愛媛大学大学院理工学研究科・情報フォトニクス研究室では，蛍光イメージングに焦点を当て，光学，情報科学，生命科学を融合した研究開発を行っています．
Information Photonics Laboratory in Graduate School of Science and Engineering at Ehime University, focusing on fluorescence imaging, conducts research and development that integrates optics, information science, and life science.
光は生体内を観察する基本的なツールであり，現代では，顕微鏡，遺伝子解析装置から内視鏡などの医療機器まで，生命・医科学を支える大きな基盤技術となっています．
顕微鏡は私たち人の目では直接見えないミクロな生物の世界を映し出してくれます。顕微鏡は1590年にオランダのJanssen親子が初めて作ったとされています．1665年にRobert Hookeが細胞の観察記録を出版し，顕微鏡による細胞観察が始まりました．それ以降顕微鏡技術の発展があり，現代において顕微鏡は光学、電子機械工学や情報科学技術との融合でデジタルに４次元画像計測を行う装置となっています．このような技術発展により，タンパク質・細胞・組織といった生物の構成要素が複雑に絡み合う様子をありのままの姿で観察できるようになっています．ミクロなレベルで見る技術は，生命原理の解明，疾患の発生機序の解明，さらには治療法開発にも貢献できると期待されます．
Light is a fundamental tool for observing living organisms and serves as a cornerstone of modern life and medical sciences. From microscopes and genetic analysis tools to endoscopes and other medical devices, light-based technologies underpin advancements in our understanding of living organisms and their intricate processes.
Microscopes enable us to look into the invisible microscopic world of life. Their origins can be traced back to 1590 when the Dutch father-son duo, Hans and Zacharias Janssen, are credited with crafting the first microscope. In 1665, Robert Hooke, an English scientist, published his groundbreaking observations of cells, marking the dawn of microscopy-based cell biology.
Since then, microscopy has undergone a remarkable evolution, integrating with optics, electronics, mechanical engineering, and information science. Today, modern microscopes are capable of capturing digital four-dimensional images, providing unprecedented insights into the dynamics of proteins, cells, and tissues within living organisms.
These technological developments have revolutionized our ability to observe life at the microscopic level. This capability promises to unravel the fundamental principles of life, decipher the mechanisms underlying disease development, and find novel therapeutic strategies.
蛍光イメージングは，光る物質（蛍光プローブ）を使って，細胞・組織または個体におけるタンパク質など生体分子の分布・局在を捉え，その動態・機能を可視化する技術です．蛍光イメージングするには，蛍光プローブ，生物サンプル，顕微鏡，解析装置が必要です．私たちの研究室では，主に顕微鏡と解析技術の開発研究を行っています．
Fluorescence imaging is a technique that utilizes fluorophores to capture the distribution and localization of biomolecules, such as proteins, within cells, tissues, or organisms, and to visualize their dynamics and functions. Fluorescence imaging requires fluorescent probes, biological samples, microscopes, and computational devices. Our research laboratory primarily focuses on the development of microscopy and computational techniques.
我々は，多層階段状位相マスク（SPM）を用いて光シート顕微鏡を強化する研究を行いました。SPMは，光の位相を変化させることで光学特性を制御する素子です．2光子励起ベッセルビームライトシート顕微鏡にSPMを導入し，検出対物レンズの焦点深度を拡大することで，広視野と高解像度イメージングの両立を実現しました（Saitou and Imamura. Int J Mol Sci 2023）．さらに，SPMを用いてガウシアンビームを改変し，ライトシート顕微鏡の視野を拡大する方法を開発しました（Saitou and Imamura. Jpn J Appl Phys 2024）．これらの研究成果は，SPMがライトシート顕微鏡を強化するためのシンプルかつ効果的な方法を提供することを示しています．SPMを用いることで焦点深度を拡大し，また，ビーム形状を制御することで，広視野・高解像度・高画質の生体イメージングが可能になります．
非線形光学顕微鏡を用いると染色した蛍光色素のイメージングだけでなく，組織内在性の蛍光色素や高調波発生のような非線形光学現象によって染色や特殊な加工を必要とせずに生体組織の分子イメージングが可能です．私たちは，画像情報処理を多光子励起顕微鏡や高調波発生顕微鏡などの非線形光学顕微鏡に応用し，生物形態や病態の変化を定量的に捉え，診断技術に応用する研究を行ってきました．第２高調波発生イメージングと機械学習を組み合わせた骨・軟骨病理組織（変形性関節症）の自動診断法の開発（Kiyomatsu et al. Biomed Opt Exp 2015; Saitou et al. Sci Rep 2018）や，第２高調波発生，自家蛍光イメージングと機械学習を利用した肝炎組織（非アルコール性脂肪肝炎）の自動診断法の開発（Yamamoto et al. Biochem Biophys Rep 2016; Saitou et al. Front Med 2018）を行ってきました．また，従来の病理組織学的手法では困難であった乳腺線維腺腫と葉状腫瘍の自動診断を可能とする技術の構築に成功しました．乳腺腫瘤内のコラーゲンや自家蛍光物質の無染色イメージングから乳腺腫瘤の病態の描出に成功し、さらに深層学習による領域分割法を利用して乳腺腫瘤を判別する評価指標の構築に成功しました（Taguchi et al. Molecule 2022）．針生検診断で鑑別が困難となる病態の客観的な評価は手術適応や術式などの治療戦略の決定への貢献が期待されます．
ライトシート顕微鏡は，検出光学系と照明光学系が垂直に配置された蛍光顕微鏡で，検出対物レンズの焦点面に側面から薄い光のシートを入射することによって高解像度な生物計測ができます．2004年の選択的光学面照射顕微鏡（Selective plane illumination microscopy; SPIM）と2008年のデジタル走査ライトシート顕微鏡（Digital scanning light-sheeet microscopy; DSLM）の開発を起点として，これまでに様々な改良版が報告されてきました．近赤外光を蛍光励起光源とする２光子励起現象の利用は，光毒性の低減，および，生体深部到達性の向上の観点から生体イメージングに有用と考えられますが，２光子励起範囲（ライトシート顕微鏡では“視野範囲”）の狭さがその応用の制限となっていました．私たちは，近赤外光を利用した２光子励起現象の新たな利活用によって，(1) 観察対象への低い光毒性，(2) 広い視野範囲，(3) 高い空間分解能（高解像度），の3条件の向上を達成する２光子励起光シート蛍光顕微鏡を新たに技術開発しました（Takanezawa, Saitou, Imamura. Nat Commun 2021; Saitou, Imamura. IJMS 2023）．この顕微鏡を小型魚類（メダカ）の胚発生の観察に応用したところ，メダカの成長を阻害することなく（低光毒性），メダカ全体に対して（広い視野範囲），その発生過程を細胞レベル（高解像度）で，３日に渡り観察することに成功しました，本技術により、多様な生物の発生過程をこれまでよりも長期間に渡って、細胞レベルの高分解能で、生きたまま観察することができるようになります．
