北海道大学ら、足場の信号を除き細胞固有のラマン情報を抽出する手法を開発

ニュース紹介

「細胞を取り巻く「足場」の影響を取り除き、ラマン分光で細胞本来の化学情報を抽出～複雑なハイドロゲル足場上のシングルセル解析の高精度化を実現～」

北海道大学 総合イノベーション創発機構 化学反応創成研究拠点（WPI-ICReDD）・電子科学研究所の小松崎民樹教授らの研究グループは、大阪大学大学院工学研究科、ドイツのライプニッツ光技術研究所、フランスのリール大学の研究機関などとの共同研究により、ラマン画像に陰に混入する足場環境自身の化学情報を局所的に推定・除去する方法「ALIVA（Adaptive Local Intensity Variation Adjustment）」を開発しました。ハイドロゲルなどの細胞培養の足場環境が、細胞のがん細胞化に及ぼす影響をラマン分光学に基づいて理解することが目的です。

ラマン顕微鏡は、染色や蛍光標識を用いずに、生きた細胞の分子組成を「化学的な指紋」として調べられる手法です。一方、細胞を生体に近い環境で培養するためのハイドロゲル自体もラマン信号を発するため、細胞の信号と重なります。足場の不均一性やレーザー照明むらによっても解析結果が左右され、足場環境の下で細胞由来の情報を正確に評価することは困難でした。

ALIVAは、地理学で知られる「近いものほど互いに関連が強い」というToblerの第一法則と、機械学習のベイズ最適化をラマン画像に適用します。細胞の各画素について、近傍の細胞外領域から足場環境由来の背景スペクトルを推定し、近傍をどの程度重視するかを決めるガウス重みを、画像ごとにベイズ最適化で自動調整します。

SS18-SSX1融合遺伝子を導入したマウスのC2C12細胞を、石英基板とPAMPSハイドロゲル上で培養して検証した結果、従来法に比べて足場由来のスペクトル差や画像間の不要なばらつきを低減し、細胞由来の生化学情報を抽出できました。ハイドロゲル足場によって誘導されるがん幹細胞化のメカニズムを、その場ラマン分光で解明する手がかりも見出されています。研究成果は、2026年11月6日公開の『Analytical Chemistry』誌にオンライン掲載されました。

出典：北海道大学 2026年11月11日 プレスリリース／掲載誌：Analytical Chemistry／DOI：10.1021/acs.analchem.6c03142
https://www.hokudai.ac.jp/news/2026/11/post-2499.html

FrontJournalの解説

この研究分野について

ラマン分光は、分子にレーザー光を当てたときに生じる「ラマン散乱」（分子の振動に応じて散乱光の波長が変わる現象）を測る手法です。分子ごとに異なるスペクトルが得られるため、細胞を固定したり溶かしたり標識したりせずに、分子の組成を調べられます。

「理化学研究所」と「大阪大学」は2015年に、ラマン散乱スペクトルで細胞の分化状態を染色せずに識別し、分化の途中で起こる変化を可視化した成果を発表しています。細胞を壊さずに状態を読み取れるため、培養中の細胞の品質評価への応用が研究されています。

①近隣の信号から足場の背景を見積もる手法

「北海道大学」の小松崎民樹教授らが使った「Toblerの第一法則」は、近い場所ほど性質が似ているという原則です。地理学者のウォルド・トブラー氏が1970年に発表しました。距離に応じて重みを付け、周囲の値から未知の地点を推定する空間補間の方法（逆距離加重法など）の土台にもなっています。

ALIVAはこの原則を、顕微鏡画像の中の細胞と足場に当てはめました。足場の信号が場所ごとに違っていても、細胞のすぐ外側にあるスペクトルを参照するため、細胞の位置に応じた局所的な補正ができます。

②重みを画像ごとに決めるベイズ最適化

ベイズ最適化（過去の試行結果から次に試す条件を選び、少ない試行回数で最適な条件を探す手法）は、評価に時間や手間がかかる問題の調整に使われます。ALIVAでは、近傍をどこまで重視するかを決めるガウス重みを、この手法で画像ごとに自動調整します。

足場の不均一性やレーザー照明むらは画像ごとに異なるため、重みを一つに固定せず画像に合わせて決められる点が、この設計の特長です。

FrontJournalからのひとこと

足場そのものの信号と混ざらずに細胞の信号を読めるようになると、材料の環境が細胞の状態をどう変えるかを、染色なしで比べる土台が整います。研究グループは、ハイドロゲル足場が引き起こすがん幹細胞化の仕組みを、その場ラマン分光で調べる手がかりが得られたとしています。培養材料の設計と細胞の評価をつなぐ解析技術として、今後の展開が注目されます。

FrontJournal編集部