Micro Photo Acoustics(MPA)社製 高分解能光音響 3D 顕微鏡 PAM

高分解能光音響 3D 顕微鏡(PAM)は、生体イメージング分野で利用可能な画期的な顕微鏡

です。 この PAM(Photo Acoustic Microcopy の略)という言葉は、国内では光音響 (又は、光超音波)技法を利用した顕微鏡として一般的には、紹介されています。

皮膚下の生体情報(主に、ヘモグロビンやメラニン、DNA、RNA(細胞核内))を皮膚にセン

サーを接触させ光を当てるだけで、無染色で、しかも非解剖(非侵襲)で 2D,3D イメージン

グ表示可能です。 更に外部注入可能なコントラスト剤 / SWNT(Single-walled carbon nanotube 単層カー

ボンナノチューブ)、ICG (Indocyanine green インドシアニングリーン)、金ナノ粒子、

MB (Methylene blue、メチレンブルー)、低分子蛍光プローブ（Alexa750、iRFP 等）)等が光音響プローブとして活用可能となり、マルチカラー表示による癌を取巻く血管像やア

ルツハイマー病での大脳皮質像とアミロイドβ等の相関関係を 3D 表示可能となりました。

-その応用範囲もここ数年で大きく飛躍し、活用範囲が大きく広がって来ています。

この技法の原型となる PAS(Photo Acoustic Spectroscopy の略)技法は、1880 年電話機開

発で有名な Alexander Graham Bell 氏が当時のサイエンス誌に発表した論文で紹介され、

分光技法の一つとして確立されました。その後、2000 年頃よりバイオメディカル分野で生

体画像診断装置として研究開発が開始されました。 その世界の先端研究機関の一つである米国ワシントン大学セントルイス校 Lihong Wang

研で この高分解能光音響 3D 顕微鏡の研究利用が進められ、その顕微鏡に関わる様々なラ

イセンスを所有しております。 そのライセンス供給を米国 MPA 社（Micro Photo Acoustics Inc の略.）が受け、商用モ

デルとして販売を開始致しました。

この技法の原理は、光を生体に照射すると、 その光吸収により生体内特定分子が励起状態 となり、その励起状態から定常状態に戻る際に 熱が発生します。 その周辺の温度差により発生する分子の 光音響波 (Photo Acoustic Wave)を検出する 仕組みを利用したものです。

歴史

原理

光吸収⇒ 熱 ⇒ 音響波（分子振動）発生

はじめに

OR-PAM システム

AR-PAM 光学系 【上図】OR-PAM システム概要 【左図】AR-PAM 光学系(抜粋)のみを記載

この高分解能光音響 3D 顕微鏡は、生体イメージング装置として、下図の例のように 小動物や人体等の皮膚へセンサーを接触させて計測します。 この装置は、下記のシステム図のような機器構成となっています。 レーザー光源より出

力された光 (パルス光)は、光ファイバーを経由して集光し、生体へ照射されます。 その発生する音響波 (Photo Acoustic Wave)を XY ステージ並びに、Z ステージを駆動しな

がら、水溶液に接した超音波センサーにて検出します。 そのレーザー照射光学系の違い

により下記２種類にモデルが分類されます。 ● OR-PAM (Optical Resolution: ポイント照射タイプ) ● AR-PAM ( Acoustic Resolution リング照射タイプ)

システムブロック図

表皮 (爪の付け根) 手のひら 腕の内側

耳での酸素飽和度情報を示す。 動脈(赤)、静脈(青)

組織内細胞内 DNA、RNA を PAM 計測像 HE 染色した細胞の光学顕微鏡像(20x NA0.45)

1. 動物、人体での血管像 ２．（耳）酸素飽和度(マウス) ３．血流計測

４．細胞内 RNA、DNA 像

アプリケーション（イメージギャラリー）

(耳) (頭部)） (背中)

血液流速を計測 d) 酸素飽和度 (各部位毎) e) 血流速度 (各部位毎 mm/秒) f) 血流速度プロファイル(縦線に応答図)

下図(左) 蛍光顕微鏡像 (アミロイドβ_白) 下図(右：上) ２フォトン顕微鏡 (アミロイドβ_赤） 下図(右：下) 光音響 3D 顕微鏡 (PAM) (血管: 赤、アミロイドβ: 緑)

頭蓋骨上部皮膚よりの計測例

５．大脳皮質画像（脳） ６ コントラスト抗体利用（Congo Red） 血管とアミロイドβ（脳）

７．癌

８．眼の網膜

アプリケーション（イメージギャラリー）

低酸素誘導因子(HIF)増幅にて血管新生が誘導されます。 血管(ノーマル) 血管新生(癌化進行時)

血管(赤)、メラノーマ(白)3D 表示

生体中での微細血管を

計測します。

下図は、左図拡大像です。 (左)微細血管内での赤血球 (右)微細血管サイズを表示

生体イメージングでの光透過特性

比較表 (光学技法)

生体に光照射しても全ての波長帯で光透過が起こる訳でなく、主に近赤外領域でのみ効率

的に透過現象が発生します。一般的には、下記のような吸収特性が生体計測で起こること

が知られています。本装置では、所定のレーザー波長領域(500-900nm)を用いて計測します。 下記の比較表は、一般的に馴染みのある光学技法を用いた顕微鏡と比較した資料です。

共焦点顕微鏡 (LSM)

２フォトン顕

微鏡(TPM) OCT 顕微鏡

光音響 3D 顕微鏡(PAM)

計測深度(Depth) 0.2mm 0.5mm 1mm 1mm(OR-PAM) 3mm(AR-PAM)

検出技法 蛍光法 蛍光法 光干渉法 光吸収法 マルチスキャニング計測 不可 不可 不可 可能 吸収感度 低感度(6%) 不可 低感度(0.4%) 高感度(100%) ドップラ－波 検出 不可 不可 可能 開発中 アーティファクト （エコー像）

無し 無し 有り 無し

酸素飽和度計測（Hb） 不可 不可 不可（低感度） 可能(オプション) 非侵襲計測（メラニン） 不可 不可 不可 可能 分子イメージング計測 可能 可能 不可(低感度） 可能 遺伝子計測 可能 可能 不可 可能 酸素消費量計測 不可 不可 不可 可能(オプション)

計測位置設定 ･･････ 計測 XY 位置設定 ● 計測条件設定 ･･････ 深度設定(Depth)、計測範囲設定

スキャン速度(Speed、遅延設定 / Trigger Delay) 、 Ａモード： 断層画像 Ｂモード： プロジェクション画像

計測モード 設定メニュー

計測画像表示

仕様 OR-PAM システム AR-PAM システム システム構成 顕微鏡(本体) 顕微鏡(本体)

OR 光学系、ステージ制御 顕微鏡(本体) AR 光学系、ステージ制御

レーザー 532nm(固体レーザー) 532nm(固体レーザー) ワークステーション ワークステーション ワークステーション 仕様 深度 最大 1.2mm 最大 3.0mm 分解能 (XY 平面) 最大 5μｍ 最大 45μｍ (Z 方向） 最大 15μｍ 最大 15μｍ ステージ制御 XY-移動距離 20mm(X) x 20mm(Y) 20mm(X) x 20mm(Y) XY-移動速度 0.625μm/S ~ 100μｍ/S 0.625μm/S ~ 100μm/S レーザー 波長（固定） 532nm 532nm 繰返し周波数 5-10KHz 1-2KHz パルス幅 8nS 10nS ピークエネルギー 100nJ/Pulse (@5KHz) 0.5mJ/Pulse (@1KHz) ソフトウェア 機能について スキャン・モード A モード B モード

収集機能 － XY 計測位置、計測範囲 － 深度設定、スキャン速度 計測像表示機能 － 断層画像 － プロジェクション画像

収集機能 － XY 計測位置、計測範囲 － 深度設定、スキャン速度 計測像表示機能 － 断層画像 － プロジェクション画像

オプション 490nm/ 560nm 700nm-900nm (チューナブル)

490nm/ 560nm 700nm-900nm (チューナブル)

仕様は予告なく変更する場合がございます。予めご了承願います 理化学機器営業部 〒105-0014 東京都港区芝 3 丁目 5 番 1 号 コーンズハウス

Tel: 03-5427-7568

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印刷番号 201404001-01C

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