。我々は、40倍（開口数0.65）の対物レンズを用いて、病理学者が前立腺上皮内高度腫瘍形成（HGPIN：high-grade prostatic intraepithelial neoplasia）と診断した前立腺の生体組織検査の中心画像を得ることができた（図1）。

勾配野顕微鏡

注目すべきは、この顕微鏡において光路長の空間的揺らぎ（平均値ではない）が真の診断能力を秘めていることを発見した点である。言い換えると、癌と通常の組織の位相シフトの平均値はほぼ同じだが、空間的揺らぎの統計値（分散など）は全く異なるということだ。特に前立腺癌の統計値は、平坦な分散となる通常の組織と比べて不規則になったり、広く分散したりするという特徴があることを発見した。これらの結果は、癌診断への新たな、ラベルフリーな定量的アプローチの基礎となるのかもしれない。
　位相シフトの絶対値だけでなく相対的変化も組織診断に関連があるという事実は、光学的視野からも非常に重要である。必ずしも位相シフトを定量化させる必要はなく、代わりに位相マップの空間的差異を測定するという、新たな、より簡潔な方法を開発できることを示唆している。そのような方法のひとつが勾配野顕微鏡（ GFM：gradient field microscopy）と呼ばれる技術で、最近我々の定量的光イメージング研究室（Quantitative Light Imaging Labo ratory）で開発されたものである（9）。GFMによって、細胞や組織といった透明な標本サンプルの高コントラスト画像を得ることができる。GFMでは光学距離の空間的変化を、光が送る位相情報の一次微分係数と二次微分係数によって測定する。

（もっと読む場合は出典元へ）
出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2012/12/201210-11_0040pa.pdf