JP2016031247A - 蛍光観察システム - Google Patents

Abstract

【課題】電界や磁界、電磁波による物理的刺激を受けた被検体の状態をより正確に観察することができる蛍光観察システムを提供する。【解決手段】電界や磁界、電磁波を発生させる電磁界発生装置１０と、励起光を出射する励起光源装置２０と、電磁界発生装置１０により発生した電界や磁界、電磁波に曝露された被検体６０に、励起光源装置２０からの励起光が照射されることで放出された蛍光を伝送するファイバープローブ３０と、ファイバープローブ３０で集光した蛍光を撮像する撮像手段４０とを備え、ファイバープローブ３０は、非導電性かつ非磁性の材料で形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、電界や磁界、電磁波による物理的刺激を受けた被検体の状態をリアルタイムで蛍光観察することができる蛍光観察システムに関する。

生物分野などでは、蛍光指示薬や蛍光タンパク質を発現する遺伝子を導入した細胞に励起光を照射し、励起光により励起された蛍光を検出することで、細胞の状態を分析することが行われている。例えば、特定の強度のパルス励起光をファイバープローブを介して細胞に照射し、この蛍光を分析することで細胞のｐＨを測定する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

一方、細胞の蛍光観察は、電流や熱などの様々な刺激を受けた状況で行われる場合がある。そのような刺激作用を細胞に与えるための手段としては、電磁界発生装置により所望の強度の電界や磁界、電磁波を発生させ、その電界や磁界、電磁波の中に細胞を配置し、曝露する方法が挙げられる。

このような電磁界発生装置の近傍で蛍光検出装置を使用する場合、ファイバープローブや蛍光検出装置本体も電界や磁界、電磁波に曝露される。ファイバープローブや蛍光検出装置は金属部品を含んでいるため、これらの金属部品が電流、熱、振動等の発生源となる。すなわち、細胞やその蛍光動態は、ファイバープローブや蛍光検出装置の金属部品より発生する電流、熱、振動等の影響を受けることになる。また、そのようなファイバープローブや蛍光検出装置本体は電界や磁界、電磁波の分布を歪ませる原因ともなる。

このように、金属部品から発生する電流、熱、振動等は細胞や蛍光動態に影響を与えるため、電磁界発生装置により発生させた所望の強度の電界や磁界、電磁波の中における細胞の状態は正確かつリアルタイムで観察することができないという問題がある。

なお、このような問題は、細胞を対象としたものに限定されず、細胞を含む任意の被検体に関しても同様に存在する。

特開２０１１−１８５８４３号公報

本発明は、上記事情に鑑み、電界や磁界、電磁波による物理的刺激を受けた被検体の状態を正確かつリアルタイムで観察することができる蛍光観察システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様は、電界、磁界又は電磁波を発生させる電磁界発生装置と、励起光を出射する励起光源装置と、前記電磁界発生装置により発生した電界、磁界又は電磁波に曝露された被検体に、前記励起光源装置からの励起光が照射されることで放出された蛍光を伝送するファイバープローブと、前記ファイバープローブで集光した蛍光を撮像する撮像手段とを備え、前記ファイバープローブは、非導電性かつ非磁性の材料で形成されていることを特徴とする蛍光観察システムにある。

かかる第１の態様は、被検体に近接して配置されるファイバープローブは、非導電性材料で形成されている。このため、ファイバープローブは電磁界中においても電流、熱、振動等の発生源にならない。したがって、蛍光観察システムは、ファイバープローブを発生源とする電流、熱、振動等の影響を被検体やその蛍光動態に与えることがなく、電磁界発生装置が形成した所望の強度の電磁界の影響のみを被検体に与えた上で、被検体から検出される蛍光動態を正確かつリアルタイムで観察することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する蛍光観察システムにおいて、前記ファイバープローブは、非導電性かつ非磁性かつ生体適合性の材料で形成されていることを特徴とする蛍光観察システムにある。

かかる第２の態様では、ファイバープローブを長期間生体内に配置して使用することができる。これにより電界、磁界又は電磁波に曝露された被検体の生体内における細胞の蛍光動態をリアルタイムで検出できる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する蛍光観察システムにおいて、前記ファイバープローブは、複数の光ファイバーを束ねて構成されたバンドルファイバーと、前記バンドルファイバーの一方の端面に非導電性接着剤等で接着固定されたレンズと、前記レンズ及び前記バンドルファイバーの外側を覆い、非導電性かつ非磁性の材料で形成されたスリーブとを備えることを特徴とする蛍光観察システムにある。

かかる第３の態様では、スリーブが設けられていることで、バンドルファイバーとレンズとの接着部分が補強されるため、それらが外れたり、ずれたりすることを抑制することができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する蛍光観察システムにおいて、前記ファイバープローブの外側を覆い、非導電性かつ非磁性かつ生体適合性の材料で形成されたチューブを備えることを特徴とする蛍光観察システムにある。

かかる第４の態様では、ファイバープローブを長期間生体内に配置して使用することができる。これにより電界、磁界又は電磁波に曝露された被検体の生体内における細胞の蛍光動態をリアルタイムで検出できる。

本発明の第５の態様は、第３又は第４の態様に記載する蛍光観察システムにおいて、前記レンズは、異なる屈折率のレンズを結合したものであることを特徴とする蛍光観察システムにある。

かかる第５の態様では、レンズの作動距離、開口数、拡大倍率を所望のものに調整することができる。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか一つの態様に記載する蛍光観察システムにおいて、励起光及び蛍光の何れか一方を透過し、他方を反射するダイクロイックミラーを備え、前記励起光源装置は、前記ダイクロイックミラーを介して前記ファイバープローブに励起光を入射し、前記ファイバープローブに入光した蛍光は前記ダイクロイックミラーを介して前記撮像手段によって撮像されるように構成されていることを特徴とする蛍光観察システムにある。

かかる第６の態様では、一本のファイバープローブで励起光及び蛍光を導くことができるため、ファイバープローブに係るコストを削減し、また、複数のファイバープローブよりも、一本のファイバープローブである方が扱いやすい。

本発明によれば、電界や磁界、電磁波による物理的刺激を受けた被検体の状態をより正確に観察することができる蛍光観察システムが提供される。

実施形態１に係る蛍光観察システムの概略構成図である。 実施形態１に係るファイバープローブの要部を示す側面図である。 図２のＡ−Ａ’線断面図である。 図３のＢ−Ｂ’線断面図である。 実施形態２に係るファイバープローブの要部を示す側面図である。 実施形態２に係るファイバープローブの断面図である。 図６のＣ−Ｃ’線断面図である。

〈実施形態１〉
図１は、本実施形態に係る蛍光観察システムの概略構成図である。蛍光観察システム１は、電磁界発生装置１０、励起光源装置２０、ファイバープローブ３０、撮像装置４０、及び解析装置５０を備え、被検体６０に励起光を照射し、発生した蛍光を観察するものである。

本発明の被検体は、蛍光指示薬等を導入した培養細胞や動物生体内の細胞などであるが、これらに限定されず、励起光により励起される蛍光物質を含む任意の物である。

電磁界発生装置１０は、電界、磁界又は電磁波（択一であってもよいし、何れか２つ又は３つであってもよい）を発生させる装置である。具体的には、電磁界発生装置１０は、電磁コイル１１、電源装置１２及び制御装置１３を含むものである。電源装置１２は電磁コイル１１に電流を供給する装置であり、制御装置１３は、入力された強度の電磁界が発生するように、電源装置１２に電流を電磁コイル１１に供給させる装置である。このように電磁界発生装置１０は、制御装置１３に所望の強度を設定することで、電磁コイル１１から当該強度に応じた電界、磁界又は電磁波が発生するようになっている。

電磁界発生装置１０は、一組の電磁コイル１１を有しており、各電磁コイル１１は互いに向き合って、上下方向に配置されている。電磁コイル１１の中間には、被検体６０を載置する載置台６１が配置されている。上下に対向して電磁コイル１１を配置することで、点線の矢印に示すように、一様な電界、磁界、又は電磁波を生成することができる。このように電磁コイル１１から生じた電界、磁界又は電磁波に被検体６０が曝露されるようになっている。

なお、電磁界発生装置１０の構成は上述したものに限定されず、電界、磁界又は電磁波を生成可能なものであればよい。例えば、対向配置せずに一つの電磁コイル１１を用いてもよいし、電磁コイル１１の代わりに導波管を用いてもよい。

励起光源装置２０は、被検体を励起可能な波長の光である励起光を出射する装置である。具体的には、励起光源装置２０は励起光を出射するレーザー光源やＬＥＤ光源等の半導体発光素子を含んで構成されている。

ファイバープローブ３０は、励起光源装置２０から出射した励起光を被検体６０に導き、かつ、被検体６０から放出される蛍光を撮像装置４０に導くものである。

具体的には、ファイバープローブ３０は、複数の光ファイバーを束ねて構成されたバンドルファイバー３１と、その一方の端部にレンズが設けられたレンズ部３２とを備えている。レンズ部３２についての詳細は後述する。

ファイバープローブ３０は、レンズ部３２とは反対側の端部から励起光源装置２０からの励起光が入射され、レンズ部３２からその励起光を出射して被検体に照射するように配置されている。

具体的には、励起光源装置２０とファイバープローブ３０との間には、ダイクロイックミラー７０及び対物レンズ７１が配置されている。ダイクロイックミラー７０は、励起光源装置２０から出射した励起光を反射し、その反射した励起光が対物レンズ７１に入射するように配置されている。

また、ダイクロイックミラー７０を挟んだ励起光源装置２０とは反対側には、撮像装置４０が配置されている。ダイクロイックミラー７０は、ファイバープローブ３０から出射して対物レンズ７１を経由した蛍光を反射し、その反射した励起光が撮像装置４０に入射するように配置されている。

撮像装置４０は、入射した蛍光を撮像して画像として表示する機能を有する装置である。例えば、撮像装置４０は、入射した蛍光の強度を反映した電気信号に変換して出力するセンサー部と、その電気信号から画像を構成する各画素情報に変換する演算部と、演算処理の結果を画像として表示するモニターとを備えて構成されている。なお、対物レンズ７１は、撮像装置４０に入射する蛍光を集光するために用いられる。

また、撮像装置４０には、解析装置５０が接続されている。解析装置５０は、例えば、ＣＰＵなどの演算処理装置、ＲＡＭやＨＤＤなどの記憶装置、マウス・キーボードなどの入力装置、モニターなどの出力装置を備えた情報処理装置である。このような解析装置５０は、ＵＳＢ等のインターフェースにより撮像装置４０から蛍光を反映した画像を得ることが可能となっており、また、当該画像を解析するソフトウェアを実行可能となっている。

このように本実施形態に係る蛍光観察システム１は、励起光源装置２０から励起光を出射し、ダイクロイックミラー７０及び対物レンズ７１を介してファイバープローブ３０に励起光を入射させる。そして、ファイバープローブ３０により励起光を導いて被検体６０に照射させる。励起光により被検体６０から発光した蛍光を、ファイバープローブ３０によりに導いて対物レンズ７１及びダイクロイックミラー７０を介して撮像装置４０に入射させる。なお、一本のファイバープローブ３０で励起光及び蛍光を導くことができるため、ファイバープローブ３０に係るコストを削減し、また、複数のファイバープローブ３０よりも、一本のファイバープローブ３０である方が扱いやすい。

上述したように被検体６０は、電磁界発生装置１０により発生した電界、磁界又は電磁波に曝露されている。レンズ部３２は、その被検体６０に励起光を照射し、被検体６０から発せられる蛍光を集光するために、被検体６０に近接して配置されている。すなわち、レンズ部３２も電界、磁界又は電磁波に曝露された状態で蛍光を集光することになる。

ここで、図２〜図４を用いてファイバープローブ３０のレンズ部３２について詳細に説明する。図２はファイバープローブの要部を示す側面図であり、図３は図２のＡ−Ａ’線断面図であり、図４は図３のＢ−Ｂ’線断面図である。

ファイバープローブ３０は、被検体６０側の一端にレンズ部３２が設けられている。レンズ部３２は、レンズ３３と、スリーブ３４とから構成されている。

レンズ３３は、特に限定はないが、例えば屈折率分布型（Ｇｒａｄｅｄ Ｉｎｄｅｘ；ＧＲＩＮ）であり、円柱状のレンズを用いることができる。レンズ３３の一方の平坦面３３ａがバンドルファイバー３１の先端面３１ａに接着剤等で接着固定されており、他方の平坦面３３ｂが被検体６０に対向するように配置される（図１参照）。

レンズ３３は、励起光源装置２０からバンドルファイバー３１を経由した励起光を集光する。この集光した励起光は被検体６０に照射される。そして、その励起光に対して被検体６０から発せられた蛍光は、レンズ３３に入射する。レンズ３３は、その蛍光を集光し、バンドルファイバー３１に入射させるようになっている。

スリーブ３４は、円筒状に形成された部材であり、バンドルファイバー３１及びレンズ３３がその内部に挿入されている。スリーブ３４の内部には、バンドルファイバー３１及びレンズ３３の接着部が位置しており、スリーブ３４から露出したバンドルファイバー３１及びレンズ３３の一部が接着剤３５によりスリーブ３４の両端にそれぞれ接着固定されている。

このようにスリーブ３４が設けられていることで、バンドルファイバー３１とレンズ３３との接着部分が補強されるため、それらが外れたり、ずれたりすることを抑制することができる。

上述したレンズ部３２を構成するバンドルファイバー３１、レンズ３３、スリーブ３４、及びこれらを接着する接着剤３５は、何れも非導電性、かつ非磁性の材料より形成されている。レンズ３３の材料としては、非導電性、かつ非磁性の材料であるガラス又はプラスティックの何れであってもよい。バンドルファイバー３１の材料としても、非導電性、かつ非磁性の材料であるガラス又はプラスティックの何れであってもよい。また、スリーブ３４の材料としては、非導電性かつ非磁性の材料であるアルミナなどのセラミックやプラスティックなどを用いることができる。さらに、接着剤３５としては、非導電性材料であるＵＶ硬化型やエポキシ系の接着剤を用いることができる。

以上に説明したように、本実施形態に係る蛍光観察システム１では、被検体６０に近接して配置されるファイバープローブ３０のレンズ部３２は、非導電性材料で形成されている。このため、レンズ部３２は、電界、磁界又は電磁波の中においても電流、熱、振動等の発生源とはならない。

これにより、蛍光観察システム１は、レンズ部３２を発生源とする電流、熱、振動等の影響を被検体６０に与えることがなく、電磁界発生装置１０が形成した所望の強度の電界、磁界又は電磁波の影響のみを被検体６０に与えた上で、被検体６０の蛍光動態を観察することができる。

また、非導電性材料で形成する部材としては、被検体６０に近接して配置されるレンズ部３２だけでよく、その他の部材や部品は、十分に長いバンドルファイバー３１を用いることで、電界、磁界又は電磁波の影響を受けない離れた場所に設置することができる。これにより、励起光源装置２０、撮像装置４０又は解析装置５０など、金属部品を含む装置を用いても、それらが被検体６０に影響を与えることを回避して、所望の強度の電界、磁界又は電磁波の中におかれた被検体６０の蛍光動態を正確かつリアルタイムで観察することができる。

〈実施形態２〉
実施形態１では、レンズ３３は、屈折率分布型のレンズ一つであったが、複数のレンズを組み合わせてもよい。図５は、本実施形態に係るファイバープローブの要部を示す側面図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

同図に示すように、屈折率分布型のレンズ３３の平坦面３３ｂに、レンズ３３とは異なる屈折率のＧＲＩＮレンズや平凸レンズ３６が接着剤で接着されている。このように、屈折率分布型のレンズ３３に異なる屈折率のＧＲＩＮレンズや平凸レンズを結合することで、作動距離、開口数、拡大倍率を所望のものに調整することができる。

なお、ＧＲＩＮレンズや平凸レンズ３６も非導電性材料であるガラス又はプラスティックから構成され、接着剤も非導電性材料である。

〈実施形態３〉
図６は、本実施形態に係るファイバープローブの断面図であり（図２のＡ−Ａ’線断面図に相当する断面図である）、図７は図６のＣ−Ｃ’線断面図である。なお、実施形態１及び実施形態２と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係るファイバープローブ３０は、その外側を覆うチューブ３７を備えている。

チューブ３７は、非導電性かつ非磁性かつ生体適合性の材料から形成されている。生体適合性とは、生体の細胞と接触しても、細胞毒性（細胞死や増殖阻害）を示さず、細胞との相互作用、干渉作用が極めて少ないことを意味する。生体適合性のある材料の例としては、アルミナなどのセラミックやプラスティックなどを用いることができる。特に、チューブ３７は熱収縮性のある材料から形成されていることが好ましい。

このようなチューブ３７は、ファイバープローブ３０の外側を覆っている。具体的には、チューブ３７は、平凸レンズ３６の一部が露出し、スリーブ３４、接着剤３５、レンズ３３の全体と、バンドルファイバー３１の一部とを覆っている。

このように、ファイバープローブ３０の外側は生体適合性のある材料からなるチューブ３７に覆われているので、ファイバープローブ３０を長期間生体内に配置して使用することができる。これにより電界、磁界又は電磁波に曝露された被検体６０の生体内における細胞の蛍光動態をリアルタイムで検出できる。

なお、ファイバープローブ３０自体を生体適合性のある材料から形成すれば、必ずしもチューブ３７は必要ではない。すなわち、ファイバープローブ３０を構成する各部材を、非導電性かつ非磁性かつ生体適合性のある材料で形成してもよい。このようなチューブ３７を用いない構成のファイバープローブ３０であっても、長期間生体内に配置して使用することができる。

〈他の実施形態〉
実施形態１、２に係る蛍光観察システム１には、さらに、レンズ部３２を保持したり、レンズ部３２の位置を調整するためのマニピュレータを備えていてもよい。このようなマニピュレータは、レンズ部３２の近くに配置されるため、電界や磁界、電磁波に曝露され、電流、熱、振動等の発生源となりうる。したがって、そのようなマニピュレータについては、電界、磁界又は電磁波に曝露される部分を非導電性材料で形成することが好ましい。

また、実施形態１、２に係る蛍光観察システム１は、励起光はファイバープローブ３０に導かれて被検体６０に照射されていたが、このような構成に限定されない。例えば、励起光源装置２０から直接に励起光を被検体に照射するように構成してもよい。この場合は、励起光源装置２０が電界、磁界又は電磁波の影響を受けない程度に離すことが好ましい。また、励起光源装置２０から励起光を、ファイバープローブ３０とは別の光ファイバーケーブル等で導いて被検体に照射するようにしてもよい。このような光ファイバーの被検体６０側の部分に関しては、電界、磁界又は電磁波に曝露されて電流、熱、振動等の発生源となりうるため、非導電性材料のみで構成されていることが好ましい。

本発明は、培養細胞や生体内の細胞などの被検体に対して電界、磁界又は電磁波による物理的刺激を与えた際の細胞の状態を蛍光観察する産業分野で利用することができる。

１ 蛍光観察システム
１０ 電磁界発生装置
２０ 励起光源装置
３０ ファイバープローブ
３１ バンドルファイバー
３３ レンズ
３４ スリーブ
３５ 接着剤
３７ チューブ
４０ 撮像装置
５０ 解析装置
６０ 被検体
７０ ダイクロイックミラー
７１ 対物レンズ

Claims (6)

1. 電界、磁界又は電磁波を発生させる電磁界発生装置と、
   励起光を出射する励起光源装置と、
   前記電磁界発生装置により発生した電界、磁界又は電磁波に曝露された被検体に、前記励起光源装置からの励起光が照射されることで放出された蛍光を伝送するファイバープローブと、
   前記ファイバープローブで集光した蛍光を撮像する撮像手段とを備え、
   前記ファイバープローブは、非導電性かつ非磁性の材料で形成されている
   ことを特徴とする蛍光観察システム。
2. 請求項１に記載する蛍光観察システムにおいて、
   前記ファイバープローブは、非導電性かつ非磁性かつ生体適合性の材料で形成されている
   ことを特徴とする蛍光観察システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載する蛍光観察システムにおいて、
   前記ファイバープローブは、
   複数の光ファイバーを束ねて構成されたバンドルファイバーと、
   前記バンドルファイバーの一方の端面に非導電性接着剤で接着固定されたレンズと、
   前記レンズ及び前記バンドルファイバーの外側を覆い、非導電性かつ非磁性の材料で形成されたスリーブとを備える
   ことを特徴とする蛍光観察システム。
4. 請求項３に記載する蛍光観察システムにおいて、
   前記ファイバープローブの外側を覆い、非導電性かつ非磁性かつ生体適合性の材料で形成されたチューブを備える
   ことを特徴とする蛍光観察システム。
5. 請求項３又は請求項４に記載する蛍光観察システムにおいて、
   前記レンズは、異なる屈折率のレンズを結合したものである
   ことを特徴とする蛍光観察システム。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載する蛍光観察システムにおいて、
   励起光及び蛍光の何れか一方を透過し、他方を反射するダイクロイックミラーを備え、
   前記励起光源装置は、前記ダイクロイックミラーを介して前記ファイバープローブに励起光を入射し、
   前記ファイバープローブに入光した蛍光は前記ダイクロイックミラーを介して前記撮像手段によって撮像されるように構成されている
   ことを特徴とする蛍光観察システム。

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