生物学者にとって「百聞は一見に如かず」は真理です。しかし、生物学者は時として「見る」ことに大変な困難を伴います。特に悩ましい課題の一つが、無傷の組織サンプルに含まれるすべての分子を、その本来あるべき場所で、しかも細胞一つひとつのレベルで同時に観察することです。脂質から代謝物、タンパク質に至るまで、数百、数千もの生体分子の正確な位置を特定できれば、その機能や相互作用をより深く理解できます。しかし残念ながら、科学者たちはこの課題を達成するための優れたツールを持っていませんでした。顕微鏡を含むほとんどのイメージング法は、細胞内の分子を観察できますが、一度にほんの数種類の分子しか追跡できず、一部の脂質など、すべての種類の生体分子を検出できるわけではありません。一方、通常の質量分析法のような他の手法は、何百もの分子を検出できますが、無傷のサンプルには適用できないため、生体分子がどのように配置されているかを見ることはできません。
有望な技術の一つである質量分析イメージングは、これらの課題のいくつかを克服します。これにより、研究者は無傷の組織内で一度に数百の分子を見ることができます。しかし、その解像度は単一細胞レベルでの検出には不十分でした。
これこそが、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究センターであるジャネリア（Janelia）のシニアグループリーダー、メン・ワン博士（Meng Wang, PhD）が直面した問題でした。ワン博士と彼女のチームは、老化と長寿の背後にある基本的なメカニズムを研究しており、組織が老化するにつれて構成要素がどのように変化するかを理解するために、無傷の組織内で多種多様な生体分子を検出したいと考えていました。
「特定の各場所で、どのような分子が存在し、隣接する細胞に何があるかを知ることは、あらゆる生物学的な問いにとって非常に重要です」とワン博士は言います。
幸運なことに、ワン博士の研究室は、ジャネリアのプリンシパルサイエンティストであるポール・ティルバーグ氏（Paul Tillberg）の研究室のすぐ近くにありました。ティルバーグ氏は、マサチューセッツ工科大学（MIT）の大学院生時代に、膨張顕微鏡法と呼ばれる技術を共同で発明しました。この手法は、膨潤性のヒドロゲル素材を用いてサンプルを全方向に均一に膨張させ、細胞小器官の微細構造のような詳細を従来の顕微鏡で検出できるようにするものです。
発明から10年が経ち、この膨張プロセスは従来の顕微鏡法以外の分野にも応用され始めています。ワン博士、ティルバーグ氏、そしてウィスコンシン大学（UW）マディソン校の共同研究者たちは、この膨張法を用いて質量分析イメージングの空間分解能の問題を克服できないかと考えました。
その結果生まれたのが、元の膨張プロセスのように分子レベルで分解することなく、組織サンプルを徐々に膨張させる新しい手法です。無傷のサンプルを全方向に膨張させることで、研究者たちは質量分析イメージングを用いて、数百もの分子をその本来の場所で、単一細胞レベルで同時に検出することができるのです。
「これにより、分子空間をターゲットを定めずに見ることができ、私たちはそれを空間分解能の点で顕微鏡ができることに近づけようとしています」とティルバーグ氏は言います。
研究チームは、この新技術を用いて小脳の異なる層における小分子の特異的な空間パターンを明らかにしました。彼らは、脂質、ペプチド、タンパク質、代謝物、糖鎖などを含むこれらの分子が、これまで考えられていたように均一に分布しているわけではないことを発見しました。さらに、小脳の各層が、それぞれ独自の脂質、代謝物、タンパク質の「シグネチャー」を持っていることを見出しました。
チームはまた、腎臓、膵臓、および腫瘍組織でも生体分子を検出することに成功し、この手法が多くの異なる組織タイプに応用可能であることを示しました。腫瘍組織では、生体分子の大きなばらつきを可視化することができ、これは腫瘍の分子メカニズムを理解し、創薬開発を支援する上で有用である可能性があります。
「これらの生体分子を見ることができれば、なぜそれらがそのようなパターンを持つのか、そしてそれが機能とどのように関連しているのかを理解し始めることができます」とワン博士は言います。彼女は、この新技術によって、研究者が発生、老化、疾患の過程でこれらのパターンを追跡し、さまざまな分子がこれらのプロセスにどのように寄与しているかを理解できるようになると信じています。
この新手法は、既存の質量分析イメージングシステムにハードウェアを追加する必要がなく、膨張技術も比較的習得が容易であるため、チームは世界中の多くの研究室で利用されることを期待しています。また、彼らはこの新技術が質量分析イメージングを生物学者にとってより有用なツールにすることを願い、新手法の詳細な説明と他の組織タイプへの応用ロードマップを提示しています。
「私たちは、特別な装置や手順を必要とせず、広く採用されるものを開発したかったのです」とワン博士は言います。
この研究は2025年4月22日付のNature Methods誌に掲載されました。このオープンアクセス論文のタイトルは「TEMI: Tissue-Expansion Mass-Spectrometry Imaging（TEMI：組織膨張・質量分析イメージング）」です。
この研究は、ポール・W・ティルバーグ氏（ジャネリア）、メン・C・ワン博士（ジャネリア）、そしてリンジュン・リー氏（ウィスコンシン大学マディソン校）によって共同で監督されました。
写真；メン・ワン博士（Meng Wang, PhD）
