極小の秘密

ラッセル・カーシュマンが登場する前、顕微鏡で見る世界は、コロンブスが航海を始める前の人々が世界全体をどのように認識していたかとほぼ同じように、つまり平らに見えました。顕微鏡を使えば、物体の表面を見て内部をある程度把握できますが、その真の三次元構造は謎のままでした。マジックテープの2つの部分がどのようにくっつくのか、ペーパータオルの細孔のネットワークがどのように水を吸い上げるのか、さらには皮膚を構成する3つの異なる層がどのように相互作用するのかさえ、誰も正確には知りませんでした。その後、カーシュマンは新しい種類の顕微鏡を発明し、科学者の見方に革命をもたらしています。

たとえば、プロクター・アンド・ギャンブル社の科学者たちは、ケルシュマンの技術を利用して、骨が成長するにつれてさまざまな薬剤にどう反応するかを研究している。サンディア国立研究所のエンジニアたちは、極小ロボットを作るために使用する小さなネジや歯車を測定するために、この新しいスコープを使用している。「これがなかったら、私たちは困ったことになります」と、ロチェスター大学の小児心臓専門医、クリスティン・ミラー氏は言う。ミラー氏は、この新しい画像化技術を使って、ニワトリの胎児の心臓の周りの血圧が上昇すると先天性心疾患を引き起こす可能性があるかどうかを調査している。

「私たちは他の技術を使って1年半これをやってきましたが、何も得られませんでした。」
ケルシュマン氏のキッチンテーブルで場所を取らせすぎた装置として始まったものが、今ではカリフォルニア州コルテマデラに本社を置く、数百万ドル規模の企業、レゾリューション サイエンシズ コーポレーションの中核となっている。デジタル ボリューム イメージングと呼ばれるこの技術は、科学者が間近で見たいほぼあらゆるものの正確な 3 次元画像を提供する。画像は回転してあらゆる角度から見ることができ、開いてサンプルの内部を見せることもできる。

カーシュマンの画像はこれまでのものと大きく異なっており、メーカーや科学者に、自社製品についてこれまで知らなかったことを教えている。例えば、カーシュマンがベルクロを画像化したとき、彼はその素材が非効率的に作られていることを知った。結合繊維のほとんどが接触しないのだ。

カーシュマンの画像は、メーカーが同等の強度を持ちながら製造コストが低いベルクロを開発するのに役立つ可能性がある。「私たちの研究室では、これまで誰も見たことのないものをほぼ毎日見ています」とカーシュマンは言う。「そして、私たちはこの技術のあらゆる応用を学び始めたばかりです。」

人々は150年以上もの間、自然界を間近で観察するために顕微鏡を使ってきました。そして、顕微鏡の装置はますます高性能になってきました。しかし、既存の顕微鏡は、髪の毛数本よりも大きなサンプルを拡大すると問題にぶつかります。サンプルの内部の詳細を3次元的に捉えることができないのです。

病理学者のカーシュマン氏は、ボストンのマサチューセッツ総合病院のウェルマン光医学研究所で働いていた約 15 年前、この問題に直接遭遇しました。この研究所では、ポートワイン ステインやクモ状静脈など、見苦しい皮膚の欠陥の原因となる膨張した血管をレーザーで治療する方法を開発していました。カーシュマン氏の課題は、皮膚に弾力を与えるタンパク質であるコラーゲンを損傷することなく、血管を収縮させる特定のレーザー エネルギーとパルス長を決定することでした。

医師はボランティアから皮膚サンプルを採取し、それをケルシュマンが
ケルシュマン氏は、まず、血管をワックスでコーティングし、紙のように薄い切片に切り分けた。そして、顕微鏡で各切片を調べ、血管の分岐ネットワークのどこにレーザーが最初に当たったかを確認した。しかし、ケルシュマン氏はすぐに挫折した。既存のスコープを通して見ていた2次元の世界では、本質的に3次元の問題に答えを出すことができなかったのだ。

「よく見ることができませんでした」と彼は回想する。「血管のそれぞれの断面は丸く見えますが、血管がどのようにつながって分岐しているかはあまり分かりません。」

ケルシュマンは、サンプルの個々の部分をすべて反映した合成 3D コンピューター画像を生成することは可能だとわかっていた。しかし、切断の過程でスライスがひどく歪んだり損傷したりするため、後でそれらをつなぎ合わせても、非常に不正確な画像が作成されることもわかっていた。それは、柔らかいパンをスライスし、押しつぶされたスライスを再び接着して、元のパンの形を再現したと仮定するようなものだ。

ケルシュマン氏は最終的に、切断の問題を回避する方法を考え出した。最初に物体を細かく切り分けて何百枚ものスライドガラスの上に置くという従来の方法ではなく、物体の撮影と切断を交互に繰り返して、最終的に精度を高めるという連続的なプロセスを採用することにしたのだ。

ケルシュマン氏は通常、鉛筆の消しゴムほどの大きさのサンプルから作業を開始する。サンプルは蛍光染料で染色され、硬い黒いプラスチックに埋め込まれる。次に、サンプルを顕微鏡に固定する。顕微鏡からサンプルにレーザー光を照射すると、蛍光染料が励起される。デジタル カメラで画像を撮影し、刃でサンプルの外層を切り取る。切り取りによって損傷した外層は廃棄されるが、サンプルの残りの部分はそのまま残る。次に、サンプルの露出したばかりの層を画像化し、その層も取り除く。この 2 段階のプロセスが何度も繰り返されるうちに、サンプルは徐々に縮小し、ついには何も残らなくなる。しかし、残るのは各層の約 1,000 枚の画像で、コンピューターに保存されている。ソフトウェア プログラムがそれらをコンパイルして、元のサンプルの非常に詳細な 1 枚の 3 次元ビューを作成する。

ケルシュマンの 3D 画像の精度をさらに高めているのは、サンプルを包んでいるプラスチックが黒色であることです。この不透明さにより、顕微鏡からの光がサンプルに当たったとき、最も外側の層のみを透過します。この層は、次の検査で除去されます。その結果、画像間の視覚的な重なりはありません。

処理が完了すると、Resolution 社は合成画像とその多くのコンポーネントが入ったディスクを顧客に送ります。同社はまた、顧客がデータを表示、分析、操作できるようにする特別なソフトウェアを搭載したコンピュータ ワークステーションも提供します。パッケージの価格は 24,000 ドル以上ですが、顧客はそれだけの価値があると言っています。

「ギアについて、これまで知らなかった多くのことが分かりました」とカリフォルニア州リバモアのサンディア国立研究所の科学者ダグ・チン氏は言う。チン氏は、長さ数百ミクロン、ボールペンの先の半分ほどのギアやネジを製造している。これらは、薬剤を送達したり移植細胞を保護したりするために将来的に人体に埋め込まれることを期待されている小型ロボットなどのマイクロメカニカルデバイスの部品である。部品の設計には、エンジニアはコンピューターの図面を頼りにする。しかし、チン氏によると、Resolution が登場するまで、製造された部品の寸法が実際に図面と一致しているかどうかを彼のチームは判断できなかったという。「Resolution の技術により、部品の側面を見ることができます」と同氏は言う。「同じ情報を提供する技術は他にありません。」

一方、カリフォルニア工科大学パサデナ校のベックマン研究所の生物画像センターでは、アンディ・エワルドがカエルの胚が成長するにつれて細胞がどのように動くかを追跡しようとしている。しかし、胚は不透明なので、内部を見ることはできない。エワルドは、特定の細胞に蛍光染料でタグを付け、Resolution 社に、最初の細胞の塊から臓器が認識できる胎児まで、さまざまな成長段階の胚の画像を作成するよう依頼することで、この問題を回避している。このデータにより、エワルドは胚の内部を見て、タグを付けた細胞が最終的にどの臓器になるかを判断することができる。

ケルシュマン氏の技術は確かに便利だが、完璧というわけではない。科学者の中には、顕微鏡は 8 ミリメートル (角砂糖くらい) より大きいものは扱えない、またサンプルが最大サイズに近づくにつれて画像の解像度が落ちる、と不満を言う人もいる。問題はハードウェアだとケルシュマン氏は言う。今日のコンピューターは彼のデータを十分な速さで処理できないのだ。

それでも、カーシュマンのスコープは極小の世界を一変させている。科学者たちは100年以上もの間、正確な顕微鏡の3D画像を作成しようとしてきたが、これまでは対象物がどのように見えるかを描いた芸術家の描写に頼らざるを得なかった。「私たちは本物を作り出しているのです」とカーシュマンは言う。