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脊椎動物の全胚全細胞ライブ追跡と再構成による骨格形成多様性の解明

研究代表者 
齋藤卓
愛媛大学大学院医学系研究科
https://www.m.ehime-u.ac.jp/school/imaging/index.html

研究概要

これまで私は、バイオイメージング研究を顕微鏡開発から細胞・動物実験、数理解析までを組み合わせ複合的に進めてきた。顕微鏡に関して、我々はBesselビームと呼ばれるレーザーの照射範囲を伸長させたビームを用いることにより広視野性と解像度に優れた2光子励起デジタル走査ライトシート顕微鏡を構築してきた。これまでにこの顕微鏡を生きたメダカ全身での3次元蛍光画像計測に応用し、広視野化による生体光毒性低減によって数日間に渡ってのライブ計測が可能であること、ならびに,広視野高速の3次元タイムラプスイメージングが可能であることを示している。
本研究ではこれらの研究成果をもとに、さらに計測・解析技術を発展させ、生きたメダカ全胚での網羅的な細胞解析を行うことにより発生異常に関わる細胞多様性の解明に繋げる(図)。脊椎動物における網羅的蛍光細胞計測の困難性は、細胞数の多さとそれに伴う生体スケールに起因する。生体深部(~1mm)では散乱や屈折などの影響によって光は伝播しにくくなり、その結果解像度の低下や蛍光シグナル検出の困難が生じる。本研究では3次元的に均質な細胞・組織形態の計測を行うイメージングシステムを構築しこの問題を解決する。この目的のため具体的に以下の項目に取り組む。(1) 多視点3次元蛍光計測と光トモグラフィ法を組み合わせた顕微鏡を構築する。(2) この顕微鏡装置を用いて3次元的に均質な画像計測を行い、蛍光による細胞検出と光トモグラフィによる形態抽出を達成する。その後、発生期における骨格形成を観察対象とし細胞と形態の関係性を可視化する。(3) 3次元画像解析によって組織形態特徴を抽出し,細胞位置と組み合わせて統計解析することによって細胞情報の再構成を行う。(4) 再構成された細胞情報から個体間での器官形成における細胞構成多様性,さらに骨格形成異常を有するメダカ変異体の解析によって遺伝因子と細胞多様性の関連様式を明らかにする。

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参考文献

  1. *Takashi Saitou, Sota Takanezawa, Hiroko Ninomiya, Takao Watanabe, Shin Yamamoto, Yoichi Hiasa, Takeshi Imamura, Tissue Intrinsic Fluorescence Spectra-Based Digital Pathology of Liver Fibrosis by Marker-Controlled Segmentation, Frontiers in Medicine 5:350, 2018
  2. *Takashi Saitou, Hiroshi Kiyomatsu, Takeshi Imamura, Quantitative Morphometry for Osteochondral Tissues Using Second Harmonic Generation Microscopy and Image Texture Information, Scientific Reports 8:2826, 2018
  3. *Takeshi Imamura, Takashi Saitou, Ryosuke Kawakami, In vivo optical imaging of cancer cell function and tumor microenviroment, Cancer Science 109:912-918, 2018
  4. *Takashi Saitou, Takeshi Imamura, Quantitative imaging with Fucci and mathematics to uncover temporal dynamics of cell cycle progression, Development Growth and Differentiation, 58:6-15, 2016
  5. Shin Yamamoto, Yusuke Oshima, Takashi Saitou, Takao Watanabe, Teruki Miyake, Osamu Yoshida, Yoshio Tokumoto, Masanori Abe, Bunzo Matsuura, Yoichi Hiasa, *Takeshi Imamura, Quantitative imaging of fibrotic and morphological changes in liver of non-alcoholic steatohepatitis (NASH) model mice by second harmonic generation (SHG) and auto-fluorescence (AF) imaging using two-photon excitation microscopy (TPEM), Biochemistry and Biophysics Reports, 8:277-283, 2016
  6. Hiroshi Kiyomatsu, *Yusuke Oshima, Takashi Saitou, Tsuyoshi Miyazaki, Atsuhiko Hikita, Hiromasa Miura, *Tadahiro Iimura, Takeshi Imamura, Quantitative SHG imaging in osteoarthritis model mice, implying a diagnostic application, Biomedical Optics Express 6(2):405-420, 2015
  7. §Mayu Sugiyama, §Takashi Saitou, Hiroshi Kurokawa, Asako Sakaue-Sawano, *Takeshi Imamura, *Atsushi Miyawaki, *Tadahiro Iimura, (§ equal contribution), Live imaging-based model selection reveals periodic regulation of the stochastic G1/S phase transition in vertebrate axial development, PLoS Computational Biology 10(12):e1003957, 2014

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