目前，幾乎沒有技術可以直接評估活體細胞及組織内所產生的肌力。由日本理化學研究所（以下簡稱理研）生命機能科學研究中心尖端生物成像研究團隊隊長渡邊朋信（廣島大學教授）、廣島大學原爆放射線醫科學研究所教授藤田英明、大阪大學研究生院醫學系研究科教授宮川繁、東北大學研究生院生命科學研究科教授倉永哩奈等人組成的共同研究團隊，研發出了能以非接觸、無創傷方式定量估測活體細胞及組織肌肉活性的技術。該技術有助於對由iPS細胞製成的人工心肌細胞的質量管理與心臟疾病的診斷，以及調查放射線影響的個人差異等做出貢獻。該研究成果已刊登在《Life Science Alliance》線上版上。
圖1 本次研究開發的顯微鏡與心肌脈搏中肌凝蛋白活性的變化（供圖：理化學研究所）
（上圖）爲本研究開發的SHG顯微鏡。
（左下圖）用SHG顯微鏡實際拍攝得到的SHG影像。
（右下圖）肌肉的脈搏（上）與伴隨出現的肌凝蛋白活性指標γ值（下）。Y軸的數值爲任意單位（arbitrary unit）。
共同研究團隊利用非線性光學現象之一的光學第二高次諧波成分（SHG），確立了估測細胞或組織内部肌肉收縮時所作用的蛋白質——肌凝蛋白的活性的測定和分析方法。
SHG光是透過光照射到的物體的永久電偶極矩與其排列反射後產生的。也就是說，如果蛋白質的結構發生變化，所觀測到的SHG光也會有所改變。利用該特點，有報告稱肌原纖維反射的SHG光的偏振特性（SHG異向性）在肌肉僵直和鬆弛狀態下會有所不同。
然而，目前還沒有報告顯示，已測量到單心肌細胞且其脈搏中的SHG異向性。這是由於缺乏測量靈敏度所致。理研的研究團隊自2019年起正在研發了世界最高靈敏度的SHG顯微鏡。
此次，透過使用這種SHG顯微鏡，觀察來自從健康人士的人類iPS細胞分化出的心肌細胞後，可使在細胞存活的狀態下選擇性地將肌肉結構視覺化。由於每秒鐘能獲得12.5張影像（時間解析度80毫秒），即使心肌細胞在1秒内有多次脈搏，也可以準確測量SHG偏振。共同研究團隊透過從獲取的SHG偏振特性中計算出顯示肌凝蛋白活性的指標（γ值），首次成功地直接估測出了與心肌脈搏同期的脈衝狀的肌凝蛋白的活性。
利用該方法，研究團隊還成功地定量評估了來自心臟疾病患者的iPS細胞做成的心肌細胞的功能耗竭與用基因編輯的開墾（冶癒）效果，以及紫外線照射後iPS細胞的遲發性（受放射線輻射一段時間後出現）心功能耗竭。
不僅如此，由於SHG測量會使用生物滲透力較強的近紅外光線作爲入射光線，因此嘗試使用了TAZ基因變異所引發巴氏症候群的果蠅，對心失功能進行估測。其結果標明，針對果蠅蛹，也可以用非創傷的方式來評估内部體壁肌的肌凝蛋白的活性。患有巴氏症候群病例的蟲蛹的肌凝蛋白活性下降。此次是首次在活體果蠅内部對肌肉活性直接進行評估的實驗案例。
今後，該技術有望成爲用於心肌病、iPS研究以及遲發性放射線輻射的影響等的力學生物學中所不可缺少的研究工具。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Life Science Alliance
論文：Estimation of crossbridge-state during cardiomyocyte beating using second harmonic generation
DOI：10.26508/lsa.202302070
