高速連続電子顕微鏡画像取得による生物組織の3次元微細構造解析

生理学研究所・客員教授大野　伸彦

研究キーワード

ミクロトーム組み込み式走査型電子顕微鏡 , 連続電顕画像 , 構造抽出 , 3次元再構築

研究概要

本研究では樹脂に包埋された生物試料をミクロトーム組み込み型走査型電子顕微鏡 (SBF-SEM)の内部で切削しながら表面を観察することにより、数十マイクロメートルにおよぶ範囲から高速に連続電子顕微鏡画像を取得します。得られた連続電子顕微鏡画像から任意の構造をセグメンテーションし、3次元再構築することで、試料内部の様々な3次元微細構造を可視化します。そして、細胞突起などの複雑な構造の追跡や体積・表面積といった立体的なパラメーターの解析を可能にします。この研究では、固定済みの生物試料に特殊なブロック染色を行った後、樹脂に包埋して観察を行います。得られるデータの質の向上のため、包埋に特殊な導電性樹脂を使用する場合があります。
これまでにヒトを含む哺乳動物の脳や腎臓などの様々な臓器や、ウニやホヤなどの無脊椎動物からデータを取得し、細胞体、ミトコンドリア、核などの様々な3次元構造を計測し、多くの成果をあげてきました。
得られた膨大なデータの解析に多くのマンパワーを要することが多く、機械学習を使った効率的なデータ解析法の応用により、さらなるスループットの向上を目指しています。

想定される応用先・連携先

遺伝的背景、環境因子、薬剤処理など、異なる条件下における組織・細胞の構造的変化を正確に捉える上で有用です。したがって、薬剤開発、健康機器開発などに利用できると考えられます。

アピールポイント

従来の電子顕微鏡レベルの微細形態解析では薄い切片を観察したり、表面構造のみを観察したりすることがほとんどで、広い領域の3次元構造を観察することは技術的に困難でした。本研究手法は3次元微細構造解析の上でのブレークスルーとも言える技術です。また、高速に連続電顕画像を取得する類似の技術も徐々に普及してきていますが、独自に開発した導電性樹脂を応用する本研究手法は、多くのサンプルの比較的広い範囲からデータを取得する上で有効な手法として、確立されています。

論文情報

Nguyen HB, Thai TQ, Saitoh S, Wu B, Saitoh Y, Shimo S, Fujitani H, Otobe H, Ohno N. Conductive resins improve charging and resolution of acquired images in electron microscopic volume imaging. Sci Rep. 2016 6:23721.

Katoh M, Wu B, Nguyen HB, Thai TQ, Yamasaki R, Lu H, Rietsch AM, Zorlu MM, Shinozaki Y, Saitoh Y, Saitoh S, Sakoh T, Ikenaka K, Koizumi S, Ransohoff RM, Ohno N. Polymorphic regulation of mitochondrial fission and fusion modifies phenotypes of microglia in neuroinflammation. Sci Rep. 2017 7:4942.

Morizawa YM, Hirayama Y, Ohno N, Shibata S, Shigetomi E, Sui Y, Nabekura J, Sato K, Okajima F,Takebayashi H, Okano H, Koizumi S. Author Correction: Reactive astrocytes function as phagocytes after brain ischemia via ABCA1-mediated pathway. Nat Commun. 2017 8:1598.

Takaki T, Ohno N, Saitoh S, Nagai M, Joh K. Podocyte penetration of the glomerular basement membrane to contact on the mesangial cell at the lesion of mesangial interposition in lupus nephritis: a three-dimensional analysis by serial block-face scanning electron microscopy. Clin Exp Nephrol. 2019 23:773-781.