毎年約 2,000 万人が新たにがんと診断され、約 1,000 万人が亡くなっています。機能不全のタンパク質が細胞の恒常性を乱す悪性腫瘍の主な原因ですが、遺伝子異常とがんの関係はがん研究の分野でよく知られています。これまで、がん予防は遺伝子変異の悪影響を軽減することに重点を置いてきました。しかし、これらの損傷した遺伝子によってコード化されたタンパク質を変更する化学予防の傾向が高まっています。たとえば、BRCA1 タンパク質は DNA 損傷の修復を助け、腫瘍抑制の役割を果たします。BRCA1 の機能が低下した人は遺伝的不安定性が高まり、がん誘発のリスクが高まります。
単粒子分析とクライオトモグラフィーは、生物システムの高解像度構造データを生成するために使用されるクライオ電子顕微鏡法 (クライオ EM) ファミリーの 2 つの例です。クライオ EM では、サンプル溶液を急速に凍結して、標本の自然な構造を保存し、結晶氷の形成を防止します。これにより、氷内でさまざまなランダムな角度に配向した個々のタンパク質の懸濁液が生成され、これが単粒子分析で観察されます。次に、タンパク質はクライオ透過型電子顕微鏡 (クライオ TEM) を使用して視覚化され、サンプルの何百もの 2D 投影が作成されます。これらの投影を組み合わせることで、タンパク質の高解像度 3D モデルを作成できます。原子レベルの解像度は考えられ、現代の電子検出器と分析ツールによってますます利用可能になりつつあります。
クライオ電子顕微鏡と 3D 再構成を組み合わせることで、過去数年間に構造生物学において多くの重要な進歩が実現しました。ハードウェアとソフトウェアの進歩は、クライオ電子顕微鏡の開発における主要な要因でした。画像記録装置と電子顕微鏡はハードウェアの例であり、3D 再構成技術と画像データ処理はソフトウェアの例です。
データブリッジマーケットリサーチは、2022年から2029年の予測期間における世界のクライオ電子顕微鏡市場の成長率を分析しています。世界のクライオ電子顕微鏡市場の予想CAGRは、上記の予測期間中に約8.67％になる傾向があります。市場は2021年に7億2,543万米ドルと評価され、2029年までに1億4,1082万米ドルまで成長すると予想されています。世界のクライオ電子顕微鏡市場は、タイプ、製品タイプ、コンポーネント、アプリケーションに基づいてセグメント化されています。
この研究の詳細については、以下をご覧ください。 https://www.databridgemarketresearch.com/jp/reports/global-cryo-electron-microscopy-market
コンセプトの概要
タンパク質集合体、ウイルス、生物の分子構造を調べるためにクライオ電子顕微鏡 (クライオ EM) を使用することが一般的になりつつあります。このページでは、クライオ EM の利点と欠点、用途、EM 技術との違い、クライオ EM 技術を利用した最近の研究など、クライオ EM のいくつかの側面に焦点を当てています。「クライオ EM」という用語は、極低温設定で透過型電子顕微鏡 (TEM) を使用して放射線に敏感な標本を画像化する電磁画像 (EM) の一種を指します。「クライオ EM」という用語は、クライオ電子トモグラフィー、電子結晶構造解析、単粒子クライオ EM など、いくつかの実験技術を指すためによく使用されます。
各クライオ電子顕微鏡法は、独立して利用することも、クライオ電子顕微鏡データと、X 線結晶構造解析および核磁気共鳴 (NMR) 分光法による補完データを組み合わせたハイブリッド手法の一部として利用することもできます。細菌、プランジ凍結細胞、全組織切片などの生物標本を画像化するために、クライオ電子顕微鏡はより広く利用されるようになり、操作も大幅に簡素化されています。
研究者は現在、がん研究に Cryo-EM を活用し、構造生物学をがんと闘うための「構造腫瘍学」の分野を発展させています。 Cryo-高解像度 EM の分析機能は、集中的な観察、分析、そして最終的には治療を可能にすることで、科学者が腫瘍学を研究する方法を変革する準備ができています。
EM と Cryo-EM
従来の EM 法では、標本の染色、脱水、化学固定によって画像を生成します。EM では、有機物と電子の相互作用により、生物標本がひどく損傷します。対照的に、クライオ EM では追加の画像化技術が必要ないため、標本の元の水和状態が維持されます。電子照射により標本の化学結合が破壊され、フリーラジカルが生成されてサンプルがさらに損傷します。電子線量が低いと、放射線による損傷が軽減されて標本の保存に役立ちますが、ノイズの多い画像が生成されます。
クライオ電子顕微鏡法は、この問題を効率的に解決できます。なぜなら、クライオ電子顕微鏡法では、液体ヘリウムまたは液体窒素の温度で保存された凍結標本を使用して画像化するため、標本に対する電子照射の損傷が軽減されるからです。生物標本は、ガラスに似た氷の層で急速にガラス化されてから、液体ヘリウムまたは液体窒素の温度で撮影されます。窒素温度では放射線による損傷が大幅に軽減されるため、より多くの電子線量を使用して、優れた信号対雑音比の画像を作成できます。クライオ電子顕微鏡法では、液体窒素とヘリウム内で、標本の分子レベルに近い 3 次元 (3D) 再構成画像を取得できます。では、クライオ電子顕微鏡法はどのように機能するのでしょうか。
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凍結- グリッドにサンプルを塗布し、その後液体エタンで凍結し、液体窒素で保存します。サンプルは、存在する水分が氷結晶を形成するのを防ぐため、急速に凍結する必要があります。氷格子は材料に構造的損傷を与え、電子ビームを吸収して画像を不明瞭にする可能性があります。サンプルが急速に凍結すると、水は非晶質固体 (ガラス質氷) として凝固し、結晶化しません。
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録音- 物質と電子ビームの相互作用に基づいて、ガラス化した氷の中にランダムな方向に浮遊している分子 (またはウイルスなどの他の物質) の多数のコピーの写真が撮影されます。最新の「直接電子検出器」で撮影された画像は、以前のデジタル カメラで撮影されたものよりも高品質です。
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情報処理- サンプルの構造は、多数の分子の視点を 3D モデルに統合することで確認されます。場合によっては、数万または数十万の粒子画像の平均が、最終的な画像、つまり密度マップを構成します。粒子の動きを追跡し、解像度の低下を防ぐために、1 秒あたり数十万のフレームがキャプチャされます。
初期のクライオ電子顕微鏡の用途は、サンプルを保存するために低出力の電子ビームを使用する必要があるという制約があり、その結果、解像度の低い画像になりました。直接電子検出器技術の進歩により、現在ではより少ない電子で高解像度の画像を作成できます。直接電子検出器は、電子を検出する能力が向上したカメラで、1 秒間に数十フレームで単一分子の写真をすばやく撮影できます。より優れた画像処理技術の開発も、クライオ電子顕微鏡の革命を促進しました。このようなアルゴリズムは、2 次元画像から 3 次元画像を再構築する方法で画像の方向を決定し、画像を位置合わせするために必要です。技術の向上により、凍結できるサンプルのサイズの制限が下がり、画像化後に個々のタンパク質を分析できるようになりました。
クライオ電子顕微鏡技術の利点
核磁気共鳴分光法と X 線結晶構造解析は、初期の構造生物学手法でした。大量のサンプルが必要となるため、これらの手法の適用範囲は限られていました。X 線結晶構造解析を実行するには、標本を結晶化する必要がありますが、これは環境を非生理学的な環境に変更する困難な手順です。
クライオ電子顕微鏡は、大量のサンプルや結晶化を必要としないため、ほぼ原子レベルの解像度で構造を画像化するのに適しています。また、この手法では、サンプルを化学的に固定したり染色したりしないため、自然な生理学的環境でサンプルを分析できます。さらに、さまざまな構造で構造を瞬間凍結できるため、サンプルを静的な姿勢で凍結する結晶の制約を受けることなく、生物システムの推論が可能になります。
対象分子を結晶化する必要がないという事実は、X 線結晶構造解析に対するクライオ電子顕微鏡の大きな利点です。一部のタンパク質や重要な高分子は結晶化できません。また、結晶化の結果、構造が不可逆的に変化するものもあります。単一の構造しか決定できない X 線結晶構造解析とは異なり、タンパク質はあらゆる構造で観察できます。
クライオ電子顕微鏡のサンプルは、従来の電子顕微鏡とは異なり、脱水や染色が行われないため、サンプルの構造は本来の環境における水和構造の真の形状に近いままであり、染色によって偽の形状が作られることはありません。サンプルを凍結すると、電子照射によって発生する放射線損傷の量が減ります。凍結したサンプルは、電子顕微鏡の低圧/真空状態によって損傷を受ける可能性も低くなります。
クライオ電子顕微鏡技術の欠点
多くの場合、画像は染色が不足しコントラストが不足しているため信号対雑音比が非常に低く、高度な検出ハードウェアと画像処理が必要になります。
氷の厚さと粒子の分布を最適化する必要があるため、標本の準備は困難になる場合があります。タンパク質は優先配向をとることがあり、3D 再構築が不可能になります。
最先端のクライオ電子顕微鏡装置はまだ高価すぎる。集中施設の設立は、クライオ電子顕微鏡装置へのアクセス向上に役立つかもしれない。一方、クライオ電子顕微鏡は、非常に小さなタンパク質の画像化には効果がなく、サンプル画像の生成に長い時間がかかる。さらに、この技術ではサンプルの均質性が非常に高いことが求められるため、柔軟なタンパク質の高解像度画像を取得することが困難になる。さらに、この技術で取得した画像の信号対雑音比が低い場合があるため、現在のクライオ電子顕微鏡の解像度は医薬品研究開発には不十分である。
クライオ電子顕微鏡技術の最近の応用
クライオ電子顕微鏡法（クライオ EM）は、電子を使って極低温で凍結したサンプルを研究するものです。この技術は、過去 5 年間で生物サンプルの構造的配置を研究するための頼りになる技術となり、時には原子レベルに近い解像度を達成しています。
昨年のネイチャー誌の記事によると、クライオ電子顕微鏡は「過去3年間で構造生物学の分野に衝撃を与え、タンパク質を作るリボソーム、震える膜タンパク質、その他の重要な細胞分子の精緻な詳細を明らかにし、その発見は一流の学術誌に急速に掲載されている」という。
クライオ電子顕微鏡は、ウイルスやリボソームなどの特定のサンプルのみが X 線結晶構造解析を使用して画像化されるほど人気が高まっています。クライオ電子顕微鏡画像化により、p97 タンパク質の構造変化を原子分解能で画像化できるようになりました。このタンパク質の構造と相互作用は癌細胞の活動に重要であるため、抗癌剤開発の重要なターゲットとなっています。
クライオ アドバンス EM の画像化機能を使用して、p97 阻害剤の結合部位と接触部位の種類が観察されました。この研究では 2.3 オングストロームの解像度が達成されました。オングストロームの単位は 0.1 ナノメートルに相当します。現在、検出器技術とサンプル準備が進歩しているため、クライオ EM では解像度をさらに向上できる可能性があります。
Data Bridge Market Researchは、がん診断市場は予測期間中に7.29%のCAGRで成長し、2029年までに282億1,000万米ドルの価値に達すると予測しています。がん症例の増加は市場に成長の機会をもたらします。技術進歩の増加は市場成長を加速させる重要な要因であり、政府や世界保健機関によるがんに対する認識を広めるための取り組みの増加、民間診断センター数の増加、診断画像センターのインフラを強化する官民パートナーシップの増加、バイオマーカー開発に対するFDAのサポートの増加、診断および創薬用の新しいフローサイトメトリー試薬の発売の増加は、がん診断市場を牽引する主な要因です。
この研究の詳細については、以下をご覧ください。 https://www.databridgemarketresearch.com/jp/reports/global-cancer-diagnostics-market
