新しい技術では、音を使って単一細胞を観察し、その挙動を把握します。
この技術では音響レポーター遺伝子を利用します。
この技術により、研究者は超音波を用いて、体内組織内に存在する単一細胞を画像化できます。
生物個体の中で、ごく少数の細胞がどのように振る舞っているかを調べようとする研究者にとって、それは容易なことではありません。人体には約37兆個の細胞が含まれています。台所のカウンターに置かれた完熟バナナの周りを飛び回るショウジョウバエでさえ、5万個の細胞を持つ可能性があります。生物学研究で一般的に用いられる小さな線虫、Caenorhabditis elegansでも、最大3,000個の細胞を持つことがあります。では、その中にある顕微鏡レベルの微小な細胞を数個、どのように監視すればよいのでしょうか。
カリフォルニア工科大学（Caltech）のラボで研究を行う科学者たちは、Mikhail G. Shapiro（化学工学教授、ヘリテージ医学研究所研究員）は、その方法を見つけ出しました。
この新しい技術は、いわゆる音響レポーター遺伝子を利用するもので、Shapiro氏はその開発の先駆者の一人です。音響レポーター遺伝子を理解するには、まずレポーター遺伝子について知る必要があります。レポーター遺伝子とは、研究者が生物のゲノムに挿入し、その生物が何をしているのかを理解するために用いる、特殊なDNA断片です。従来、レポーター遺伝子は蛍光タンパク質をコードしてきました。例えば、研究者が研究対象としたい遺伝子（たとえばニューロンの発生を担う遺伝子）の隣にこのレポーター遺伝子の一つを挿入すると、それらのニューロン遺伝子が活性化された際に、蛍光タンパク質分子も生成されます。適切な種類の光をそれらの細胞に当てると、本の特定の箇所をハイライトペンで示すように、細胞が光って見えるようになります。
ただし、これらの蛍光レポーター遺伝子には大きな欠点があります。光は生体組織を深くまで透過しないのです。
そこで、Shapiro氏は光の代わりに音を用いるレポーター遺伝子を開発しました。この遺伝子を細胞のゲノムに挿入すると、細胞は気泡（ガス小胞）と呼ばれる微小な中空のタンパク質構造を生成するようになります。これらの小胞は、本来は水中で浮遊するために利用する特定の種類の細菌に見られるものですが、超音波を受けると「鳴り響く」という有用な性質も備えています。
この技術の考え方は、これらの小胞を生成している細胞を超音波で画像化すると、その存在を知らせる音響信号が発せられ、研究者がその位置と活動を把握できるというものです。この技術は、Shapiro研究室による以前の研究において、細胞内の酵素の活性を示すために用いられてきました。
最新の論文で、研究チームは、この技術の感度を大幅に高めたことを説明しています。その結果、音響レポーター遺伝子を保持する、体内組織内の単一細胞を画像化できるようになりました。
「ガス小胞に関するこれまでの研究と比較して、今回の論文により、はるかに少量のガス小胞を観察できるようになりました」と、Daniel Sawyer氏（博士号取得2021年）は述べています。同氏は筆頭著者で、Shapiro研究室の元生物工学博士課程学生です。「これは、小さな町の明かりを見ることができる衛星から、街灯一本の光を見ることができる衛星へと進化したようなものです。」
今回の改良により、音響レポーター遺伝子を保持する細胞の画像化において、以前に用いていた技術と比べて感度が1000倍以上向上しました。違いは、使用する超音波と、ガス小胞がそれにどう反応するかにあります。
従来の画像化技術では、小胞が叩かれた鐘のように鳴ることに依存していましたが、新しい技術ではより強い超音波を用いて、小胞を風船のように「破裂」させます。
「その瞬間、小胞は非常に強い信号を発します」とShapiro氏は述べています。「その後、小胞は壊れ、信号を発しなくなります。私たちはその小さな輝点を探しているのです。」
その輝点は非常に明確であるため、組織を透過する超音波によって生じる背景ノイズの中でも、研究者が容易に検出できます。Shapiro氏によると、がん細胞を攻撃する、注射可能な遺伝子改変細菌、いわゆる「腫瘍親和性」細菌に関する最近の研究により、これらの細胞が体内のどこに到達するかを追跡するより良い方法の必要性が生じているといいます。研究チームは、細菌にもガス小胞遺伝子を組み込んだ場合、血流に注入された後、個々の細菌細胞が肝臓に入り、そこを移動する様子を追跡できることを示しました。
Sawyer氏によると、研究者が超音波を用いて腸内細菌叢の組成を研究しようとする場合、このレベルの感度が必要になるとのことです。腸内細菌叢は、乱れるとアルツハイマー病や自閉症などの状態に影響を及ぼす可能性があります。
「腸内には非常に多くの種類の細菌が存在し、中には非常に稀少なものもあります。そのため、体の奥深くにあるごく少数の細菌を捉えられるほど感度の高いものが必要なのです」と同氏は述べています。
細胞内の小胞を破裂させると、細胞に害があるのでしょうか。いいえ、実際にはほとんど害はありません。
「簡潔に答えれば害はなく、詳しく述べても、ほとんどの実用的なケースで害はありません」とSawyer氏は述べています。「ただし、非常に小さく、非常に多くのガス小胞を持つ単一の細菌細胞が損傷を受けるケースはあります。しかし、そのうちのいくつかが生存能力を低下させたとしても、細菌集団全体にはほとんど影響しません。また、哺乳類細胞では、負の影響は見られませんでした。」
Shapiro氏とSawyer氏は、今後の研究について二つの方向性を追求しています。一つは、研究チームがすでに開発した技術を基に、より高度な画像化技術を生み出すことです。これには、より容易に破裂する小胞、より頑丈な小胞、あるいはより大きな小胞が入り込めない場所に入り込める小型の小胞など、異なる特性を持つ新しい種類の小胞を設計し、検証することが含まれます。もう一つは、開発した技術の実用的な応用先を見つけることだと、Sawyer氏は述べています。
「光学顕微鏡の分野では、二光子顕微鏡やライトシート顕微鏡といった技術とともに、光学プローブと顕微鏡法が共進化してきました（いずれも蛍光顕微鏡の一種です）」とShapiro氏は述べています。「Dannyの論文は、それらの画像化技術の超音波版の開発の一部をなすものです。」
研究内容を記した論文のタイトルは「Ultrasensitive ultrasound imaging of gene expression with signal unmixing」で、8月6日号の学術誌Nature Methodsに掲載されました。共著者には、化学工学の客員研究員Avinoam Bar Zion、Arash Farhadi（博士号取得2020年）、生物工学大学院生Shirin Shivaei、化学工学大学院生Bill Ling、そして元CaltechのAudrey Lee-Gosselinが名を連ねています。
この研究への資金提供は、米国国立衛生研究所（National Institutes of Health）によって行われました。
Mikhail Shapiroは、次の研究機関の兼任教員です：
