MITの化学工学者と神経科学者は、各細胞に含まれるタンパク質を標識して画像化することで、ニューロンを分類する新しい方法を開発しました。この種の画像化は、個々のニューロンの機能に関する手がかりを提供するもので、研究者らによれば、ヒトの脳のマッピングに役立つはずです。
「各細胞は固有のタンパク質の組み合わせを使用しています。基本的には指紋のようなものです」と、Kwanghun Chung氏は語ります。同氏はMIT化学工学科のSamuel A. Goldblith Assistant Professor（助教授）であり、Institute for Medical Engineering and Science（IMES）およびPicower Institute for Learning and Memoryのメンバーで、本研究チームのリーダーでもあります。「多くのタンパク質の発現パターンを観察できれば、各細胞の種類と役割を推測できます」
この手法を用いて、研究者らはヒトの脳切片内の22種類の異なるタンパク質を可視化することができました。この方法は、さらに多くのタンパク質や、より大きな組織試料を分析できるように拡張することも可能です。これにより、科学者は疾患が脳の化学的性質をどのように変化させるかについて、理解を深められるかもしれません。
「今後、研究者は疾患モデルの動物と正常な動物の脳の違いを調べられるようになり、潜在的に数十種類の異なる分子を同時に観察できるようになります。これは非常に重要です。脳の個体差により、数十の試料にわたって同じ分子を一つずつ観察しても確かな関連性を導き出すことは困難だからです」と、大学院生のEvan Murray氏は語ります。同氏は、この技術を解説した論文の筆頭著者の一人であり、同論文は12月3日号の Cell誌に掲載されました。
同論文のその他の筆頭著者は、大学院生のJae Hun Cho、Daniel Goodwin、Justin Swaney、および博士研究員のTaeyun Kuです。
ラベル付け、洗浄、そして繰り返し
SWITCHとして知られるこの新技術の重要な進歩は、組織を、毎回異なるタンパク質を標識しながら繰り返し撮像できる状態で保存できる点にあります。
これを実現するため、研究者らは組織の保存と標識に必要な化学反応を制御する方法を考案しました。これにより、まず組織を保存し、特定のタンパク質を標識して撮像することができます。その後、標識用の分子を洗い流し、別のタンパク質を標識するという操作を何度でも繰り返すことができます。
化学反応の制御には、組織の環境を変える、弱酸と弱塩基の溶液である一対の緩衝液が必要です。緩衝液の一つはSWITCH-Offとして知られ、組織内のほとんどの化学反応を停止させます。一方、SWITCH-On緩衝液は反応を再開させます。
組織試料を準備するため、研究者らはまずSWITCH-Off緩衝液を加え、続いて組織保存に必要な化学物質を加えます。中でも最も重要なのはグルタルアルデヒドです。これらの化学物質はどの細胞とも反応しないため、試料全体に均一に拡散します。「これらの化学物質はいわばステルスモードにあるようなものです。組織には検知されないのです」とChung氏は言います。
研究者らがSWITCH-On緩衝液を加えると、グルタルアルデヒドがゲルを形成し、組織を保存します。また、研究者らは洗剤を加えて細胞膜の脂質を破壊し、光学顕微鏡で細胞内部がより見えやすくなるようにします。
組織が保存され、撮像の準備が整うと、研究者らは再びSWITCH-Off緩衝液を加えます。組織が非反応状態になった状態で、抗体や色素などの標識を加えます。これらはタンパク質だけでなく、DNA、神経伝達物質、脂質の検出にも合わせて調整できます。標識が組織全体に拡散したら、SWITCH-On緩衝液を加えることで、すべての細胞が同時に標識にさらされます。
タンパク質解析
Cell誌に掲載された研究では、研究者らは人間の脳組織の小さな切片（約3ミリメートル×3ミリメートル×0.1ミリメートル）内の22種類の異なるタンパク質を標識しました。22回の標識を行った後も組織は良好な状態を保っていたため、研究者らは、この技術でさらに多くのタンパク質を撮像できる可能性があると考えています。
研究者らはまた、人間の視覚皮質組織における6種類のタンパク質の分布を調べ、脳の異なる領域を結ぶ有髄線維を標識して撮像することに成功しました。「これらの線維を可視化できれば、脳の連結性や、これらの配線がどのように形成され、結ばれるかを支配する基本法則を本当に理解することができます」とChung氏は言います。
撮像可能な組織の大きさは、タンパク質の標識と試料の撮像に要する時間によってのみ制限されます。
各標識分子が立方センチメートルサイズの組織試料全体に拡散するには約1か月かかりますが、Chung氏らは最近 『米国科学アカデミー紀要』に掲載された研究で 、組織をランダムに変化する電場にさらすことで、この拡散を劇的に速められることを報告しました。これにより拡散時間は約1日に短縮されます。
イメージングにかかる時間は、使用する顕微鏡の種類によって異なります。本研究では、研究者らは光シート顕微鏡を使用しました。これは従来の光学顕微鏡より約100倍速く試料を撮像できます。この顕微鏡を使用した場合、マウスの脳全体の撮像には約2時間かかりましたが、従来の顕微鏡では約3日かかりました。
「タンパク質のイメージングには他の方法もありますが、その多くは二次元的であるか、拡張性がないか、特殊な装置を必要とします」とChung氏は言います。「しかし、この技術であれば誰でも実施でき、拡張性もあります」
マサチューセッツ大学医学部神経学部門長のRobert Brown氏は、この新技術が「生化学的構造の注意深い操作に基づく新世代のイメージング技術」の一部であると述べています。
「同一細胞内の複数の標的を、三次元の分解能で同時に調べることができるため、非常に優れています。これは従来のイメージング手法では実現が難しかったことです」と同氏は付け加えました。
Chung氏の研究室は、詳細なプロトコルやその他のリソースを、その ウェブサイトを通じて提供する予定です。同氏は現在、SWITCHを用いてヒトの神経疾患の研究を始める計画であり、ヒトの脳のマッピングに向けた他の技術の開発にも取り組んでいます。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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執筆者：Anne Trafton氏はMITニュースの客員寄稿者です。
画像：MIT博物館で開催されたMIT 150 Exhibitionのプレス内覧会で、患者「H.M.」の脳切片の展示の前を通り過ぎる女性。REUTERS/Brian Snyder。
