在观察脊髓整体图像时不可或缺的BZ系列

冈野 荣之 教授

庆应义塾大学研究生院医学研究科委员长
庆应义塾大学医学部生理学教室 教授
医学博士

生于1959年。1983年毕业于庆应义塾大学医学部。在该大学医学部生理学教室担任助手后,历任大阪大学蛋白质研究所助手、东京大学医科学研究所化学研究部助手、筑波大学基础医学系分子神经生物学教授、大阪大学医学部神经功能解剖学研究部教授,自2001年起担任庆应义塾大学医学部生理学教室 教授。2007年起出任研究生院医学研究科委员长。主要研究领域为分子神经生物学、发育生物学、再生医学。至今已获得“日本医师会医学奖”、“Distinguished Scientists Award”、“文部科学大臣表彰(科学技术奖)”、“STEM CELLS Lead Reviewer Award”、“井上学术奖”、“紫绶褒章”等众多荣誉及奖励。国际干细胞学会理事。

探究神经细胞发育、再生的机理。同时开展以脊髓损伤治疗为目的的应用研究

在中枢神经系统再生这一前人未曾涉足的研究领域,冈野荣之教授拥有世界范围内领先的研究成果。他研究的领域很广,不仅从事剖析神经细胞发育及再生机理的基础研究,还着手于使用干细胞修复脊髓损伤的再生医疗相关的研究。他在不断试图推翻人类中枢神经系统一旦受损就无法再生的医学定论的同时,持续开展着确保高度安全性的再生治疗研究。

01. 促成神经系统疾病及损伤治疗的划时代研究

近年来,再生医疗正在逐渐成为可能。围绕ES细胞和iPS细胞的话题频频见诸报端,成为了社会关注的热点。皮肤再生技术已经部分实用化,人造血液等研究也正在不断推进当中。

而在各类领域中备受期待的,就是一直以来都被认为难于登天的脑及脊髓中枢神经系统再生医疗。这是因为,在很长一段时间里,医学界都将“成年哺乳动物的中枢神经系统一旦受损,将无法再生”视为定论。

而推翻这一定论,成就划时代发现的研究者,就是庆应义塾大学医学部的冈野荣之教授。冈野先生从成人脑部发现了神经干细胞,并验证了利用该细胞实现中枢神经系统再生的可能性。

图片:冈野先生研究室的主题之一……
冈野先生研究室的主题之一,就是构建起可利用神经干细胞,高效诱导出构成中枢神经系统的各类神经细胞(神经元)及胶质细胞的体系。图片援引自研究室的网站。

1990年代,冈野先生开始用果蝇研究神经干细胞的分化控制机构,随后又将小鼠和狨猴(接近于人类的灵长类动物)作为试验对象,不断开展神经发育控制机构的研究。他主要研究存在于成体脑中的神经干细胞,利用ES细胞和iPS细胞,向中枢神经系统发育机理的剖析发起了挑战。

图片:左图为能够分化形成神经系统的神经干细胞……
左图为能够分化形成神经系统的神经干细胞。右图为神经元。
(照片提供:砂堀毅彦先生、庆应义塾大学医学部 助教)

构成神经系统的神经元与胶质,都是由神经干细胞分化而成的。冈野先生希望通过查明分化过程的机制,明确脑细胞发育的基本机理,为神经系统疾病及损伤的治疗提供依据。这项研究的动向如今正在受到全世界的关注。

02. 为一直以来都被视为不可能的脊髓损伤治疗带来光明

冈野先生以治疗脊髓损伤为开展研究的重要目标。脊髓损伤是一种由坠落等事故或肿瘤等疾病引发的病症。脊髓一旦受损就无法自然再生,会导致运动功能及感觉知觉功能的部分或全部缺损。根据厚生劳动省公布的资料,仅在日本国内,每年就有超过5000人因交通事故等发生脊髓损伤;全国受躯体麻痹等症状折磨的患者累计超过10万人。

冈野先生开始研究神经系统再生医疗的契机,就是目睹了一位恩师因脊髓损伤导致行动不便的不幸遭遇。渴望找到治疗方法的医者使命感,促使他向未知的研究领域发起了挑战。他在研究中发现中枢神经系统再生医疗的可能性并公开发表后,许多为脊髓损伤所苦恼的患者都寄来了书信,让他又一次切身感受到了这项研究的重大意义。

图片:上图为将纤维芽细胞移植到损伤脊髓后的情况……
上图为将纤维芽细胞移植到损伤脊髓后的情况。下图为未经治疗的损伤脊髓(注入缓冲液的标本)。实际全长约为14 mm。均为HE染色后的放大拍摄图。利用All-in-One荧光显微成像系统BZ系列的“图像拼接”功能进行照片合成。
(照片提供:辻收彦先生、庆应义塾大学医学部整形外科)

目前,脊髓损伤治疗法的基础研究阶段即将告一段落,下一阶段的研究正在启动。
谈及理想,冈野先生是这样说的:“我们的目标是根治难以治愈的神经疾病,这是一片从未有人涉足过的领域。也正因如此,我们必须在通过基础研究积累理论实证的同时,推动可用于临床治疗的成果转化。我们正在全力开展研究,希望在不久的将来,能够将神经干细胞抑或是ES细胞、iPS细胞用于临床研究。为了实现高度安全的治疗,我们必须以严谨的态度开展基础研究,剖析再生机理”。

03. 积极致力于研究者培养及合作研究

冈野先生在大力推进神经系统再生医疗基础研究的同时,在新时代研究人员的培养上也下足了功夫。2003年,他的“干细胞医学与免疫学基础临床一体型基地 −基于人类细胞与in vivo实验医学的新探索−”入选文部科学省的“21世纪COE项目”,历经5年,成为了全球最高水准的基地之一,在干细胞生物学、再生医学、免疫学、自身免疫疾病研究领域取得了大量的研究成果。

图片:冈野先生
冈野先生表示,“正因为是能够激发研究者求知欲的领域,所以对年轻人的挑战怀有期待。”

“再生医疗领域是一个直面全球研究者残酷竞争的世界”,但与此同时,“我们能够开拓从未有人涉足过的领域,对研究者而言,世间还会有比这更加有趣、更有价值的工作吗?我由衷欢迎充满自信、舍我其谁的年轻人共同参与我的研究”,冈野先生诚挚地说道。

冈野先生对合作研究也很有意愿。“我们已经与其他的大学及民间企业共同创造了许多成绩,为了优化研究体系,今后我也想继续开展此类合作”。

冈野先生是神经系统再生医疗领域的杰出代表。他的行动或许能从根本上改变现有的医疗模式。

04. 汇聚全球名列前茅的研究者及设备的研究所

目前,冈野先生的研究室分设了5支研究团队和2个独立讲座。包括研究员、技师、秘书等在内共有约70名成员,在世界范围内也是规模居前的大型研究室。不仅建造了狨猴、小鼠、果蝇实验室,还完善配备有共聚焦显微镜、细胞分选仪等先进的观察测量设备,可以说是一家超高端的研究机构。

而在已经配备多台显微镜的情况下,研究室又新添了基恩士的荧光显微成像系统BZ系列。这是因为在决定购买前的演示操作中,这款产品的表现赢得了研究员们的高度评价。示例用途之一,就是脊髓损伤部位的干细胞观察。这项观察必须以低倍率观察脊髓的整体情况。

因为BZ系列拥有可以在大视野范围内实现高倍观察的样本细节的“图像拼接功能”,这项功能可以自动拼接多张高倍图像,在短时间内拼接出亮度均一的广域图像。可大幅度提高研究效率而备受好评。

图片:研究室内,精锐的观察、测量设备……
研究室内,精锐的观察、测量设备齐聚一堂

“过去,图像合成是一项费时费力的工作,会占用研究员的大量时间。而引进BZ系列后,原先要耗费2周的实验只需3天左右就能完成。效率提高后,我们就可以重复多次实验,增大n数,进而提高为正确性提供保障的‘再现性’。这在基础领域的研究中显得尤为重要,对我们这些追求真理的科学家而言,BZ系列能够带来很大的帮助”,冈野先生对引进BZ系列后的效果进行了如上的描述。

05. 在观察脊髓整体图像时不可或缺的BZ系列

引进后不久,研究室内就已经有20多名研究员开始使用BZ系列了。这正是因为研究员们发现BZ系列各类功能的使用便捷性,能够帮助他们提高研究效率。

“在开展未知领域的研究时,我们必须以格外严谨的态度,验证神经细胞究竟是真的发生了再生,还是单纯地表现出了一种特异性现象。为此,必须先用BZ系列对脊髓等的整体图像进行确认”,冈野先生这样评价道。

作为非常先进的研究室,这里引进了大量精锐的观察设备。即便如此,冈野先生仍表示“引进BZ系列是很有必要的”。“各大厂商推出了各式各样的高倍率及高分辨率显微镜,但根据我的判断,BZ系列才是观察细胞整体影像的不二之选。”

在决定是否购买时,他还考虑了BZ系列在研究所内的通用性。“在选择是否购买设备时,我不光考虑了某些特殊用途,还思考了其能否为所有研究员所用”。

图片:安装在观察室内的BZ系列……
安装在观察室内的BZ系列。节省空间也是它的优点之一

一款通用性的设备不仅要在各个方面发挥作用,还要确保任何人都能轻松使用。从这一点来看,BZ系列不同于共聚焦显微镜,不要求使用者具备高水准的操作技能,也无需配备专业技师。首次使用者也能在短时间内学会熟练使用,为研究提供帮助,这也是BZ系列的魅力所在。

除了提高研究效率这一点外,冈野先生还对BZ系列的图像画质进行了评价。他表示,“在审查论文时,其中使用的放大照片是否清晰,是一项非常关键的因素”。在这一点上,BZ系列也令人无可挑剔。

06. BZ系列的特有功能为研究高效化贡献力量

我们又采访了正在研究室实际使用BZ系列的研究员,请他谈谈使用感想。砂堀毅彦先生(庆应义塾大学医学部助教)正在研究大脑皮质中的神经干细胞分化机理,他在将狨猴大脑皮质的横切片制成标本,按照时间顺序拍摄神经干细胞分化产生神经元等实验过程中会用到BZ系列。

图片:砂堀 毅彦 先生
庆应义塾大学医学部助教
砂堀 毅彦 先生

不过在观察标本时,有时会与共聚焦显微镜并用,对此他是这样解释的:“在以低倍率观察整体、修正图像模糊等方面,BZ系列更能发挥作用”。此外,他时常还会用到“图像拼接”功能,拼接放大图像,对接缝及光量不均进行补正。

“一直以来,我们必须对图像进行逐张拍摄及手动拼接。不仅费时费力,还会出现浓淡不均的问题,很难确保图像的画质。引进BZ系列后,这一系列操作都实现了自动化,一下子就帮我们解决了问题。对6张左右的大脑皮质照片进行补正、合成,在过去可能要花上好几个小时,如今只需几分钟就能完成。图像的画质也相当不错,令我感到非常满意。”

砂堀先生还向我们表示,近年来论文中使用的照片“画质一定要好”,他本人在拍摄照片时也会时刻注意图像的画质。

07. “BZ系列在接通电源后能够快速启动,立即观察”

在观察标本的整体图像时,砂堀先生最喜欢的就是“快速全幅对焦”功能。利用电动Z轴载物台移动物镜的焦点位置,拍摄多张图像,就能获得全幅对焦的图像。对于中枢神经系统轴索这种景深不同的观察对象,使用这项功能可以避免繁琐的对焦操作。

图片:成体小鼠室管膜细胞的染色图像……
成体小鼠室管膜细胞的染色图像。
左图为横5张纵8张图像拼接而成的原始数据状态。接缝部分的浓淡不均很明显。
右图则是利用BZ系列“图像拼接”功能,对图像接缝处的浓淡差异进行自动补正后的图像。基本不会注意到接缝。使用BZ系列,“图像拍摄及合成、补正所需的时间不会超过3分钟”。
(照片提供:砂堀毅彦先生、庆应义塾大学医学部 助教)
图片:成体小鼠室管膜细胞的染色放大图像……
成体小鼠室管膜细胞的染色放大图像。左图为原始图像,呈现荧光模糊状态。右图则是用BZ系列的“去霾处理”功能除去荧光模糊后的图像。需要观察的细胞变得清晰。(照片提供:砂堀毅彦先生、庆应义塾大学医学部 助教)

此外,在测量标本内的细胞数量时,“混合细胞计数”功能也是一项很有效的功能。采用基恩士自主开发的抽取方法,不进行二值化轮廓抽取,而是根据亮度变化分离个体,对于严重沾黏的非圆形细胞,也能进行分离计数。“细胞数量的测量精度提高了”。

除了上面这些有助于研究的功能外,接通电源后快速启动的设计也广受研究员们的好评。“过去在使用荧光显微镜时,必须花费很长时间进行合适的设定,费时费力,使用BZ系列则能立即开始观察,非常便捷。经常使用BZ系列的研究生们也夸它用起来很方便。”

冈野先生的研究室在神经系统再生治疗研究领域走在世界前列。也正因如此,他们必须在今后更为残酷的国际竞争中赢得胜利。在研究成果日新月异的大背景下,如何实现实验标本的高效观察,是一项重要的课题。BZ系列凭借实用的功能与良好的使用便捷性,为开拓先进领域的冈野研究室提供了强有力的支持。

(截至2008年7月)

附录:冈野荣之先生此后的成绩

在全球范围内,首次利用人类iPS细胞成功治疗了小鼠的脊髓损伤

冈野荣之先生开展的脊髓损伤再生治疗研究,迎来了全新的阶段。在2009年2月4日开幕的“第5届庆应义塾尖端科学技术研讨会”上,冈野先生宣布了全球首次利用人类iPS细胞成功治疗小鼠脊髓损伤的消息。

在该实验中,他用人类的iPS细胞制造出神经干细胞,并移植到脊髓损伤的小鼠体内。实验结果表明,相比未移植组,在接受移植的29只小鼠中,绝大多数都表现出明显的运动功能恢复,并且恢复到了能够用后肢支撑体重,前后肢协调运动的状态。

小鼠的神经细胞结构与人类相似,这次实验的成功,让这项技术的人体应用又迈进了一大步。从目前来看,iPS细胞治疗可能存在诱发肿瘤的副作用,为了保证治疗的安全性,今后冈野先生将继续严密观察实验的各个环节。

<小知识> 神经干细胞

一种能够产生神经元及胶质细胞(神经系统的组成成分)的干细胞。过去,医学界中存在哺乳动物成体脑神经细胞不会继续增殖的定论,冈野先生的研究则发现脑中存在神经干细胞,这为中枢神经系统的再生医疗开辟了道路。

<小知识> iPS细胞

iPS是induced pluripotent stem cells的简称。通常称之为“诱导性多功能干细胞”。用体细胞制造出的分化全能性干细胞。从理论上来说,利用iPS细胞应该能制造出身体的所有组织。但是研究尚处在基础阶段,还有分化时的细胞肿瘤化等许多问题亟待解决。