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ストロボスコープ型遠心顕微鏡の試作とその細胞生物学
への適用
上坪, 英治
一橋論叢, 96(6): 791-797
1986-12-01
Departmental Bulletin Paper
Text Version publisher
URL
http://hdl.handle.net/10086/12748
Right
Hitotsubashi University Repository
（125）研究ノート
︽研究ノート︾
英 治
ストロボスコープ型遠心顕徴鏡の試作
とその細胞生物学への適用
上 坪
遠心顕微鏡︵8鼻・巨oqo邑o旨m8喝一〇室ω︶は、任意の遠心
加速度場における細胞およびその部分の状態・挙動などを光学
ンズ一〇・二〇倍、接眼レンズ一〇倍を搭載するため、試料の
＾1︶
ピデオCMS︵テレビジ目ンCMS︶の光学系は、対物レ
ボ機構の遠隔操作により、ローター回転中の試料の照準．遠心
中程度の拡大が可能である。回転子︵・9昌︶に内臓されたサー
への走査ができないことは、実験・観測をおこなう上で重大な
︵求心︶方向への走査も可能である。しかし、試料の接線方向
支障をきたす。試料の種類・サイズ等も大幅に制約される。ロ
ーター回転中にコンデンサー絞りの開閉が出来ないことも惜し
まれる。ローター重量が大きいため、その回転数−すなわち
加速度を保つのは容易である。
遠心加速度の急速な増減は不可能である。ただし、一定の遠心
上坪によって新たに老案されたストロボスコープ型CMSは、
心・接線両方向の走査、コンデンサー絞りの開閉が可能である。
ローター回転中に通常の光学顕微鏡と同様に試料の照準と遠
光学系の分解能は従来の機種のいずれよりも高い。遠心加速度
顕徴鏡観察するための装置である。これによって、細胞およぴ
その部分の主として物理的諸性質ーたとえぱゾウリムシの細
本論叢に解説した︹m︺。
各種のCMSの原理・構造・機能等の詳細については、先に
る。
測・実験が可能となり、また比較的容易となることが期待され
他のCMSでは不可能もしくは著しく困難であった各種の観
ことを意味する。以上のことから、ストロボ型CMSによれぱ、
ある遠心加遠度場における温度の影響をみることが容易である
の急速な制御も自由自在である。ローターおよぴ試料の温度は
＾2︶
室温と等しく、回転にともなう上昇の懸念がない。このことは、
胞質の粘性︹1︺、ウニ卵の表面カ︹2︺などを測寅すること
5，6，7，8，9︺。
ができる。また、種々の生理学的研究に用いられる︹3，4，
遠心顕微鏡︵以下CMSと賂す︶にはブラウン型．ハーヴェ
イ型・ピデオ型の三種類が知られていた。このうち、ハーヴェ
イ型のものは現在ほとん。ど稼動しておらず、新たな製造．販売
もされていないo
ブラウン型CMSは、原理・構造ともに単純で、簡易な使用
〇倍程度︶に限定される。
法と相侯って極めて有用であるが、光学系が低倍率︵綜合一〇
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第6号（126）
第96巻
一橋論叢
ストロボ型CMS試作上の問題点
画像の静止も良好である。
が必須である。試料位置検出センサー︵タイミングセンサー︶
ストロボ光源を発光させる。このため、試料位置の正確な検出
ストロボ型CMSでは、試料が対物レンズ直下に来た瞬間に
を踏まえ、八一年秋ストロボ型CMSの試作に着手し、八五年
一九八○年から翌八一年にかけておこなった予傭試験の結果
審一応の完成をみた︹11︺。基本設計・組立て・調整・試運転
クターを試用したが、応答速度やや遅く、かつ外部ノイズ光に
として、発光ダイオード・フォトトランジスタ型フォトリフレ
よる誤信号を出し、像の不連続な跳ぴや誰止不良の原因となっ
を繁者が担当、トリガーバルス発生回路・電子回転計その他の
学︶が分担、光学系およぴ回転子系等の機械部分の設計・製作
電気回路都分の設計と製作を菊山宗弘理博︵新潟薬大・物理化
ブ製︶にとり換え、ローター回転軸に関し対物レンズとほぼ対
センサーを位置検出特性の良いフォトインタラプター︵シャー
た。その後、浜松ホトニクス︵株︶犬橋義春氏の提案により、
と援助がありた。
称位置にラヅクピニヨンによって支持した。ローターの試料容
はニッコーエンジニアリング︵株︶がおこなった。多くの協カ
には種々の技術的困難があった。とりわけ、この方式にとって
ストロボ型CMSの原理は極めて単純であるが、その実用化
通過するとき、同時にビンがフォトペンタヲプターを通過し、
トプレー力1︶を固定した︵図1︶。試料が対物レンズ直下を
器セット溝正反対側に、ローター半径の延長方向にビン︵フォ
ビニ目ンによりローターの接線方向に動かせぱ、試料の接線方
基本的に重要な、つぎの 二 点 に つ い て 記 録 し て お く 。
当初、光源として菅原製作所製ストロボ装置﹁ナノバルサ﹂
︵アルゴン水素放電管、発光時間七五ナノ秒︶を試用したが、
は自由︶。ローター回転数毎分八○O∼五〇〇〇回、得られる
X三四X三ミリメートル︵この範囲内であれぱ容器のデザイン
五−四〇、・、リメートル、試料容器セソト溝の幅・長・深さ一〇
回転子系▽口ーター半径五〇、ミリメートル、宥効遠心半径二
完成機の主な仕様はつぎのとおりである。
完成した試作機の仕様
センサー電流がパルス発生回路に送られる。センサーをラック
ジヅター︵旨津實︶が長く︵最犬三〇〇ナノ秒︶、かつ再現性悪
向の走査を自由におこなうことができる。
＾3︶
く、そのため遠心下の試料顕微鏡像の静止不良を来たした。ま
た、使用中、アルゴン水素混合ガス圧︵定格二・五気圧︶が突
からガスを注入しなけれぱならなかった。止むを得ず、原理的
然低下し︵放電停止←実験の中断︶、その都度、付属のボンペ
には不利であるが、発光時間の長い︵一五〇ナノ秒︶キセノン
放電管を用いることにした。キセノン管のジッターは約三〇ナ
ノ秒でほぼ一定、輝度もアルゴン水繋管より高く︵約二倍︶、
ガス封入型であるため前記のようなガスのリークはおこらない。
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（127）研究ノート
さしたる影響はない。
野絞りは芯出し機構を欠くため取り外したが、光挙系の性能に
ピデオカメラおよぴVTR系▽遠心加遠度場における試料の
〇x9︵二〇倍対物レンズ使用の場合は最高毎分一〇〇〇〇回
転・約四五〇〇×g︶。回転数はローター一回転．ことに出るト
顕微鏡像は、通常、ピデオカメラ︵池上通信機CTC二六〇〇
遠心加速度は遠心半径四〇ミリメートルのとき三〇：約一〇〇
リガーパルス信号を毎分当りの回転数︵RPM︶に変換し、タ
スーパーカルニコン撮像管またはナシ百ナルwVl一五五〇
ルト駆動。モーター回転数の制御はスライダヅク︵二連︶によ
れる。モニターにはローター回転数およぴピデオタイマー︵朋
コントラストを適当に増強したのちピデオモニター上に表示さ
必要に応じレコードブースター︵朋栄RB−一〇R︶によって
二＾ーピコン撮像管︶により対物レンズ一次像を直接撮像し、
イトルジエネレーター︵朋栄TGI一六〇︶によってピデオモ
ニター上にリアルタイムでディジタル表示する。ローターの回
り供給電圧を昇降させておこなう。ローター重量は約一二一グ
栄VTGI八八︶による時間︵年月日時分秒︶が同時にスーバ
転は整流子モーター︵ナシ目ナルSSCl八二一C︶によるベ
ラム︵試料容器・カゥンターバランスを負荷して約一一四グラ
ーインポーズされる。モニター画像は随時VTR︵ピクターU
ーグラス厚み補正環つき。照明法、明視野・ノマルスキー微分
DIC︵長作動距離、開口数○、五五︶、二〇・四〇倍はカバ
試料像を直視しつつVTR記録することも可能である。ロータ
応じ、対物レンズとピデオカメラの間にファインダーを挿入し、
三〇︶に録画され、反復再生して解析される︵図1︶。必要に
マチックカセットcR1六〇六〇またはナシ目ナルNv1八〇
ム︶であり、モーター回転数の変化に即時追随する。
干渉︵対物レンズニ○倍のとき有効、四〇倍では光源輝度不足︶、
こなう。実験条件その他同時記録のためにはVTRの録音機能
ー停止中の試料の観察は、ストロボを五〇ヘルツで放電してお
光学系▽対物レンズ、ニコンCF一〇・二〇DIC・四〇
〇、一五倍。コンデンサー、ニコン長作動距離︵開口数O、五
アウトしてレンズ交換をおこなう。この機構は実際には極めて
対物レンズの倍率変換は、鏡筒をアーム軸まわりにスイング
が、一年半の試用中に若干の間題点を見出した。
世界初のストロボ型CMSは上記のように一応の完成をみた
改良を要する点
を利用する。
位相差は割愛。直接観察の場合の接眼レンズ、ニコンCFW一
二︶。試料の照準、直進ヘリコイド方式。試料の走査、遠心方
向は光学系全体の移動による︵回転軸から二五∼四〇ミリメー
トル︶。走査位置︵対物レンズの位置、遠心半径︶は光学系を
積んだスライディングステージの移動用マイクロメーターによ
って読みとる。接線方向の走査はタイミングセンサーの移動に
よる。走査幅は約一〇、ミリメートル。遠心・接線両方向の走査
を同時におこなうことも容易である。光源、前述のとおり。視
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一橋論叢
ンズ交換をおこなっている。将来、レボルバー方式に改めると、
き良好、四〇倍では不良であった。
同期させるものであるが、テスト緒果は対物レンズニ○倍のと
ピデオカメラ制御系へ送り、ストロボの放電とカメラの走査を
は、ストロボ制御装置へ送るトリガiパルスを分岐して同時に
ワンタヅチで倍率変換が可能となる。
最近、高性能で比較的安価な画像処理装置が普及しつつある。
不便である。当座の解決策として、鏡筒を垂直にひき上げてレ
が不足である。対策として超高感度ビデオカメラの使用が考え
日本アピオニクス︵株︶のイメージシグマを借用してバーノイ
、ス消去を試みたところ、極めて良好な結果が得られた。ノイズ
四〇倍対物レンズ使用時に、微分千渉照明のための光源輝度
られるが、画質が低下するため望ましくない。明視野照明法に
絶大な効果があった。
除去のみならず、像コントラストの増強・画質の改善などにも
おいては、光源輝度・カメラ感度ともに十分であるから、この
間題はむしろ画像処理によって解決を図るのが上策である。
ー画面を上下に移動して現象の観渕・解析を妨害する。解決法
生じる。バーの数はローター回転数に応じて増減しつつモニタ
平本ら︹2︺はムラサキウニ未受精卵を用い、種々の遠心加
二・三の研究がおこなわれ、若干の知見が得られた。
一九八五年二月以降、ストロボ型CMSの性能試験を兼ねて
ストロボ型CMSによる新知見
CMS像をピデオカメラによってモニター・録画する場合、
回ーター回転数とピデオカメラの走査︵毎秒六〇フィールド、
を種々試みた結果、コンデンサー絞りを十分絞りこむことによ
ってバーノイズはほとんど無視できる程度になることを見出し
面カ︵H雪9昌g9Φ8自蜆胃h富o︶として○、〇四ダイン／
速度場における卵の変形をピデオ記録し、その変形度から卵表
三〇駒︶とが同期しないため、モニター画面上にパーノイズが
た。この方法は、モニター画像のコントラストを滅少させ︵光
際はその分解能を低下させる。ただし、試料の性質・実験目的
バフンゥニ卵について押しつぷし法で得た値︵○、〇三ダイン
センチメートルという値を得た。これは平本︵一九六三年︶が
一、ウニ卵表面力の測定
挙系のみの直視観察では増大する︶、四〇倍対物レンズ使用の
等によってははなはだ有用である。
二、原形質流動停止と細胞質の粘性変化
車軸藻類節間細胞は電気刺激によって興奮し活動電位を発生
／センチメートル︶に極めて近い。
の映像信号を電気的に微分することによってバーを消去するも
回復する。流動停止の原因として、細胞質粘性の上昇説︹12︺
する。これに伴い原形質流動が瞬間的に停止し、五∼十分後に
バーノイズ消去について、浜松ホトニクス︵株︶の大橋義春
ので、可成り有効である。ただしモニター画面が暗くなる欠点
氏は二つの案を示し、かつ実施された。一つは、ピデオカメラ
があり、特に高倍率観察の場合それがいちじるしい。第二の案
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（129）研3宅ノ’ト
ルクの細胞質の粘性は変化しないという。部分鉛処理法と電気
と流鋤原動カの一時消失説︹13︺とがある。後者は停止時にバ
必要な油球の密度は、純水中における油球の移励速度を適当な
トークスの式によって内質の見かけの粘度を算出した。計算に
一〇∼数一〇Qセンチポァズであり、ずり遠度の増加とともに
得られた内質の見かけの粘度は、ずり遠度毎秒一∼一〇で数
︹17︺の値を用いた。
遠心加速度下で測定して求めた。内質の密度は神谷・黒囲
前者を支持する︹14︺。
刺激の組合わせによって誘起されるUターン現象は、間接的に
低遠心加遠度︵約五〇X9︶下のミルフラスモ節閲細胞を、
質申に存在する種々の”構造。がその進路を妨げたためと考え
減少する。油球が一定速度で移動しない例が多数あったが、内
圧電繋子によって非接触電気刺激すると、細胞皮層部︵動因座
のいずれに向かうものも瞬間的に停止し、数秒ないし一〇数秒
近傍︶の紬胞質願粒は、申立線をへだてて遠心方向・求心方向
お、バルクの内質と嚇因座繊維との界面︵いわゆるゾル・ゲル
られる。これらの構造がなんであるかは目下検討申である。な
界面︶の粘度は、毎秒五〇∼八○のずり遠度のために著しく低
間静止︵粘性の犬幅な上昇？︶したのち、徐々に運動を再開す
て一且停止したのち遠心端に向け後退する場合がある︵粘性低
いと思われるが、詳くは別途研究する必要がある。以上、上坪
る。動因座よりやや内側を求心端に向かう願粒は、刺激によっ
下か？︶︹正、16︺。以上の知見は二〇倍対物レンズを用いて得
四、嫌皮動物卵細胞質のカ学的性質
と金田による︹18︺。
ラ︶卵細胞質の初期発生における硬さの時間的変化・局所的差
金田ら︹19︺は、嫌皮動物︵イトマキヒトデ、タコノマク
られた。より詳細を知るぺく四〇倍対物レンズを用いて研究継
三、 車 軸 藻 類 紬 胞 質 内 質 の 粘 度 測 定
続中である。
ミルフラスモ節間細胞をブラウン型CMSによって遠心処理
このような細胞をストロボ型CMSによってさらに遠心する
有物が分層される。同域では数時間原形質流動がおこらない。
卵のそれと等しくした。
を用いて粘度を求めた。なお、海水の密度はパーコルを用いて
遠心方向に移動する。この移動速度を測定し、ストークスの式
gの遠心カをかけると、金徴小球は紬胞質との比重差によって
ーター︶をガラス徴小針で挿入し、紬胞全体に五〇∼五〇〇x
と、分層した葉緑体や核の間陳に混在する内質から油球︵直径
異を測定した。細胞質内に金の微小球︵直径三∼六マイクロメ
約一〇マイクロメーター︶が抜け出し、葉緑体・核の上に重畳
から、従来の各種の方法によって得られた知見と較ぺ、より優
現在データの解析が進行中であるが、本研究法の高い分解能
し、遠心端部に葉緑体剥落域をつくる。剣落域には、遠心端か
した内質の中を求心端に向かって移動する。この油球の移動速
ら順に葉緑体・核・細胞質内質・トノプラストを介して液胞含
度を大小の遠心加速度場︵一〇〇∼四〇〇X9︶で測定し、ス
795
■
一橘論叢第96巻第6号（130）
れた結果が期待される。
︹1︺ d昌峯∼界声−．一−．向Xや︸一〇一’ミωミ︵岩き︶
文献
︹2︺雪量昌o員＜．彗O声く9＆三−タ量o庄oaぎ8＝
旨o−︵H謁α︶
巨〇一〇簑一ミ一‡少向p↓1■．ωo葦註8＞s3邑o勺﹃o詔
謝辞
記して厚く感謝します。順不同。三鬼エンヂニアリング︵株︶
Hoξoしp塞㎞︵岩8︶
︹4︺︸ξ轟貝Hl二〇ざ葦勺岩Φ易Oo昌．Ω實．畠．O邑く．
︵5轟︶
︹3︺宍葭邑事オー彗︷界宍胃o註一軍o♂亘霧目芭一さ−案
ストロボ型CMSの試作に当り、次の方々の御協カを得た。
︹現MSDサプライ︵株︶︺申川久史氏︵回転数表示回路︶、ク
ォンテル︵株︶西子雅美氏︵レコードプースター、ノイズ防止
ピデオカメラ徴分回路その他︶、新潟薬大菊山宗弘氏︵トリガ
等︶、浜松ホトニクス︵株︶犬橘義春氏︵タイミングセンサー、
︹6︺穴因昌豪き9向∴雪9o亘顯竃Pぶ3︵5S︶
︹5︺ 宍纈昌豪亭9戸一勺8o﹄岩與目＞o邑．き一8N︵s象︶
︹7︺丙葭昌茅亭9向−一巨9＝峯g一一身一量〇一〇邑鶉彗o
ーバルス回路、電子回転計その他︶。
御励ましをいただいた大阪大学名誉教授・日本学士院会員神
○轟與昌■算−o冒 N︷H一向o眈一ω．匡芭冨昌o 9芭ポO昌く一Ho片︸o
谷宣郎先生、東犬︵現茨城大︶教授林俊郎氏、犬阪市大教授増
牢鶉9Ho耳o︵5s︶
二N︵5ooα︶
︹9︺宍胃o量宍．9巴一掌oo．﹄岩彗ぎ邑．員ω彗申
︵H湯H︶
︹8︺穴胃o旨一宍．竃q字宍顯目一這一里o︸8一〇岬さ員aω
田芳雄氏にお礼申し上げます。
なされた。
本研究の一都は文部省科研費試験研究︵二︶援助金によって
︵1︶ 文献︹8︺における名称。文献︹9︺ではく巳88宇
区h品o邑go閉8潟 と 改 称 。
︹u︺ 菊山宗弘・上坪英治一圓本植物挙会第五〇回大会︵新
︹10︺ 上坪英治一一橋諭叢、八六︵六︶、一一七︵一九八一︶
︵2︶ ピデオCMSではローターがガード容器内にほぼ密閉
ー・試料︶の温度が上昇する。これを避けるために、別に
︹13︺ぎ墨轟一竃．竃q戸匿邑目o8一里竃一淳Oo二雲㌣−
︹12︺ O監竃一ω．一手8せ鶉昌︸一ふH竃︵乞轟︶
潟︶講演要旨二一九員︵一九八五︶
されているため、ローター回転にともない容器内︵回ータ
設けた冷却装置から容器内へ冷風を送る。
間差。
︵3︶ 励起信号が入ってから放電管の発光のビークまでの時
色o−−一〇一蟹H︵岩亀︶
796
（131）研究ノー｝
︹〃︺ 内纈目岸岬目σ9■．“O固P −．■O庁一1︸戸Nαo ︵−ΦNΦ︶
p
︹15︺ 上坪英治・菊山宗弘一圓本植物挙会第五〇回大会︵新
G
潟︶講演要旨二五七頁︵一九八五︶
︹脆︺ −︵曽目一岸蜆目σO−向．“﹄．峯冒mo−o 射o叩‘ Oo＝ 買o匡−J “ NNα
︹ーア︺ 賓胃ξぷ21彗ρ穴−肉胃＆四一厚oo−﹄毫彗＞o邑・§一
︵H凄ひ︶
︹18︺ 上坪英治・金困勇一目本植物学会第五一回大会︵鹿児
A−D
山一
■I
C
XT
米
N
♂ ω ︵ − 温 N ︶
VTR
肥
︹19︺ 金囲勇・上坪英治・平本幸男一第三九回目本細胞生物
τ
VT
島︶講演要旨二一八頁︵一九八六︶
挙会大会︵東京︶講演要旨七一頁︵一九八六︶
図ーストロボ型遠心顕徴鏡
コローター、冨一タイミングセンサー、埋H一パルス発生回
路兼電子回転計、ω9ストロボ制御装置、×H一キセノン放
レンズ・く？ピデオカメラ、＜09ピデオカメラ制御装置、
電管、？コンデンサー、竺試料容器中の試料、O亘一対物
射■“レコードブースター、＜↓一ピデオタイマー、↓〇一タ
イトルジェネレーター、くH宛一ビデオテープレコーダー、
ニター、弓一函像処理装置。ローター駆動装置は省略。説
＞−U一アナログ・ディジタルコンバーター、＜峯一ピデオモ
明は本文。
︵一橘大挙教授︶
79？
SC
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1
図