統計学的手法・Deep Learningを用いた細胞のラマンスペクトル解析
細胞のラマンスペクトルには、細胞内環境に関する様々な情報が含まれています。私達は、最新の統計学的手法、Deep Learningの手法を用いて細胞のラマンスペクトル、イメージングを解析し、細胞の分化･分裂、薬剤の導入などによる細胞内環境変化の検出を目指します。非常に多数のラマンスペクトル（ラマンビックデータ）の解析と細胞内状態変化の高感度検出を提案しています。以下の実験的手法にも統計解析・Deep Leaningを組み合わせています。
 
ラマンイメージングを用いた細胞内状態のその場計測と薬剤分子の作用機序
薬剤分子の細胞内での動態観測には、蛍光分子と薬剤分子を結合させる方法が用いられています。しかし、蛍光分子を結合させた時点で、それは薬剤分子ではありません。薬剤分子の観測には、あるがままの状態（ラベルフリー）で観測することが必須になりますが、実は未だ適切な方法がありませんでした。振動分光法の一つであるラマン分光法は、細胞内にある分子をあるがままの状態で測定することができます。私達は、ラマンイメージングが細胞内に導入された薬剤分子や毒性分子を観測する優れた手法であることを提案しています。分子が細胞内に入り、核などの細胞内小器官に分布する過程などをその場解析することで、疾病治療や細胞死との相関を検討します。

「細胞内の水」の定量、動的変化、細胞パラメーターの提案
​私達は、ラマンイメージングを用いて細胞の中にある水のその場定量ができることを提案しています。この水の定量を用いて、細胞の状態を細胞内にある生体分子の観点からではなく、細胞内にある水の状態（水の密度や水素結合様式）から検討することを行っています。特に、細胞の中は分子クラウディングと呼ばれる生体分子で非常に混み合った状態であり、私たちはこの分子が混み合った状態を｢細胞内の水の密度｣から定量化できることを提案しています。例えば、核の方が細胞質よりも水の密度が高く(生体分子の密度が小さく)，分子クラウディングの効果が小さいことを初めて示すことができ、核内を分子がある程度自由に動けることを提案しました。薬剤の導入や分化・分裂などの様々な生理現象に伴う細胞内の水の密度･水素結合の変化や細胞内外での水分子の移動など、「細胞内の水」という新たなパラメータを通して、生理現象の理解を目指しています。

生理現象に伴う細胞内温度変化のラベルフリーその場計測
分化・分裂や薬剤導入、疾病の発症など細胞内の様々な現象において熱が発生し、細胞内温度は変化します。この「細胞内温度」は細胞を理解する新たなパラメーターとして注目を集めています。細胞内温度の観測には、温度によって蛍光強度（蛍光寿命）が変化する蛍光色素が用いられていますが、色素導入は煩雑であり、また他の物理量（イオン濃度や粘性など）によっても蛍光強度が変化します。私たちは細胞内の水のラマンバンドの変化から、細胞内温度をそのままラベルフリーでイメージングできることを提案し、薬剤の導入や細胞内現象に伴う温度変化の高感度検出を行っています。細胞内温度をあるがままの状態で観測する最も優れた手法であると考えています。

光の限界を超えたイメージング手法の開発
物理の法則で決まる光の空間分解能を超えた超解像のイメージングシステムの開発を行っています。百聞は一見にしかず、今まで見えなかった細胞の微小構造を見ることができれば、生命科学の研究が発展することは間違いありません。特に私達が得意とするラマンイメージングと超解像を組み合わせ、ラベルフリーで超解像で細胞を観測するシステム開発を行います。梶本准教授が中心となり進めています。
 
ブリルアン散乱を用いた細胞イメージング計測
細胞に衝撃を与えると音波が発生します。私達は細胞に発生する音波をブリルアン散乱として観測することで、細胞の固さや粘性を検討します。がん化すると細胞が固くなる、老化すると細胞が柔らかくなる、そのような細胞の力学特性の解析でがん化などの細胞のセンシングや細胞変化の機構を物理の立場から検討します。梶本准教授が中心となり進めています。
 
​蛍光寿命イメージング(FLIM)を用いた細胞内その場計測
蛍光寿命は光退色に依存しないために、蛍光強度測定に比べて定量性が大きく向上します。私(中林)は、北大時代にFLIMの研究を行い、細胞内に元からある蛍光物質(自家蛍光分子)のFLIMを用いて、細胞内pHがその場で求められること、がん細胞と正常細胞において自家蛍光分子や染色色素分子のFLIMが異なることを示し、FLIMからガン領域が見分けられることなどを提案してきました。東北大学においても、FLIMを用いた細胞内環境の高感度計測や各種細菌のその場判別などを行っています。 

紫外共鳴ラマン分光を用いた細胞内その場計測
紫外共鳴ラマン効果を用いることで、タンパク質のラマンスペクトルを高感度に測定することができます。我々は、緩衝溶液内にあるタンパク質のみではなく、細胞内にあるタンパク質の紫外共鳴ラマンスペクトルを測定し、細胞内にあるタンパク質の高感度検出を目指します。

​光を用いた細胞計測法の開発
ピコ秒(10-9秒)パルスレーザーを用いた非線形ラマン散乱であるCoherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) システム、一分子検出を行う蛍光顕微鏡システム、100 nm程度の深さのみのラマンスペクトルを測定する全反射顕微ラマン分光システムなどの開発を行い、細胞内にある薬物の動的変化の高感度測定を目指します。