光ピンセットを用いた超音波造影剤微小気泡の位置制御装置の開発

摘要

超音波を照射することにより一時的に細胞膜の透過性を向上させるソノボレーションが注目されている．我々は，微小気泡が細胞に付着した状態で超音波を照射すると，一般的にはソノボレーションに用いられない短いパルス超音波でもソノボレーションが起きることを世界に先駆けて見いだし，ソノボレーションにおいて気泡が果たす役割について検討を行っている．微小気泡が細胞に与える作用と機序を明らかにするためには，気泡の大きさや細胞に付着する部位を制御して実験を行う必要がある．しかし，直径数ミクロンの微小気泡の位置を制御することは難しく，これまで十分な検討を行うことができなかった．そこで本研究では，気泡を光ビームで捕捉する光ピンセット装置の開発を行った．周囲の水よりも屈折率が小さな気泡を捕捉するため，空間位相変調器で作成したホログラムを用いてドーナツ形状の光ビーム（ラグールガウシアンビーム）を発生した．その結果，光パワー1Wのとき半径2.5μmの気泡に対しておよそ20pNの捕捉力が得られ，現在ソノボレーション研究に広く用いられている半径0.5-2.5μmの気泡位置の制御が十分可能であることを確認した．%Sonoporation is a promising technique that temporally increases membrane permeability by exposure of cells to ultrasound. We have been studying a sonoporation technique that uses short-pulsed ultrasound and reported that this exposure condition also can initiate sonoporation effects in the case with microbubbles attached to the cells. In order to clarify the roles of the bubbles for this technique, it is essential to study sonoporation phenomena under control of the size and position of bubbles adjacent cells, which is difficult to achieve by our conventional experimental system. In this study, we developed optical tweezes system that can trap micron-sized bubbles of an ultrasound contrast agent. A spatial liquid modulation device was used to generate a phase hologram for producing doughnut-shaped light beam (Laguerre-Gaussian beam). In the results, it was shown that the tweezers can generate the transverse trapping force of about 20 pN for a bubble of 2.5 μm in radius using 1-W laser light. It was also confirmed that the tweezers can manipulate contrast-agent bubbles of 0.5-2.5 μm in radius, which are widely used for sonoporation studies.