目前，几乎没有技术可以直接评估活体细胞及组织内所产生的肌力。由日本理化学研究所（以下简称理研）生命机能科学研究中心尖端生物成像研究团队队长渡边朋信（广岛大学教授）、广岛大学原爆放射线医科学研究所教授藤田英明、大阪大学研究生院医学系研究科教授宫川繁、东北大学研究生院生命科学研究科教授仓永英里奈等人组成的共同研究团队，研发出了能以非接触、无创伤方式定量估测活体细胞及组织肌肉活性的技术。该技术有助于对由iPS细胞制成的人工心肌细胞的质量管理与心脏疾病的诊断，以及调查放射线影响的个人差异等做出贡献。该研究成果已刊登在《Life Science Alliance》在线版上。
图1 本次研究开发的显微镜与心肌脉搏中肌凝蛋白活性的变化（供图：理化学研究所）
（上图）为本研究开发的SHG显微镜。
（左下图）用SHG显微镜实际拍摄得到的SHG图像。
（右下图）肌肉的脉搏（上）与伴随出现的肌凝蛋白活性指标γ值（下）。Y轴的数值为任意单位（arbitrary unit）。
共同研究团队利用非线性光学现象之一的光学第二高次谐波（SHG），确立了估测细胞或组织内部肌肉收缩时所作用的蛋白质——肌凝蛋白的活性的测定和分析方法。
SHG光是通过光照射到的物体的永久电偶极矩与其排列反射后产生的。也就是说，如果蛋白质的结构发生变化，所观测到的SHG光也会有所改变。利用该特点，有报告称肌原纤维反射的SHG光的偏振特性（SHG异向性）在肌肉僵直和松弛状态下会有所不同。
然而，目前还没有报告显示，已测量到单心肌细胞且其脉搏中的SHG异向性。这是由于缺乏测量灵敏度所致。理研的研究团队自2019年起正在研发了世界最高灵敏度的SHG显微镜。
此次，通过使用这种SHG显微镜，观察来自从健康人士的人类iPS细胞分化出的心肌细胞后，可使在细胞存活的状态下选择性地将肌肉结构可视化。由于每秒钟能获得12.5张图像（时间分辨率80毫秒），即使心肌细胞在1秒内有多次脉搏，也可以准确测量SHG偏振。共同研究团队通过从获取的SHG偏振特性中计算出显示肌凝蛋白活性的指标（γ值），首次成功地直接估测出了与心肌脉搏同期的脉冲状的肌凝蛋白的活性。
利用该方法，研究团队还成功地定量评估了来自心脏疾病患者的iPS细胞做成的心肌细胞的功能衰竭与用基因编辑的修复（治疗）效果，以及紫外线照射后iPS细胞的迟发性（受放射线辐射一段时间后出现）心功能衰竭。
不仅如此，由于SHG测量会使用生物渗透力较强的近红外线作为入射光线，因此尝试使用了TAZ基因变异所引发巴氏综合征的果蝇，对心功能障碍进行估测。其结果标明，针对果蝇蛹，也可以用非创伤的方式来评估内部体壁肌的肌凝蛋白的活性。患有巴氏综合征病例的虫蛹的肌凝蛋白活性下降。此次是首次在活体果蝇内部对肌肉活性直接进行评估的实验案例。
今后，该技术有望成为用于心肌病、iPS研究以及迟发性放射线辐射的影响等的力学生物学中所不可缺少的研究工具。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Life Science Alliance
论文：Estimation of crossbridge-state during cardiomyocyte beating using second harmonic generation
DOI：10.26508/lsa.202302070
