『特集記事』 フェムト秒レーザーの新たなブレークスルー：細胞小器官を精密に操作するリアルタイム「メス」！

《2025年5月22日》

ソヒ・マ、ビン・ドン、マシュー・G・クラーク、R・マイケル・エヴァリー、シヴァム・マハパトラ、チ・チャン

この号の表紙は スモールサイエンス の作品を特集 張志教授 から パデュー大学、タイトル「フェムト秒パルスを使用した動的細胞内コンパートメントのリアルタイムかつ部位特異的な摂動。「

研究の背景

• 生命科学分野において、レーザーと細胞内・細胞下構造との相互作用を深く理解することは極めて重要です。これは、光学顕微鏡の高解像度化と高精度イメージングの実現を推進する中核的な要素であるだけでなく、光線療法におけるより効果的な治療法の実現を可能にし、オプトジェネティクスにおける細胞機能の精密な制御の基盤としても機能します。
• 現在、連続波レーザーは主に線形吸収メカニズムに依存しており、特定の細胞内構造の精密な操作には大きな限界があります。フェムト秒（fs）レーザーは非線形多光子吸収特性によりレーザー焦点にエネルギーを集中させ、高い軸精度を実現できますが、既存のフェムト秒レーザー送達法には多くの課題があります。一方で、これらの方法では動的に変化する分子実体を正確に標的としたり、標的を自動的に選択したりすることができず、細胞内で頻繁に移動する、または複雑に分布する生体分子をリアルタイムで効果的に摂動することが困難です。他方、既存の技術ではレーザーパルスの送達とイメージングプロセスが分離されているため、レーザー摂動中の細胞応答を同期して記録することができず、動的な細胞プロセスの研究が大きく制限されます。

研究の意義

• 本研究では、フェムト秒リアルタイム精密光制御（fs-RPOC）技術を革新的に導入します。この技術は、レーザー走査顕微鏡と閉ループフィードバック機構を巧みに組み合わせることで、細胞内構造への化学的選択的な摂動を自動化します。この画期的な技術は、従来の技術の多くの限界を克服し、細胞生物学研究に革新的な変化をもたらします。
• fs-RPOC技術は、卓越した性能上の利点を備えています。極めて高い空間精度を備え、個々の細胞小器官、さらには小細胞小器官レベルにおける動的な標的への微細なマイクロサージェリーを可能にすると同時に、精密な局所的分子制御も可能にします。パルス選択法を適用することで、この技術はあらゆる細胞内構造における平均およびピークレーザー出力を独立して柔軟に制御できるため、異なるレーザーパラメータが細胞に及ぼす影響を研究するための強力なツールとなります。
• ミトコンドリアを研究対象としたfs-RPOC技術は、重要な発見をもたらしました。フェムト秒レーザーによって誘発される一連のプロセス、すなわち活性酸素種の形成、H₂O₂の拡散、低密度プラズマの生成などを明らかにし、ミトコンドリアにおける部位特異的な分子応答をもたらしました。これらの発見は、フェムト秒レーザーと細胞内構造との相互作用を理解するための新たな視点と理論的根拠を提供するだけでなく、分子および細胞小器官の機能を正確に制御するfs-RPOC技術の計り知れない可能性を実証しています。この技術は、光学顕微鏡、光線療法、光遺伝学など、複数の関連分野を発展させ、疾患治療や細胞生物学研究のためのより正確で効果的な技術的手段を提供することが期待されています。

研究の展望

• 将来、fs-RPOC技術は幅広い発展の見通しと膨大な探究ポテンシャルを秘めています。応用範囲の拡大という点では、より多くの種類の細胞や生物モデルに適用することで、様々な細胞小器官や生体分子に対する制御効果を研究し、生命科学における本技術の普遍性と応用可能性を総合的に評価することが可能です。これにより、複雑かつ多様な細胞内生理プロセスや病理メカニズムへの理解が深まり、疾患の診断と治療のためのより豊富なターゲットと戦略が提供されるでしょう。
• 今後の重要な研究方向の一つは、フェムト秒レーザーと細胞内構造との相互作用における分子メカニズムの解明です。パルス幅、波長、繰り返し周波数といったレーザーパラメータが細胞応答に及ぼす影響に関する詳細な研究は、技術パラメータの最適化に向けた確固たる理論的裏付けを提供し、fs-RPOC技術の精度と有効性をさらに高めるでしょう。
• fs-RPOC技術を、レーザー摂動後の細胞変化を遺伝子レベルで解析できるシングルセルシーケンシングや、より高解像度の細胞構造情報を提供できる超解像イメージングといった他の先進技術と統合することで、レーザー摂動後の細胞を包括的かつ多層的に解析することが可能になります。このマルチテクニックアプローチにより、動的な細胞内変化や分子制御機構をより深く解明することができます。
• fs-RPOC技術の臨床応用に向けたトランスレーショナルリサーチの実施も重要です。前臨床試験を通じて、がん治療や神経変性疾患治療などの分野におけるこの技術の安全性と有効性を評価することで、この最先端技術を研究室研究から臨床応用へと移行させ、患者に新たな治療の希望とより良い転帰をもたらすことができます。
  
  

カバーデザインのプロセス

• 表紙デザインは、フェムト秒パルスを用いて動的な細胞内コンパートメントをリアルタイムかつ部位特異的に摂動させるという論文のテーマに密接に合致しています。中央のビジュアルは、細胞内部に作用するフェムト秒レーザービーム（光線として表現）を描いています。機械の腕を模したレーザー発光装置は、ミトコンドリアなどの特定の細胞内構造を標的とし、論文で説明されている細胞内精密操作技術を視覚的に実証しています。細胞内部構造のレンダリングに加え、活性酸素種（ROS）や低密度プラズマ（LDP）などの要素の注釈は、レーザーと細胞の相互作用によって生じる様々な効果をさらに強調し、論文の研究内容を反映させています。
• 全体の配色は、深みのある青と青紫を基調としており、科学雑誌のプロフェッショナルなイメージにふさわしい、重厚で洗練された技術的雰囲気を醸し出しています。細胞の内部構造は、紫やオレンジといった鮮やかな色で強調され、主要な細胞小器官や分子反応領域に注目を集め、読者が核心的なコンテンツに素早く集中できるよう工夫されています。レーザービームはライトブルーで表現され、背景とのコントラストにより、その伝播経路と作用方向を明確に示しています。