2Dから3Dへ：より生体に近い心臓モデルでの研究を

現在、心血管疾患は世界の主要な死因であり、多大な医療・経済的負担となっています。しかし、膨大な研究費が投じられているにもかかわらず、新規薬剤の90%が臨床試験で失敗しており、その主な原因の一つとして臨床的・亜臨床的な心毒性が挙げられます。

長年、心臓研究の主流であった従来の2D培養モデルには以下の欠点があります。

研究現場には、ヒト特有の心臓組織の発生、生理、疾患プロセスをより正確に模倣できる「次世代の3Dモデル」が求められています。

心筋スフェロイド：3Dがもたらす高い生理学的妥当性

ヒトiPS細胞（hiPSC）から作製される心臓スフェロイド（またはオルガノイド）は、心筋細胞、内皮細胞、線維芽細胞などが自己組織化することによって3D構造を形成したミニチュアモデルです。

革新的な「オールオプティカル」電気生理学プラットフォーム

最新の研究では、光遺伝学（オプトジェネティクス）による刺激と、膜電位（Vm）およびカルシウムトランジェント（CaT）の同時光学マッピングを組み合わせた「オールオプティカル」な手法が確立され、心筋スフェロイドにも応用されています。

下の画像は、ヒトiPS細胞由来 心筋スフェロイドを膜電位感受性の色素 (RH237)とカルシウム感受性蛍光タンパク質 (jRCaMP1b)で標識し、2つの高速カメラで完全同期撮影した例です。

サンプル動画

3Dスフェロイドだからこそ可能な高度な解析

スフェロイドを使ったこの手法は、単なる記録ツールにとどまりません。3D心臓モデルの特性を最大限に活かした解析を支援します。

参考商品

上の動画撮影に使用された高速イメージングシステム MiCAM03-N256をメインとする光学マッピングシステムです。

蛍光染色された心臓・神経サンプルの電気的活動をで1,818フレーム/秒ほどの高速で捉えて画像化し、画像解析・波形解析～マップ画像作成・エクスポートまで対応しています。データ計測に必要な高輝度LED光源、電気刺激装置も付属。すぐに実験が始められるオールインワンのターンキーシステムです。

主なアプリケーション

• 膜電位感受性色素やGEVIを用いた膜電位イメージング
• カルシウム色素やGECIを用いたカルシウムイメージング
• 2カメラを用いたレシオイメージング

構成と特長

高速カメラ

• 画素数：256x256～32x32画素
• 最大フレームレート： 1,818fps (256x256画素)、20,000fps (32x32画素)
• 心電図などのアナログ信号記録やパルス出力、光源点灯信号などが可。外部機器との同期も簡単

→ 高速イメージングシステム　MiCAM03-N256

ソフトウェア

• Activation mapやConduction velocityなど、様々なマップ作成機能
• 直感的で簡単な操作・分析時間の短縮
• 論文・プレゼンテーション用の高解像度イメージをエクスポート可能

→ Optical Mappingデータ解析ソフトウェア　BV Workbench

マクロ蛍光顕微鏡

• 0.19x～6.3xほどの低倍率なのに他社製蛍光顕微鏡より明るく観察
• 高速蛍光イメージングのS/N比が向上
• 蛍光スプリッターで2波長同時計測も可能

→ マクロ蛍光顕微鏡　THT Mesoscope

高輝度LED光源

• 高輝度照明　イメージングのS/N比が向上
• 高安定　生物シグナルにノイズを加えない

→ マルチLED光源システム　LEX9

多機能電気刺激装置

• パルス出力、アナログ入力、オシロスコープ、光源点灯制御など
• 刺激アイソレータ内蔵　電極を接続すればすぐに刺激可能

→　アイソレーター内蔵 多機能電気刺激装置

実績

販売開始から27年の間に世界230の脳科学/心臓研究機関へ約430台が販売され、MiCAMシリーズは高速膜電位イメージングの標準機として認められています。

弊社製品の使用した学術論文は27年で約1,000報、発表されています。

→ Google Sholarで論文リストを見る

お問い合わせ

心筋スフェロイドを用いたマッピングシステムの導入、およびマッピングシステムの詳細仕様や価格に関するお問い合わせは、以下のボタンより承っております。貴分野の研究をより発展させるお手伝いとなるソリューションをご提案いたします。

その他の参考論文：

Cardiac organoids: a new tool for disease modeling and drug screening applications
Front Cardiovasc Med. 2025 May 20:12:1537730.

カルシウムイオンは細胞内で重要な役割を果たしており、その動態を正確に測定することは、細胞生物学や神経科学の研究において極めて重要です。

しかし、どの試薬を選ぶべきか迷っている方も多いでしょう。

カルシウム指示薬には、Fura-2、Fluo-4、Rhod-2など、さまざまな種類があります。それぞれの試薬は異なる波長特性や解離定数を持っているため、特定の研究目的や実験条件に応じて使い分ける必要があります。

本記事では、カルシウムイメージングに使用されるさまざまな試薬の種類と選び方について解説します。

カルシウム指示薬の定義

カルシウム指示薬は、細胞内のカルシウムイオン（Ca²⁺）の濃度を測定するために使用される化学物質です。蛍光カルシウム色素、カルシウム感受性色素などとも呼ばれます。

カルシウムイオンは、筋収縮や神経伝達などの生理的プロセスにおいて重要な役割を果たしています。カルシウム指示薬は、カルシウムイオンと結合すると蛍光を発する性質を持つため、これによりカルシウムの濃度変化を視覚的に確認することができます。

カルシウム指示薬の種類

カルシウム指示薬には以下のような種類があります。

(1)カルシウムキレート剤を利用したカルシウム感受性蛍光色素

EGTAやBAPTAなどのCa²⁺選択的キレート試薬を用いたカルシウム感受性蛍光色素。1980年にR. Y. Tsienにより開発されたQuin-2/AMを始めとして、Fura-2、Fluo-3、Indo-1、Rhod-2など様々な種類のものが開発された。

(2) エクオリンなどのカルシウム感受性発光タンパク質

Ca2+と結合すると微弱な光を出す発光タンパク質であるエクオリンを利用。

(3) CameleonやGCaMPなどの遺伝子でコードされたカルシウム感受性蛍光タンパク質

Ca²⁺結合性のカルモジュリンを利用した蛍光タンパク質。

本ページではカルシウム感受性蛍光色素に絞ってその原理や種類について説明します。

カルシウム指示薬の動作原理

カルシウム指示薬は主にキレート剤と蛍光体が結合したものです。Ca²⁺が指示薬のキレート部分に結合すると、蛍光特性が変化し、蛍光強度が増加したり蛍光スペクトルが変化します。

BAPTAは、EGTAのメチレン結合がベンゼン環に置き換えられた化合物です。BAPTAは、EGTAに匹敵する高いカルシウム選択性を持つが、pH変化の影響が小さく、カルシウムの取り込みと放出がより迅速であるという特徴があります。

蛍光の発生メカニズム

蛍光物質は特定の波長の光を吸収します。この光エネルギーは、蛍光物質内の電子を基底状態から励起状態へと引き上げます。

吸収されたエネルギーにより、電子は高エネルギーの励起状態に移動します。この状態は不安定であり、電子はすぐにエネルギーを失って基底状態に戻ります。

電子が基底状態に戻るときに、吸収した光エネルギーの一部を光として放出します。この放出される光は、吸収された光よりも長い波長、つまり低いエネルギーを持つことが一般的です。この現象はストークスシフトとして知られています

放出された光は、蛍光として観察されます。蛍光の波長と強度は、蛍光物質の特性や周囲の環境条件に依存します。最も効率よくこれらの遷移を起こす波長が極大励起波長と極大蛍光波長となります。

カルシウム指示薬の種類

カルシウム指示薬にはさまざまな種類があります。大きく分けて蛍光指示薬と吸収指示薬の2種類がありますが、現在吸収タイプはあまり使用されていません。

さらに蛍光タイプは、(1)イオン濃度変化に応じて蛍光強度が変化するものと(2)イオン濃度変化に応じて励起あるいは蛍光スペクトラムが変化するものに分けられます。

(1)イオン濃度変化に応じて蛍光強度が変化

(1-1) 1波長励起1波長蛍光 (例： Fluo-3, Fluo-4、Rhod-2など)

(2)イオン濃度変化に応じて励起あるいは蛍光スペクトルが変化

(2-1) 2波長励起1波長蛍光　（例：Fura-2）

(2-2) 1波長励起2波長蛍光　（例：Indo-1）

主なカルシウム指示薬の一覧：高親和性

主なカルシウム指示薬の一覧：低親和性

どのカルシウム感受性蛍光色素を選べば良いか？

• 細胞毒性がないこと
• 測定しようとするCa²⁺濃度変化に比べて十分に速い反応速度を有すること
• Ca²⁺に対する親和性（Kd値）が生理的な値に近いこと
• 励起光が細胞を障害しないこと
• 顕微鏡の光路特性に試薬の励起波長・蛍光波長が合致していること
• 他のイオンにより妨害が少ないこと

細胞への導入

蛍光プローブ試薬を測定対象の細胞内に導入しなければならないのですが、水溶性のためそのままでは細胞膜を透過できないません。そこで細胞膜の透過性が高くなるように修飾した試薬を用いたり、試薬を直接細胞内に注入する方法がとられます。

1. マイクロインジェクション
   • エステラーゼ活性が低い細胞で利用される
     • 細胞内へ微小電極を刺入
     • パッチピペットからの灌流
2. 脂溶性エステルによる導入
   • プローブ試薬にAcetoxymethyl（AM）基をエステル結合させて脂溶性としたAM誘導体がよく使われる。AM誘導体そのものは無蛍光で、遊離イオンとは結合能力がない。
   • 細胞膜を透過しやすいため、AM誘導体を含んだ液に細胞を浸しておくと細胞外のイオンと結びつくことなしに細胞膜を透過して細胞内に入る。プローブ試薬が細胞内に入るとAM基はエステラーゼにより切り離され、イオンとの結合能を獲得する。また、水溶液となるため生体膜を透過できるようになり細胞質内にとどまる。プローブの導入が困難な組織塊標本では界面活性剤（Cremophore EL）を用いるとうまくいく場合もある。

サンプルデータ