高速ライブ3D生体イメージングの限界を押し広げるマルチフォーカス顕微鏡

September, 8, 2025, Washington--UCSCの研究者らは、小さな生物全体の詳細な細胞動態を一度に捉えることができる高速 3D イメージング顕微鏡を開発した。広い視野にわたってリアルタイムで3D変化を画像化できる能力は、発生生物学と神経科学における新しい洞察につながる可能性がある。
「従来の顕微鏡は、焦点を合わせ直したり、様々な深さをスキャンしたりできる速度に制約があり、歪みや情報の欠落なしに高速で生物学的3Ｄプロセスをキャプチャすることは難しい」と、カリフォルニア大学サンタクルーズ校(UCSC)のSara Abrahamsson研究室でこの研究を行い、現在はChan Zuckerberg BiohubにいるEduardo Hirata Miyasakiは話している。.「われわれの新しいシステムは、Abrahamssonが開発したマルチフォーカス顕微鏡(MFM)技術を拡張し、25カメラアレイを使用して速度と体積イメージングの限界を押し広げる。この効率の飛躍は、動いている小さな生命システムを混乱させることなく研究する扉を開く。」

Optica Publishing Group の影響力のある研究ジャーナルである Optica で、研究チームは、回折光学と 25 台の小型カメラを組み合わせて、複数の深度で同期かつ同時に画像化する新しい顕微鏡について説明している。これらは、毎秒100ボリュームを超える取得速度で、最大180 x 180 x 50µmの25平面3Dボリュームのライブイメージングを実証している。

「われわれがM25と呼ぶ新しい顕微鏡は、発生、神経科学、移動の研究に使用されるモデル生物であるC.エレガンスワーム(線虫)を画像化するのに特に有用である。伝統的に、科学者は一度にはっきりと見ることができるのは生物の一部だけだった。われわれの新しい顕微鏡を使用すると、線虫全体が自然に動く様子を3Dで観察できるので、研究者は線虫の神経系がどのように動きを制御するか、遺伝子変異、病気、または薬物治療に反応して行動がどのように変化するかを研究できる」とHirata Miyasakiは説明している。

マルチプレーン光制御
新しい顕微鏡の重要な部分は、25台のカメラのアレイに様々な焦点面を分布させるために使用される回折光学素子である。回折光学系は微細構造を使用して光を操作し、プリズムなどの従来の光学部品よりも薄く軽量な部品を介して、より複雑な光制御を可能にする。

研究チームは、オリジナルの MFM 技術に基づいて、入射光を分割するマルチフォーカス グレーティングを設計した。ここでは、各カメラが同じシーンをキャプチャするが、異なる深さで焦点を合わせる。また、マルチフォーカス グレーティングによって導入される色分散を補正するために、各カメラ レンズの前に使用するカスタマイズされたグレーティングを作成した。3×3アレイを超えることが困難だった従来の色補正プリズムを置き換えることで、これらのブレイズドグレーティングは、より多くの平面にわたる高解像度、高速バイオイメージングを可能にした。

グレーティングはナノメートルスケールのパターンで作られており、特殊な製造ツールが必要になる。シミュレーションを使用して最適な設計を決定した後、研究チームはカリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)のナノ加工施設を使用してパターンをガラスにエッチングした。製造プロセスが確立されたことで、これらの回折素子を大量に正確に再現できる。

「M25の重要な革新の1つは、簡素化された色補正アーキテクチャの使用である。かさばるプリズムベースのコンポーネントをカスタム設計のブレイズドグレーティングに置き換えることで、システムはコンパクトでスケーラブルを維持しながら、すべての焦点面にわたって効率的な分散補正を実現する」(Abrahamsson)。
「この合理化された光学設計により、高速イメージングが可能になるだけでなく、ラベルフリーモダリティとの互換性もサポートされており、低侵襲イメージングが不可欠な発生学などのアプリケーションにとって大きな利点となる」(HIrata Miyasaki)。

研究チームは、25 台の異なるカメラから同時にデータを迅速に同期および取得し、コンピュータに保存するという課題に対処するための新しいソフトウェアも開発した。

「25枚の画像を組み合わせると、機械的なスキャンや可動部品を使用せずに、すべて同時に取得され、完全な3Dスナップショットが形成される。これはカメラの取得速度とサンプルの明るさによってのみ制限される高速で行われるため、時間の経過とともに体積全体を記録でき、実際の生物学的ダイナミクスの研究が可能になる」(Hirata Miyasaki)。

アクセスしやすく汎用性の高いイメージング
M25顕微鏡は、蛍光と明視野顕微鏡や偏光顕微鏡などのラベルフリーモダリティの両方に使用でき、色素やラベルを導入せずに敏感な生物学的システムをイメージングするのに特に役立つ。この低侵襲技術との互換性により、M25 は、固有の生理学の保存が重要な発生学などの用途に適している。

この装置を検証するために、研究チームはプロトタイプを作成し、キャリブレーションターゲットをイメージングすることで、歪みや重なりのない25の異なる等間隔の焦点面を同時にキャプチャできることを確認した。また、この顕微鏡を使用して、C. elegans、D. melanogaster、P. marinus などの一般的なモデル生物を含む生きた生体標本を画像化し、スキャンや動作補正を必要とせずに移動する生物のリアルタイム 3D イメージングを実証した。

このシステムは、標準的な市販の顕微鏡のサイドポートに取り付け可能である。回折光学系以外は、特殊なハードウェアを必要としないため、カスタムプリズムや複雑な光路の変更に依存するシステムよりも簡単に複製できる。

M25 3Dイメージングシステムで使用される色補正ブレイズドグレーティングとマルチフォーカスグレーティングを製造するための詳細な製造手順は、https://zenodo.org/records/15522415 で入手できる。これらのコンポーネントは、UCSBナノファブリケーション施設を含むあらゆる学術ナノファブリケーション施設で製造できる。アクイジションエンジンとnapariプラグインは、https://github.com/SaraLab-Group/m25-napari と https://github.com/SaraLab-Group/m25-napari/tree/ で入手できる。

次に、研究チームはシステムの規模とアプリケーションをさらに拡大することを目指している。たとえば、システムの豊富な画像データを使用して、細胞の状態を識別し、動的な行動を追跡し、画像から直接病気関連の変化を検出できる機械学習モデルをトレーニングする予定である。