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「超解像蛍光顕微鏡」の版間の差分
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'''④1-Nサイクルの積分によるPALM画像の構築''' 上記①～③操作を全てのPSFPがなくなるまで（Nサイクル）繰り返した後に、③で得られた画像を全て足し合わせる事でPALM画像が得られる<ref group="注">実際は全ての点をPALM画像に入れるのではなく、推定された座標の「不確かさ」やフィッティング誤差による"足切り"操作が行われる。</ref>。最終的に得られるPALM画像の輝度は「蛍光分子がその位置で見つかる可能性」に比例するので、PALM画像は分子の出現確率密度地図に相当する。]] | '''④1-Nサイクルの積分によるPALM画像の構築''' 上記①～③操作を全てのPSFPがなくなるまで（Nサイクル）繰り返した後に、③で得られた画像を全て足し合わせる事でPALM画像が得られる<ref group="注">実際は全ての点をPALM画像に入れるのではなく、推定された座標の「不確かさ」やフィッティング誤差による"足切り"操作が行われる。</ref>。最終的に得られるPALM画像の輝度は「蛍光分子がその位置で見つかる可能性」に比例するので、PALM画像は分子の出現確率密度地図に相当する。]] | ||
光学顕微鏡の空間分解能は先述のとおり2つの点光源を異なる点として区別する「2点分解能」で表現され、可視光では250 nm程度である。しかしながら隣り合った2点が重ならないほど離れていれば、蛍光一分子のPSFを2次元のガウス関数で解析する事で最大1 | 光学顕微鏡の空間分解能は先述のとおり2つの点光源を異なる点として区別する「2点分解能」で表現され、可視光では250 nm程度である。しかしながら隣り合った2点が重ならないほど離れていれば、蛍光一分子のPSFを2次元のガウス関数で解析する事で最大1 nm程度の精度で位置を決定できる。この蛍光一分子の正確な位置解析は（FIONA；Fluorescence imaging with one-nanometer accuracy）として知られる<ref><pubmed> 12791999 </pubmed></ref>。超解像顕微鏡法の一つであるLocalization microscopy（蛍光一分子局在化顕微鏡法）は、FIONAを利用し光学顕微鏡の分解能を超えた画像を取得する方法である。このようなアイディアは古くから提案されていたが<ref><pubmed> 19859146 </pubmed></ref>、理想的なサンプルを作成するのが困難なため実現はされなかった。例えばGFPを何らかの興味のあるタンパク質と融合させ、それを発現した細胞を想定する。この細胞にFIONAを適用しようとすると、ほぼ確実に以下の問題が生じる。<br> | ||
# 発現しているGFPの数が多いため、隣り合ったGFPのPSFが重なりあってしまいFIONAを適用できない。 | # 発現しているGFPの数が多いため、隣り合ったGFPのPSFが重なりあってしまいFIONAを適用できない。 | ||
# 上記の状況を回避するためにPSFの重なりが無い程度に一つの細胞にGFPを極少なく発現させる事は困難である。 | # 上記の状況を回避するためにPSFの重なりが無い程度に一つの細胞にGFPを極少なく発現させる事は困難である。 | ||
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====<small>PALM,FPALM</small>==== | ====<small>PALM,FPALM</small>==== | ||
蛍光一分子局在化顕微鏡法の一つとしてまず初めにPALM( | 蛍光一分子局在化顕微鏡法の一つとしてまず初めにPALM(Photoactivated localization microscopy)<ref><pubmed> 16902090 </pubmed></ref>の原理について説明する。PALMは蛍光色素として特定波長の刺激光照射により蛍光状態がオフからオンへ変化するPA-GFP<ref><pubmed> 12228718 </pubmed></ref>のような「光スイッチング蛍光タンパク質(Photo-switchable fluorescent protein; PSFP)」を利用する。オフからオンへ切り替わる確率は刺激光の強度と照射時間とおよそ比例関係にあるので、それらを適切にコントロールすることで、視野内でPSFが重ならない程度に疎らにPSFPをオンにする事ができる(図-①)。この状態であればFIONAを適用し蛍光一分子の位置解析を行う事ができる(図-②,③)。視野内のPSFPを退色させた後に、①-③をPSFPが全てなくなるまで何度も繰り返す。こうして発現させた全てのPSFPの局在画像（PALM画像）を得る事ができる。図では比較のために②で得られた画像の総和も示した。これはPSFPを全てオンにして撮った通常の蛍光画像に相当する。通常の蛍光画像では観られなかった「P A L M」の4文字がPALM画像では確認できる。<br> | ||
PALMと同時期に発表されたFPALM（Fluorescence photoactivation localization microscopy）もPALMと同じくPSFPを利用する方法である<ref><pubmed> 16980368 </pubmed></ref>。PALM・FPALMではPA-GFPの他のPSFPとして刺激光により蛍光色が変化するmEOS2(緑色から赤色)<ref><pubmed> 19169260 </pubmed></ref>が利用される。またケージド蛍光色素の利用も可能である。<br> | PALMと同時期に発表されたFPALM（Fluorescence photoactivation localization microscopy）もPALMと同じくPSFPを利用する方法である<ref><pubmed> 16980368 </pubmed></ref>。PALM・FPALMではPA-GFPの他のPSFPとして刺激光により蛍光色が変化するmEOS2(緑色から赤色)<ref><pubmed> 19169260 </pubmed></ref>が利用される。またケージド蛍光色素の利用も可能である。<br> | ||
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====<small>STORM</small>==== | ====<small>STORM</small>==== | ||
STORM（Stochastic optical reconstruction microscopy）もPALM・FPALMとほぼ同時期に発表された<ref><pubmed> 16896339 </pubmed></ref>。STORMではある種の蛍光色素が特定の条件下で可逆的に暗状態(蛍光状態=オフ)へと遷移する現象を利用している。詳細には、シアニン系色素(例：Cy5)に強い励起光(赤色)を与えた際に、一定の確率で寿命の非常に長い暗状態に入る<ref group="注">この暗状態は寿命が1時間程度とされる。三重項状態の消光剤として働く酸素分子は暗状態の寿命を短くするため、暗状態へは三重項状態から遷移すると予想される。観察時に酸素除去剤を加える必要があるのはこのためである。また、この暗状態はチオールとの結合により起こるため、還元剤を培地へ添加する場合もある</ref><ref><pubmed> 15783528 </pubmed></ref><ref><pubmed> 19961226 </pubmed></ref>。暗状態において、より蛍光波長の短い別のシアニン系色素(例：Cy3)が近接している際にCy3への励起光(緑色)を与えるとCy5が基底状態(蛍光状態=オン)へ回復する<ref><pubmed> 15783528 </pubmed></ref>。オンになったCy5は強い励起光(赤色)を与えられ蛍光観察に利用される。蛍光観察中にある確率で暗状態(オフ)へと遷移する。Cy5が基底状態へ回復する確率はCy3に与える励起光(緑色)の強度と照射時間とおよそ比例関係にあるので、PALMと同様に励起光(緑色)を適切にコントロールする事で常に視野内のCy5を疎らにオンに保つ事ができる。<br> | |||
====<small>dSTORM,GSDIM</small>==== | ====<small>dSTORM,GSDIM</small>==== | ||
STORMでは超解像画像を得るために2つの蛍光色素を必要とするため、マルチカラー化は容易ではなかった。その後に報告されたdSTORM (direct STORM)<ref><pubmed> 18646237 </pubmed></ref>やGSDIM( | STORMでは超解像画像を得るために2つの蛍光色素を必要とするため、マルチカラー化は容易ではなかった。その後に報告されたdSTORM (direct STORM)<ref><pubmed> 18646237 </pubmed></ref>やGSDIM(Ground-state depletion | ||
and single-molecule return)<ref><pubmed> 18794861 </pubmed></ref>ではこの問題が解決された。これらの方法では、蛍光色素の暗状態からの回復が別の蛍光色素の近接や励起光無しでもある確率で（稀にではあるが）起こる事を利用する。そのためCy3とその励起光(緑色)無しにも、視野内のCy5を疎らにオンに保つことが可能となる。こうして1つの蛍光色素で超解像画像が得られるようになりマルチカラー化が容易となった。<br> | and single-molecule return)<ref><pubmed> 18794861 </pubmed></ref>ではこの問題が解決された。これらの方法では、蛍光色素の暗状態からの回復が別の蛍光色素の近接や励起光無しでもある確率で（稀にではあるが）起こる事を利用する。そのためCy3とその励起光(緑色)無しにも、視野内のCy5を疎らにオンに保つことが可能となる。こうして1つの蛍光色素で超解像画像が得られるようになりマルチカラー化が容易となった。<br> | ||
====<small>その他の方法</small>==== | ====<small>その他の方法</small>==== | ||
蛍光一分子局在化顕微鏡法のための蛍光色素の開発は現在も活発に行われている。最近になり自然にオン・オフを繰り返す画期的な蛍光色素HMSiR（Hydroxymethyl Si-rhodamine）が開発された<ref><pubmed> 25054937 </pubmed></ref>。これは他の方法に比べて、暗状態を作るための高濃度のチオールや強い励起光照射が不要なためサンプルへのダメージを抑えられる。また強い励起光照射が必要ではないので全反射顕微鏡だけでなく共焦点顕微鏡でも容易に蛍光一分子を観察できる。これにより細胞の深部構造の超解像観察が可能となった。<br> | |||
==注釈== | ==注釈== | ||