幹細胞の蛍光顕微鏡による観察・蛍光イメージング
- Orange Science
- 7月28日
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更新日：7月30日
幹細胞の蛍光顕微鏡による観察・蛍光イメージングとは、幹細胞の構造や機能、分化の状態などを可視化・解析するために、蛍光分子を用いて観察する技術のことです。この手法では、蛍光色素や蛍光タンパク質で標識された分子を顕微鏡で励起光により励起し、その発する蛍光を検出することで、特定の細胞構造や分子の局在・動態を視覚的に捉えることができます。
幹細胞研究においては、以下のような目的で蛍光イメージングが用いられます。
細胞の識別と追跡 幹細胞にGFP（緑色蛍光タンパク質）などの蛍光遺伝子を導入して、体内や培養環境での位置や移動、増殖をリアルタイムで追跡します。
分化の可視化 幹細胞が特定の細胞型に分化するときに発現するマーカータンパク質を、蛍光抗体などで染色して、分化の過程や程度を評価します。
細胞内構造の観察 核、ミトコンドリア、細胞骨格などの構造を蛍光染色により可視化し、細胞の健康状態やストレス反応を観察します。
機能的解析 カルシウムセンサーやpHセンサーなどの蛍光プローブを用いて、細胞内の機能的な変化をリアルタイムで測定します。
観察には、共焦点レーザー顕微鏡、ワイドフィールド蛍光顕微鏡、ライブセルイメージングシステムなどが用いられ、特に時間経過による変化を観察するためのタイムラプス撮影が重要な手法となります。
この技術は、幹細胞の基礎研究だけでなく、再生医療や創薬研究にも広く応用されています。
幹細胞の特性
幹細胞とは、自己複製能力と多分化能という2つの特性を持つ特殊な細胞です。これらの能力により、幹細胞は他の種類の細胞に変化（分化）しつつ、自らも同じ幹細胞として増殖することができます。
1. 自己複製能
自分と同じ能力を持つ幹細胞を繰り返し作り出すことができる性質です。これにより、長期にわたって幹細胞の集団を維持できます。
2. 多分化能
特定の刺激や環境条件によって、神経細胞や筋肉細胞、血液細胞など、さまざまな種類の細胞に分化する能力を持ちます。
主な幹細胞の種類
胚性幹細胞（ES細胞） 受精卵由来で、体のあらゆる細胞に分化可能な全能性（または多能性）を持っています。
人工多能性幹細胞（iPS細胞） 皮膚などの体細胞に遺伝子を導入して人工的に多能性を与えた細胞。ES細胞と同様に多様な細胞に分化できます。
成体幹細胞（体性幹細胞） すでに分化が進んだ組織内に存在し、特定の細胞群に分化する能力を持っています。例としては、骨髄の造血幹細胞、皮膚幹細胞、神経幹細胞などがあります。
幹細胞が重要とされる理由
再生医療への応用 損傷した組織や臓器を修復する治療法の基盤となる。
創薬・毒性試験 人の細胞を模倣した細胞を使って、薬剤の効果や毒性を検証可能。
発生生物学の研究 人の体がどのように形成されるかを理解するためのモデルとなる。
幹細胞は生命科学・医療分野で非常に重要な役割を果たしており、今後の研究と応用が強く期待されています。
蛍光顕微鏡の原理や用途
蛍光顕微鏡とは、蛍光物質が発する光（蛍光）を利用して、試料中の特定の構造や分子を観察するための顕微鏡です。通常の光学顕微鏡では見えにくい微細構造や特定のタンパク質の局在などを、鮮明かつ選択的に可視化することができます。
蛍光顕微鏡の基本原理
励起光の照射 蛍光色素（蛍光プローブ）に特定の波長の光（励起光）を照射します。
蛍光の発生 励起された蛍光色素は、より長い波長の光（蛍光）を放出します。
観察 励起光をカットし、放出された蛍光だけを検出することで、蛍光物質の分布を可視化します。
よく使われる蛍光色素や蛍光タンパク質
FITC（緑色）
DAPI（DNAを青色に染色）
GFP（緑色蛍光タンパク質）
Alexa Fluorシリーズ
蛍光顕微鏡の主な種類
ワイドフィールド蛍光顕微鏡 広い視野を一度に観察できるが、焦点面以外の光も検出するため、背景がぼやけることがある。
共焦点レーザー顕微鏡 ピンホールによって焦点面の光だけを検出し、より高解像・高コントラストな画像を得られる。
多光子顕微鏡 深部組織の観察に適し、生体内のライブイメージングにも対応。
超解像蛍光顕微鏡（STED, SIMなど） 通常の光学顕微鏡の限界を超えた解像度で、ナノスケールの構造を観察可能。
蛍光顕微鏡の用途例
タンパク質やDNAの局在の可視化
細胞構造の観察（核、細胞骨格、ミトコンドリアなど）
細胞内シグナル伝達のリアルタイム解析
幹細胞やがん細胞の分化・増殖の観察
組織切片やライブセルの観察
蛍光顕微鏡は、細胞・分子レベルの解析において非常に強力なツールであり、生命科学や医学、薬学などの分野で広く使われています。
蛍光イメージングの特徴
蛍光イメージングとは、蛍光分子が発する光（蛍光）を検出し、試料中の特定の構造や分子の分布、動態を可視化・記録する画像化技術のことです。主に生物学や医学、薬学などの分野で利用され、細胞や組織、個体レベルでの観察に活用されます。
蛍光イメージングの基本的な仕組み
蛍光標識 観察したい分子や構造に、蛍光色素や蛍光タンパク質を結合させる（例：抗体に蛍光色素をつける、GFPを遺伝子導入する）。
励起光の照射 特定の波長の光（励起光）を試料に当てることで、蛍光分子が励起される。
蛍光の発光と検出 蛍光分子は励起後、より長波長の蛍光を発し、その光をカメラや検出器で記録する。
蛍光イメージングの特徴
高い選択性と感度：目的の分子や構造だけを明確に捉えることができる。
マルチカラー観察：異なる色の蛍光を同時に使って、複数の対象を同時に観察可能。
ライブセルイメージング：生きた細胞や組織をリアルタイムで観察できる。
主な蛍光イメージングの方法
細胞・組織イメージング：固定または生きた細胞を対象に、蛍光顕微鏡を用いて観察。
インビボイメージング：動物個体内の蛍光を捉える方法（小動物用イメージング装置など）。
高解像度イメージング：共焦点顕微鏡や超解像顕微鏡により、より詳細な画像を取得。
用途の例
細胞の構造（核、細胞膜、ミトコンドリアなど）の観察
特定タンパク質の局在・発現量の解析
細胞の分裂、分化、移動などの動的変化の追跡
がん、免疫、神経、幹細胞研究での応用
創薬における薬剤の効果の可視化
蛍光イメージングは、微細で複雑な生命現象を視覚的に理解するための強力な手法であり、生命科学研究や医療技術の発展に不可欠なツールとなっています。
幹細胞の観察・蛍光イメージングの目的
幹細胞の観察・蛍光イメージングの目的は、幹細胞の特性や挙動を視覚的・定量的に把握することにあります。特に幹細胞は分化や自己複製といったダイナミックな変化を行うため、これらの変化を高い空間・時間分解能で捉えるために蛍光イメージング技術が活用されます。
主な目的
細胞の識別と追跡 幹細胞に蛍光マーカーを導入することで、他の細胞との区別が可能になり、生体内や培養環境での位置・移動・増殖の追跡が行えます。
分化の可視化 特定の分化マーカーに蛍光抗体や蛍光タンパク質を使ってラベリングすることで、幹細胞がどの細胞系統に分化したかを判別できます。
細胞機能の評価 細胞内カルシウム濃度、pH、ミトコンドリア活性などを蛍光プローブで可視化し、幹細胞の機能的状態をモニタリングします。
細胞内構造の観察 核、細胞骨格、オルガネラなどの構造を染色し、細胞の形態や健康状態、老化や死の兆候を解析します。
ライブイメージングによる時系列観察 生きた状態で幹細胞の挙動（移動、分裂、分化など）をリアルタイムで観察し、時間経過に伴う動態を理解することが可能です。
幹細胞ニッチや細胞間相互作用の可視化 幹細胞が他の細胞や微小環境とどのように関わっているかを、共染色や共培養系で視覚化します。
遺伝子発現の可視化 特定のプロモーターにGFPなどを組み込んだレポーター系を使って、幹細胞の状態や分化に伴う遺伝子発現変化を観察します。
このように、蛍光イメージングは幹細胞の基礎研究、再生医療、創薬、病態モデル研究において、幹細胞の動態や機能を非破壊的かつ高精度に評価する手段として不可欠です。
幹細胞の観察・蛍光イメージングのメリット
幹細胞の観察・蛍光イメージングのメリットは、幹細胞の状態や変化を高感度かつ選択的に、リアルタイムで観察できることです。従来の染色や解析法では困難だった微細な構造や動態の把握が可能になり、幹細胞研究に多くの利点をもたらします。
主なメリット
高い選択性と特異性 目的のタンパク質や細胞構造だけを蛍光標識することで、観察対象を明確に識別できます。背景信号が少なく、複数の標的を同時に可視化することも可能です。
生細胞観察が可能 蛍光タンパク質や非毒性の蛍光プローブを使えば、生きた幹細胞をリアルタイムで観察でき、細胞の移動、分裂、分化などの時間的変化を追跡できます。
微細構造の可視化 細胞骨格やオルガネラなどの微細構造を高解像で観察でき、幹細胞の形態変化や機能的な変化を詳細に解析できます。
定量的な情報取得 蛍光強度を定量化することで、遺伝子発現量やタンパク質発現量、細胞内環境（pH、Ca²⁺濃度など）の変化を数値的に評価できます。
複数マーカーの同時解析（マルチカラーイメージング） 異なる蛍光波長を使えば、複数の分子や構造を同時に観察でき、幹細胞と周囲の環境や他の細胞との相互作用も可視化可能です。
非破壊的な解析 細胞を固定・破壊せずに情報を取得できるため、同じ細胞を継続的に観察・解析することができます。
再現性と効率性の高さ イメージング装置と解析ソフトを組み合わせれば、自動化・定量化された解析が可能となり、再現性が高く、多数のサンプルを効率的に処理できます。
これらのメリットにより、蛍光イメージングは幹細胞研究において、細胞の性質や機能、分化プロセス、疾患メカニズムの解明などに不可欠な手法となっています。特に再生医療や創薬の分野では、安全性評価や細胞製品の品質管理にも重要な役割を果たしています。
幹細胞の観察・蛍光イメージングの活用分野
幹細胞の観察・蛍光イメージングは、生命科学、医学、薬学、工学など幅広い分野で活用されています。幹細胞の特性（自己複製・分化）を可視化・解析することで、さまざまな研究や応用に貢献しています。
主な分野とその目的
再生医療分野 損傷した組織や臓器の再生を目指す研究において、幹細胞が適切に分化・移動・定着するかを観察します。蛍光イメージングにより、生体内での幹細胞の挙動や安全性が評価されます。
発生生物学・細胞生物学 幹細胞がどのようにしてさまざまな細胞に分化するのか、組織がどのように形成されるのかといった発生過程の解明に使用されます。
神経科学 神経幹細胞の分化や、ニューロン・グリアへの分化過程を解析するために用いられます。神経回路形成や再生、疾患モデルの研究にも活用されます。
がん研究 がん幹細胞（腫瘍内の自己複製能を持つ細胞）の同定や追跡に用いられ、がんの再発・転移のメカニズム解明に寄与します。
創薬・毒性評価 幹細胞から分化させた心筋細胞や肝細胞などを用い、薬剤の効果や毒性を可視化する際に使用されます。高精度な細胞応答のモニタリングが可能です。
iPS細胞研究 人工多能性幹細胞（iPS細胞）の樹立、分化、機能評価において、蛍光マーカーによる解析は不可欠です。目的の細胞系統への分化効率や均一性を評価します。
組織工学・バイオマテリアル研究 バイオマテリアル上で幹細胞がどのように接着・増殖・分化するかを蛍光で観察し、足場材料の評価や改良に活用されます。
このように、幹細胞の蛍光イメージングは、基礎研究から応用研究、臨床応用に至るまで、多様な分野で幹細胞の理解と活用に欠かせない技術として広く使用されています。
幹細胞の観察・蛍光イメージングのアプリケーション例
幹細胞の観察・蛍光イメージングは、細胞の状態や動態を可視化・解析できるため、さまざまな研究や応用に用いられています。以下に代表的なアプリケーション例をいくつか紹介します。
1. 分化マーカーの発現解析
幹細胞が特定の細胞系統（例：神経細胞、心筋細胞）に分化する際に発現するマーカー（例：βIII-tubulin、Troponin T）を蛍光抗体で染色して、分化の有無や効率を確認します。
2. 幹細胞のライブセル追跡
幹細胞にGFPなどの蛍光タンパク質を導入し、生体内や培養下での移動・増殖・分裂の様子をリアルタイムで観察します。再生医療や組織再生研究における細胞の動態解析に有効です。
3. 幹細胞の死・生存の判定
アポトーシスマーカー（Annexin V）や死細胞染色（PI、DAPI）などを使用して、幹細胞が生存しているか、死にかけているかを蛍光で判別します。細胞の毒性試験や環境応答の解析に使われます。
4. 細胞内構造の可視化
細胞骨格（F-actin）、ミトコンドリア、核などを蛍光染色して、幹細胞の形態や細胞構造の変化を詳細に評価します。細胞分化やストレス応答に伴う形態変化の解析に利用されます。
5. カルシウムイメージング
カルシウムインジケーター（例：Fluo-4）を用いて、幹細胞の電気的活動やシグナル応答をリアルタイムで観察します。神経幹細胞や心筋系細胞への分化評価に使われます。
6. 三次元培養系（オルガノイド）での構造解析
オルガノイドやスフェロイドに分化した幹細胞を、共焦点顕微鏡で3Dイメージングし、細胞の空間的な配置や分化のパターンを可視化します。臓器発生や疾患モデル研究に応用されます。
7. 薬剤応答のモニタリング
幹細胞やその誘導細胞に薬剤を処理し、蛍光マーカーを使って薬剤の効果や毒性を可視化します。創薬スクリーニングや毒性評価において重要なアプリケーションです。
これらのアプリケーションにより、幹細胞の性質・機能の詳細な解析が可能となり、基礎研究だけでなく、再生医療、創薬、疾患モデル開発など幅広い分野で重要な役割を果たしています。
幹細胞の観察・蛍光イメージング・ライブセルイメージング etaluma社 LS850 Microscope
Etaluma社の LS850（Lumascope LS850） は、幹細胞の観察・蛍光イメージング・ライブセルイメージングに以下のような活用が可能です。
1. インキュベーター内での長期ライブセル撮影
2. 自動XYステージとオートフォーカス付きZスタック機能
マルチウェルプレート（フラスコやチャンバー含む）上での自動XY移動、画像ベタタイル撮影、さらにZ軸オートフォーカス＆Zスタック撮影に対応し、幅広いサンプル条件をワンショットで網羅できます。
幹細胞培養皿の内外での増殖や分化進行を、自動・継続的にモニタリングするのに適しています。
3. 3色蛍光撮影＋位相差位相コントラスト
青・緑・赤の3色チャネルを搭載、GFPやmCherryなどの標識に対応し、複数マーカーの同時観察が可能です。
位相差を組み合わせることで、生細胞の構造と蛍光シグナルを重ねた観察も可能です。
4. 幹細胞由来細胞の動態解析や機能評価に最適
幹細胞から分化した心筋細胞の拍動の長期モニタリングにおいて、LS850は“高価格機に劣らない画質”との評価を受けています。
神経幹細胞やMSCスフェロイドなど、3次元培養系やタイムラプス解析にも応用が可能です。
5. 自動化解析と高スループット評価
「LumaviewPro」および「Lumaquant」など解析ソフトと連携することで、定量的イメージング解析も可能です。
例えば96ウェルから1536ウェルスケールでの時間経過による蛍光強度変化、分化効率、細胞数評価など、大規模な創薬スクリーニングや幹細胞品質管理に有効です。
● LS850による幹細胞観察の強み
インキュベーター内設置
長期・安定撮影で実環境に近い解析
低光量LED + CMOS
光毒性軽減で細胞ストレスを抑制
自動ステージ＋Zスタック
幅広い条件での連続撮像が可能
3色蛍光＋位相差
多重マーカーと形態情報の同時把握
自動・高スループット
定量解析・創薬利用に最適
これらの特徴により、LS850は以下のような用途に非常に有用です
iPS／ES由来細胞の長期ライブ観察（増殖・ノッチフォリモルフィー変化の時系列解析など）
分化マーカーの発現と細胞構造の同時観察（例えばGFPタグ付きタンパク質による動態解析）
薬剤応答や毒性試験における高スループット蛍光評価
再生医療向け製品の品質評価（定量的な生存・分裂率解析）
以上のように、Etaluma LS850は幹細胞研究・再生医療・創薬スクリーニングにおいて、高感度・低光毒性・高自動化・定量解析を兼ね備えた強力なツールとして活用できます。
Lumascopeによる観察動画 - 培養中のヒト神経幹細胞
これらは、コーティングされていないガラス底のペトリ皿で培養されたヒト神経幹細胞です。動画は、サンフォード再生医療コンソーシアム、エヴァン・スナイダー研究室のレーン・ナイルズ氏からご提供いただきました。
動画は、細胞がペトリ皿に播種された直後から始まります。細胞はまず「ニューロスフェア」に凝集し、その後表面で平らになり、探索的なラメラポディアを発現し、表面を動き回ります。その後、細胞は増殖し始め、多層コロニーに成長します。各実験の合計時間は 6 日間です。
これは生きた生物学です。照明の不均一性は、プラスチック製のペトリ皿の蓋のひずみ欠陥によって生じており、これはポリスチレンでは常に問題となります。
これらの鮮明で高品質な画像は、Etaluma社のLumaScope倒立型蛍光顕微鏡によって撮影されました。
アキュターゼで新鮮に分散させたヒト神経幹細胞を、WPI フルオロディッシュのガラスカバーガラス底面に播種し、6日間にわたってタイムラプス撮影しました。
etaluma社 LS850 Microscope
幹細胞研究の現場では、細胞の動態や分化過程を高精度かつ長期間にわたり観察できる信頼性の高い観察機器が求められています。 etaluma社のLS850 Microscopeは、そのようなニーズに応えるコンパクトかつ高性能な蛍光顕微鏡です。
本製品は、「幹細胞観察」を目的とした長期培養下での細胞挙動の可視化に最適であり、インキュベーター内に直接設置可能な設計により、細胞へ過度なストレスを与えることなく、ライブセルイメージングを実現します。
また、3波長対応の蛍光イメージング機能を搭載しており、GFPやRFPなど複数の蛍光マーカーを用いたマルチカラー解析が可能です。加えて、Zスタックやタイムラプス撮影にも対応しており、幹細胞の増殖・分化・移動といった動的変化を高精度に捉えることができます。
さらに、操作性に優れたソフトウェアと自動化機能を組み合わせることで、研究の効率化・標準化にも貢献。幹細胞研究、創薬、再生医療分野における信頼性の高いデータ取得をサポートいたします。
etaluma社 LS850 Microscopeは、幹細胞の高度な解析に求められる「蛍光顕微鏡」・「蛍光イメージング」・「ライブセルイメージング」の機能を、卓越したコストパフォーマンスでご提供する次世代のイメージングソリューションです。
etaluma社 ライブセルイメージングシステム Lumascope
エタルマのLumascope（ルマスコープ）は、優れた感度、解像度、ゼロピクセルシフトを備えた、半導体光学の新しいコンセプトで設計された、倒立型小型蛍光顕微鏡です。
そのコンセプトのデザインにより、インキュベーター、ドラフトチャンバーなどの限られたスペースの中で使用でき、幅広いラボウエアでのライブセルイメージングを可能にします。
LS820 は、現行のモデルにオートフォーカス機能が追加され、低コストでのオートフォーカス3色蛍光観察が可能になりました。ソフトウエアも新しくなり、より簡単に、高画質な画像データの取得ができます。
LS850 は、現行の自動XYステージのついたLS720全自動モデルの改良版です。新たな位相差技術により、位相差照明をコンパクトにし、オプションのタレットにより、4つの対物レンズを搭載することが可能となりました。
各モデルの詳細は下記からご確認下さい。
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