Laser Focus World JAPAN　レーザーフォーカスワールドジャパン

March 8, 2013, Stanford--スタンフォード大学の研究チームは、生きた細胞に損傷を与えることなく、最新の光共振器を挿入できることを初めて実証した。このような進展は、微小なレーザやLEDが生きた細胞の研究で新たな道を開く新しい時代の幕開けを示すものと言える。
スタンフォードの研究が進むと、ホストに損傷を与えることなく個別の細胞に挿入できる新型の微小発光プローブで生物学研究に変革が起こる可能性がある。
工学、生物学、医学が合流したバイオフォトニクスでは、レーザやLEDなどの光デバイスが生きた細胞の研究や作用に新たな展望を開こうとしている。細胞は、共振器を埋め込まれていても通常通り機能し、移動し、再生する。
研究チームはこのデバイスを「ナノビーム(梁)」と呼んでいる。デバイスが、中央に一連の円い穴を空けたスチールのI型鋼に似ているため、そう呼ぶ。しかし、このビームは、大きくなく、長さがわずか数μm、幅と厚さは数100nmにすぎない。ビームに空けた穴はナノスケールのミラー列のように機能し、光をビーム中央(フォトニックキャビティ)に集光し増幅する。
これらはナノスケールレーザとLEDの構成要素となる。
「われわれが作製したフォトニックキャビティのようなデバイスは、フォトニクスの中で最も多様性に富んだ、カスタマイズ可能な構成要素だ。アプリケーションは、基礎物理からナノレーザ、さらには生物学的研究に大きな影響を与えると思われるバイオセンサまで広がる」と電気工学教授、Jelena Vuckovic氏はコメントしている。
細胞のレベルで、ナノビームは、細胞壁を突き抜ける針のように振る舞う。細胞を傷つけることはない。挿入すると、そのビームが発光する。非常に多くの研究用途や示唆が得られる。他の研究グループは単純なナノチューブやナノワイヤを細胞に挿入できることを示したが、このように複雑な光コンポーネントが生体細胞内に入り込むことはこれまで誰も考え及ばなかった。
論文の筆頭著者、Gary Shambat氏は、「これは、既存のアプリケーションからの劇的な転換であり、細胞生物学を理解し、それに影響を与える機会を広げるものだ」と言う。
この例では、調べた細胞は前立腺腫瘍からとったもので、癌の研究への適用を示唆するものである。主要な、また差し迫った利用は、細胞内のタンパク質をリアルタイムでセンシングすることであるが、プローブは、DNA、RNAなど重要な生物分子のセンシングにも適用できる。
こうした重要な分子の検出には、研究者はターゲットとなるタンパク質をある有機分子、抗体でプローブを覆う。これは、あたかも磁石と鉄のように引きつけることで知られている。所望のタンパク質が細胞内にあると、タンパク質はプローブに集まりはじめ、デバイスからの放射光の波長に、わずかではあるが検出可能なシフトが起こる。この波長シフトは、タンパク質がどの程度あるかを示すものとなる。
内蔵可能なナノスケールの光センサは、患者特有の癌治療(オーダーメイド医療とも言う)を追求する上で重要な開発となる、このような医療ではその患者への効果を狙っていることになる。
構造的には、この新しいデバイスはGaAs半導体極薄層と発光結晶層、よく知られている量子ドットとを交互に積んだサンドイッチとなっている。
Shambat氏のブレイクスルーは、フォトニックナノビームを剥がすことができた時に達成され。次に同氏は、超薄型のフォトニックデバイスを光ケーブルに接着した。これにより針のようなプローブを操作して細胞内に入れることができる。
細胞に挿入するとこのプローブは発光し、それを外から観察できる。この強力なフォトニックデバイスのどんなアプリケーションでも、これまでは侵入禁止だった細胞内の環境に入れることができる。
研究チームが驚くべき発見として報告していることがある。ナノビームを細胞に挿入し、細胞が成長し、研究環境を動き回り再生するのを観察していた。細胞分裂のたびにドーター細胞の1つがパレント(親)細胞からナノビームを受け継ぎ、ビームが予想通りに機能し続けた。
この継承性によって研究者は長期にわたり生きた細胞を自由に研究できる。既存の検出技術では細胞は死ぬか定位置に固定しているかのいずれかであり、このようなことはできなかった。
「われわれのナノスケールプローブは長期にわたり細胞内にとどまることができ、センサフィードバックあるいは制御信号を細胞に与えることも、いずれは可能になる。われわれは、8日間1つの細胞を観察した。1個の細胞の研究としては長い時間だ」(Shambat氏)。
(詳細は、Feb. 13 online Nano Letters)