この記事は、新谷が共著として参画した査読付き原著論文の紹介です。
対象論文：Togo Shimozawa, Erisa Hirokawa, Fuyu Kobirumaki‑Shimozawa, Kotaro Oyama, Seine A. Shintani, Takako Terui, Yasuharu Kushida, Seiichi Tsukamoto, Teruyuki Fujii, Shin’ichi Ishiwata, Norio Fukuda (2017) Progress in Biophysics and Molecular Biology 124:31‑40.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2016.09.006
概要（TL;DR）
- 拍動中の生体心筋内で、サルコメア長（SL）変位とCa²⁺ダイナミクスを高精度にとらえるためのin vivoナノイメージングの技術群を体系化。
- 従来のエコー/MRI（~100 µm分解能）では捉えられない~100 nmスケールのSL変化を、高感度EMCCD・量子ドット/蛍光プローブ・光学系最適化により心拍ごとに可視化。
- 心外膜表面のµmトラッキング→Zディスクのナノ追跡へと進化し、長さ依存性活性化の拍動ごとの表出や局所Ca²⁺‐機械応答の非同期を示し、フランク–スターリング機構の理解を1拍ごと・分子スケールで前進。
- 遺伝子改変・心不全モデルへの応用により、病態初期のサルコメア異常/カルシウム制御破綻を生体内で直接検証できるプラットフォームを提示。
背景と意義
心筋の励起—収縮連関（EC coupling）はμm領域で起こり、~100 nmのSL変化がポンプ機能を規定します。
しかし臨床/実験の標準イメージングは~100 µmの分解能であり、サブセルラー現象の把握がボトルネックでした。
本論文は、“拍動する心臓の中”で、単一サルコメアの動態とCa²⁺を測るという課題に対し、光学・標識・解析の三位一体で切り込んだ技術蓄積を整理しています。
技術コンセプト（どのように“ナノ”で見るか）
-
（1）心外膜の実時間トラッキング
心外膜に蛍光ビーズを貼付し、EMCCDでµm精度の組織運動を追跡。呼吸/拍動アーチファクトの補正や局所運動の地図化を行う。 -
（2）Zディスクのナノ追跡
α‑アクチニン融合蛍光タンパクや量子ドットを用い、Zディスク位置をサブピクセル・フィッティングで推定し、ナノメートル精度のSLを抽出。 -
（3）Ca²⁺ダイナミクスとの同時計測
指示薬/遺伝子コード型センサーや二分岐光学系により、局所Ca²⁺トランジェント（CaT）とSLの同時・同座標系記録を実現。 -
（4）運動安定化と時間軸
開胸下の機械的スタビライゼーション、ゲーティング/後処理により、1拍ごとの波形を失わずにナノ解像度で再構成。
ポイント：ピクセルサイズ以下の位置推定（ナノメトリー）＋高S/N蛍光＋EMCCD高フレームレート＝拍動中でもナノが測れる。
主要知見（レビューで示されたコア）
- 拍動ごとの“長さ依存性活性化”の第一相がSLトレースとして再現され、拍動単位での力発現の前提（長さ→感受性）をin vivoで裏づけ。
- Ca²⁺は広域で同期しやすい一方、サルコメアの短縮/伸張のタイミングは局所でわずかにずれる（位相差）。平均化は変位・速度の過小評価を招く。
- 心拍数/温度/薬理刺激が、局所Ca²⁺—サルコメア結合の強さや位相を変化させる様子を生体内で定性的・定量的に把握可能に。
- モデル応用：遺伝子改変・不全モデルで、サルコメアの同期性低下やCa²⁺制御の乱れを拍動心で直接可視化する道筋。
研究・応用の射程
- 病態解明：肥大/拡張型心筋症モデルにおける初期のサルコメア不均一やCa²⁺ハンドリング障害を拍動下で検出。
- トランスレーショナル研究：薬剤/遺伝子治療がサルコメア力学や局所Ca²⁺に与える影響をin vivoで評価するファンクショナル・リードアウト。
- 方法論の普及：α‑アクチニン標識・量子ドット・EMCCD/光学設計・安定化機構のベストプラクティスを提示し、追試・改良を促進。
実装上の注意・限界
- 侵襲性：開胸・固定が必要で生理条件からの乖離が生じうる（麻酔・体温・呼吸管理の影響）。
- フォトトキシシティ/漂白：高感度撮像と励起光の線量最適化が必須。
- 標識の安全性/明るさ：量子ドットや遺伝子発現系の生体影響とS/Nのバランス設計。
- 解析：動き補正・ゲーティング・サブピクセル推定のロバスト化が精度を左右。
- 臨床展開：小動物から大動物・ヒトへのスケーリングにはさらに光学/機械の工夫が必要。
このシリーズでの位置づけ
- Day 01：SL‑nanometry（細胞内の単一サルコメアをナノで追う）。
- Day 02：Ca²⁺×SL同時化（Z線局在FRETでEC結合の座標軸を拡張）。
- 本稿（Day 03）：“拍動する心臓そのもの”でナノを測る──in vivo へのスケールアップ。
- 以降のHSOs/SPOC・位相/カオス、Chaordic Homeodynamicsの議論に、生体内での根拠を与える技術的土台。
論文情報・DOI
Shimozawa T., Hirokawa E., Kobirumaki‑Shimozawa F., Oyama K., Shintani S.A., Terui T., Kushida Y., Tsukamoto S., Fujii T., Ishiwata S., Fukuda N.
In vivo cardiac nano‑imaging: A new technology for high‑precision analyses of sarcomere dynamics in the heart.
Progress in Biophysics and Molecular Biology 124:31‑40 (2017).
DOI: https://doi.org/10.1016/j.pbiomolbio.2016.09.006
推奨引用形式（BibTeX）
@article{Shimozawa2017InVivoNanoImaging,
author = {Togo Shimozawa and Erisa Hirokawa and Fuyu Kobirumaki-Shimozawa and Kotaro Oyama
and Seine A. Shintani and Takako Terui and Yasuharu Kushida and Seiichi Tsukamoto
and Teruyuki Fujii and Shin'ichi Ishiwata and Norio Fukuda},
title = {In vivo cardiac nano-imaging: A new technology for high-precision analyses of sarcomere dynamics in the heart},
journal = {Progress in Biophysics and Molecular Biology},
year = {2017},
volume = {124},
pages = {31--40},
doi = {10.1016/j.pbiomolbio.2016.09.006}
}