DE19937778B4

DE19937778B4 - Method and device for characterizing the functional state of cells and alterations of cells

Info

Publication number: DE19937778B4
Application number: DE1999137778
Authority: DE
Inventors: Bernhard. Prof. Dr.rer.nat. Wolf
Original assignee: CELLASYS GmbH
Current assignee: CELLASYS GMBH, 87758 KRONBURG, DE
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: DE19937778A1

Abstract

Verfahren zur Charakterisierung des funktionalen Zustandes von Zellen und von Alterationen von lebenden Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass physiologische Daten der Zellen multiparametrisch erfasst werden und dass anschließend, verbunden mit einer Zeitreihenanalyse und Kurvenanalyse des Datenverlaufes, Signalmuster erstellt werden, die mit bekannten, in einer Lernphase abgespeicherten, physiologischen Reaktionsmustern der Zellen rechnergestützt verglichen werden.Method for characterizing the functional state of cells and alterations of living cells, characterized in that physiological data of the cells are recorded multiparametrically and that, in connection with a time series analysis and curve analysis of the data curve, signal patterns are then generated which are known to those in a learning phase stored, physiological reaction patterns of the cells can be compared with the aid of a computer.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Charakterisierung des funktionalen Zustandes von Zellen und Alterationen von Zellen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Untersuchung von Zellen, Geweben und dergleichen Proben, wobei die Vorrichtung Sensoren zur Messung funktionsspezifischer, physiologischer Parameter an den Proben aufweist.The invention relates to a method for characterizing the functional state of cells and alterations of cells. In addition, the invention relates to a device for the examination of cells, tissues and the like samples, the device having sensors for measuring function-specific, physiological parameters on the samples.

Es sind bereits komplexe, mikroskopierbare Sensorsysteme bekannt, mit deren Hilfe funktionsspezifische physiologische Parameter an Zellen und Geweben präzise ermittelt werden können. Solche Sensorarrays stehen auch in nichtmikroskopierbaren Versionen zur Verfügung, sozusagen als intelligente Reagenzgläser oder Teströhrchen. Mit den mikroskopierbaren Sensoren können durch die gängigen lichtoptischen Visualisierungstechniken die Sensorsignale zellulären Reaktionen oder morphologischen Veränderungen an den Zellen definiert zugeordnet werden. Durch Einsatz der Elektronenmikroskopie ist es möglich, diese Signale mit Daten der ultrastrukturellen Bildanalyse zu korrelieren.Complex, microscopic sensor systems are already known, with the aid of which function-specific physiological parameters on cells and tissues can be precisely determined. Such sensor arrays are also available in non-microscopic versions, so to speak as intelligent test tubes or test tubes. With the microscopic sensors, the common optical optical visualization techniques can be used to assign the sensor signals to cellular reactions or morphological changes to the cells. By using electron microscopy, it is possible to correlate these signals with ultrastructural image analysis data.

Nachteilig ist hierbei, daß die Analyse unter Zuhilfenahme einer mikroskopischen Betrachtung vorgenommen werden muß.The disadvantage here is that the analysis must be made with the aid of a microscopic observation.

Aus DE 689 26 796 T2 ist ein System bzw. ein Verfahren für eine automatische Zellklassifizierung, basierend auf ein Neuronalnetzwerk, bekannt. Eine Zellprobe wird dabei optisch analysiert und einer Primärklassifikation sowie einer Sekundärklassifikation unterzogen. Dadurch werden interessierende Zellkerne von Zellkernen von Zellen eines anderen als einen interessierenden Typus unterschieden. Darüber hinaus ist eine Unterscheidung der interessierenden Zellkerne von unerwünschten Gegenständen wie Zellklumpen, Bruchstücken, Leukozyten oder Schleim möglich. Ein Neuronalnetzwerk wird als trainierbares Datenanalysemittel bereitgestellt, um über eine Gewichtung der Verarbeitungseingänge an den Knoten des Netzwerks eine Dateninterpretation zu erlauben, welche einem trainierbaren System entspricht.Out DE 689 26 796 T2 For example, a system or method for automatic cell classification based on a neural network is known. A cell sample is optically analyzed and subjected to a primary classification and a secondary classification. Thereby, nuclei of interest are distinguished from nuclei of cells of other than a type of interest. In addition, it is possible to differentiate the cell nuclei of interest from unwanted objects such as cell clots, fragments, leukocytes or mucus. A neural network is provided as trainable data analysis means to allow, via a weighting of the processing inputs to the nodes of the network, a data interpretation corresponding to a trainable system.

Aus Civelek, V. N. u. a.: Temporal sequence of metabolic and ionic events in glucosestimulated clonal pancreatic beta-cells (HIT). Biochem. J. (1996) 315 (Pt. 3) Seiten 1015–1019 ist bekannt, an einer Zellprobe eine multiparametrische Messung vorzunehmen, um ein Verhalten der Zellen der Zellprobe abzubilden. Dabei können beispielsweise Fluoreszenz, Sauerstoffkonzentration, Säuregehalt oder Ionenkonzentration gemessen werden.From Civelek, V.N. a .: Temporal sequence of metabolic and ionic events in glucosestimulated clonal pancreatic beta-cells (HIT). Biochem. J. (1996) 315 (Pt.3) pages 1015-1019 it is known to perform a multiparameter measurement on a cell sample in order to map a behavior of the cells of the cell sample. In this case, for example, fluorescence, oxygen concentration, acidity or ion concentration can be measured.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung zu schaffen, womit eine praktisch automatisch ablaufende Analyse des Zustandes und dergleichen von Zellen möglich ist. Hinsichtlich des Verfahrens wird dazu vorgeschlagen, daß physiologische Daten der Zellen multiparametrisch erfaßt werden und daß anschließend, verbunden mit einer Zeitreihenanalyse und Kurvenanalyse des Datenverlaufes, Signalmuster erstellt werden, die mit bekannten, in einer Lernphase abgespeicherten, physiologischen Reaktionsmustern der Zellen rechnergestützt verglichen werden. Dadurch ist auf einfache und schnelle Weise ein Rückschluß auf den Zustand von zu untersuchenden Zellen möglich, ohne daß es dazu einer visuellen Kontrolle oder der Beurteilung eines Fachmanns bedarf.The object of the present invention is to provide a method and an apparatus for carrying out, whereby a practically automatically running analysis of the condition and the like of cells is possible. With regard to the method is proposed that physiological data of the cells are detected multiparametrisch and that subsequently, combined with a time series analysis and curve analysis of the data, signal patterns are created, which are compared computer-aided with known, stored in a learning phase, physiological reaction patterns of the cells. This makes it possible in a simple and fast way to draw conclusions about the state of cells to be examined, without the need for a visual inspection or the judgment of a person skilled in the art.

Vorteilhaft ist es, wenn die Signalmuster durch multiparametrische, trainierbare Datenanalyse mit Hilfe eines trainierbaren Netzwerkes erstellt werden. Damit ist beispielsweise im Rahmen der Tumordiagnostik von dem System eine präzise, nichtmikroskopisch erhobene Abschätzung des Malignitätsgrades und des möglichen Therapieerfolges zuverlässig durchführbar.It is advantageous if the signal patterns are created by multiparametric, trainable data analysis using a trainable network. Thus, for example, in the context of tumor diagnostics of the system a precise, non-microscopic assessment of the degree of malignancy and the possible therapeutic success can be reliably performed.

Zur Erstellung von bestimmten Reaktionsmustern zugeordneten Signalmustern werden zunächst in einer Lernphase gemessenen Signalmustern das entsprechende klinische Verhalten der Zellen insbesondere eines Tumors oder von Metastasen zugeordnet. Diese Zuordnung jeweils aus einem Signalmuster und einem Zustandsverlauf von Zellen wird erbgespeichert und steht als einer von vielen Datensätzen für spätere Untersuchungen zur Verfügung. Bei einer solchen Untersuchung wird ein aktuell gemessenes Signalmuster der untersuchten Probe erstellt und rechnergestützt mit den abgespeicherten Datensätzen verglichen. Nach dem Auffinden eines mit dem gemessenen Signalmuster korrelierenden, abgespeicherten Signalmusters steht der in der Lernphase zugeordnete Zustand der Zellen als Ergebnis zur Verfügung.In order to generate signal patterns assigned to specific reaction patterns, first of all, in a learning phase, measured signal patterns are assigned the corresponding clinical behavior of the cells, in particular of a tumor or of metastases. This assignment of a signal pattern and a state progression of cells is inherited and is available as one of many data sets for later examinations. In such an investigation, a currently measured signal pattern of the examined sample is created and compared computer-aided with the stored data sets. After finding a stored signal pattern correlated with the measured signal pattern, the state of the cells assigned in the learning phase is available as a result.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß zur Überprüfung der Chemosensitivität von Zellen insbesondere eines Tumors oder von Metastasen, zunächst in einer Lernphase der klinische Verlauf einer Therapie an einem Patienten mit einem ermittelten Signalmuster korreliert wird und daß dann diese Zuordnung gespeichert wird. Mit Hilfe dieser abgespeicherten Daten wird in späteren Fällen eine Abschätzung des Therapiererfolges bei Anwendung bestimmter chemotherapeutischer Mittel ermöglicht.There is also the possibility that, in order to check the chemosensitivity of cells, in particular of a tumor or of metastases, first in a learning phase, the clinical course of a therapy on a patient is correlated with a determined signal pattern and then this assignment is stored. With the help of this stored data, an estimation of the success of the therapy with the use of certain chemotherapeutic agents is made possible in later cases.

Gezielte Untersuchungen im Umfeld der Wechselwirkungen zwischen Chemotherapeutika und Tumorzellen haben gezeigt, daß eine multiparametrische Erfassung von physiologischen Daten an Tumorzellen, verbunden mit einer Zeitreihenanalyse des Datenverlaufes, zu Mustern führt, die mit dem Reaktionsverhalten der Tumorzellen korreliert werden können. Eine mikroskopische Visualisierung der Zellen zum Beispiel über mikroskopierbare Sensorarrays ermöglichen hierbei eine gute Kontrolle. Diese multiparametrischen Signalmuster können nun physiologischen Reaktionsmustem der Zellen zugeordnet werden, so daß eine präzise Zustandsbeschreibung der Zellen möglich ist. Da Tumore und deren Zellen ein stark heterogenes und individuelles Wachstumsmuster zeigen, das mehr von der Physiologie der Tumore als deren Morphologie determiniert ist, ist es hierdurch möglich, selbst strukturell heterogene Tumore anderer Patienten anhand ihrer gemessenen Signalantworten mit dem zu erwartenden klinischen Verlauf der Behandlung abzuschätzen.Targeted studies in the field of interactions between chemotherapeutic agents and tumor cells have shown that a multiparametric acquisition of physiological data on tumor cells, combined with a time series analysis of the data course, leads to patterns consistent with the Reaction behavior of the tumor cells can be correlated. Microscopic visualization of the cells, for example via microscopic sensor arrays, allows good control. These multiparametric signal patterns can now be assigned to physiological reaction patterns of the cells, so that a precise description of the state of the cells is possible. Since tumors and their cells show a strongly heterogeneous and individual pattern of growth, which is determined more by the physiology of the tumors than their morphology, it is possible to estimate even structurally heterogeneous tumors of other patients based on their measured signal responses with the expected clinical course of treatment ,

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Untersuchung von Zellen, Geweben und dergleichen Proben, wobei die Vorrichtung Sensoren zur Messung funktionsspezifischer, physiologischer Parameter an den Proben aufweist, wird vorgeschlagen, daß mehrere, unterschiedliche Sensoren vorgesehen sind, die zur multiparametrischen, trainierbaren Signalanalyse an ein trainierbares Netzwerk angeschlossen sind und daß dessen Ausgang an eine Auswerteeinrichtung zum Vergleichen des Netzwerksignalmusters mit abgespeicherten Signalmustern aus bekanntem, klinischen Verhalten von entsprechenden Proben angeschlossen ist. Wie bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, kann damit auf einfache und schnelle Weise der Zustand von untersuchten Zellen ermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, daß die Analyse von Signalmustern und nicht von Einzelsignalen erfolgt, was weniger störanfällig ist und wodurch auch entsprechende Sicherheitsbereiche mehrparametrig präziser vorgegeben werden können.With regard to the device according to the invention for the examination of cells, tissues and the like samples, wherein the device has sensors for measuring function-specific, physiological parameters on the samples, it is proposed that a plurality of different sensors are provided for multiparametric, trainable signal analysis to a trainable network are connected and that its output is connected to an evaluation device for comparing the network signal pattern with stored signal patterns from known clinical behavior of corresponding samples. As already described in connection with the method according to the invention, the state of cells examined can be determined in a simple and fast manner. It is particularly advantageous that the analysis of signal patterns and not of individual signals takes place, which is less susceptible to interference and which also corresponding security areas can be specified more precisely in multiple parameters.

Zweckmäßigerweise sind als Sensoren Halbleitersensoren und/oder optischen Sensoren und/oder miniaturisierten Festkörpersensoren zur Messung des pH-Wertes, von Sauerstoff, Ionen, elektrischen Signalen sowie zur Messung impedanzspektroskopischer Parameter oder stofflicher Parameter wie zum Beispiel Glucose, Lactat, Hormone etc. vorgesehen. Die Sensoren können auch aus integrierten optischen Bauelementen oder Multifasersensoren bestehen, soweit es durch geeignete Chromophore möglich ist, die physiologischen Daten an den Zellen optisch auszulesen. Zentrales Vorgehen ist in beiden Fällen, daß dem dynanamischen System Tumorzelle ein dynamisches Sensorsystem sozusagen als physiologischer Zellprüfstand gegenübersteht, dessen Datenanalyse nach dem gleichen Prinzip wie dem der Zelle arbeitet.Expediently, semiconductor sensors and / or optical sensors and / or miniaturized solid-state sensors are provided as sensors for measuring the pH, oxygen, ions, electrical signals and for measuring impedance-spectroscopic parameters or material parameters such as, for example, glucose, lactate, hormones, etc. The sensors can also consist of integrated optical components or multifiber sensors, as far as it is possible by means of suitable chromophores, to optically read out the physiological data on the cells. The central procedure in both cases is that the dynanamic tumor cell system faces a dynamic sensor system, so to speak, as a physiological cell test bench, whose data analysis works on the same principle as that of the cell.

Beispielhaft für die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, daß der zeitliche Signalverlauf und die Kurvenformen an den Sauerstoffsensoren mit dem funktionalen Verhalten der Mitochondrien korreliert werden kann. Da der Sauerstoffmetabolismus der Zellen überwiegend über die Mitochondrien gesteuert und reguliert wird, sie sind der morphologische Träger der zellulären Atmung, kann an diesem Beispiel gezeigt werden, daß sehr spezielle substrukturelle Veränderungen an den Zellen durch mikrosensorische Analyse ohne mikroskopische Betrachtung detektiert werden können. Ähnliches kann für den pH-Wert, verschiedene Ionen, die Umsetzung rezeptorvermittelter Signale, der Wirkung von Antimetaboliten und toxischen Substanzen gezeigt werden.Exemplary of the application of the present invention is the possibility that the temporal waveform and the waveforms at the oxygen sensors can be correlated with the functional behavior of the mitochondria. Since the oxygen metabolism of the cells is predominantly controlled and regulated via the mitochondria, they are the morphological carrier of cellular respiration, it can be shown in this example that very specific substructural changes to the cells can be detected by microsensory analysis without microscopic observation. The same can be shown for the pH, various ions, the conversion of receptor-mediated signals, the action of antimetabolites and toxic substances.

Das erfindungsgemäße Verfahren findet auch dort Anwendung, wo mittels Zellen als inhärenter Bestandteil eines Sensorsystems komplexe Analyseprobleme bearbeitet werden. Beispielsweise ist ein solcher zellulärer Sensor zur Bestimmung der Wasserqualität oder der Luftqualität geeignet, indem die verwendeten Zellen ein Signal für deren Wohlbefinden abgeben.The method according to the invention is also used where complex analysis problems are processed by means of cells as an inherent component of a sensor system. For example, such a cellular sensor is suitable for determining water quality or air quality by giving the cells used a signal for their well-being.

Änderungen in diesem mittels multiparametrischer Sensoren gewonnenen Signalmuster können in einer Trainingsphase Störfaktoren zugeordnet werden, so daß ein Frühwarnsystem für Änderungen beispielsweise in der Wasserqualität aufgebaut werden kann. Gegenüber dem Stand der Technik beim Einsatz von Testfischen hat das System den Vorteil, daß keine Adaptierungs- oder Gewöhnungsmöglichkeiten bestehen und je nach der Wahl der verwendeten Monitorzelle spezielle sensorische Leistungen möglich sind und Stoffparameter vorgegeben werden können.Changes in this signal pattern obtained by means of multiparametric sensors can be associated with confounding factors in a training phase, so that an early warning system can be set up for changes in, for example, water quality. Compared to the prior art in the use of test fish, the system has the advantage that there are no adaptation or habituation possibilities and depending on the choice of monitor cell used special sensory benefits are possible and material parameters can be specified.

In gleicher Weise kann auch in der Produktionstechnik in Pharamzie und Biotechnologie vorgegangen werden. Von der Wirkstoffkontrolle bis zum Einsatz in der Lebensmittelkontrolle können solche zellulären Sensoren mit trainierbaren Auswertesystemen vorteilhaft eingesetzt werden.In the same way, it is also possible to use pharamzie and biotechnology in production technology. From drug control to use in food control, such cellular sensors can be advantageously used with trainable evaluation systems.

In verschiedenen Publikationen wurde gezeigt, daß neoplastisches Wachstum in großem Umfang Selbstorganisationsprozessen unterliegt. Diese offenbaren ein hohes Maß an Rechenleistung in den Zellen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung werden dem gerecht, indem die für malignes Wachstum wichtigen Parameter an den Zellen unmittelbar in direktem Kontakt analysiert und mit dem klinischen Verlauf abgeglichen werden.Various publications have shown that neoplastic growth undergoes large scale self-assembly processes. These reveal a high degree of computing power in the cells. The method and the device according to the invention do justice to this by analyzing the important parameters for malignant growth on the cells directly in direct contact and comparing them with the clinical course.

Insgesamt kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung ein Erfassen und Abschätzen des Malignitätsprofiles von Twnorzellen bzw. von zellulären Alterationen unter Einbeziehung ihrer Chemosensitivität bzw. geänderten Funktion durch multiparametrische trainierbare Datenanalyse von Mikrosensoren durchgeführt werden. Auch kann damit eine automatische, funktionale Analyse von Zell- und Gewebeproben durchgeführt werden, die Rückschlüsse auf Therapieerfolg oder Spezifität beim pharmazeutischen Wirkstoffscreening erlaubt.Overall, with the aid of the method and the device according to the invention, a detection and estimation of the malignancy profile of Twnor cells or of cellular alterations including their chemosensitivity or changed function by multiparametric trainable data analysis of microsensors can be carried out. It can also be used to carry out an automatic, functional analysis of cell and tissue samples, allowing conclusions to be drawn about therapeutic success or specificity in pharmaceutical drug screening.

Claims

A method for characterizing the functional state of cells and alterations of living cells, characterized in that physiological data of the cells are multiparametrically detected and that subsequently, in conjunction with a time series analysis and curve analysis of the data course, signal patterns are generated, which are known in a learning phase stored, physiological reaction patterns of the cells are compared computer-aided.

Method according to Claim 1, characterized in that signal patterns measured in a learning phase are assigned the clinical behavior of the cells, in particular of tumor cells or metastases.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that, for checking the chemosensitivity of cells, in particular of a tumor or of metastases, first in a learning phase the clinical course of a therapy on a patient is correlated with a determined sensor pattern and then this assignment is stored.

Method according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the signal patterns are generated by multiparametric, trainable data analysis with the aid of a trainable network.

Device for the examination of cells, tissues and similar samples, the device having sensors for measuring function-specific, physiological parameters on the samples, characterized in that a plurality of different sensors are provided which are connected to a trainable network for multiparametric, trainable signal analysis and that its output is connected to an evaluation device for comparing the network signal pattern with stored signal patterns from known, clinical behavior of corresponding samples.

Apparatus according to claim 5, characterized in that as sensors semiconductor sensors and / or optical sensors and / or miniaturized solid-state sensors for measuring the pH, oxygen, ions, electrical signals and for measuring impedance spectroscopic parameters or material parameters such as glucose, lactate , Hormones, etc. are provided.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the sensors consist of integrated optical components or multifiber sensors.