[論文レビュー] Brillouin microscopy - a revolutionary tool for mechanobiology?

Robert Prevedel, Alba Diz-Muñoz+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2019

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 90被引用数 6

ひとこと要約

このレビューでは、回折限界分解能を有する非侵襲的・ラベルフリーな3次元光学弾性画像法としてのブリューヌアン顕微鏡法の可能性を評価している。この手法は、生きた生物学的試料の粘弾性特性を測定可能であり、ブリューヌアン散乱の背後にある物理的メカニズムを説明し、不均一な生物学的物質からのスペクトル解釈における課題にも言及している。また、機械生物学研究の前進に向けた可能性と限界についても議論している。

ABSTRACT

The role and importance of mechanical properties of cells and tissues in cellular function, development as well as disease has widely been acknowledged, however standard techniques currently used to assess them exhibit intrinsic limitations. Recently, a new type of optical elastography, namely Brillouin microscopy, has emerged as a non-destructive, label- and contact-free method which can probe the viscoelastic properties of biological samples with diffraction-limited resolution in 3D. This has led to increased attention amongst the biological and medical research communities, but also to debates about the interpretation and relevance of the measured physical quantities. Here, we review this emerging technology by describing the underlying biophysical principles and discussing the interpretation of Brillouin spectra arising from heterogeneous biological matter. We further elaborate on the technique's limitations as well as its potential for new insights in biology in order to guide interested researchers from various fields.

研究の動機と目的

• ブリューヌアン顕微鏡法が機械生物学分野において変革的ツールとなる可能性を評価すること。
• 複雑で不均一な生物学的材料におけるブリューヌアン散乱の背後にある生物物理学的原則を明確にすること。
• 生きた細胞および組織におけるブリューヌアンスペクトルから意味のある機械的特性を抽出する際の解釈的課題を扱うこと。
• 生物学、物理学、工学の分野の研究者が、この新興技術を適切に応用・解釈できるよう支援すること。
• 生物学的および医療的研究におけるこの技術の限界と今後の展望を評価すること。

提案手法

• 本稿は、物質内での熱的に励起された音響フォノンと光の相互作用によって生じる非弾性散乱（ブリューヌアン散乱）の物理的基盤をレビューしている。
• 散乱光の周波数シフト（ブリューヌアンシフト）が材料の弾性率に比例し、高感度分光法によって測定可能であることを説明している。
• 標準的な光学顕微鏡装置に分光検出機能を組み合わせることで、ラベルや物理的接触を必要とせず、生きた細胞および組織における3次元的機械的特性マッピングが可能である。
• サンプルの不均一性がスペクトル形状や解釈に与える影響について論じ、正確なモデリングとキャリブレーションの重要性を強調している。
• 従来のエラストグラフィー技術と比較し、非接触での測定と内在的な3次元断層撮影の利点を強調している。
• 現在の実験的実装例と技術的配慮事項（信号対雑音比のトレードオフ、空間分解能の限界など）を統合している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブリューヌアン顕微鏡法は、生きた細胞および組織の粘弾性特性を定量的かつ非侵襲的にどのように測定可能か？
• RQ2 生物学的に関連性のある不均一な材料におけるブリューヌアンスペクトルを支配する基本的物理的メカニズムは何か？
• RQ3 サンプルの不均一性や構造的複雑性は、生物学的系におけるブリューヌアンスペクトルの解釈にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ブリューヌアン顕微鏡法が生細胞および生体内応用において直面する主な技術的限界は何か？
• RQ5 ブリューヌアン顕微鏡法は、発生、疾患、および組織工学分野において、どのような新しい生物学的知見をもたらせるか？

主な発見

• ブリューヌアン顕微鏡法は、回折限界分解能を有する非接触・3次元的マッピングを、生きた生物学的試料において可能にしている。
• この手法は、非弾性散乱光の周波数シフトを用いて、材料の縦弾性率（縦弾性率）を測定可能であり、これは材料の剛さと相関している。
• 不均一な生物学的系では、多重散乱、局所的屈折率の変動、複雑な粘弾性応答の影響により、スペクトルの解釈が複雑化する。
• データ解釈の課題が存在するが、この手法は、生きた細胞、組織、および細胞外マトリックスにおける機械的特性測定の実現可能性をすでに示している。
• この手法は、機械的シグナル伝達、形態形成、疾患の進行を、試料を擾乱することなく研究する上で強く有望である。
• 著者らは、有望ではあるが、信頼できる定量的解釈を実現するためには、さらなるデータ解析およびキャリブレーションの開発が不可欠であると強調している。