ラベルフリー & 臨床向けイメージング

CARSは同期した2つのレーザービーム（ポンプビームとストークスビーム）を用いて分子振動をコヒーレントに励起することで、ラマン信号を増強します。これにより、強度に比例して変化する強力な青方偏移（反ストークス）信号が生成され、高速な3次元化学イメージングが可能になります。
→ 代表的なレーザー：フェムト秒またはピコ秒ファイバーレーザー（780 nm）とファイバーまたはOPOベースのストークス光源（1030～1064 nm）を組み合わせることで実現可能です。

誘導ラマン散乱法(SRS)でもCARSと同様に2つの同期レーザーを使用しますが、レーザー間の微小なエネルギー移動を測定します。その結果、分子濃度に比例した背景ノイズフリーの線形ラマン信号が得られます。このためSRSは定量的かつ高速な組織学的検査に最適であり現在、腫瘍の境界検出のために術中に試験・使用されています。
→ 代表的なレーザー：デュアル出力ピコ秒レーザーシステム（例：1064 nm + 可変波長720～950 nm）、ファイバーまたはOPOベースの同期光源。

光干渉断層撮影(OCT)は広帯域で低コヒーレンスな光を用いて、組織の微細構造の断面画像を取得する干渉イメージング技術です。超音波に類似していますが、マイクロメートル単位の分解能と光学コントラストを兼ね備えています。OCTは後方散乱光を計測し3Dボリュームをリアルタイムで再構成するため、眼科や皮膚科において非常に有用です。
→ 代表的なレーザー：800～1300 nm付近のスーパールミネッセントダイオードまたは波長掃引型ダイオードレーザー。

第二高調波発生イメージング(SHG法)は2つの光子が正確に2倍の周波数（波長の半分）で1つの光子に結合する非線形光学相互作用を利用します。このプロセスは、コラーゲン、ミオシン、微小管などの中心対称性を持たない構造において自然に発生し、染色することなく結合組織や細胞骨格構造を高コントラストで可視化することを可能にします。
→ 代表的なレーザー：フェムト秒ファイバーレーザー（約780 nmまたは約1030 nm）。

従来の蛍光法や免疫組織化学法とは異なり、ラベルフリーイメージングには次のような利点があります。

• 本来の生物学的環境が維持され、染色、タグ、固定アーティファクトは不要です。
• 光毒性なしに生細胞または生体内での長期イメージングが可能です。
• 化学的特異性と構造コントラストを同時に提供します。
• 臨床現場におけるリアルタイム診断と定量的生化学分析を容易にします。

これらの利点により、ラベルフリー光イメージングは​​バイオフォトニクス分野において最も有望な分野の一つであり、基礎研究と医療診断の橋渡し役として活躍しています。

ラベルフリーイメージングは​​、実験室での好奇心から強力な臨床ツールへと急速に進化しました。主な例としては、以下のものがあります。

• 脳腫瘍手術：SRS顕微鏡は、脳神経外科手術中に脳組織のリアルタイムかつラベルフリーの組織学的観察を提供します。外科医は数秒以内に健常組織と癌組織を区別することができ、時間のかかる凍結切片分析を回避できます。
• 皮膚科：ラマン分光法とOCTは皮膚病変、水分補給、コラーゲンリモデリングの非侵襲的分析に現在日常的に使用されています。
• 心血管イメージング：CARSイメージングは​​動脈内の脂質に富むプラークを特定し、動脈硬化の進行に関する新たな知見をもたらします。
• 医薬品研究：ラマン顕微鏡とSRS顕微鏡は蛍光ラベルを使用せずに、組織や細胞内の薬物の分布と代謝を可視化します。
• 眼科：OCTは網膜イメージングと角膜厚測定における臨床のゴールドスタンダードとなっています。
• 線維症および結合組織の研究：SHG顕微鏡は線維症や癌におけるコラーゲン線維と組織リモデリングの定量的なマッピングを可能にします。

これらの医療技術はいずれもレーザー光の独自の特性を活用し、従来の画像診断では不可能であった生体システムの化学、形態、ダイナミクスを同時に明らかにします。

次世代のラベルフリーイメージングは​​以下のような新たな技術の方向へと進んでいます。

• ポータブルかつ臨床用途に適した、コンパクトなファイバーベースのレーザーシステム。
• 内視鏡用ラマン分光、CARS分光、SRS分光プローブ。組織深部の生体内診断を可能にします。
• ラマン分光、SHG分光、OCTを組み合わせたマルチモーダルイメージングプラットフォーム。包括的な化学情報と構造情報を提供します。
• AI支援によるスペクトル解析。自動化されたリアルタイム診断。
• ロボット手術およびデジタルパソロジーワークフローとの統合。

これらの技術革新によりラベルフリー光学イメージングは​​研究室だけでなく、病院、診療所、さらには手術室にも普及しつつあります。

ラベルフリーイメージングは​​科学と医学の両方に既に大きな変革をもたらしています。

• リアルタイムがん検出：ハーバード大学とメイヨークリニックで開発された誘導ラマン散乱（SRS）組織学により、外科医は脳手術中に腫瘍の境界を特定できるようになりました。これは精密腫瘍学だけでなく臨床応用への大きな飛躍です。
• 脂質代謝の理解：CARS顕微鏡は代謝性疾患における脂肪滴の形成と変化の仕組みを明らかにし、肥満と糖尿病の研究を前進させました。
• 線維症におけるコラーゲン組織化：SHGイメージングは​​肺線維症および肝線維症におけるコラーゲンネットワークのリモデリングを、初めてラベルフリーで可視化しました。
• 角膜バイオメカニクス：ブリルアン顕微鏡とSHG顕微鏡を組み合わせることで、角膜の硬さを定量化し、円錐角膜の早期診断を支援しました。
• 薬物送達と薬物動態：ラマン顕微鏡とSRSイメージングは組織内の活性化合物を追跡し、放射性または蛍光標識なしで製剤を最適化します。

これらの進歩はレーザーの精度と組み合わせると光自体が診断ツールになるという単純な真実を強調しています。

ラベルフリーの臨床イメージングは​​非侵襲的でデータ豊富なバイオフォトニクスの未来を象徴しています。レーザー技術は進化を続け、より高速、よりコンパクト、そしてより調整可能になっています。研究者や臨床医は、生きた、動的な、そしてラベルのない、最も本質的なかたちで生物学を探求できるようになりました。