JP2008533440A - Analysis of blood and cells using an imaging flow cytometer - Google Patents

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Abstract

細胞集団の複数モード/複数スペクトル画像が同時に収集される。画像において同定可能な測光及び/又は形態的特徴を使用して、細胞集団を複数のサブ集団へと分離する。細胞集団が疾患細胞及び健常細胞を含む場合、画像を健常なサブ集団及び疾患のサブ集団へと分離することができる。細胞集団が疾患細胞を含まない場合、疾患状態を有さない患者の異なる細胞タイプの1つ又は複数の比率を、疾患状態を有する患者の対応する比率と比較することができ、疾患状態を検出することが可能になる。例えば、血液細胞をその画像に基づいて異なるタイプに分離することができ、慢性リンパ性白血病に関連する現象であるリンパ細胞数の増加を容易に検出することができる。  Multiple mode / multispectral images of the cell population are collected simultaneously. The photometric and / or morphological features identifiable in the image are used to separate the cell population into multiple subpopulations. If the cell population includes diseased cells and healthy cells, the images can be separated into healthy and diseased subpopulations. If the cell population does not contain disease cells, one or more ratios of different cell types of patients who do not have a disease state can be compared with corresponding ratios of patients with a disease state to detect disease states It becomes possible to do. For example, blood cells can be separated into different types based on the image, and an increase in the number of lymphocytes, which is a phenomenon related to chronic lymphocytic leukemia, can be easily detected.

Description

本発明は、細胞集団から収集された画像により疾患状態を検出する疾患状態(disease condition)検出方法に関し、より詳細には、イメージングフローサイトメータを使用した血液及び細胞の分析に係る疾患状態検出方法に関する。   The present invention relates to a disease condition detection method for detecting a disease condition from images collected from a cell population, and more particularly, to a disease condition detection method for blood and cell analysis using an imaging flow cytometer. About.

細胞血液病理学(cellular hematopathology)は、従来、メイグリュンワルド/ギムザ染色又はライト/ギムザ染色による血液塗抹標本(stauned blood film)の形態的分析(morphological analysis)及び細胞酵素学(cytoenzymology)を含む、様々なスライドベースの手法によって同定及び検査が行われてきた。さらに、これらの病理を理解するために、フローサイトメトリー(flow cytometry)による細胞集団分析など他の手法、及び遺伝子の発現、遺伝子の突然変異、染色体の転座及び複製を判定するためのポリメラーゼ連鎖反応(PCR;polymerase chain reaction)やイン・サイチュー(in situ)ハイブリダイゼーションなどの分子的方法が加わった。   Cellular hematopathology has traditionally included morphological analysis and cytoenzymology of morphological analysis of blood smears with Maygrunwald / Giemsa staining or Wright / Giemsa staining. Identification and inspection has been performed by a simple slide-based approach. In addition, in order to understand these pathologies, other methods such as flow cytometry analysis of cell populations and polymerase chaining to determine gene expression, gene mutation, chromosomal translocation and replication Molecular methods such as PCR (polymerase chain reaction) and in situ hybridization were added.

このような手法を使用することによって、診断能力の向上、疾患のメカニズム及び進行の理解、ならびに新しい治療法の評価に進歩がもたらされたが、そのような技術は、それぞれ標準化及び頑健性に関する問題を抱えており、ほとんどは日常的な臨床検査で使用されるには至っていない。   The use of such techniques has led to improvements in diagnostic capabilities, understanding disease mechanisms and progression, and the evaluation of new therapies, but such techniques are related to standardization and robustness, respectively. It has problems and most have not been used in routine clinical tests.

従来の血液学的臨床検査には、最小限の人的介入で多数の末梢血試料を迅速かつ自動的に分析する技術を含んでいる。Abbott Laboratories(Abbott Park、Illinois)、Beckman Coulter Inc.(Fullerton、CA)、及びTOA Corporation(Kobe、Japan)などの企業では、処理量、分析の正確度、ならびに各試料検査時に収集する情報内容を適度に増加することに関して、これらの技術は進歩し続けている。しかし、細胞血液病理を示唆、すなわち、ある特定のパラメータに関して変動の許容範囲から外れている試料に関しては、従来のスライドベースの手法が広く使用され、考え得る異常の原因が判断される。   Traditional hematology clinical laboratory testing involves techniques for rapid and automatic analysis of large numbers of peripheral blood samples with minimal human intervention. Abbott Laboratories (Abbott Park, Illinois), Beckman Coulter Inc. (Fullerton, CA), and companies such as TOA Corporation (Kobe, Japan), these technologies have advanced with respect to moderately increasing the throughput, accuracy of the analysis, and the information content collected during each sample inspection. continuing. However, for samples that suggest cellular blood pathology, i.e., out of tolerance for certain parameters, conventional slide-based techniques are widely used to determine possible causes of abnormalities.

血液学(hematology)では、診断基準は、細胞の数、サイズ、形状及び染色パターンの異常の形態的同定に基づいて行われる。これらは数十年間にわたって、細胞集団分析で、モノクローナル抗体を用いた様々な細胞表面の決定基の染色、及びフローサイトメトリーによるデータの収集により補われてきたが、診断的評価の最も重要な要素は、末梢血塗抹標本の目視検査、顕微鏡を使用した骨髄及びリンパ節の生検であり、これにより推定される異常の主観的分類が可能になる。   In hematology, diagnostic criteria are based on morphological identification of cell number, size, shape, and abnormalities in staining patterns. These have been complemented for decades by cell population analysis by staining various cell surface determinants with monoclonal antibodies and collecting data by flow cytometry, but the most important element of diagnostic evaluation Is a visual inspection of peripheral blood smears and a biopsy of bone marrow and lymph nodes using a microscope, which allows subjective classification of the presumed abnormalities.

患者の組織及び血液の塗抹標本を手作業で評価することは、煩雑で時間がかかり、検査室間及び観察者間での変動性が非常に大きい。このプロセスは、染色の変動性(縦断的分析に悪影響を及ぼす)、評価者の偏り、及び最適未満の試料の作製(血液塗抹標本に「汚染」細胞及び変則的なリンパ球が多い)を含む、多くの変動性及び過失の原因による影響を受ける。数百個の細胞を形態的概観によって手作業で分類することは、経時的に観察される変化、又は治療の結果としての変化の評価において、統計力が乏しく信頼性が低い。   Evaluating a patient's tissue and blood smear manually is cumbersome and time consuming, and the variability between laboratories and observers is very large. This process includes staining variability (which adversely affects longitudinal analysis), evaluator bias, and suboptimal sample preparation (blood smears are often "contaminated" cells and irregular lymphocytes) , Affected by many causes of variability and negligence. Manually classifying hundreds of cells by morphological overview is poor and unreliable in assessing changes observed over time or as a result of treatment.

慢性リンパ性白血病(CLL;Chronic Lymphocytic Leukemia)は、悪性の形質転換事象(例えば、染色体転座)により骨髄が過剰なリンパ球(白血球の一種)を産生する癌の一種である。このCLLは、欧米社会で最も多いタイプの白血病である。通常、幹細胞(未成熟細胞)は骨髄で起きる命令による分化のプロセスによって、成熟血液細胞へと成長する。成熟血液細胞には次の3種類がある。それは、(1)体内の全組織に酸素を運ぶ赤血球;(2)感染と闘う白血球;及び(3)血栓を形成して出血の防止を助ける血小板である。一般に、これらの血液細胞の数及びタイプは厳密に規定されている。CLLでは、リンパ球と呼ばれる白血球の一種が慢性的に病的に過剰産生される。リンパ球には次の3種類がある。それは、(1)感染との闘いを助ける抗体を産生するBリンパ球;(2)感染と闘う抗体をBリンパ球が産生することを助けるTリンパ球;及び(3)癌細胞及びウイルスを攻撃するキラー細胞である。CLLは、一般に悪性転換したCD5+Bリンパ球細胞のクローン増殖を表す、末梢血のBリンパ球細胞数の増加を伴う疾患である。   Chronic lymphocytic leukemia (CLL) is a type of cancer in which the bone marrow produces excess lymphocytes (a type of white blood cell) due to a malignant transformation event (eg, chromosomal translocation). This CLL is the most common type of leukemia in Western society. Normally, stem cells (immature cells) grow into mature blood cells by a process of differentiation that is ordered by the bone marrow. There are three types of mature blood cells: It is (1) red blood cells that carry oxygen to all tissues in the body; (2) white blood cells that fight infection; and (3) platelets that form thrombus to help prevent bleeding. In general, the number and type of these blood cells are strictly defined. In CLL, a type of white blood cell called lymphocyte is chronically overproduced pathologically. There are three types of lymphocytes: It includes (1) B lymphocytes that produce antibodies that help fight infection; (2) T lymphocytes that help B lymphocytes produce antibodies that fight infection; and (3) attack cancer cells and viruses. It is a killer cell. CLL is a disease with an increase in the number of B lymphocyte cells in peripheral blood, generally representing clonal expansion of malignantly transformed CD5 + B lymphocyte cells.

現在、この病患状態は確立された化学療法を使用して治療されているが、CLL細胞上に発現した細胞表面抗原を標的とするモノクローナル抗体(例えば、Rituximab)を含む、多くの新しい治療法が開発されている。National Cancer Data Baseの最近のデータによれば、この疾患に関する5年生存率は約48%であり、10年後まで生存するこの疾患の患者はわずか23%に過ぎない。近年、患者集団を個々の臨床アウトカムを有する2つのサブ集団に層化することのできる、多くの予後因子が同定されている。生存率の減少と相関傾向のある因子は次の通りである。それは、ZAP70の発現(Tリンパ球細胞のシグナリングに必要なチロシンキナーゼ)、CD38発現、非突然変異Ig Vh遺伝子、及び染色体異常の増加である。しかし、これらの因子の日常的な評価は、データの標準化及び解釈における技術的な問題により、標準的な臨床試験までにはなっていない。   Currently, this disease state is being treated using established chemotherapy, but many new therapies involving monoclonal antibodies (eg, Rituximab) that target cell surface antigens expressed on CLL cells Has been developed. According to recent data from the National Cancer Data Base, the 5-year survival rate for this disease is about 48%, with only 23% of patients with this disease surviving after 10 years. In recent years, many prognostic factors have been identified that can stratify a patient population into two subpopulations with individual clinical outcomes. Factors that tend to correlate with decreased survival are: It is an increase in ZAP70 expression (tyrosine kinase required for T lymphocyte cell signaling), CD38 expression, non-mutated Ig Vh gene, and chromosomal abnormalities. However, routine assessment of these factors has not reached standard clinical trials due to technical problems in data standardization and interpretation.

形態的評価が依然として血液病理の「ゴールドスタンダート(gold standard)」であり、CLLの患者は形態的な不均一性を示す。特定の形態的プロファイルを臨床的予後と相関させる試みが行われているが、現在のところ広く認められている関連性はなく、CLLの形態的サブ分類及びその臨床的予後との相関は、依然として探索中である。   Morphological assessment is still the “gold standard” of hematopathology, and patients with CLL show morphological heterogeneity. Attempts have been made to correlate specific morphological profiles with clinical prognosis, but there is currently no widely recognized association, and morphological subclassification of CLL and its correlation with clinical prognosis remains Searching.

米国特許第6,249,341号明細書US Pat. No. 6,249,341 米国特許第6,211,955号明細書US Pat. No. 6,211,955 米国特許第6,473,176号明細書US Pat. No. 6,473,176 米国特許第6,583,865号明細書US Pat. No. 6,583,865 米国特許出願第09/989,031号明細書US Patent Application No. 09 / 989,031 米国特許第6,608,682号明細書US Pat. No. 6,608,682 米国特許第6,532,061号明細書US Pat. No. 6,532,061 米国特許第6,763,149号明細書US Pat. No. 6,763,149

したがって、血液関連の疾患及び異常の調査をしやすくするように、末梢血白血球を含む血液、及び骨髄及びリンパ節などの細胞成分(細胞を懸濁液中で処理しやすい)を自動的に分析するのに適切な方法及び装置を提供することが望ましい。血液及び他の体液(及び細胞コンパートメント)からの画像を迅速に収集するための方法及び装置を提供し、そのような画像を分析して、疾患に関連する細胞異常又は細胞分布異常を同定するためのソフトウェアツールを提供することが特に望ましい。   Therefore, it automatically analyzes blood, including peripheral blood leukocytes, and cellular components such as bone marrow and lymph nodes (cells are easy to process in suspension) to facilitate investigation of blood-related diseases and abnormalities. It would be desirable to provide a method and apparatus suitable for doing so. To provide a method and apparatus for rapidly collecting images from blood and other body fluids (and cell compartments) and to analyze such images to identify cell abnormalities or cell distribution abnormalities associated with disease It is particularly desirable to provide software tools.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、細胞集団から収集された画像により疾患状態を検出する疾患状態検出方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a disease state detection method for detecting a disease state from an image collected from a cell population.

本願明細書に開示された概念の実施態様は、細胞集団からの複数スペクトル画像の収集及び画像の収集において、同定可能な測光及び/又は形態的マーカーを使用する、集団の少なくとも1つの特徴を測定するための収集された画像の分析に関し、マーカーは疾患状態と関連する。マーカーという用語は、細胞(又は細胞群)の1つ又は複数の画像を使用して判断される、細胞(又は細胞群)の光学的又は空間的特徴をいう。例示的な適用では、細胞は体液及び細胞コンパートメントから取得され、特に好ましい実施では血液から取得され、最も好ましくは細胞コンパートメントが骨髄及びリンパ節であり、さらに特に好ましい実施では測光及び形態的マーカーの両方を分析に使用する。特に好ましくは、実施を制限するものではないが、個々の物体の複数の画像がそれぞれ同時に収集される。   Embodiments of the concepts disclosed herein measure at least one characteristic of a population using identifiable photometric and / or morphological markers in the collection of multispectral images and collection of images from a population of cells. With respect to analysis of collected images to do, markers are associated with disease states. The term marker refers to an optical or spatial characteristic of a cell (or group of cells) that is determined using one or more images of the cell (or group of cells). In exemplary applications, the cells are obtained from body fluids and cell compartments, in particularly preferred implementations from blood, most preferably the cell compartments are bone marrow and lymph nodes, and more particularly preferred implementations are both photometric and morphological markers. Is used for analysis. Particularly preferably, although not limiting the implementation, a plurality of images of individual objects are respectively collected simultaneously.

本願明細書に開示された概念の一実施態様に従って生体細胞を分析するために使用することのできる例示的なステップは、細胞集団から画像データを収集し、画像データから1つ又は複数の細胞サブ集団を同定することを含んでいる。一実施形態では、疾患状態に関連する異常を示す細胞に対応するサブ集団が同定される。そのようなサブ集団は、1つ又は複数の測光及び/又は形態的特徴が一般に疾患状態に関連する細胞異常に関連することを示す実験的証拠に基づいて同定することができる。例えば、収集された画像からの測光及び/又は形態的データを分析する。そのようなデータは、細胞の1つ又は複数の特徴に関連することができる。特徴という用語は、細胞の1つ又は複数の画像から容易に区別することのできる特定の構造、領域、特徴、特性、又は細胞の部分のこと指すことが意図されている。選択された特徴の少なくとも1つの特徴を測定することを可能にするように、収集された画像からの測光及び/又は形態的データを分析する。特定の疾患状態において見られる細胞異常と実験的に関連する特徴を、データ中に検出することができ、最初に画像化された細胞集団に特定の疾患状態が見られるかどうかを判断する。   An exemplary step that can be used to analyze biological cells according to one embodiment of the concepts disclosed herein is to collect image data from a cell population and one or more cell sub-lines from the image data. Including identifying the population. In one embodiment, a subpopulation corresponding to cells exhibiting abnormalities associated with a disease state is identified. Such subpopulations can be identified based on experimental evidence indicating that one or more photometric and / or morphological features are generally associated with cellular abnormalities associated with a disease state. For example, photometric and / or morphological data from collected images is analyzed. Such data can be related to one or more characteristics of the cell. The term feature is intended to refer to a particular structure, region, feature, characteristic, or portion of a cell that can be easily distinguished from one or more images of the cell. Photometric and / or morphological data from the collected images is analyzed to allow measurement of at least one feature of the selected feature. Features that are experimentally associated with cellular abnormalities found in a particular disease state can be detected in the data to determine whether a particular disease state is found in the initially imaged cell population.

さらに他の実施形態では、細胞自体が測光及び/又は形態的パラメータによって同定することのできる異常を示していなくても、疾患状態を検出することができる。そのような実施では、試料は、正常な特徴的な形態及び測光的マーカーによってそれぞれが同定される複数の異なるサブ集団を含んでいる。疾患状態が存在しない場合、サブ集団同士の互いに対する比率は、測定可能な範囲で患者ごとに異なる。悪性の疾患状態が存在する場合、疾患状態は、サブ集団同士の比率を変化させることができ、比率の変化が正常範囲を超えることによって疾患状態が存在することを示すことができる。例えば、CLL(上述した背景技術で述べた疾患状態)は、血液中のリンパ細胞の比率を変化させる。リンパ細胞自体は異常を示さないが、感染に対する正常な反応又は悪性の転換事象の結果として考えられるリンパ細胞数の増加が正常範囲を超えることによって、疾患状態が示唆される。   In yet other embodiments, a disease state can be detected even if the cell itself does not exhibit an abnormality that can be identified by photometry and / or morphological parameters. In such implementations, the sample includes a plurality of different subpopulations each identified by normal characteristic morphology and photometric markers. In the absence of a disease state, the ratio of subpopulations to each other varies from patient to patient within a measurable range. When a malignant disease state is present, the disease state can change the ratio between subpopulations and can indicate that the disease state is present when the ratio change exceeds the normal range. For example, CLL (the disease state described in the background art above) changes the proportion of lymphocytes in the blood. Although the lymphocytes themselves do not show any abnormalities, a disease state is suggested by an increase in the number of lymphocytes that can be considered as a result of a normal response to infection or a malignant transformation event beyond the normal range.

健常な患者の血液細胞集団について検討する。他のタイプの血液細胞に対するリンパ細胞の比率は、血液細胞タイプに従って画像を分類するように血液細胞の全集団の画像データを分析することによって、測定することができる。同じプロセスをCLL患者の血液細胞集団に適用すると、他のタイプの血液細胞に対するリンパ細胞の比率は、CLLに罹患していない患者で同定された比率と大きく異なる。したがって、細胞集団を分析して集団に存在するサブ集団を同定し、疾患状態の存在を示すサブ集団の比率の変化を測定することによって、疾患状態を検出することができる。   Consider the blood cell population of healthy patients. The ratio of lymphocytes to other types of blood cells can be determined by analyzing the image data of the entire population of blood cells to classify the images according to blood cell type. When the same process is applied to CLL patient blood cell populations, the ratio of lymphocytes to other types of blood cells is significantly different from the ratios identified in patients not suffering from CLL. Thus, a disease state can be detected by analyzing a cell population to identify subpopulations present in the population and measuring changes in the proportion of subpopulations that indicate the presence of the disease state.

さらに他の実施形態では、無特徴の細胞タイプの存在によって疾患状態を検出することができる。そのような実施形態では、試料は、特徴的な形態及び測光的マーカーによってそれぞれが同定される複数の異なるサブ集団を含んでいる。疾患状態が存在しない場合、測定可能な範囲内で患者ごとに異なるが、試料内で予想されるサブ集団のみが明らかとなる。疾患状態が存在する場合、試料内で完全に変則的な細胞タイプを明白にすることができる。例えば、乳癌の転移は血液中のあるレベルの明らかな上皮細胞の存在によって証明される。したがって、細胞集団を分析して集団に存在するサブ集団を同定し、疾患状態の存在を示す変則的なサブ集団の有病率を測定することによって、疾患状態を検出することができる。疾患状態は、変則的な細胞の集団の形態及び測光的マーカーを分析して特徴的なサブ集団を含んでいるかどうかを判断することによって、さらに明確にすることができる。例えば、細胞サイズに対する核サイズの高い比率を定義するマーカーによって証明されるように、大部分の細胞が速い速度で分裂すると、癌が侵攻性であることを特徴付けることができる。   In yet other embodiments, the disease state can be detected by the presence of an uncharacterized cell type. In such embodiments, the sample includes a plurality of different subpopulations, each identified by a characteristic morphology and photometric marker. In the absence of a disease state, only the expected sub-population within the sample is evident, although it varies from patient to patient within a measurable range. If a disease state is present, a completely irregular cell type can be revealed in the sample. For example, breast cancer metastasis is evidenced by the presence of some level of apparent epithelial cells in the blood. Thus, a disease state can be detected by analyzing a cell population to identify subpopulations present in the population and measuring the prevalence of an irregular subpopulation that indicates the presence of the disease state. Disease states can be further clarified by analyzing the morphology of irregular cell populations and photometric markers to determine whether they contain characteristic subpopulations. For example, cancer can be characterized as aggressive when most cells divide at a fast rate, as evidenced by markers that define a high ratio of nuclear size to cell size.

さらに他の実施形態では、細胞サブ集団及びその相対的な存在度を分析するだけではなく、細胞試料中に浮遊する(細胞に関連しない)生体分子を分析することによっても疾患状態を検出することができ、そのような実施形態では試薬を細胞試料に加えることができ、試薬は特定の生体分子の存在度をそれぞれが示す反応基質を含んでいる。各反応基質(例えば、微小球体)は、それが優先的に結合する生体分子の種類を同定するとともに、試料中の生体分子の存在度を示す、独自の光学特徴を含んでいる。反応基質と細胞が混ざり合った試料画像を分析することによって、反応基質と細胞を区別し、複合的な方法で試料中の分子及び細胞の分析を実施することができる。   In yet another embodiment, detecting a disease state not only by analyzing cell subpopulations and their relative abundance, but also by analyzing biomolecules floating in the cell sample (not associated with cells) In such embodiments, a reagent can be added to the cell sample, and the reagent includes a reaction substrate that each indicates the abundance of a particular biomolecule. Each reaction substrate (eg, microsphere) includes a unique optical feature that identifies the type of biomolecule to which it preferentially binds and indicates the abundance of the biomolecule in the sample. By analyzing the sample image in which the reaction substrate and the cells are mixed, the reaction substrate and the cells can be distinguished, and analysis of molecules and cells in the sample can be performed in a complex manner.

集団及びサブ集団の画像データはいくつかの異なる手法を使用して操作することができる。例示的な手法はゲーティング(gating)と呼ばれ、測光又は形態的イメージングに関するデータの操作である。他の例示的な手法はバックゲーティングであり、ゲーティングされたデータのサブセットをさらに定義することを含んでいる。厳密に必要ではないが、好ましくは、収集された画像データ、特に同時複数チャンネルイメージングを使用して収集された画像データに信号処理を実施して、クロストークを低減して空間分解能を強化する。   Population and subpopulation image data can be manipulated using several different techniques. An exemplary approach is called gating and is the manipulation of data relating to photometry or morphological imaging. Another exemplary approach is backgating, which further includes defining a subset of the gated data. Although not strictly necessary, signal processing is preferably performed on the collected image data, particularly image data collected using simultaneous multiple channel imaging, to reduce crosstalk and enhance spatial resolution.

特に好ましい実施形態では、疾患状態を示す細胞集団からの画像データが収集される。疾患状態に関連した1つ又は複数の測光又は形態的マーカーが同定される。上述したように、そのようなマーカーは、健常細胞(healthy cell)と疾患細胞(diseased cell)の間のいくつかのパラメータの測定可能な差異を示唆することができる。健常細胞を疾患細胞と区別するために使用されるそのような測光又は形態的マーカーは、一般に特定の特徴と関連している。同定されたマーカーは、疾患細胞から収集された画像データに存在するデータを示すことができるが、健常細胞から収集された画像データには存在しない可能性が高い。同定されたマーカーは、また、疾患状態を示す細胞から収集された画像データに存在するデータを示すことができ、健常細胞から収集された画像データにも存在するが、定量化可能及び同定可能な程度は異なる可能性が高い。マーカーは、疾患状態がないことに関連するサブ集団ではなく、疾患状態に関連するサブ集団の測定可能な変化を表すことができる。上述した例を使用して、他の血液細胞タイプに対する血液のリンパ細胞数の増加は、CLL疾患状態を示唆する。   In particularly preferred embodiments, image data from a cell population indicative of a disease state is collected. One or more photometric or morphological markers associated with the disease state are identified. As described above, such markers can suggest measurable differences in some parameters between healthy cells and diseased cells. Such photometric or morphological markers used to distinguish healthy cells from diseased cells are generally associated with specific features. The identified marker can indicate data present in image data collected from diseased cells, but is likely not present in image data collected from healthy cells. Identified markers can also indicate data present in image data collected from cells exhibiting a disease state and are also present in image data collected from healthy cells, but are quantifiable and identifiable The degree is likely to be different. A marker can represent a measurable change in a subpopulation associated with a disease state, rather than a subpopulation associated with the absence of a disease state. Using the example described above, an increase in the number of blood lymphocytes relative to other blood cell types suggests a CLL disease state.

1つ又は複数の同定マーカーが実験的に確立された後、細胞集団を画像化し分析して、同定マーカーが試料集団中に存在するかどうかを判断し、疾患状態が存在するかどうかを判断することができる。特に好ましくは、実施を制限するものではないが、疾患状態は慢性リンパ性白血病(chronic lymphocytic leukemia)であり、マーカーはリンパ細胞サブ集団のサイズ又は形状の増加に関する。   After one or more identification markers are experimentally established, the cell population is imaged and analyzed to determine whether the identification marker is present in the sample population and to determine whether a disease state is present. be able to. Particularly preferably, although not limiting practice, the disease state is chronic lymphocytic leukemia and the marker is related to an increase in the size or shape of the lymphocyte subpopulation.

分析を容易にするために、本願明細書に開示された概念の少なくとも1つの態様は、疾患細胞又は健常細胞のいずれかを標識化(labeling)し、健常細胞及び疾患細胞の混合集団をともに画像化することを対象とし、それにより同定マーカーが細胞の混合集団から測定されるようになっている。標識化によって、標識化された細胞のサブ集団を、混合集団試料から収集された画像化されたデータから抽出することが可能になる。したがって、標識化によって集合画像データを疾患細胞に対応する画像及び健常細胞に対応する画像に分離することが容易になり、疾患細胞に対応する測光及び/又は形態的マーカーをより簡単に同定することが可能になる。   To facilitate analysis, at least one aspect of the concepts disclosed herein includes labeling either diseased cells or healthy cells and imaging a mixed population of healthy and diseased cells together. The identification marker is measured from a mixed population of cells. Labeling allows a labeled subpopulation of cells to be extracted from the imaged data collected from the mixed population sample. Therefore, it is easy to separate aggregate image data into images corresponding to diseased cells and images corresponding to healthy cells by labeling, and photometric and / or morphological markers corresponding to diseased cells can be more easily identified. Is possible.

本願明細書に開示された手法のさらに他の実施態様は、疾患状態を示す患者の治療の監視に関する。治療前に患者の細胞集団を画像化することによって、ベースラインデータを収集する。好ましくは、細胞集団は血液などの体液から取得される。治療の間、治療プロセスの様々な段階の間及び後に患者から収集した追加の細胞集団を画像化することによって追加データを取得する。そのようなデータは、疾患状態対正常細胞を表す細胞の量、又は集団に存在するサブ集団の比率の変化のいずれかによって示されるように、疾患状態にある患者の改善状態を定量的に示唆する。そのような定量化は、標準的な顕微鏡及び/又は従来のフローサイトメトリーでは実行不可能であることが重要である。   Yet another embodiment of the approach disclosed herein relates to monitoring treatment of patients who are indicative of a disease state. Baseline data is collected by imaging the patient's cell population prior to treatment. Preferably, the cell population is obtained from a body fluid such as blood. Additional data is obtained by imaging additional cell populations collected from the patient during and after the various stages of the treatment process during treatment. Such data quantitatively suggests an improved state of patients in the disease state, as indicated by either the amount of cells representing the disease state versus normal cells, or a change in the proportion of subpopulations present in the population. To do. It is important that such quantification is not feasible with standard microscopy and / or conventional flow cytometry.

本願明細書に開示された手法の好ましい実施では、生体細胞の集団から収集された画像は複数モード画像の収集を含んでいる。すなわち、収集された画像は以下のタイプの画像の少なくとも2つを含んでいる。それは、細胞から放射された光に対応する1つ又は複数の画像、細胞によって伝達された光に対応する1つ又は複数の画像、及び細胞によって散乱された光に対応する1つ又は複数の画像である。そのような複数モードイメージングは以下のタイプの画像のいずれか又は組合せを包含することができる。それは、(1)1つ又は複数の蛍光画像及び少なくとも1つの明視野画像;(2)1つ又は複数の蛍光画像及び少なくとも1つの暗視野画像;(3)1つ又は複数の蛍光画像、明視野画像、及び暗視野画像;及び(4)明視野画像である。(スペクトルによって分離された)複数の異なる蛍光画像の同時収集は、(2つの異なるスペクトルフィルタで伝送された光を使用した)複数の異なる明視野画像の同時収集と同様に、有益であり得る。好ましくは、複数モード画像が同時に収集される。   In a preferred implementation of the techniques disclosed herein, images collected from a population of biological cells include a collection of multimodal images. That is, the collected images include at least two of the following types of images: It includes one or more images corresponding to light emitted from the cell, one or more images corresponding to light transmitted by the cell, and one or more images corresponding to light scattered by the cell It is. Such multi-mode imaging can include any or a combination of the following types of images: It comprises (1) one or more fluorescent images and at least one bright field image; (2) one or more fluorescent images and at least one dark field image; (3) one or more fluorescent images, bright A field image and a dark field image; and (4) a bright field image. Simultaneous collection of multiple different fluorescent images (separated by spectrum) can be beneficial, as is simultaneous collection of multiple different bright field images (using light transmitted with two different spectral filters). Preferably, multi-mode images are acquired simultaneously.

この発明の開示は、いくつかの概念を簡略化された形態で導入するために示したが、以下の発明を実施するための最良の実施形態でさらに詳細に説明される。しかし、この発明の開示は、特許請求に範囲に記載された主題の主要又は重要な特徴を特定するものではなく、特許請求に記載された主題の範囲を判断する際の助けとして使用されるものでもない。   Although the present disclosure has been presented in order to introduce some concepts in a simplified form, it is described in further detail in the following best mode for carrying out the invention. However, the disclosure of the present invention does not identify key or important features of the claimed subject matter, but is used as an aid in determining the scope of the claimed subject matter. not.

1つ又は複数の例示的な実施形態の様々な態様及び付随する利点、ならびにその修正は、添付の図面と併せて読むと以下の詳細な説明を参照することによってより理解しやすくなるとともに、以下で容易に明らかとなるであろう。   Various aspects and attendant advantages of one or more exemplary embodiments, as well as modifications thereof, will be better understood by reference to the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings and as follows: Will be readily apparent.

<図及び開示された実施形態は限定的ではない>
例示的な実施形態が、図面の参照した図において例示されている。本願明細書で開示された実施形態及び図は、限定的ではなく例示的であるとみなすべきである。
<Figures and disclosed embodiments are not limiting>
Exemplary embodiments are illustrated in referenced figures of the drawings. The embodiments and figures disclosed herein are to be considered illustrative rather than limiting.

<概要>
本発明の開示は、フローサイトメトリーの速度、試料の取扱い、細胞ソーティング能力を、複数の形態の顕微鏡の画像、感度、及び分解能ならびに完全な可視/近赤外線スペクトル分析と組み合わせて、血液の病患状態に関連するデータを収集及び分析し、特に慢性リンパ性白血病を検出及び監視することができる、フローイメージングシステムの使用方法を包含する。
<Overview>
The disclosure of the present invention combines the speed of flow cytometry, sample handling, cell sorting capabilities with multiple forms of microscopy images, sensitivity, and resolution as well as complete visible / near infrared spectral analysis, It includes a method of using a flow imaging system that can collect and analyze data related to a condition and in particular detect and monitor chronic lymphocytic leukemia.

本願明細書に開示された概念の一実施態様は、流体のフロー中に巻き込まれた生体細胞を画像化及び分析するためのシステム及び方法に関する。少なくとも1つの実施形態では、複数の生体細胞の画像、すなわち、以下のタイプの画像の少なくとも2つを含む、複数の画像を同時に収集する。それは、明視野画像、暗視野画像、及び蛍光画像である。画像は生体細胞の集団のために収集される。画像が収集された後、画像を処理して画像のサブ集団を同定することができ、サブ集団では病患状態との関連が実験的に測定される光度及び/又は外形特性を共有する。   One embodiment of the concept disclosed herein relates to a system and method for imaging and analyzing biological cells entrained in a fluid flow. In at least one embodiment, multiple images of a plurality of living cells, ie, including at least two of the following types of images, are collected simultaneously. It is a bright field image, a dark field image, and a fluorescence image. Images are collected for a population of living cells. After the images are collected, the images can be processed to identify image sub-populations, which share light intensity and / or profile characteristics that are experimentally measured for association with disease states.

以下の開示、及びそれに添付される特許請求の範囲に関して「細胞集団(population of cell)」という用語は、複数の物体を含む細胞群のことをいう。したがって、細胞集団は複数の細胞を含まなくてはならない。   The term “population of cell” with respect to the following disclosure and the claims attached thereto refers to a group of cells comprising a plurality of objects. Thus, the cell population must contain multiple cells.

本願明細書に開示される技術を実行するために必要な画像データの収集に使用される好ましい画像システムは、以下の原理特性を組み込んでいる:
1.高速測定;
2.大量又は連続的な試料を処理する能力;
3.高スペクトル分解能及び帯域;
4.良好な空間分解能;
5.高感度;及び
6.低い測定変動性。
A preferred image system used to collect the image data necessary to carry out the techniques disclosed herein incorporates the following principle characteristics:
1. High speed measurement;
2. Ability to process large or continuous samples;
3. High spectral resolution and bandwidth;
4). Good spatial resolution;
5. High sensitivity; and Low measurement variability.

特に、ImageStream(商標)機器(Amnis Corporation、Seattle WA)で具現化されている、最近開発されたイメージングフローサイトメータ技術は、上述した原理の特性をそれぞれ達成する上で大きな進歩を成し遂げている。ImageStream(商標)機器は、図1に関して以下に詳述するフローイメージングシステムの商業的な実施形態である。フローサイトメトリーの技術分野におけるこれらの重大な進歩は、本発明の譲受人に譲渡された特許(例えば、特許文献1乃至5参照)に記載されている。ImageStream(商標)のプラットフォームは、本願明細書に開示された概念に従って処理される画像データを収集するための特に好ましいイメージング機器を表しているが、本願明細書に開示された概念は特定の機器の使用のみに限定されるものではない。   In particular, the recently developed imaging flow cytometer technology embodied in the ImageStream ™ instrument (Amnis Corporation, Seattle WA) has made significant progress in achieving each of the above-described principles of characteristics. The ImageStream ™ instrument is a commercial embodiment of a flow imaging system that will be described in detail below with respect to FIG. These significant advances in the technical field of flow cytometry are described in patents assigned to the assignee of the present invention (see, for example, US Pat. While the ImageStream ™ platform represents a particularly preferred imaging device for collecting image data that is processed according to the concepts disclosed herein, the concepts disclosed herein are specific to a particular device. It is not limited to use only.

上述したように、生体細胞集団から画像データを収集するステップに加えて、本願明細書に開示された概念の一実施態様は、画像化された細胞集団において病患状態に関連する少なくとも1つの特性を測定するように、収集された画像データを処理するステップを含んでいる。好ましい画像分析ソフトウェアパッケージは、IDEAS(商標)(Amnis Corporation、Seattle WA)である。IDEAS(商標)パッケージは、細胞集団を規定及び特徴付けるために使用することのできる、複数の形態及び蛍光強度測定を含む約200の特徴をすべての細胞で評価する。IDEAS(商標)パッケージによって使用者は、生物学的に関連のある細胞のサブ集団を規定し、ゲーティング及びバックゲーティングなど標準的なサイトメトリー分析を使用して、サブ集団を分析することが可能である。しかし、本願明細書に開示された概念を適用するために他の画像分析法又はソフトウェアパッケージを実施することもでき、開示された好ましい画像分析ソフトウェアパッケージは、本願明細書に開示された概念を制限するのではなく例示的なものである。   As described above, in addition to collecting image data from a biological cell population, one embodiment of the concepts disclosed herein includes at least one characteristic associated with a disease state in the imaged cell population. Processing the collected image data to measure. A preferred image analysis software package is IDEAS ™ (Amnis Corporation, Seattle WA). The IDEAS ™ package evaluates about 200 features in all cells, including multiple morphologies and fluorescence intensity measurements that can be used to define and characterize cell populations. The IDEAS ™ package allows the user to define biologically relevant subpopulations of cells and analyze the subpopulations using standard cytometric analysis such as gating and backgating. Is possible. However, other image analysis methods or software packages can be implemented to apply the concepts disclosed herein, and the preferred image analysis software package disclosed limits the concepts disclosed herein. Rather than illustrative.

<好ましいイメージングシステムの概要>
図1は、フロー中の物体から複数の画像を同時に収集するために使用することのできる例示的なフローイメージングシステムを示す概略図である。つまり、流体フロー504内に巻き込まれた物体502(生体細胞など)の画像を収集するときにTDIを使用する、好ましいフローイメージングシステム510(ImageStream(商標)プラットフォームを機能的に記述)の概略図である。
<Overview of preferred imaging system>
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an exemplary flow imaging system that can be used to simultaneously collect multiple images from an object in flow. That is, in a schematic diagram of a preferred flow imaging system 510 (functionally describing the ImageStream ™ platform) that uses TDI when collecting images of an object 502 (such as a living cell) entrained in a fluid flow 504. is there.

フローイメージングシステム510は、TDIイメージング検出器508とフローイメージングシステム510を通る流体のフローを同期させるために使用する速度検出サブシステムを含んでいる。このイメージングシステム510は、物体の複数の画像を同時に収集することができることが重大である。また、イメージングシステム510の特に好ましい実行は、複数スペクトルイメージング用に構成され、次の6つのスペクトルチャンネルで操作することができる。それは、DAPI蛍光(400〜460nm)、暗視野(460〜500nm)、FITC蛍光(500〜560nm)、PE蛍光(560〜595nm)、明視野(595〜650nm)、及び深赤色(650〜700nm)である。TDI検出器508は、ピクセルあたり10ビットデジタル分解能が可能である。好ましいイメージングシステム510の開口数は、一般に0.75であり、ピクセルサイズは約0.5ミクロンである。しかし、このフローイメージングシステム510は、6スペクトルチャンネルに限定されるものでも、上述した開口数又はピクセルサイズ及び解像度に限定されるものでもないことを、当業者であれば理解するであろう。   The flow imaging system 510 includes a velocity detection subsystem that is used to synchronize the flow of fluid through the TDI imaging detector 508 and the flow imaging system 510. Significantly, the imaging system 510 can collect multiple images of the object simultaneously. Also, a particularly preferred implementation of imaging system 510 is configured for multi-spectral imaging and can operate on the following six spectral channels. It is DAPI fluorescence (400-460 nm), dark field (460-500 nm), FITC fluorescence (500-560 nm), PE fluorescence (560-595 nm), bright field (595-650 nm), and deep red (650-700 nm) It is. The TDI detector 508 is capable of 10-bit digital resolution per pixel. The preferred imaging system 510 has a numerical aperture of typically 0.75 and a pixel size of about 0.5 microns. However, those skilled in the art will appreciate that this flow imaging system 510 is not limited to six spectral channels, nor is it limited to the numerical aperture or pixel size and resolution described above.

移動物体502は、光源506を使用して照らされる。この光源506は、レーザー、発光ダイオード、フィラメントランプ、ガス放電アーク灯又は他の適切な発光源とすることができ、フローイメージングシステム510は、広帯域又は1つ又は複数の望ましい光波長を物体の速度及び1つ又は複数の他の特徴の検出に必要な強度で物体に照射するように使用される、レンズ、開口、及びフィルタなどの光学調整要素を含むことができる。物体からの光は、ビームスプリッター503によって2つの光路に分割される。一方の光路に沿って移動する光は、速度検出器サブシステムの方向に向かい、他方の光路に沿って移動する光は、TDIイメージング検出器508の方向に向かう。光を所望の方向に向かわせ、光の焦点を合わせるために、複数のレンズ507を使用する。図示されていないが、例えば、物体内/物体上の蛍光又は燐光分子によって発せられる波長に対応する狭帯域の波長の光、又は光源506によってもたらされる波長を有する光のみを速度検出サブシステム及び/又はTDIイメージング検出器508に到達させるために、1つ又は一揃いのフィルタを有することができる。その結果、所望しない光源からの光が実質的に排除される。   The moving object 502 is illuminated using a light source 506. The light source 506 can be a laser, light emitting diode, filament lamp, gas discharge arc lamp or other suitable light source, and the flow imaging system 510 can provide broadband or one or more desired light wavelengths to the velocity of the object. And optical adjustment elements, such as lenses, apertures, and filters, used to illuminate the object with the intensity required to detect one or more other features. Light from the object is divided into two optical paths by a beam splitter 503. Light traveling along one optical path is directed toward the velocity detector subsystem, and light traveling along the other optical path is directed toward the TDI imaging detector 508. A plurality of lenses 507 are used to direct the light in the desired direction and focus the light. Although not shown, for example, only a light with a narrowband wavelength corresponding to the wavelength emitted by fluorescent or phosphorescent molecules in / on the object, or only light having a wavelength provided by the light source 506, and / or the velocity detection subsystem and / or Or, it can have one or a set of filters to reach the TDI imaging detector 508. As a result, light from unwanted light sources is substantially eliminated.

速度検出器サブシステムは、物体からの変調光を増幅する光学回折格子505a、光感知検出器505b(光電子増倍管又はソリッドステート光検出器)、信号調整ユニット505c、速度計算ユニット505d、及びシステムを通る流体のフロー504にTDIイメージング検出器508を確実に同期させるタイミング制御ユニット505eを含んでいる。光学回折格子は、好ましくは、物体から受け取った光を変調する交互になった複数の透明及び不透明のバーを含み、光を送った物体の速度に対応する変調周波数を有する変調光を形成する。好ましくは、光回折格子の光学倍率及び刻線ピッチは、照射しようとする物体のサイズとバーの幅がほぼ同じになるように選択される。したがって、細胞又は他の物体から収集された光は、物体がインテロゲーション領域、すなわち、視野を横切るとき、光学回折格子の刻線を通って交互に遮断及び通過する。変調光は、光感知検出器の方向に向かい、物体の速度を測定するためにプロセッサが解析することのできる信号を発生する。速度計測サブシステムを使用して、タイミング信号がTDIイメージング検出器508に送られる。   The velocity detector subsystem includes an optical diffraction grating 505a that amplifies modulated light from an object, a light sensitive detector 505b (photomultiplier tube or solid state photodetector), a signal conditioning unit 505c, a velocity calculation unit 505d, and a system. A timing control unit 505e that reliably synchronizes the TDI imaging detector 508 to the fluid flow 504 through the. The optical diffraction grating preferably includes a plurality of alternating transparent and opaque bars that modulate light received from the object to form modulated light having a modulation frequency corresponding to the velocity of the object that sent the light. Preferably, the optical magnification and the marking pitch of the optical diffraction grating are selected so that the size of the object to be irradiated and the width of the bar are substantially the same. Thus, light collected from cells or other objects is alternately blocked and passed through the optical grating grating lines as the object traverses the interrogation region, i.e., the field of view. The modulated light is directed toward the light sensitive detector and generates a signal that can be analyzed by the processor to measure the velocity of the object. A timing signal is sent to the TDI imaging detector 508 using the velocity measurement subsystem.

好ましくは、信号調整ユニット505cは、プログラマブル計算デバイスを含むが、この目的でASICチップ又はデジタルオシロスコープを使用することもできる。光検出器の周波数が計測され、その周波数の関数として物体の速度が計算される。TDIイメージング検出器508のクロック速度を調整するように、速度依存信号がTDI検出器タイミング制御505eに周期的に送られる。当業者であれば、TDI検出器の出力信号における縦軸方向の画像のスメアリングが許容範囲内となるように選択されたわずかな公差の範囲内に、TDI検出器を通る物体の画像の速度を一致させるように、TDI検出器のクロック速度が調整される。速度の更新速度は、フロー(物体)の速度が変化するときクロック周波数を公差バンド内に維持するのに十分な頻度で行われなければならない。   Preferably, the signal conditioning unit 505c includes a programmable computing device, although an ASIC chip or a digital oscilloscope can be used for this purpose. The frequency of the photodetector is measured and the velocity of the object is calculated as a function of that frequency. A speed dependent signal is periodically sent to the TDI detector timing control 505e to adjust the clock speed of the TDI imaging detector 508. Those skilled in the art will appreciate the speed of the image of the object passing through the TDI detector within a small tolerance range selected such that the vertical image smearing in the output signal of the TDI detector is within an acceptable range. The TDI detector clock speed is adjusted to match. The rate update rate must occur at a frequency sufficient to keep the clock frequency within the tolerance band as the flow (object) velocity changes.

物体502から光感知検出器505bへの光部分、及び物体502aからTDIイメージング検出器508への光部分に分割するために、ビームスプリッター503が使用されている。TDIイメージング検出器508に向かう光路には、物体502aからの光を複数の波長に分離する、複数の積層された2色フィルタ509がある。レンズ507の1つを使用して、TDIイメージング検出器508に物体502aの画像を形成する。   A beam splitter 503 is used to split the light portion from the object 502 to the light sensitive detector 505b and the light portion from the object 502a to the TDI imaging detector 508. In the optical path toward the TDI imaging detector 508, there are a plurality of stacked two-color filters 509 that separate light from the object 502a into a plurality of wavelengths. One of the lenses 507 is used to form an image of the object 502a on the TDI imaging detector 508.

フローイメージングシステム510に使用されているようなTDI検出器の操作理論は次の通りである。物体がフロー管511(図1)を通って移動しTDI検出器によって画像化される体積を通過すると、物体からの光が物体の画像を形成し、これらの画像がTDI検出器の表面を移動する。TDI検出器は、好ましくは、所定の電荷列が画像内のある列に固定されたまま、又はそれと同期されたままとなるように電荷が各クロック周期にrow−by−row方式で移動することができる特別に設計された電荷結合素子(CCD)アレイを含んでいる。電荷の列は、アレイの最下層に到達するとアレイからメモリへと移動する。画像及び対応する生成された信号がCCDアレイを通って伝播すると、物体の画像に対応する、TDI検出器によって生成された信号の各行の強度が時間とともに積分される。この手法は、非積分タイプの検出器に比べてTDI検出器の信号雑音比を大きく改善する。これは物体の低レベル蛍光放射による画像に応答することを目的とした検出器の大きな利点となる特徴である。TDI検出器の適正な操作では、CCDアレイを通って移動する物体の画像の速度と同期される際に、CCDアレイ全体にわたって電荷信号をクロック制御する必要がある。この同期を容易にする正確なクロック信号は物体の速度を測定することによって提供することができ、本願明細書に開示された概念では、物体の速度、したがって、TDI検出器のCCDアレイを通って移動するときの画像の速度の正確な推定を使用する。このタイプのフローイメージングシステムは、本発明の譲受人に譲渡された特許(例えば、特許文献1参照)に開示されており、その完全な開示、明細書、及び図面を、参照によって本願明細書に特に援用する。   The theory of operation of a TDI detector as used in the flow imaging system 510 is as follows. As the object moves through the flow tube 511 (FIG. 1) and passes through the volume imaged by the TDI detector, the light from the object forms an image of the object, and these images move across the surface of the TDI detector. To do. The TDI detector preferably moves the charge in a row-by-row manner in each clock period so that a given charge train remains fixed or synchronized with a certain train in the image. A specially designed charge coupled device (CCD) array. As the charge column reaches the bottom layer of the array, it moves from the array to the memory. As the image and the corresponding generated signal propagate through the CCD array, the intensity of each row of signals generated by the TDI detector corresponding to the image of the object is integrated over time. This approach greatly improves the signal-to-noise ratio of the TDI detector compared to a non-integrating type detector. This is a significant advantage of detectors aimed at responding to images of low-level fluorescent radiation of objects. Proper operation of the TDI detector requires that the charge signal be clocked across the CCD array when synchronized with the speed of the image of the object moving through the CCD array. An accurate clock signal that facilitates this synchronization can be provided by measuring the velocity of the object, and in the concept disclosed herein, the velocity of the object, and therefore through the CCD array of the TDI detector. Use an accurate estimate of the speed of the image as it moves. This type of flow imaging system is disclosed in a patent assigned to the assignee of the present invention (see, for example, US Pat. No. 6,096,049), the complete disclosure, specification and drawings of which are hereby incorporated by reference. Specially incorporated.

図2は、図1に示したフローイメージングシステムによって記録(生成)された画像を表す図である。図1のフローイメージングシステムによって生成された画像を表す図である。列520は「BF」とラベル付けされ(labeled)、流体フロー504に巻き込まれた球体物体502が光源506からの光を吸収することによって形成される画像を含んでいる。「BF」ラベルとは、画像にコントラストを形成する方法に由来する用語である「明視野(bright field)」のことをいい、それにより光が領域を通過し、領域での物体による光の吸収によって画像に暗領域が形成される。したがって、この画像では、背景は明るくなり、物体は暗くなる。したがって、列520は「明視野チャンネル」である。明視野画像を含むことは、本願明細書に開示された概念の範囲を制限するものではなく、例示的なものである。好ましくは、本願明細書に開示された概念は明視野画像と蛍光画像の組合せ、又は暗視野画像と蛍光画像の組合せを使用する。   FIG. 2 is a diagram illustrating an image recorded (generated) by the flow imaging system illustrated in FIG. 1. It is a figure showing the image produced | generated by the flow imaging system of FIG. Column 520 is labeled “BF” and includes an image formed by a spherical object 502 entrained in fluid flow 504 absorbing light from light source 506. “BF” label refers to “bright field”, a term derived from a method of creating contrast in an image, whereby light passes through the region and light is absorbed by objects in the region. As a result, a dark region is formed in the image. Therefore, in this image, the background is light and the object is dark. Thus, column 520 is a “bright field channel”. The inclusion of bright field images is exemplary rather than limiting the scope of the concepts disclosed herein. Preferably, the concepts disclosed herein use a combination of bright field images and fluorescent images, or a combination of dark field images and fluorescent images.

図2に示す残りの3つの列522、524、526は、それぞれ「λ1」、「λ2」及び「λ3」とラベル付けされている。これらの列は、流体フロー内に巻き込まれた物体によって放出された光を使用して生成された画像を含んでいる。好ましくは、そのような光は(透過光を使用して生成される画像とは対照的に)蛍光プロセスを通して放射される。当業者には明らかなように、蛍光は、入射光の吸収によって励起された物体による光の放射(又は他の電磁放射線)である。一般に、蛍光は励起放射が続いている間のみ持続する。蛍光発光するときに生成される光のスペクトルに基づいて、多くの物質(特に蛍光色素)を同定することができる。したがって、列522、524、及び526を「蛍光チャンネル」という。   The remaining three columns 522, 524, 526 shown in FIG. 2 are labeled “λ1”, “λ2”, and “λ3”, respectively. These columns contain images generated using light emitted by objects entrained in the fluid flow. Preferably, such light is emitted through a fluorescence process (as opposed to an image generated using transmitted light). As will be apparent to those skilled in the art, fluorescence is the emission of light (or other electromagnetic radiation) by an object excited by absorption of incident light. In general, fluorescence lasts only while excitation radiation continues. Many substances (especially fluorescent dyes) can be identified based on the spectrum of light produced when they emit fluorescence. Thus, columns 522, 524, and 526 are referred to as “fluorescence channels”.

他の例示的なフローイメージングシステムが、本発明の譲受人に譲渡された特許(例えば、特許文献2及び特許文献6参照)に開示されており、その完全な開示、明細書、及び図面を、背景材料として参照によって本願明細書に特に援用する。上記及びこれら2つの特許に詳述され本願明細書に参照によって援用されたイメージングシステムは、生体細胞集団の画像を取得するために使用される従来のイメージングシステムに比べて大きな利点を有する。これらの利点は、光学分散システムのいくつかの画像システムを、TDI検出器の方向に向かう細胞及び他の物体の画像に応答して出力信号を生成するTDI検出器と併せて使用することによって得られる。単一の物体の複数の画像を同時に収集できることが重要である。各物体の画像は、分析のための共通のTDI検出器を使用して、物体の特徴を吸収、散乱、反射又は放射によって区別するようにスペクトルに分解することができる。他のフローイメージングシステムは、複数の検出器を含み、それぞれが単一のスペクトルチャンネル専用である。   Other exemplary flow imaging systems are disclosed in patents assigned to the assignee of the present invention (see, for example, US Pat. It is specifically incorporated herein by reference as background material. The imaging systems detailed above and in these two patents and incorporated by reference herein have significant advantages over conventional imaging systems used to acquire images of biological cell populations. These advantages are obtained by using several imaging systems of the optical dispersion system in conjunction with a TDI detector that produces an output signal in response to images of cells and other objects in the direction of the TDI detector. It is done. It is important to be able to collect multiple images of a single object simultaneously. The image of each object can be resolved into a spectrum using a common TDI detector for analysis to distinguish object features by absorption, scattering, reflection or radiation. Other flow imaging systems include multiple detectors, each dedicated to a single spectral channel.

これらのフローイメージングシステムを使用して、光散乱、反射、吸収、蛍光、燐光、ルミネセンスなどを含む光信号を測定することによって、細胞及び他の物体の形態、測光及びスペクトル特性を測定することができる。形態的パラメータは、面積、外周、テクスチャー、又は空間周波数、重心位置、形状(すなわち、円形、楕円形、バーベル形など)、体積、及びこれらのパラメータの選択された対(又はサブセット)の比率を含んでいる。同様のパラメータを使用して、本願明細書に開示された概念によって核、細胞質、又は細胞の他のサブコンパートメントを測定することもできる。好ましいイメージングシステムでの光度測定によって、核の光学的密度、細胞質の光学的密度、背景の光学的密度、及びこれらの値の選択された対の比率を測定することができる。本願明細書に開示された概念によって画像化される物体は、光を放射するように蛍光又は燐光へと励起することもでき、励起を伴わずに光を発生するルミネセント光とすることもできる。それぞれの場合において、物体からの光は、本願明細書に開示された概念を使用するTDI検出器上で画像化されて、放射された光の存在及び振幅、光信号を発生する細胞又は他の物体における離散位置の数、信号源の相対的位置、及び物体の各位置で放出された光の色(波長又は帯域)を測定する。   Use these flow imaging systems to measure the morphology, photometry and spectral properties of cells and other objects by measuring optical signals including light scattering, reflection, absorption, fluorescence, phosphorescence, luminescence, etc. Can do. Morphological parameters include area, perimeter, texture, or spatial frequency, centroid location, shape (ie, circular, oval, barbell, etc.), volume, and the ratio of a selected pair (or subset) of these parameters. Contains. Similar parameters can be used to measure the nucleus, cytoplasm, or other subcompartments of cells according to the concepts disclosed herein. Photometric measurements in a preferred imaging system can measure the optical density of the nucleus, the optical density of the cytoplasm, the optical density of the background, and the ratio of selected pairs of these values. An object that is imaged by the concepts disclosed herein can be excited to fluorescence or phosphorescence to emit light, or can be luminescent light that generates light without excitation. . In each case, the light from the object is imaged on a TDI detector using the concepts disclosed herein to determine the presence and amplitude of the emitted light, the cell or other that produces the optical signal. The number of discrete positions in the object, the relative position of the signal source, and the color (wavelength or band) of the light emitted at each position of the object are measured.

<イメージングシステムを利用した体液の疾患状態に関する分析>
上述したように、本願明細書に開示された概念の実施態様は、疾患状態との関連が実験的に測定された少なくとも1つの測光又は形態的特徴を同定するための、生体細胞集団からの複数スペクトル画像の収集、及び収集した画像の分析の両方を含んでいる。したがって、本発明の開示する一実施態様は、細胞集団中の細胞の特徴を識別し、疾患状態の存在を検出しやすくするように、フロー中の物体(例えば、細胞)のマルチモード画像から得られた、測光及び形態的特徴の両方の使用に関する。例えば、正常細胞及び疾患細胞の両方によって提示される特徴の量子化を可能にして、疾患状態を示唆する疾患又は異常細胞を検出しやすくするように、形態的及び測光的データを提供する総合的な複数スペクトルイメージングと組み合わせることのできる、懸濁液又はフロー中の細胞を分析するための方法を以下に詳細に述べる。これまで、そのような方法は標準的な顕微鏡及び/又はフローサイトメトリーでは可能ではなかった。
<Analysis of disease state of body fluid using imaging system>
As noted above, embodiments of the concepts disclosed herein may include a plurality of biological cell populations for identifying at least one photometric or morphological feature that has been experimentally determined to be associated with a disease state. Includes both spectral image collection and analysis of collected images. Thus, one disclosed embodiment of the present invention is derived from a multi-modal image of an object (eg, a cell) in the flow to identify the characteristics of the cells in the cell population and facilitate detection of the presence of the disease state. Related to the use of both photometric and morphological features. Comprehensive to provide morphological and photometric data to allow quantization of features presented by both normal and diseased cells, making it easier to detect diseased or abnormal cells that are indicative of a disease state A method for analyzing cells in suspension or flow that can be combined with such multispectral imaging is described in detail below. To date, such methods have not been possible with standard microscopy and / or flow cytometry.

上述したように、好ましいフローイメージングシステム(例えば、ImageStream(商標)プラットフォーム)を使用して、フロー中の細胞の複数スペクトル画像を同時に取得し、明視野、暗視野、及び蛍光の4チャンネルに対応する画像データを収集することができる。ImageStream(商標)プラットフォームは、上述したイメージングシステムに基づいた商業的実施形態である。一般に、細胞はコアストリームへと流体力学的に集束され、暗視野及び蛍光画像のために直角に照射される。細胞は明視野イメージングのためにスペクトル制限された光源(例えば、フィルタリングされた白色光又は発光ダイオード)によって同時に透過照明される。光はイメージング対物レンズで細胞から収集され、CCDアレイ上に投影される。光学システムは開口数が0.75、物体空間のCCDピクセルサイズが0.5ミクロン2であり、1秒あたりほぼ100細胞のイベント速度で、高い分解能イメージングを可能にしている。この例では各ピクセルは10ビットの強度分解能でデジタル化され、ピクセルあたり30の最低ダイナミックレンジを提供する。実際には、複数ピクセルにわたって信号が分布することによって、一般に画像あたり40を超える有効ダイナミックレンジが得られる。さらに、CCDの感度は複数スペクトル画像ごとに独立して制御することができ、1つの物体に関連するすべての画像にわたって合計約60のダイナミックレンジが得られる。ImageStream(商標)プラットフォームは本願明細書に開示された概念に従って画像データを取得するために特に好ましいフローイメージングシステムを表すが、ImageStream(商標)プラットフォームは開示された概念を制限するものではなく、例示的なイメージングシステムを表すものである。以下に詳述されている、画像分析を可能にするのに十分な、生体細胞集団の画像を収集することのできるイメージング機器は、本願明細書に説明された概念に従って実行することができる。 As described above, a preferred flow imaging system (eg, ImageStream ™ platform) is used to simultaneously acquire multispectral images of cells in the flow, supporting four channels of brightfield, darkfield, and fluorescence. Image data can be collected. The ImageStream ™ platform is a commercial embodiment based on the imaging system described above. In general, cells are hydrodynamically focused into the core stream and illuminated at right angles for dark field and fluorescent images. Cells are simultaneously transmitted and illuminated by spectrally limited light sources (eg, filtered white light or light emitting diodes) for bright field imaging. Light is collected from the cells with an imaging objective and projected onto a CCD array. The optical system has a numerical aperture of 0.75, an object space CCD pixel size of 0.5 microns 2 and allows high resolution imaging at an event rate of approximately 100 cells per second. In this example, each pixel is digitized with 10-bit intensity resolution, providing a minimum dynamic range of 30 per pixel. In practice, the distribution of the signal across multiple pixels generally provides an effective dynamic range of over 40 per image. Furthermore, the sensitivity of the CCD can be controlled independently for each multispectral image, resulting in a total of about 60 dynamic ranges across all images associated with one object. Although the ImageStream (TM) platform represents a particularly preferred flow imaging system for acquiring image data in accordance with the concepts disclosed herein, the ImageStream (TM) platform does not limit the disclosed concepts and is illustrative Represents a simple imaging system. An imaging instrument that can collect images of a biological cell population sufficient to allow image analysis, as detailed below, can be implemented according to the concepts described herein.

好ましいイメージングシステム、ImageStream(商標)プラットフォームを再び参照すると、光はCCDに投影される前に、様々なスペクトルバンドを検出器の様々な横方向位置に方向付ける、スペクトル分解光学システムを通過する(そのようなスペクトル分解は、イメージングシステムの様々な好ましい実施形態の説明と併せて上述されている)。この技術を使用して、画像は一組の複数のサブ画像(好ましくは、明視野、暗視野及び4つの異なる蛍光画像を含む6つのサブ画像)へと光学的に分解され、各サブ画像は異なるスペクトル(すなわち、色)成分に対応し、残りのサブ画像から空間的に分離される。このプロセスは、細胞の重なり部分から発生することのある検出器信号を物理的に分離することによって細胞内の信号の同定及び量子化を容易にする。スペクトル分解は、また、マルチモードイメージング、すなわち、明視野、暗視野及び複数色の蛍光の同時検出も可能にする。スペクトル分解のプロセスは、従来の複合画像のデジタル画像処理によってではなく、画像作成プロセスの間に行われる。   Referring back to the preferred imaging system, the ImageStream ™ platform, the light passes through a spectrally resolved optical system that directs different spectral bands to different lateral positions of the detector (that Such spectral decomposition is described above in conjunction with the description of various preferred embodiments of the imaging system). Using this technique, the image is optically resolved into a set of multiple sub-images (preferably six sub-images including bright field, dark field and four different fluorescent images), each sub-image being It corresponds to different spectral (ie color) components and is spatially separated from the remaining sub-images. This process facilitates identification and quantization of intracellular signals by physically separating detector signals that may arise from overlapping portions of the cells. Spectral decomposition also allows multi-mode imaging, ie simultaneous detection of bright field, dark field and multiple colors of fluorescence. The process of spectral decomposition is performed during the image creation process rather than by conventional digital image processing of composite images.

CCDは、検出器と画像化される物体の間の相対動作が速くても感度及び画質を維持するように、TDIを使用して操作することができる。あらゆるCCDと同様に、画像の光子はピクセルのアレイで光電荷に変換される。しかし、TDI操作では、光電荷は検出器を下ってフローの軸と平行にピクセルからピクセルへと連続的に移動する。光電荷の移動速度が細胞の画像の速度と同期されると、カメラを物理的にパンすることと同様の効果となる。信号の積分時間が従来のフローサイトメトリーより長いオーダーの大きさであるにもかかわらず、画像の縞模様は避けられる。例えば、機器は毎秒約30メガピクセルの連続的データ速度で作動し、各物体から10ミリ秒の信号を積分することができ、取得する細胞画像内のわずかな蛍光プローブでも比較的高速で検出することが可能である。高い層流の非脈動流を達成するためのポンプ及び流体システム設計に注意をはらうことによって、イメージングプロセスの時間スケール上での細胞の回転又は横方向移動が排除される(例えば、特許文献7参照)。   The CCD can be operated using TDI to maintain sensitivity and image quality even when the relative motion between the detector and the object being imaged is fast. As with any CCD, image photons are converted to photocharges in an array of pixels. However, in TDI operation, photocharge moves continuously from pixel to pixel down the detector and parallel to the flow axis. When the moving speed of the photo charge is synchronized with the speed of the cell image, the effect is similar to physically panning the camera. Despite the signal integration time being on the order of magnitude longer than conventional flow cytometry, image streaking is avoided. For example, the instrument operates at a continuous data rate of about 30 megapixels per second, can integrate a 10 millisecond signal from each object, and detect even a few fluorescent probes in acquired cell images at a relatively high speed. It is possible. By paying attention to the pump and fluid system design to achieve high laminar non-pulsatile flow, cell rotation or lateral movement on the time scale of the imaging process is eliminated (see, for example, US Pat. ).

リアルタイムアルゴリズムは、物体の画像の存在を検出し、データ保存の基準として使用することのできる基本的な形態及び測光特徴の数を計算するように、CCDから読み出されたすべてのピクセルを分析する。10,000〜20,000細胞を包含するデータファイルは、一般に約100MBの大きさであり、したがって、標準的なパーソナルコンピュータを使用して保存し分析することができる。TDIの読出しプロセスは「デッドタイム」なしに連続的に作動し、このことはすべての細胞を画像化することができることを意味し、2つ以上の細胞を接触式又は非接触式に同時に画像化することは、データ取得に対する障害がないことを示す。   The real-time algorithm analyzes all pixels read from the CCD to detect the presence of an object image and calculate the number of basic features and photometric features that can be used as a basis for data storage . Data files containing 10,000 to 20,000 cells are typically about 100 MB in size and can therefore be stored and analyzed using a standard personal computer. The TDI readout process runs continuously without “dead time”, which means that all cells can be imaged, and two or more cells can be imaged simultaneously in contact or non-contact This indicates that there is no obstacle to data acquisition.

このようなイメージングシステムを使用して、光散乱、反射、吸収、蛍光、燐光、ルミネセンスなどを含む光信号を測定することによって、細胞及び他の物体の形態、測光及びスペクトル特性を測定することができる。本明細書で使用されるとき、形態パラメータ(morphological parameter)(すなわち、形態測定)は、基本的(例えば、核の形状)又は複合的(例えば、細胞のサイズと核のサイズの差として細胞質のサイズを同定)とすることができる。例えば、形態パラメータは、核面積、外周、テクスチャー又は空間周波数成分、重心位置、形状(すなわち、円形、楕円形、バーベル形など)、体積、及びこれらの形態パラメータの選択された対の比率を含むことができる。細胞の形態パラメータは、また、細胞質のサイズ、テクスチャー又は空間周波数成分、体積などを含むことができる。本明細書で使用されるとき、上述したイメージングシステムでの光度測定によって、核の光学的密度、細胞質の光学的密度、背景の光学的密度、及びこれらの値の選択された対の比率を測定することができる。画像化する物体を蛍光又は燐光へと励起して光を放射させ、又は励起せずに光を発生するルミネセントとすることができ、それぞれの場合において物体からの光をイメージングシステムのTDI検出器で画像化して放射光の存在及び振幅、光信号を発生する細胞又は他の物体における離散位置の数、信号源の相対的位置、及び物体の各位置で放出された光の色(波長又は帯域)を測定することができる。   Using such an imaging system to measure the morphology, photometry and spectral characteristics of cells and other objects by measuring optical signals including light scattering, reflection, absorption, fluorescence, phosphorescence, luminescence, etc. Can do. As used herein, morphological parameters (ie, morphometry) can be either basic (eg, nuclear shape) or complex (eg, cytoplasmic as the difference between cell size and nucleus size). Size). For example, morphological parameters include core area, perimeter, texture or spatial frequency component, centroid position, shape (ie, circular, elliptical, barbell shape, etc.), volume, and ratio of selected pairs of these morphological parameters. be able to. Cell morphology parameters can also include cytoplasm size, texture or spatial frequency components, volume, and the like. As used herein, photometric measurements in the imaging system described above measure the optical density of the nucleus, the optical density of the cytoplasm, the optical density of the background, and the ratio of selected pairs of these values. can do. The object to be imaged can be excited to fluorescence or phosphorescence to emit light, or luminescent to generate light without excitation, in each case the light from the object is the TDI detector of the imaging system The presence and amplitude of the emitted light, the number of discrete positions in the cell or other object generating the light signal, the relative position of the signal source, and the color (wavelength or band) of the light emitted at each position of the object ) Can be measured.

本発明の開示は、フロー中の物体のマルチモード画像から得られた測光的特徴及び形態の両方を使用する方法を提供する。そのような方法は、画像化される細胞集団に疾患状態に対応するマーカーが存在するかどうかを測定するための細胞分析装置として使用することができる。上述したように、マーカーは疾患状態に関連した細胞の異常を示唆することができ、又はマーカーは画像化される細胞集団に存在するサブ集団の比率の変化を示唆することができ、比率の変化は疾患状態を示唆する。好ましくは、細胞集団は、イメージングシステムを通って流れる流体に巻き込まれている間に画像化される。本明細書で使用されるとき、ゲーティングとは測光又は形態的イメージングに関連するデータのサブセットのことをいう。例えば、ゲートは、さらに分析しようとする粒子の特徴を規定するために使用することのできる、データのサブセットの数値的な又は形状的な境界とすることができる。ここで、ゲートは、例えば「イン・フォーカス(in focus)」細胞、又は尾部のある精子細胞、又は尾部のない精子細胞、又は精子細胞以外の細胞、又は精子細胞集団又は細胞デブリを包含するプロット境界として規定されている。さらに、バックゲーティングはサブセットデータのサブセットとすることができる。例えば、他のマーカーからのヒストグラムと組み合わせた前方散乱対側方散乱プロットを使用して、最初の細胞のサブセット内の細胞のサブセットをバックゲートすることができる。   The present disclosure provides a method that uses both photometric features and morphology obtained from a multi-mode image of an object in flow. Such a method can be used as a cell analyzer for measuring whether a marker corresponding to a disease state is present in the cell population to be imaged. As noted above, the marker can indicate a cell abnormality associated with the disease state, or the marker can indicate a change in the proportion of subpopulations present in the cell population being imaged. Suggests a disease state. Preferably, the cell population is imaged while being entrained in the fluid flowing through the imaging system. As used herein, gating refers to a subset of data associated with photometry or morphological imaging. For example, a gate can be a numerical or geometric boundary of a subset of data that can be used to further define the characteristics of the particle to be analyzed. Here, a gate is a plot that includes, for example, “in focus” cells, or sperm cells with tails, or sperm cells without tails, or cells other than sperm cells, or sperm cell populations or cell debris. It is defined as a boundary. Further, backgating can be a subset of subset data. For example, a forward scatter vs. side scatter plot combined with histograms from other markers can be used to backgate a subset of cells within the initial subset of cells.

本明細書に記載のイメージングシステムを使用する際、物体がルミネセントである場合(すなわち、物体が光を発生する場合)、物体(細胞)の画像を作成するために他の光源を必要としないことは明らかであろう。ただし、本願明細書に説明された多くのイメージングシステムの適用は、画像化される物体への入射光を提供するために1つ又は複数の光源を使用する必要があろう。当業者であれば、光源の位置が物体の入射光及び検出器を使用して画像から得られる情報の種類の相互作用に実質的に影響を及ぼすことを理解するであろう。   When using the imaging system described herein, if the object is luminescent (ie, the object generates light), no other light source is required to create an image of the object (cell) It will be clear. However, many imaging system applications described herein may need to use one or more light sources to provide incident light to the object being imaged. One skilled in the art will appreciate that the position of the light source substantially affects the interaction of the type of information obtained from the image using the incident light of the object and the detector.

物体に入射光を照射して画像化することのほかに、光源は物体からの光の放射を励起するために使用することもできる。例えば、蛍光色素(FITC、PE、APC、Cy3、Cy5、又はCy5.5)と結合したプローブに接触した細胞は、光によって励起されると蛍光発光し、対応する特徴的な放射スペクトルが、励起した蛍光色素プローブから発生し、TDI検出器上で画像化することができる。あるいは、光源を使用して蛍光色素プローブを物体上で励起させ、TDI検出器が、プリズムによってもたらされた物体からの光のスペクトル分散の結果として、プローブによって作成された蛍光スポットをTDI検出器上の異なる位置で画像化できるようにする。TDI検出器の表面上のこれらの蛍光スポットの配置は、物体における放射スペクトル及びその位置によって決まる。   In addition to illuminating the object with the incident light and imaging it, the light source can also be used to excite the emission of light from the object. For example, a cell in contact with a probe bound to a fluorescent dye (FITC, PE, APC, Cy3, Cy5, or Cy5.5) fluoresces when excited by light, and the corresponding characteristic emission spectrum is excited. Generated from the fluorescent dye probe and can be imaged on a TDI detector. Alternatively, a light source is used to excite a fluorophore probe on the object, and the TDI detector detects the fluorescent spot created by the probe as a result of spectral dispersion of light from the object provided by the prism. Enable imaging at different locations above. The placement of these fluorescent spots on the surface of the TDI detector depends on the emission spectrum and its position on the object.

各光源は、所望されるイメージングシステムの適用に応じて、コヒーレント、非コヒーレント、広帯域、又は狭帯域光のいずれかとすることができる光を発生することができる。したがって、狭帯域光源が必要でない適用にはタングステンフィラメント光源を使用することができる。プローブからの蛍光の放射を励起するなどの適用には狭帯域レーザー光が、好ましく、これは狭帯域レーザー光が物体によって散乱された光から発生される物体のスペクトル分解された歪みのない画像も可能にするためである。この散乱光画像は、いずれかのスポットの放射スペクトルがレーザー光の波長と異なる波長である限り、TDI検出器上に生成された蛍光スポットから別個に分解される。光源は、連続波(CW)又はパルスレーザーなどのパルスタイプのいずれかとすることができる。パルスタイプの照明源を使用する場合、TDI検出に関連した積分期間を延長することによって複数パルスからの信号の積分が可能になる。さらに、光をTDI検出器と同期させてパルスさせる必要がない。   Each light source can generate light that can be either coherent, non-coherent, broadband, or narrowband light, depending on the desired imaging system application. Thus, tungsten filament light sources can be used for applications where a narrow band light source is not required. Narrowband laser light is preferred for applications such as exciting fluorescent emission from a probe, which may be a spectrally resolved, undistorted image of an object generated from light scattered by the object. To make it possible. This scattered light image is resolved separately from the fluorescent spot generated on the TDI detector as long as the emission spectrum of any spot is at a wavelength different from the wavelength of the laser light. The light source can be either a continuous wave (CW) or a pulse type such as a pulsed laser. When using a pulse type illumination source, it is possible to integrate signals from multiple pulses by extending the integration period associated with TDI detection. Furthermore, it is not necessary to pulse the light in synchronism with the TDI detector.

特に、血液などの体液中に見られる細胞集団の画像データを収集する際の使用では、光源として360nmのUVレーザーを使用し、イメージングシステムの光学システムを400〜460nm(DAPI放射)スペクトルバンドに回折制限された画像性能に最適化することが望ましいといえる。   In particular, for use in collecting image data of cell populations found in body fluids such as blood, a 360 nm UV laser is used as the light source and the optical system of the imaging system is diffracted into a 400 to 460 nm (DAPI radiation) spectral band. It may be desirable to optimize for limited image performance.

本願明細書の開示と一致した実施形態では、画像化される物体とイメージングシステムの間に相対動作が存在することを理解されたい。ほとんどの場合、イメージングシステムを動かすより物体を動かす方がより簡便である。いくつかの場合では、物体を静止させたままとし、物体に対してイメージングシステムを動かすことが企図されている。さらに代替案として、イメージングシステム及び物体の両方を動かすことができ、それらの動作を異なる方向及び/又は異なる速度とすることができる。   It should be understood that in an embodiment consistent with the disclosure herein, there is relative motion between the object being imaged and the imaging system. In most cases, it is more convenient to move the object than to move the imaging system. In some cases, it is contemplated to keep the object stationary and move the imaging system relative to the object. As a further alternative, both the imaging system and the object can be moved and their motion can be in different directions and / or different velocities.

<例示的な高レベル方法のステップ>
図3は、本願明細書に開示された概念の一実施態様で実行される全体的な方法ステップのフローチャートを示す図である。つまり、疾患状態を同定するために細胞集団の画像に基づいて細胞集団を分析するために使用することのできる例示的なステップを概略的に示すフローチャート400である。
<Example High-Level Method Steps>
FIG. 3 shows a flowchart of overall method steps performed in one implementation of the concepts disclosed herein. That is, flowchart 400 schematically illustrates exemplary steps that can be used to analyze a cell population based on an image of the cell population to identify a disease state.

特に好ましい実施形態では、細胞集団は血液などの体液から取得される。まずブロック402では、上述した例示的なイメージングシステムなどのイメージングシステムを使用して、疾患状態が存在することが知られている第1の生体細胞集団から画像データを収集する。ブロック404では、疾患状態に関連した少なくとも1つの測光又は形態マーカーが同定される。後述する実験的試験では、2つの個々に異なるタイプのマーカーを開発した。1つのタイプのマーカーは健常細胞と疾患細胞の測光及び/又は形態的差異の同定に関する。そのようなマーカーを同定する1つの技術は、癌細胞を蛍光標識で標識化し、蛍光標識された癌細胞の画像を健常細胞の画像と比較して、癌細胞に関連した複数の測光及び形態的マーカーを同定することである。以下に詳述するように、そのようなマーカーは健常細胞と癌細胞の平均的な核の大きさの差異、及び健常細胞と癌細胞の蛍光画像の差異を含んでいる。これらの差異は、癌細胞の画像である可能性が高い画像を同定し、健常細胞の画像である可能性が高い画像を同定するように、細胞集団の画像データの処理に基づいて定量化することができる。   In particularly preferred embodiments, the cell population is obtained from a bodily fluid such as blood. First, at block 402, image data is collected from a first population of biological cells known to have a disease state using an imaging system, such as the exemplary imaging system described above. At block 404, at least one photometric or morphological marker associated with the disease state is identified. In the experimental tests described below, two individually different types of markers were developed. One type of marker relates to photometry and / or identification of morphological differences between healthy and diseased cells. One technique for identifying such markers is to label cancer cells with a fluorescent label and compare images of the fluorescently labeled cancer cells with images of healthy cells to compare multiple photometric and morphological features associated with cancer cells. It is to identify the marker. As described in detail below, such markers include differences in the average nucleus size between healthy and cancer cells, and differences in fluorescence images between healthy and cancer cells. These differences are quantified based on the processing of the image data of the cell population so that images that are likely to be images of cancer cells are identified and images that are likely to be healthy cells are identified. be able to.

他のタイプのマーカーは、疾患状態のない細胞集団に見られるサブ集団と、疾患状態にある細胞集団に見られるサブ集団とのいくつかの差異の同定に関する。例えば、CLLは血液中のリンパ細胞の数が他の種類の血液細胞の数に比べて増加する疾患状態である。したがって、リンパ細胞と他の種類の血液細胞の数の比率の変化によって疾患状態を示唆することができる。   Another type of marker relates to the identification of some differences between subpopulations found in cell populations without disease state and subpopulations found in cell populations in disease state. For example, CLL is a disease state in which the number of lymphocytes in the blood is increased compared to the number of other types of blood cells. Thus, a disease state can be suggested by a change in the ratio of the number of lymphocytes and other types of blood cells.

疾患状態に関連した測光及び/又は形態的マーカーが同定されると、疾患状態が存在する、又は存在しないことが知られていない、第2の細胞集団から画像データが収集される。ブロック408では、第2の細胞集団から画像データが収集され、次いで、先に同定されたマーカーの存在について画像データが分析され、第2の細胞集団に疾患状態が存在するかどうかを判断する。   Once photometric and / or morphological markers associated with a disease state are identified, image data is collected from a second population of cells where the disease state is present or not known to be absent. At block 408, image data is collected from the second cell population, and the image data is then analyzed for the presence of the previously identified marker to determine whether a disease state is present in the second cell population.

上述したイメージングシステムを使用して細胞集団から画像データを収集する場合、画像データは、非常に迅速に収集することができることが重要である。一般に、分析(すなわち、最初にマーカーを同定する、又は細胞集団における先に同定されたマーカーの存在を判断するための、収集された画像データの分析)は、オフライン、すなわち、画像データの収集後に実施される。現在実施されているイメージング処理ソフトウェアは、簡単に利用できるパーソナルコンピュータを使用して、数十分以内に比較的大きい細胞集団(すなわち、数万個の細胞)を分析することができる。しかし、より強力な計算システムが開発され、簡単に利用可能になると、画像データをリアルタイムで分析することが可能になるであろう。したがって、画像データのオフライン処理は限定的ではなく例示的であるものであり、画像データのリアルタイム処理が代替的であることが企図されている。   When collecting image data from a cell population using the imaging system described above, it is important that the image data can be collected very quickly. In general, analysis (ie, analysis of collected image data to initially identify a marker or determine the presence of a previously identified marker in a cell population) is offline, ie after collection of image data. To be implemented. Current imaging processing software can analyze relatively large cell populations (ie, tens of thousands of cells) within tens of minutes using a readily available personal computer. However, as more powerful computing systems are developed and readily available, it will be possible to analyze image data in real time. Accordingly, off-line processing of image data is exemplary rather than limiting, and it is contemplated that real-time processing of image data is an alternative.

マーカーが健常細胞と疾患細胞のいくつかの測光及び/又は形態的差異に関する場合、特に第1の集団が疾患細胞及び健常細胞の両方の混合を含む場合、イメージング機器を使用して第1の細胞集団(疾患状態と関連することが知られている集団)の画像データを収集する前に、疾患細胞又は健常細胞のいずれかを標識化することが望ましいといえる。この方法は、収集された画像データを疾患細胞に対応する画像及び健常細胞に対応する画像に分離することを容易にし、2つを区別するために使用することのできる測光及び/又は形態的マーカーの同定を容易にする。ただし、第1の集団は疾患細胞のみを含むことができ、健常細胞のみを含むことが知られている細胞集団の画像データと第1の集団の画像データを比較する場合、疾患細胞を健常細胞から区別するために使用することのできる測光及び/又は形態的マーカーを容易に同定することができる。   If the marker relates to some photometric and / or morphological difference between healthy and diseased cells, especially if the first population contains a mixture of both diseased and healthy cells, the imaging device is used to Prior to collecting image data of a population (a population known to be associated with a disease state), it may be desirable to label either diseased cells or healthy cells. This method facilitates the separation of the collected image data into an image corresponding to diseased cells and an image corresponding to healthy cells, and can be used to distinguish between the two photometric and / or morphological markers To facilitate identification. However, the first population can contain only disease cells, and when comparing image data of a cell population known to contain only healthy cells and image data of the first population, the disease cells are treated as healthy cells. Photometric and / or morphological markers can be easily identified that can be used to distinguish from.

マーカーが、疾患状態のない細胞集団に見られるサブ集団と、疾患状態と関連した細胞集団に見られるサブ集団とのいくつかの測光及び/又は形態的差異に関する場合、第1の細胞集団(疾患状態に関連することが知られている集団)に対応する画像データを分析して、健常細胞集団(healthy cellular population)に見られるサブ集団と、疾患状態を有する細胞集団(cellular population having the disease condition;疾患細胞集団)に見られるサブ集団とのいくつかの測光及び/又は形態的差異を同定することができる前に、健常細胞集団に見られるサブ集団に対応する画像データを提供しなければならない。   If the marker relates to some photometric and / or morphological differences between a subpopulation found in a cell population without a disease state and a subpopulation found in a cell population associated with the disease state, the first cell population (disease Image data corresponding to a state known to be related to a condition) is analyzed to determine a subpopulation found in a healthy cell population and a cell population having a disease state (cellular population having the disease condition). Image data corresponding to the subpopulation found in the healthy cell population must be provided before some photometric and / or morphological differences from the subpopulation found in the disease cell population can be identified .

厳密に必要ではないが、本願明細書に説明された技術の作業実施形態では、他の処理を実施して複数チャンネルイメージングのクロストーク及び空間分解能を低減した。実施されたクロストークの低減処理は、本発明の譲受人に譲渡された特許(例えば、特許文献8参照)に説明されており、その明細書、開示及び図面を背景材料として参照することによって本願明細書に特に援用する。当業者であれば、他のタイプのクロストークの低減法を代替的に実施することができる。   Although not strictly necessary, in the working embodiments of the technology described herein, other processing has been performed to reduce multi-channel imaging crosstalk and spatial resolution. The implemented crosstalk reduction process is described in a patent assigned to the assignee of the present invention (see, for example, Patent Document 8), and is hereby incorporated by reference in its specification, disclosure and drawings as background material. Specifically incorporated herein by reference. One skilled in the art can alternatively implement other types of crosstalk reduction methods.

<例示的な測光/形態的疾患状態マーカーの同定>
本発明の開示の内容では、上述した複数スペクトルのイメージングフローサイトメータは、慢性リンパ性白血病などの疾患状態を検出し監視する目的で、DNA含有量及び核の形態を定量化するためにUV励起性能及びアルゴリズムを使用する。360nmUVレーザー及び400〜460nm(DAPI放射)スペクトルバンドに回折制限されたイメージング性能に最適化された光学システムを含むフローイメージング機器を使用するほかに、画像データを処理するためにイメージング処理システムが使用される。パーソナルコンピュータで実行する画像処理ソフトウェアは、例示的なイメージング処理システムを示している。イメージング処理ソフトウェアは細胞の画像に基づいて細胞の測光及び/又は形態的特性の判断を可能にするアルゴリズムを組み込んでいる。例示的なアルゴリズムは、マスキングアルゴリズム、核の形態を規定するアルゴリズム、細胞周期定量化ヒストグラムのためのアルゴリズム、DNA含有量を分析するためのアルゴリズム、不均一な色度を分析するためのアルゴリズム、N/C比率を分析するためのアルゴリズム、粒状度を分析するためのアルゴリズム、CD45の発現を分析するためのアルゴリズム、及び他のパラメータを分析するためのアルゴリズムを含んでいる。さらに、イメージング処理ソフトウェアは、細胞の試料集団を評価して疾患状態マーカーが存在するかどうかを判断するように構成されたソフトウェアに基づいた分析ツールである、分類装置といわれるアルゴリズムを組み込んでいる。癌細胞の存在の判断では、分類装置は先に同定された癌細胞に関連した測光及び/又は形態的特性に対応する測光及び/又は形態的特性を有する画像について、試料集団の画像を分析する。
<Example Photometric / Identification of Morphological Disease State Markers>
In the context of the present disclosure, the multi-spectral imaging flow cytometer described above is UV-excited to quantify DNA content and nuclear morphology for the purpose of detecting and monitoring disease states such as chronic lymphocytic leukemia. Use performance and algorithms. In addition to using flow imaging equipment that includes 360 nm UV lasers and optical systems optimized for imaging performance that are diffraction limited to the 400-460 nm (DAPI radiation) spectral band, imaging processing systems are used to process image data. The Image processing software running on a personal computer represents an exemplary imaging processing system. The imaging processing software incorporates algorithms that allow cell photometry and / or determination of morphological characteristics based on cell images. Exemplary algorithms include masking algorithms, algorithms that define nuclear morphology, algorithms for cell cycle quantification histograms, algorithms for analyzing DNA content, algorithms for analyzing non-uniform chromaticity, N Includes algorithms for analyzing the / C ratio, algorithms for analyzing granularity, algorithms for analyzing CD45 expression, and algorithms for analyzing other parameters. In addition, the imaging processing software incorporates an algorithm called a classifier, which is an analytical tool based on software configured to evaluate a sample population of cells to determine whether a disease state marker is present. In determining the presence of cancer cells, the classifier analyzes the image of the sample population for images having photometric and / or morphological characteristics corresponding to the photometric and / or morphological characteristics associated with the previously identified cancer cells. .

CLLを検出するために分析される細胞集団の試料の場合、画像を(血液細胞の異なるタイプに基づいて)異なる細胞サブ集団へと分離し、サブ集団の比率がCLLの存在を示唆するかどうか(例えば、リンパ細胞の数が通常より多いなど)を判断するように、分類装置で試料集団の画像を分析する。好ましくは、CLLを検出するように構成された分類装置は血液細胞を以下のサブ集団へと分離する。それは、リンパ細胞、単球、好塩基球、好中球、及び好酸球である。CLLを検出するように構成された分類装置は、健常患者及びCLL患者からの実験的データに基づく。分類装置のCLLのプロファイルは、同じ診断を受けた様々な患者の分類装置データを収集し比較することによって改善することができる。好ましくは、分類装置の最適化のために、CLL細胞のサブ集団の存在及び診断的有意性を評価するために、各患者から多量(10,000〜20,000細胞)のデータセットを収集する。そのように最適化された分類装置を使用して、患者の治療反応を監視し、治療後の残留疾患を評価することができる。   For samples of cell populations that are analyzed to detect CLL, separate the images into different cell subpopulations (based on different types of blood cells) and whether the subpopulation ratios indicate the presence of CLL The image of the sample population is analyzed by the classifier so as to determine (for example, the number of lymphocytes is larger than usual). Preferably, the classification device configured to detect CLL separates blood cells into the following subpopulations. It is lymphocytes, monocytes, basophils, neutrophils, and eosinophils. A classifier configured to detect CLL is based on experimental data from healthy and CLL patients. The CLL profile of the classifier can be improved by collecting and comparing classifier data for various patients who have received the same diagnosis. Preferably, for optimization of the classifier, a large (10,000-20,000 cells) data set is collected from each patient to assess the presence and diagnostic significance of a subpopulation of CLL cells. . Such an optimized classification device can be used to monitor a patient's treatment response and assess residual disease after treatment.

上皮細胞癌(epithelial cell carcinomas)の検出には、高速のデータ取得が必要であることが重要である。そのような細胞は、末梢血リンパ細胞(peripheral blood leukocyte)の100,000細胞から1,000,000に1つであることが報告されている。上述されたImageStream(商標)サイトメータ及びIDEAS(商標)分析ソフトウェアパッケージはこの適用に理想的に適している。末梢血リンパ細胞からの画像は、一般にアーチファクトがない血液塗抹標本の作製において得ることができる。試料あたり多数の細胞(数万から数十万)を集積し、サブ集団の分析により高い信頼度をもたらすことができる。認められたマーカー(CD5、CDI9など)で免疫蛍光染色することによって、形態学との相関がより簡単になる。定量的細胞分類装置は、人の評価による主観性を排除し、以前は取得できなかった信頼度を患者間の比較に与える。縦断的研究もまた定量的分析によって非常に有益となり、特に顕微鏡スライド及び/又は比較的少数の細胞のデジタル写真を検索する従来の方法と比較すると、大量の細胞画像ファイルをデジタルで保存し検索することができる。   It is important that high-speed data acquisition is necessary for the detection of epithelial cell carcinoma. Such cells have been reported to be one in 100,000 to 1,000,000 peripheral blood lymphocytes (peripheral blood leukocytes). The ImageStream ™ cytometer and IDEAS ™ analysis software package described above are ideally suited for this application. Images from peripheral blood lymphocytes can generally be obtained in the preparation of blood smears that are free of artifacts. A large number of cells (tens of thousands to hundreds of thousands) can be accumulated per sample, and analysis of subpopulations can provide high confidence. Immunofluorescent staining with recognized markers (CD5, CDI9, etc.) makes correlation with morphology easier. A quantitative cell sorter eliminates the subjectivity of human assessment and provides a confidence level that was previously unobtainable for comparisons between patients. Longitudinal studies are also very beneficial by quantitative analysis, especially for storing and retrieving large numbers of cell image files digitally, especially when compared to conventional methods of searching digital photographs of microscope slides and / or relatively few cells. be able to.

<蛍光法を使用した形態的特徴の識別>
体液からの細胞集団の画像データに基づく体液中の癌細胞の検出に使用される技術は、明視野及び蛍光画像の同時形態的分析のための初期吸光率及び蛍光染色プロトコルの開発であった。
<Identification of morphological features using fluorescence method>
The technique used to detect cancer cells in body fluids based on image data of cell populations from body fluids has been the development of initial absorbance and fluorescence staining protocols for simultaneous morphological analysis of bright field and fluorescence images.

まず、試験では色素染色及び蛍光色素の同時使用が考えられた。上述したイメージングシステムは、明視野画像ならびに各細胞の複数色の蛍光画像を生成する能力があるため、分析のための従来の色素染色及び蛍光色素の両方を同時に使用する可能性が考えられた。しかし、色素染色は、通常生存可能な細胞の細胞膜には浸透しないため、かつ上述した光学システムは、レーザーの側方散乱画像を収集できるため、従来エオシンなどの色素によって取得された細胞粒状度に関する多くの情報を、細胞染色をする必要なしに、レーザーの側方散乱画像を使用して取得することができた。数多くの細胞透過蛍光色素によって、固定及び色素染色をする必要なしに核の形態が得られる。これらの考慮に基づいて、形態的特徴の識別の蛍光による代替案によって従来の染色法より優れた方法が提供されることが明らかになった。   First, in the test, the simultaneous use of dye staining and fluorescent dye was considered. The imaging system described above has the ability to generate bright field images as well as multiple color fluorescent images of each cell, so the possibility of using both conventional dye staining and fluorescent dyes for analysis simultaneously was considered. However, because dye staining does not normally penetrate the cell membrane of viable cells, and the optical system described above can collect side scatter images of the laser, it is related to cell granularity previously obtained with dyes such as eosin. Much information could be obtained using laser side scatter images without the need for cell staining. Numerous cell-penetrating fluorescent dyes provide nuclear morphology without the need for fixation and dye staining. Based on these considerations, it became clear that fluorescence alternatives to distinguishing morphological features provide better methods than conventional staining methods.

上述した光学システムとの併用に有用な、蛍光による色素染色の主な代替案は蛍光DNA結合色素である。そのような多様な色素は488nmで励起可能であり、いくつかのSYTO色素(Molecular Probes)、DRAQ5(BioStatus)、7−AAD、Propidium Iodide(PI)などを含んでいる。これらの色素はToluidine Blue、Methyl Green、Crystal Violet、Nuclear Fast Red、Carmalum、Celestine Blue、及びHematoxylinなどの核染色色素の代替案である。蛍光DNA結合色素は核の形状及び境界、その領域、そのテクスチャー(不均一な色度の類似性)を規定するため、ならびにDNA含有量情報を提供する目的で、一般に上述の光学システムでの使用のために開発された分析プロトコルに含まれる。   The main alternative to fluorescent dye staining useful in conjunction with the optical system described above is a fluorescent DNA binding dye. Such various dyes can be excited at 488 nm and include several SYTO dyes (Molecular Probes), DRAQ5 (BioStatus), 7-AAD, Propium Iodide (PI), and the like. These dyes are alternatives to nuclear dyes such as Toluidine Blue, Methyl Green, Crystal Violet, Nuclear Fast Red, Caralum, Celestine Blue, and Hematoxylin. Fluorescent DNA binding dyes are generally used in the optical systems described above to define the shape and boundaries of the nucleus, its region, its texture (non-uniform chromaticity similarity), and to provide DNA content information Included in the analysis protocol developed for.

上述したソフトウェア画像分析プログラムであるIDEAS(商標)は、蛍光核画像の利用を拡大するために、同じ細胞の異なる画像から特徴の組合せを評価することを可能にする。例えば、細胞質領域のみを含むマスクを生成するための手段として、核画像のマスクを(細胞全体をカバーする)明視野画像のマスクから除去することができる。規定された後、細胞質マスクを使用して、細胞質領域、N/C比率、細胞質と核のプローブの相対的蛍光強度などを直感的な「Feature Manager」によって計算することができる。N/C比率の定義のためのFeature Managerセッションの例が、図4に示されている。図4は、図3に示した方法ステップを実行するために使用される例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。細胞画像に関連した基本的な特徴はリストから選択され、単純なexpression builderを使用して代数的に結合される。   The software image analysis program IDEAS ™ described above makes it possible to evaluate feature combinations from different images of the same cell in order to expand the use of fluorescent nuclear images. For example, as a means for generating a mask that includes only the cytoplasmic region, the nuclear image mask can be removed from the bright field image mask (which covers the entire cell). Once defined, the cytoplasmic mask can be used to calculate the cytoplasmic region, N / C ratio, relative fluorescence intensity of cytoplasmic and nuclear probes, etc. with an intuitive “Feature Manager”. An example of a Feature Manager session for defining the N / C ratio is shown in FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an exemplary graphical user interface used to perform the method steps shown in FIG. The basic features associated with cell images are selected from a list and combined algebraically using a simple expression builder.

<測光パラメータ及び/又は形態的パラメータの測定>
本願明細書に開示された概念の例示的な実施形態では、ImageStream(商標)データ分析及び細胞分類はIDEAS(商標)ソフトウェアパッケージを使用した取得後に実施される。注釈したIDEAS(商標)ソフトウェアスクリーンでのヒト末梢血の分析のキャプチャ画像が図5に示されている。IDEAS(商標)ソフトウェアは数万個の細胞からの画像を含むデータファイルの可視化及び測光/形態分析を可能にし、それにより定量的画像分析とフローサイトメトリーの統計力を結合する。
<Measurement of photometric parameters and / or morphological parameters>
In an exemplary embodiment of the concepts disclosed herein, ImageStream ™ data analysis and cell sorting is performed after acquisition using the IDEAS ™ software package. A captured image of the analysis of human peripheral blood on the annotated IDEAS ™ software screen is shown in FIG. IDEAS ™ software allows visualization and photometric / morphological analysis of data files containing images from tens of thousands of cells, thereby combining quantitative image analysis and statistical power of flow cytometry.

図5は、ヒトの末梢血の分析に適用される、図3の方法ステップを実行するために使用される例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。図5に示す例示的なスクリーンショットは、20,000個のヒト末梢血単核細胞からの画像及び定量的データを含んでいる。全血を赤血球溶解剤で処理し、細胞を抗CD45−PerCP mAb(赤色)及びDNA結合色素(緑色)で標識化した。FL1及びFL4スペクトルバンドを使用して、各細胞を蛍光ならびに暗視野及び明視野に画像化した。この図では、暗視野チャンネル51a、緑色蛍光チャンネル51b、明視野チャンネル51c、及び赤色蛍光チャンネル51dでの複数の細胞の画像を簡単に同定することができる。そのようなサムネイル画像ギャラリー(インターフェースの左上方)によって、細胞集団の「リストモード」検査が可能になる。細胞画像は、4つの異なる細胞タイプ(好酸球53a、NK細胞53b、単球53c及び好中球53d)を、画像ギャラリーにおいて可視化するために擬似染色する及び重ね合わせる、又はインターフェースの下方に示すように拡大することができる。   FIG. 5 is a diagram illustrating an exemplary graphical user interface used to perform the method steps of FIG. 3 applied to the analysis of human peripheral blood. The exemplary screenshot shown in FIG. 5 includes images and quantitative data from 20,000 human peripheral blood mononuclear cells. Whole blood was treated with erythrocyte lysing agent and cells were labeled with anti-CD45-PerCP mAb (red) and DNA binding dye (green). The FL1 and FL4 spectral bands were used to image each cell in fluorescence and dark and bright fields. In this figure, images of a plurality of cells in the dark field channel 51a, the green fluorescence channel 51b, the bright field channel 51c, and the red fluorescence channel 51d can be easily identified. Such a thumbnail image gallery (upper left of the interface) allows a “list mode” examination of the cell population. Cell images show four different cell types (eosinophil 53a, NK cell 53b, monocyte 53c and neutrophil 53d) pseudo-stained and overlaid for visualization in the image gallery or shown below the interface Can be expanded.

ソフトウェアは、また、画像から計算された特徴の1次元及び2次元プロットも可能にする。2次元プロットでの細胞を表すドット55を「クリック」して、ギャラリーの関連画像を見ることができる。同様に逆も可能である。細胞画像は、その細胞が表示される全プロットで対応するドットを強調表示するように選択することができる。さらに、「バーチャル細胞ソート」機能を使用して、ゲート57をプロット上に引いて次いでギャラリーで検査することのできるサブ集団を規定することができる。画像から計算され、又はユーザによって定義された(すなわち、基本的及び単純なexpression builderを代数的に使用して自動的に結合されたリストから選択された)特徴をプロットすることができる。ドットプロット59a(図5の中心左側に表示する)は、従来のフローサイトメトリーで測定された側方散乱強度と同様である暗視野粒状度測定(y軸)に対するCD45発現(x軸)の分析から得られたクラスターを示している。プロット59aは、リンパ細胞(フルカラー画像では緑色)、単球(フルカラー画像では赤色)、好中球(フルカラー画像ではターコイズ色)、及び好酸球(フルカラー画像ではオレンジ色)を表している。ドットプロット59b(図5の中心右側に表示する)は、x軸にCD45発現の「核周波数(nuclear frequency)」である核テクスチャーパラメータ(nuclear texture parameter)を代用し、推定されるNEC細胞集団(フルカラー画像では紫色)を表している。左側のドットプロットで紫色の集団を背景表示することによって、この集団がリンパ細胞集団(フルカラー画像では緑色)と同じCD45発現の平均値を有することが示される。この周波数パラメータは、開発されIDEAS(商標)ソフトウェアパッケージに組み込まれた形態的及び測光的特徴のセットの1つである。以下の表1は、全画像(又は適切であればサブ集団)について同定することのできる、測光的定義及び形態的定義の例示的な一覧を示す。図5は、その複製を簡単にするために修正されていることを理解されたい。フルカラー画像では、細胞及びデータを見やすくするために、細胞を含む各フレームの背景は黒色であり、各ドットプロットの背景は黒色である。   The software also allows one-dimensional and two-dimensional plots of features calculated from the images. A dot 55 representing a cell in the two-dimensional plot can be “clicked” to see the associated image in the gallery. The reverse is also possible. The cell image can be selected to highlight the corresponding dot in all plots where that cell is displayed. In addition, a “virtual cell sort” function can be used to define subpopulations that can be gated on the plot and then examined in the gallery. Features calculated from the image or defined by the user (i.e. selected from a list automatically combined using algebraic and simple expression builders) can be plotted. Dot plot 59a (shown on the left side of the center of FIG. 5) is an analysis of CD45 expression (x-axis) versus dark-field granularity measurement (y-axis) similar to the side scatter intensity measured by conventional flow cytometry. The cluster obtained from is shown. Plot 59a represents lymphocytes (green in the full color image), monocytes (red in the full color image), neutrophils (turquoise in the full color image), and eosinophils (orange in the full color image). The dot plot 59b (displayed on the right side of the center of FIG. 5) substitutes for a nuclear texture parameter which is the “nuclear frequency” of CD45 expression on the x-axis, and is estimated NEC cell population ( In a full-color image, purple). Background display of the purple population in the left dot plot indicates that this population has the same mean value of CD45 expression as the lymphocyte population (green in the full color image). This frequency parameter is one of a set of morphological and photometric features that have been developed and incorporated into the IDEAS ™ software package. Table 1 below shows an exemplary list of photometric and morphological definitions that can be identified for the entire image (or subpopulation if appropriate). It should be understood that FIG. 5 has been modified to simplify its duplication. In a full-color image, in order to make cells and data easy to see, the background of each frame including cells is black, and the background of each dot plot is black.

Figure 2008533440
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形態を定量化した特徴は表1にイタリック体で示されている。各特徴は、画像データセットがソフトウェアへとロードされると、各細胞の6タイプの画像(同時に取得された暗視野、明視野、及び4つの蛍光画像)について自動的に計算される。   The features that quantify the morphology are shown in italics in Table 1. Each feature is automatically calculated for six types of images of each cell (dark field, bright field, and four fluorescent images acquired simultaneously) when the image data set is loaded into the software.

画像ごとに35を超える特徴が計算され、6つの画像をすべて使用する分析では、ユーザ定義による特徴を入れずに細胞あたり合計200を超える特徴となる。各細胞には独自の連続番号及びタイムスタンプも割り当てられており、細胞集団の動的検査が可能になる。   Over 35 features are calculated for each image, and an analysis using all 6 images results in a total of over 200 features per cell without user-defined features. Each cell is also assigned a unique serial number and time stamp, allowing dynamic examination of the cell population.

<癌細胞に関する測光/形態的マーカーの選択>
膀胱の上皮細胞を使用して正常細胞と上皮癌細胞の形態的差異を検査することが最初に提案された。しかし、分析された膀胱洗浄の初期試料は、試料あたりの細胞数が非常に変動的であり、一般にImageStream(商標)機器で実際に使用するには少なすぎることが示された。したがって、膀胱細胞の代わりに乳房の上皮細胞を使用した。乳房細胞は、この種の正常な主要な細胞が商業的に利用可能であり(Clonetics/Invitrogen)、専用の成長媒体で短期間組織培養して接着細胞として増殖するので選択された。さらに、乳癌患者の転移から採取した乳房上皮癌細胞は、American Type Tissue Culture Collection(ATCC)から入手可能である。腫瘍ごとの変動性をより良く管理するために、3つの異なる乳房上皮癌細胞株を試験した。それは、HCC−I 500、HCC−1 569、及びHCC−1428である。これらの細胞株は3人の別個の患者の転移から樹立され、ATCCから凍結ストックとして購入した。細胞株はプラスチックに固定して成長させ、通常の組織培養法によって増殖し、実験的に使用した。
<Selecting photometric / morphological markers for cancer cells>
It was first proposed to use bladder epithelial cells to examine morphological differences between normal and epithelial cancer cells. However, the initial samples of bladder lavage that were analyzed showed that the number of cells per sample was very variable and was generally too few for practical use on the ImageStream ™ instrument. Therefore, mammary epithelial cells were used instead of bladder cells. Breast cells were selected because normal primary cells of this kind are commercially available (Clonetics / Invitrogen) and grow as adherent cells in short-term tissue culture in a dedicated growth medium. In addition, breast epithelial cancer cells taken from breast cancer patient metastases are available from the American Type Tissue Culture Collection (ATCC). To better manage variability from tumor to tumor, three different breast epithelial cancer cell lines were tested. They are HCC-I 500, HCC-1 569, and HCC-1428. These cell lines were established from metastasis of three separate patients and were purchased as frozen stocks from ATCC. The cell line was fixed on plastic and grown, propagated by a normal tissue culture method, and used experimentally.

正常及び癌性の乳房上皮細胞を、37℃でトリプシン/EDTAで短期間培養することによって別個に採取した。細胞は1%FCSを含む冷たいリン酸緩衝液(PBS)で1回洗浄し、計数し、実験的に使用した。3つの別個の乳房上皮癌細胞株を、以下に述べる実験のために等比率でプールした。   Normal and cancerous breast epithelial cells were harvested separately by short-term culture with trypsin / EDTA at 37 ° C. Cells were washed once with cold phosphate buffer (PBS) containing 1% FCS, counted and used experimentally. Three separate breast epithelial cancer cell lines were pooled in equal proportions for the experiments described below.

正常な乳房上皮細胞を、細胞を適切な所定のmAbの希釈液で、4℃で30分間培養することによって、HLAクラスI MHC細胞表面タンパク質のフルオレセイン結合モノクローナル抗体で染色した。乳癌はクラスI MHCの発現をダウンレギュレートさせることが知られているが、予防措置として正常細胞を1%パラホルムアルデヒドで固定し、癌細胞への受動的変化を制限した。結合された乳癌細胞株も1%パラホルムアルデヒドで固定し、正常乳房細胞集団に加えた。ImageStream(商標)機器を作動させる前に、488nmレーザーで励起させることができ赤色帯域で放射するDNA結合色素であるDRAQ5(BioStatus.Ltd、Leicestershire、UK)を試料に加えた。正常乳房上皮細胞の抗クラスI MHC mAbでの標識化によって、正常細胞と癌細胞の混合中で正常細胞を同定することができ、それにより客観的な「真実」が得られ、正常上皮細胞を上皮癌細胞から区別する画像特徴の同定がしやすくなる。   Normal mammary epithelial cells were stained with a fluorescein-conjugated monoclonal antibody of HLA class I MHC cell surface protein by culturing the cells with appropriate predetermined mAb dilutions at 4 ° C. for 30 minutes. Breast cancer is known to down-regulate class I MHC expression, but as a preventive measure normal cells were fixed with 1% paraformaldehyde to limit passive changes to cancer cells. Bound breast cancer cell lines were also fixed with 1% paraformaldehyde and added to the normal breast cell population. Before operating the ImageStream ™ instrument, DRAQ5 (BioStatus. Ltd, Leicestershire, UK), a DNA binding dye that can be excited with a 488 nm laser and emits in the red band, was added to the sample. Labeling normal breast epithelial cells with anti-class I MHC mAbs can identify normal cells in a mixture of normal and cancer cells, thereby providing an objective “truth” that It is easier to identify image features that are distinguished from epithelial cancer cells.

正常な末梢血は、AllCells(San Diego、CA)から入手した。すべての末梢白血球細胞にあるレベルで発現する、FITC結合抗CD45 mAbで全血を培養した。次いで、Becton Dickinson FACSLyse(商標)で、室温で3分間全血を培養することによって、赤血球細胞を溶解した。細胞はPBSで洗浄し、計数し、1%パラホルムアルデヒドで固定した。乳房上皮癌細胞を上記のように作製し、1%パラホルムアルデヒドで固定し、末梢血細胞に加えた。次いで、DRAQ5を核色素として加え、細胞をImageStream(商標)機器で分析した。   Normal peripheral blood was obtained from AllCells (San Diego, Calif.). Whole blood was cultured with FITC-conjugated anti-CD45 mAb, which is expressed at a level in all peripheral white blood cells. The red blood cells were then lysed by culturing whole blood with a Becton Dickinson FACSLyse ™ for 3 minutes at room temperature. Cells were washed with PBS, counted and fixed with 1% paraformaldehyde. Breast epithelial cancer cells were generated as described above, fixed with 1% paraformaldehyde, and added to peripheral blood cells. DRAQ5 was then added as a nuclear dye and the cells were analyzed on an ImageStream ™ instrument.

上述した細胞混合物(通常は乳房上皮細胞と乳癌細胞の混合、及び正常な末梢血細胞と乳癌細胞の混合)の画像データを含む画像ファイルを、IDEAS(商標)ソフトウェアパッケージを使用して分析し、以下の結果が得られた。   An image file containing image data of the cell mixture described above (usually a mixture of breast epithelial cells and breast cancer cells, and a mixture of normal peripheral blood cells and breast cancer cells) was analyzed using the IDEAS ™ software package and Results were obtained.

データファイルにスペクトル補償を実施した後、正常乳房上皮細胞(抗HLA−FITC陽性)を癌細胞(抗HLA−FITCが非染色)と比較する最初の視覚検査を実施した。図6は、正常な(すなわち、健常な)乳房上皮細胞の画像を示す図で、図7は、蛍光チャンネルのデータの定量化が疾患状態のマーカーとしてどのように機能するかを示す、乳癌(すなわち、疾患)細胞の画像を示す図である。それぞれの図では、各水平行は単一細胞の同時に取得された4つの画像を含んでいる。   After performing spectral compensation on the data file, an initial visual inspection was performed comparing normal breast epithelial cells (anti-HLA-FITC positive) with cancer cells (anti-HLA-FITC unstained). FIG. 6 shows an image of normal (ie, healthy) breast epithelial cells, and FIG. 7 shows how quantification of fluorescence channel data functions as a marker of disease state ( That is, it is a figure which shows the image of a disease) cell. In each figure, each horizontal line contains four simultaneously acquired images of a single cell.

列61a及び71aの画像は、青色レーザーの側方散乱画像(すなわち、暗視野画像)に対応し、列61b及び71bの画像は、緑色のHLA−FITC蛍光画像に対応し、列61c及び71cの画像は、明視野画像に対応し、列61d及び71dの画像は赤色の核蛍光画像に対応する。上述したように、好ましいイメージングシステムは、単一細胞の6つの異なるタイプの画像(暗視野画像、明視野画像、及び4つの蛍光画像)を同時に収集することができ、図6及び図7では、蛍光チャンネルの2つが使用されていない。図6及び図7は、その複製を簡単にするために修正されている。フルカラー画像では、図6及び図7の背景は黒色であり、列61a及び71aの画像は青色であり、列61b及び71bの画像は緑色であり、列61c及び71cの画像はグレーの背景にグレースケール画像であり、列61d及び71dの画像は赤色である。   The images in columns 61a and 71a correspond to the side scatter images (ie dark field images) of the blue laser, the images in columns 61b and 71b correspond to the green HLA-FITC fluorescence images, and in columns 61c and 71c. The images correspond to bright field images, and the images in columns 61d and 71d correspond to red nuclear fluorescence images. As mentioned above, a preferred imaging system can collect six different types of images of a single cell (dark field image, bright field image, and four fluorescence images) simultaneously, and in FIGS. Two of the fluorescent channels are not used. 6 and 7 have been modified to simplify their duplication. In a full-color image, the background in FIGS. 6 and 7 is black, the images in columns 61a and 71a are blue, the images in columns 61b and 71b are green, and the images in columns 61c and 71c are gray on a gray background. It is a scale image and the images in columns 61d and 71d are red.

図6及び図7のフルカラー画像を視覚的に比較すると、図6の列61cの正常乳房上皮細胞の画像(緑色の蛍光チャンネル)が鮮明であり、図7の列71cの癌細胞の画像(緑色の蛍光チャンネル)はほとんど区別できないことが、すぐに明らかとなろう。暗視野画像(列61a及び71a)のいずれも特に強くはなく、図6の正常乳房上皮細胞の暗視野画像(列61a)は、図7の癌細胞の暗視野画像(列71a)より有意に強度が高いことも明らかとなろう。容易にできるさらに他の定的観察は、図7の癌細胞の赤色蛍光画像(列71d)の平均強度が、図6の赤色蛍光画像(列61a)の平均強度より非常に高いことである。他の定性的観察によれば、正常細胞は高い異質性を有し、一般により大きく、核の強度がより低いことが示される。その後の分析では、これらの差異を定量化し、識別能力を有する可能性のある別のパラメータを発見することが求められる。対応するIDEAS(商標)分析のスクリーンキャプチャが図8に示されている。   When the full-color images of FIGS. 6 and 7 are compared visually, the image of normal breast epithelial cells (green fluorescent channel) in column 61c in FIG. 6 is clear, and the image of cancer cells in column 71c (green) in FIG. It will be readily apparent that the fluorescent channels are almost indistinguishable. None of the dark field images (columns 61a and 71a) are particularly strong, and the dark field image (column 61a) of the normal breast epithelial cells in FIG. 6 is significantly more than the dark field image (column 71a) of the cancer cells in FIG. It will also be clear that the strength is high. Yet another routine observation that can be easily made is that the average intensity of the red fluorescence image (column 71d) of the cancer cells of FIG. 7 is much higher than the average intensity of the red fluorescence image of FIG. 6 (column 61a). Other qualitative observations show that normal cells are highly heterogeneous, generally larger and less intense in the nucleus. Subsequent analysis calls for quantifying these differences and finding other parameters that may be discriminating. A screen capture of the corresponding IDEAS ™ analysis is shown in FIG.

図8は、健常な乳房上皮細胞の画像を乳癌細胞の画像と自動的に区別するために使用することのできる複数の異なる測光及び形態的ディスクリプタを示す図で、図3に示した方法ステップを実行するために使用される例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。   FIG. 8 shows a number of different photometric and morphological descriptors that can be used to automatically distinguish an image of healthy breast epithelial cells from an image of breast cancer cells, and the method steps shown in FIG. FIG. 3 illustrates an example graphical user interface used to execute.

図8に示す分析は、図の左上方のドットプロット81から進んだ。明視野領域対アスペクト比と定義された、ドットプロット81に基づいて、単細胞が最初に同定された。面積がデブリを除外するのに十分な大きさであり、アスペクト比が−0.5より大きい、という基準に基づいて推定される単一細胞を含む集団の周りにゲート(別個に示さず)を設定し、細胞のダブレット及びクラスターを排除した。クリック・オン・ドット可視化機能を使用してゲート内外のランダム細胞を調べることによって、ゲーティングの正確度を試験した。   The analysis shown in FIG. 8 proceeded from the dot plot 81 in the upper left of the figure. Single cells were first identified based on dot plot 81, defined as bright field area to aspect ratio. A gate (not shown separately) around a population containing single cells estimated based on the criteria that the area is large enough to exclude debris and the aspect ratio is greater than -0.5. Set and exclude cell doublets and clusters. The accuracy of gating was tested by examining random cells inside and outside the gate using the click-on-dot visualization function.

次いで、正常細胞にのみ適用される抗HLA−FITCマーカーを使用して、正常な乳房細胞を乳癌細胞と区別した。FITC強度の実線の黄色のヒストグラム85aを生成しドットプロット81の右側に示した。FITC陽性(正常乳房上皮細胞)及びFITC陰性(乳房上皮癌細胞)の周りにゲート83を設定し、それにより2031の正常細胞のサブ集団及び611の癌細胞のサブ集団が得られた。次いで、これらのサブ集団を使用して、微分ヒストグラムに基づいて正常細胞と癌細胞を定量的に識別する特徴を同定した。図8は、その複製を簡単にするために修正されている。フルカラー画像では、細胞及びデータを見やすくするために、細胞を含む各フレームの背景は黒色であり、各ドットプロット及びヒストグラムの背景は黒色である。この修正によりドット81aの均一な分布が得られたが、そのような均一な分布はフルカラー画像には見られなかった。   Normal breast cells were then differentiated from breast cancer cells using an anti-HLA-FITC marker that was applied only to normal cells. A solid yellow histogram 85a of the FITC intensity is generated and shown on the right side of the dot plot 81. A gate 83 was set around FITC positive (normal breast epithelial cells) and FITC negative (breast epithelial cancer cells), resulting in a subpopulation of 2031 normal cells and 611 cancer cells. These subpopulations were then used to identify features that quantitatively distinguish between normal and cancer cells based on differential histograms. FIG. 8 has been modified to simplify its duplication. In a full-color image, in order to make cells and data easy to see, the background of each frame including cells is black, and the background of each dot plot and histogram is black. With this modification, a uniform distribution of dots 81a was obtained, but such a uniform distribution was not found in the full-color image.

図8の残りの10のヒストグラム(すなわち、ヒストグラム85b〜85k)は、正常細胞87a(フルカラー画像では緑色で表示)及び癌細胞87b(フルカラー画像では赤色で表示)の微分ヒストグラムであり、各ヒストグラムは異なる定量的特徴を示す。10の識別特徴は次の5つの個別のクラスに分類される。それは、散乱強度、散乱テクスチャー、形態、核強度、及び核テクスチャーである。微分ヒストグラム85b、85c、及び85dは、異なるが相関する次の3つの散乱強度特徴を使用して、2つの集団間の差異を示す。それは、「散乱平均強度」(強度合計を細胞面積で割る)、「散乱強度」(強度合計から背景を引く)、及び「散乱スポット小計」(部分的最大値の強度合計)である。3つの散乱強度特徴はすべて良好な識別を示したが、「散乱平均強度」(ヒストグラム85b)が最も選択的であった。   The remaining 10 histograms (ie, histograms 85b to 85k) in FIG. 8 are differential histograms of normal cells 87a (displayed in green in a full color image) and cancer cells 87b (displayed in red in a full color image). Different quantitative characteristics are shown. The ten identification features are grouped into the following five distinct classes: It is scattering intensity, scattering texture, morphology, nuclear intensity, and nuclear texture. The differential histograms 85b, 85c, and 85d show the difference between the two populations using the following three scattered intensity features that are different but correlated. It is the “scattered average intensity” (intensity sum divided by cell area), “scatter intensity” (intensity sum minus background), and “scatter spot subtotal” (partial maximum intensity sum). All three scattered intensity features showed good discrimination, but the “scattered average intensity” (histogram 85b) was the most selective.

微分ヒストグラム85e及び85fは、強度プロファイル勾配測度(「散乱勾配RMS」;ヒストグラム85e)又はより選択的なピクセル強度の変動性(「散乱周波数」;ヒストグラム85f)のいずれかを使用して、散乱テクスチャーを定量化した。   Derivative histograms 85e and 85f can be obtained using either an intensity profile gradient measure ("scatter slope RMS"; histogram 85e) or a more selective pixel intensity variability ("scatter frequency"; histogram 85f). Was quantified.

微分ヒストグラム85g、85h及び85iは、細胞面積(明視野、ヒストグラム85g)、核面積(DNA蛍光画像から、ヒストグラム85h)、及び細胞質面積(細胞/核面積、ヒストグラム85i)をプロット化した。癌細胞株は明視野では全般的に小さく、細胞画像からの定性的観察を確認した。癌細胞株の核面積は正常細胞の面積より比例的に小さかった(例えば、核/細胞面積比率は識別的ではなかった)が、細胞質面積は癌細胞で有意に小さかった。   The differential histograms 85g, 85h and 85i plotted cell area (bright field, histogram 85g), nuclear area (from DNA fluorescence image, histogram 85h), and cytoplasmic area (cell / nuclear area, histogram 85i). Cancer cell lines were generally small in bright field, confirming qualitative observation from cell images. The nuclear area of cancer cell lines was proportionally smaller than that of normal cells (eg, the nucleus / cell area ratio was not discriminatory), but the cytoplasmic area was significantly smaller in cancer cells.

最後に、微分ヒストグラム85j及び85kは、核平均強度(ヒストグラム85j)及び核周波数(不均一な色度、ヒストグラム85k)をそれぞれプロット化した。散乱の場合と同様に、これらの特徴は両方ともいくらかの識別力があった。   Finally, differential histograms 85j and 85k plotted nuclear mean intensity (histogram 85j) and nuclear frequency (non-uniform chromaticity, histogram 85k), respectively. As with scattering, both of these features had some discriminatory power.

この工学的実験でImageStream(商標)機器によって収集され、IDEAS(商標)ソフトウェアパッケージを使用して分析された複数スペクトル/複数モード画像によって、暗視野散乱、形態、及び核染色において正常な上皮細胞と上皮癌細胞の間に多数の有意な差異が示された。組織培養に適合された細胞は、その細胞特徴を変化させた可能性のある選択プロセスを受けたことが十分に理解されているが、これらのデータは、同定された上述した形態及び測光的特徴を使用して、正常細胞を転換された上皮細胞及び可能であれば他の種類の細胞と分離する、自動化された分類装置を設けることが可能であることを示している。   Multispectral / multimodal images collected by the ImageStream ™ instrument in this engineering experiment and analyzed using the IDEAS ™ software package enable normal epithelial cells in dark field scatter, morphology, and nuclear staining to A number of significant differences were shown between epithelial cancer cells. Although it is well understood that cells adapted for tissue culture have undergone a selection process that may have altered their cellular characteristics, these data are based on the identified morphological and photometric characteristics identified above. Has been shown to provide an automated sorting device that separates normal cells from transformed epithelial cells and possibly other types of cells.

他の実験的調査では、正常末梢血細胞及び乳癌細胞の混合物から収集した画像データを分析した。図5に示すように、ヒト末梢血の細胞分類は、各細胞の複数の画像を同時に取得するように構成されたフローイメージングシステムを使用して、かつ自動画像分析プログラム(例示的なイメージングシステムはImageStream(商標)機器であり、例示的な画像分析プログラムはIDEAS(商標)ソフトウェアパッケージである)を使用して、達成することができる。暗視野の光散乱特性の分析と組み合わせたCD45の発現を使用して、フローイメージングシステムによって収集された画像データに基づいて、細胞を次の5つの個々の集団に分離することができる。それは、リンパ細胞、単球、好中球、好酸球、及び好塩基球である。ヒト末梢血の個々のサブ集団へのこの分離は、図9により詳細に示されており、様々なサブ集団の例示的な相対的存在量データを含んでいる。   In other experimental studies, image data collected from a mixture of normal peripheral blood cells and breast cancer cells was analyzed. As shown in FIG. 5, human peripheral blood cell classification uses a flow imaging system configured to acquire multiple images of each cell simultaneously, and an automatic image analysis program (an exemplary imaging system is ImageStream ™ instrument, an exemplary image analysis program is an IDEAS ™ software package). Using expression of CD45 combined with analysis of dark field light scattering properties, cells can be separated into the following five individual populations based on the image data collected by the flow imaging system. It is lymphocytes, monocytes, neutrophils, eosinophils, and basophils. This separation of human peripheral blood into individual subpopulations is illustrated in greater detail in FIG. 9 and includes exemplary relative abundance data for various subpopulations.

図9は、ヒト末梢血の細胞を測光的特性に基づいて様々なサブ集団へと分離することを図式的に示す図である。分類の正確度は、集団に特異的なモノクローナル抗体マーカー、及び散乱におけるバックゲーティングマーカー陽性細胞対CD45のプロット、ならびに関連画像の形態分析を使用して判断した。図9に示すグラフのx軸は、抗CD45−FITC強度に対応し、y軸は、暗視野散乱強度に対応する。   FIG. 9 is a diagram schematically illustrating the separation of human peripheral blood cells into various subpopulations based on photometric characteristics. Classification accuracy was determined using population specific monoclonal antibody markers, and backgating marker positive cells versus CD45 plots in scatter, and morphological analysis of related images. The x-axis of the graph shown in FIG. 9 corresponds to anti-CD45-FITC intensity and the y-axis corresponds to dark field scattering intensity.

本願明細書に開示された技術(ImageStream(商標)機器で例示される上述のフローイメージング機器システム、及びIDEAS(商標)ソフトウェアパッケージで例示される画像分析ソフトウェアの使用)が上皮癌細胞を正常なPBMCと識別できるかどうか判断するために、腫瘍細胞と正常PBMCの人工的な混合物を上記の通り作製した。細胞混合物は、一般に上述したように、PBMCサブ集団を区別するために抗CD45−FITC mAb及び蛍光DNA結合色素で標識化した。正常末梢血の単核細胞及び癌細胞のスパイクを示すPBMC試料での散乱対CD45の二変量プロットの比較が、図10A及び10Bに示されている。   The technique disclosed herein (use of the above-described flow imaging instrument system exemplified by the ImageStream ™ instrument and the image analysis software exemplified by the IDEAS ™ software package) converts epithelial cancer cells into normal PBMC In order to determine whether they can be distinguished from each other, an artificial mixture of tumor cells and normal PBMC was prepared as described above. The cell mixture was labeled with anti-CD45-FITC mAb and fluorescent DNA binding dye to distinguish PBMC subpopulations as generally described above. A comparison of bivariate plots of scatter versus CD45 on PBMC samples showing spikes of normal peripheral blood mononuclear cells and cancer cells is shown in FIGS. 10A and 10B.

図10Aは、細胞集団から収集された画像データに基づいて正常末梢血の単核細胞(PBMC)の分布をグラフで示す図で、乳癌細胞は含まない。図10Bは、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データに基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布をグラフで示す図で、乳癌細胞の分布が正常PBMC細胞の分布とどのように区別可能であるかを示している。この分析では、外れ値集団を目視検査することによって確認されるように、癌細胞101aは正常に定義されたPBMC集団101bのかなり外側にある。   FIG. 10A is a graph showing the distribution of normal peripheral blood mononuclear cells (PBMC) based on image data collected from a cell population, and does not include breast cancer cells. FIG. 10B is a graphical representation of the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on image data collected from cell populations containing both cell types, and how the distribution of breast cancer cells is distinguished from the distribution of normal PBMC cells. It shows what is possible. In this analysis, the cancer cells 101a are well outside the normally defined PBMC population 101b, as confirmed by visual inspection of the outlier population.

図11Aは、乳癌細胞の細胞質面積の分布が正常PBMC細胞の細胞質面積の分布とどのように区別可能であるかを示し、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データから得られた細胞質面積の測定に基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布を図式的に示す図で、図11Bは、乳癌細胞の散乱周波数の分布が正常PBMC細胞の散乱周波数の分布とどのように区別可能であるかを示し、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データから得られた散乱周波数の測定に基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布を図式的に示す図である。   FIG. 11A shows how the cytoplasmic area distribution of breast cancer cells is distinguishable from that of normal PBMC cells and was obtained from image data collected from a cell population containing both cell types. FIG. 11B schematically shows the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on the measurement of cytoplasmic area, and FIG. 11B shows how the distribution of the scattering frequency of breast cancer cells can be distinguished from the distribution of the scattering frequency of normal PBMC cells. FIG. 4 schematically shows the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on measurements of scatter frequency obtained from image data collected from cell populations containing both cell types.

癌細胞111aは、また、図8で同定された形態的及び測光的特徴(例えば、核面積、細胞質面積、散乱強度、及び散乱周波数)のいくつかを使用して、正常PBMC111bと識別することができる。図11Aは、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データから得られた細胞質面積の測定に基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布をグラフで示し、乳癌細胞の細胞質面積の分布が正常PBMC細胞の細胞質面積の分布とどのように区別可能であるかを示す。図11Bは、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データから得られた散乱周波数の測定に基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布をグラフで示し、乳癌細胞の散乱周波数の分布が正常PBMC細胞の散乱周波数の分布とどのように区別可能であるかを示している。これらの特徴は、当初正常乳房細胞と乳癌細胞を識別するために同定されたが、乳房上皮癌細胞とPBMCの間の高レベルの識別を示した。正常上皮細胞はより明確にPBMCと区別され、これらのパラメータを使用して上皮癌細胞と識別されることが重要である。   Cancer cell 111a can also be distinguished from normal PBMC 111b using some of the morphological and photometric features identified in FIG. 8 (eg, nuclear area, cytoplasmic area, scattering intensity, and scattering frequency). it can. FIG. 11A graphically shows the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on measurements of cytoplasmic area obtained from image data collected from cell populations containing both cell types, with normal distribution of cytoplasmic area of breast cancer cells. It shows how it can be distinguished from the distribution of cytoplasmic area of PBMC cells. FIG. 11B graphically illustrates the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on the measurement of scatter frequency obtained from image data collected from cell populations containing both cell types, with normal distribution of scatter frequency of breast cancer cells. It shows how it can be distinguished from the scattering frequency distribution of PBMC cells. These features were initially identified to distinguish between normal breast cells and breast cancer cells, but showed a high level of discrimination between breast epithelial cancer cells and PBMC. It is important that normal epithelial cells are more clearly distinguished from PBMC and are distinguished from epithelial cancer cells using these parameters.

図10A、図10B、図11A及び図11Bは、複製を簡単にするために修正されている。フルカラー画像では、細胞及び/又はデータを見やすくするために、ドットプロットを含む各フレームの背景は黒色であり、PBMC細胞及び癌細胞を表すドットは異なる色で表される。   10A, 10B, 11A and 11B have been modified to simplify replication. In a full-color image, the background of each frame containing dot plots is black to make cells and / or data easier to see, and dots representing PBMC cells and cancer cells are represented in different colors.

上述した結果は、個々の画像(すなわち、1つ又は複数の上記の同定された測光及び/又は形態的パラメータを使用して、癌細胞及び健常細胞に対応するサブ集団に分離された画像)を目視検査することによって確認した。上述したスパイクを示すPBMCデータから画像ギャラリーデータを生成した。   The results described above result in individual images (ie, images separated into subpopulations corresponding to cancer cells and healthy cells using one or more of the above identified photometric and / or morphological parameters). This was confirmed by visual inspection. Image gallery data was generated from the PBMC data showing the spikes described above.

図12は、乳癌細胞の明視野及び蛍光画像を組み合わせることによって生成された細胞の合成画像を示す図である。明視野及びDRAQ5 DNA蛍光(画像分析ソフトウェアで画像処理を行ったもので赤色)のオーバーレイ合成を使用して得られた癌細胞集団からの代表的な画像を含んでいる。図13は、細胞集団の画像データから得られた散乱データによって定義することのできる、5つの異なるPBMC集団の代表的な画像を示す図である。核の形態について暗視野散乱、CD45(緑色)、及びDRAQ5(赤色)を使用して定義された、5つの末梢血単核細胞集団の画像を含んでいる。2つの図はサイズスケールが異なることに留意されたい。図12は、その複製を簡単にするために修正されていることを理解されたい。フルカラー画像では、図12の背景は黒色であり、細胞を含む各フレームは茶色/灰色であり、各細胞の核は赤色である。図13も同様にその複製を簡単にするために修正されている。フルカラー画像では、図13の背景は黒色であり、各細胞の外周は緑色であり、各細胞の核は赤色である。   FIG. 12 is a diagram showing a composite image of cells generated by combining bright field and fluorescence images of breast cancer cells. Includes representative images from a population of cancer cells obtained using overlay synthesis of bright field and DRAQ5 DNA fluorescence (red with image analysis software). FIG. 13 is a diagram showing representative images of five different PBMC populations that can be defined by scatter data obtained from image data of cell populations. It includes images of five peripheral blood mononuclear cell populations defined using dark field scatter, CD45 (green), and DRAQ5 (red) for nuclear morphology. Note that the two figures have different size scales. It should be understood that FIG. 12 has been modified to simplify its duplication. In the full-color image, the background of FIG. 12 is black, each frame containing cells is brown / grey, and the nucleus of each cell is red. FIG. 13 is similarly modified to simplify its duplication. In the full-color image, the background in FIG. 13 is black, the outer periphery of each cell is green, and the nucleus of each cell is red.

上述した試験は、画像データが同時に収集される、細胞の混合集団からの複数スペクトル/複数モード画像データを分析することによって、正常上皮細胞のサブ集団を、転換した細胞のサブ集団から光学的に識別することができる可能性を実証していることが重要である。上述した試験は、また、画像データが同時に収集される、細胞の混合集団からの複数スペクトル/複数モード画像データを分析することによって、血液中の上皮癌細胞を検出することができる可能性を実証している。   The test described above optically transforms a subpopulation of normal epithelial cells from a subpopulation of transformed cells by analyzing multispectral / multimodal image data from a mixed population of cells where image data is collected simultaneously. It is important to demonstrate the possibilities that can be identified. The tests described above also demonstrate the possibility of detecting epithelial cancer cells in the blood by analyzing multispectral / multimodal image data from a mixed population of cells where image data is collected simultaneously. is doing.

本願明細書に説明された概念を特定の疾患状態の概念に適用することに関して、例示的なイメージングシステムの作動速度が比較的高いため(約100細胞/秒又は約350,000細胞/時間)、かつ各細胞で収集された画像情報の量が比較的多いため(高分解能の明視野画像、暗視野画像、及び4つの蛍光画像)、本願明細書に開示された概念は慢性リンパ性白血病の検出及び監視に特に適している。   Due to the relatively high operating speed of the exemplary imaging system (about 100 cells / second or about 350,000 cells / hour) with respect to applying the concepts described herein to the concept of a particular disease state, And because the amount of image information collected in each cell is relatively large (high resolution bright field image, dark field image, and four fluorescence images), the concept disclosed herein is for detecting chronic lymphocytic leukemia. And particularly suitable for monitoring.

そのような適用では、同時複数スペクトル/複数モードイメージングシステムに360nmUVレーザーが組み込まれ、イメージングシステムの光学が400〜460nm(DAPI放射)スペクトルバンドに回折制限されたイメージング性能に最適化される。上述した実験的試験で使用された例示的なイメージングシステム(すなわち、ImageStream(商標)機器)では、蛍光励起にソリッドステート、200mW、488nmレーザーを使用している。そのようなレーザーの波長は広域の蛍光色素を励起するが、DAPIは励起できないため、DNAに化学量論的に結合する細胞周期分析には最適ではない。さらに、ビームは狭幅を有するように構成され、細胞ごとの測定誤差が増加する代わりに全体的な感度は改善される。DNA色素としてヨウ化プロピジウムを使用するフィージビリティ試験は、488nmレーザーを使用するイメージングシステムが、約5%の変動のG0/G1ピーク係数を有する細胞周期ヒストグラムを生成することができることを示す。   In such applications, a 360 nm UV laser is incorporated into a simultaneous multispectral / multimodal imaging system, and the optics of the imaging system are optimized for imaging performance that is diffraction limited to the 400-460 nm (DAPI radiation) spectral band. The exemplary imaging system (ie, ImageStream ™ instrument) used in the experimental tests described above uses a solid state, 200 mW, 488 nm laser for fluorescence excitation. Such laser wavelengths excite a broad range of fluorescent dyes, but DAPI cannot be excited and are not optimal for cell cycle analysis that binds stoichiometrically to DNA. In addition, the beam is configured to have a narrow width, improving the overall sensitivity at the expense of increased measurement error per cell. A feasibility study using propidium iodide as a DNA dye shows that an imaging system using a 488 nm laser can generate a cell cycle histogram with a G0 / G1 peak coefficient of variation of about 5%.

CLLに関連したDNA含有量の変化を検出するために高分解能の細胞周期ヒストグラムを生成するためには、360nmUVレーザーに最適化されたDAPIを代わりに使用する。ビームは比較的広い照明交差部(約100ミクロン)を有するように構成され、一般的な作動条件ではDAPI励起の一貫性は細胞間で1%以内となる。全体的に細胞周期ヒストグラムCVは約2〜3%であると考えられる。さらに、上述した実験的試験で使用される例示的な機器の光学は460〜750nmに回折制限され、DAPIスペクトル放射バンドはカバーしない。したがって、形態の窪みや不均一な色素など診断値の詳細な核の特徴を測定するために、そのような光学は、400〜460nmスペクトルバンドの回折制限イメージング性能を達成するように構成されている光学に置き換えられる。   To generate high resolution cell cycle histograms to detect changes in DNA content associated with CLL, DAPI optimized for 360 nm UV laser is used instead. The beam is configured to have a relatively wide illumination intersection (about 100 microns) and under typical operating conditions, DAPI excitation consistency is within 1% between cells. Overall, the cell cycle histogram CV is considered to be about 2-3%. Furthermore, the optics of the exemplary instrument used in the experimental tests described above are diffraction limited to 460-750 nm and do not cover the DAPI spectral emission band. Thus, in order to measure detailed nuclear features of diagnostic values such as morphological cavities and heterogeneous dyes, such optics are configured to achieve diffraction limited imaging performance in the 400-460 nm spectral band. Replaced by optics.

特に、本願明細書に開示された概念をCLLに関連したDNA含有量の変化の検出に使用するためには、上述した以外に正常な試料の核の形態を定義する他のマスキングアルゴリズム及び特徴を組み込んだ、画像処理ソフトウェアを設けることが望ましい。   In particular, in order to use the concepts disclosed herein to detect changes in DNA content associated with CLL, other masking algorithms and features that define the morphology of normal sample nuclei other than those described above may be used. It is desirable to provide embedded image processing software.

上述した例示的な画像処理ソフトウェアで利用可能な形態的特徴のセットは、核のロビシティ(lobicity)、陥入部の数、及び同様のパラメータを定量化する境界輪郭の特徴を含んでいない。そのような特徴は、従来の血液病理学者が使用していた多くの核形態の定性的観察を取り込むので、白血病の分析において非常に高い有用性がある。そのようなアルゴリズム及び特徴を組み込むことによって、正常細胞、前駆体、及び転換した細胞の自動分類の改善が可能になる。   The set of morphological features available in the exemplary image processing software described above does not include features of boundary contours that quantify the nuclear lovicity, the number of invaders, and similar parameters. Such a feature is very useful in the analysis of leukemia because it captures the qualitative observation of many nuclear forms used by conventional hematopathologists. Incorporation of such algorithms and features allows for improved automatic classification of normal cells, precursors, and transformed cells.

上述した実験的試験で使用される境界輪郭のマスキングアルゴリズム及び関連する特徴は、イメージング平面に対する方向の関数として、それぞれのタイプの細胞の約3分の1で好酸球、好中球、単球、好塩基球、及びリンパ細胞の細胞分類を改善する。(6つの可能な方向において)2つのうち1つの好ましい方向の細胞は、先に使用されたアルゴリズム及び特徴による利益を受けない。細胞の分類を改善するために、正常細胞の分布が予想される位置内の統計的分解能を高めることによって、正常細胞と転換した細胞の間の第1パス分類装置へと導き、回転方向とは関係なく正常白血球を一貫して分類するように境界輪郭アルゴリズム及び特徴を拡大することができ、それにより、予想される位置に該当しない異常細胞にフラグをつける能力が向上する。そのような分類装置は、一般に上述された技術を使用して識別をさらに改善するために、正常リンパ細胞と転換したリンパ細胞の間で観察された形態的差異の特徴を明らかにすることができる。   The boundary contour masking algorithm and associated features used in the experimental tests described above are eosinophils, neutrophils, monocytes in approximately one third of each type of cell as a function of orientation relative to the imaging plane. Improve cell classification of basophils, and lymphocytes. Cells in one of the two preferred directions (in 6 possible directions) do not benefit from the algorithms and features previously used. In order to improve cell classification, by increasing the statistical resolution within the position where the distribution of normal cells is expected, it leads to a first pass classification device between normal cells and transformed cells. The boundary contour algorithm and features can be expanded to consistently classify normal white blood cells regardless, thereby improving the ability to flag abnormal cells that do not fall into the expected location. Such a sorter can characterize the morphological differences observed between normal and transformed lymphocytes to further improve discrimination, generally using the techniques described above. .

イメージング分析ソフトウェアをCLLに関連したDNA含有量の変化を検出するように構成するために、自動分類装置をソフトウェアパッケージに組み込む。自動分類装置は少なくとも1つ又は複数の以下の測光及び/又は形態的パラメータを組み込む。それは、DNA含有量、核の形態、不均一な色素、N/C比、粒状度、CD45発現、及び他のパラメータである。上述したように、分類装置は血液細胞集団に対応する画像データを分類するように構成され、集団を以下のサブ集団へと分類する。それは、リンパ細胞、単球、好塩基球、好中球、及び好酸球である。   In order to configure the imaging analysis software to detect changes in DNA content associated with CLL, an automatic classifier is incorporated into the software package. The automatic classifier incorporates at least one or more of the following photometric and / or morphological parameters. It is DNA content, nuclear morphology, heterogeneous pigment, N / C ratio, granularity, CD45 expression, and other parameters. As described above, the classification device is configured to classify the image data corresponding to the blood cell population, and classifies the population into the following subpopulations. It is lymphocytes, monocytes, basophils, neutrophils, and eosinophils.

フロー中の細胞から同時に収集された複数モード画像に基づいたPBMCの自動微分分析が、上述したものと同様のイメージングシステム、及び上述したものと同様のイメージング処理ソフトウェアを使用して実施される。PBMCは、FITC結合抗CD45及びDNA結合色素、DAPIで染色される。末梢血白血球は、一般に、図5、図9、及び図13に示すように、リンパ球、単球、好塩基球、好中球、及び好酸球へと5部分の微分分析で分類される。   Automatic differential analysis of PBMC based on multimodal images collected simultaneously from cells in the flow is performed using an imaging system similar to that described above and imaging processing software similar to that described above. PBMC are stained with FITC-conjugated anti-CD45 and a DNA-binding dye, DAPI. Peripheral blood leukocytes are generally classified by 5-part differential analysis into lymphocytes, monocytes, basophils, neutrophils, and eosinophils, as shown in FIGS. .

CLL患者の末梢血白血球からのデータセットを上述したように取得し、分析する。正常末梢血白血球のために開発された分類法をこれらのデータセットに適用し、CLL細胞の同定を正常なプロファイルと比較することによって判断する。様々な分類装置が評価され、一般に、図8のヒストグラムに関して上述したように、CLL細胞が最も良く例示されるセグメントを判断する。これらには次のものがある。それは、細胞のサイズ、核のサイズ、核対細胞質の比率、核の輪郭、核のテクスチャー、及び細胞質の粒状度である。結果をCLL患者試料の標準的な血液塗抹標本と比較して、技術の正確度を判断する。   Data sets from peripheral blood leukocytes from CLL patients are acquired and analyzed as described above. A taxonomy developed for normal peripheral blood leukocytes is applied to these datasets to determine CLL cell identification by comparing it to a normal profile. Various classifiers are evaluated and generally determine the segment in which CLL cells are best exemplified as described above with respect to the histogram of FIG. These include the following: It is cell size, nucleus size, nucleus-to-cytoplasm ratio, nucleus contour, nucleus texture, and cytoplasm granularity. The results are compared to a standard blood smear of a CLL patient sample to determine the accuracy of the technique.

抗CD−45をマーカーとして使用する正常染色プロトコルのほかに、画像データを収集する前に、末梢血白血球をCD5及びCD20へのモノクローナル抗体、ならびにDAPIで染色する。この方法は、認められたフローサイトメトリー基準に従ってCLL細胞の同定を可能にする。このように、形態的基準を免疫表現型と相関させることができる。   In addition to the normal staining protocol using anti-CD-45 as a marker, peripheral blood leukocytes are stained with monoclonal antibodies to CD5 and CD20 and DAPI prior to collecting image data. This method allows the identification of CLL cells according to accepted flow cytometry criteria. In this way, morphological criteria can be correlated with the immune phenotype.

複数のCLL患者からの多量の(10,000〜20,000個の白血球)データセットによって、血液細胞をサブ集団(すなわち、リンパ細胞、単球、好塩基球、好中球、及び好酸球)に分類するために使用することのできる測光及び形態的マーカーの最適化及び選択が容易になる。   With a large (10,000-20,000 leukocytes) data set from multiple CLL patients, blood cells can be subpopulated (ie lymphocytes, monocytes, basophils, neutrophils, and eosinophils) ) Can be easily optimized and selected for photometric and morphological markers that can be used for classification.

CLL細胞には形態的な不均一性が観察される。しかし、患者の末梢血の塗抹標本を一貫的に準備し評価することが技術的に困難であることから、その程度についての正確で客観的な理解はこれまで達成されていなかった。上述した複数モードのイメージングシステムを使用してCLL患者から多量のデータセットを取得することによって、形態的な不均一性の程度を、イメージング処理ソフトウェアパッケージを使用して客観的に分析することが可能になる。上述した開発された分類装置は、これらのデータセットに適用され、特定の分類装置の程度(例えば、核のサイズ、N/C比など)を分析することによって評価された形態的不均一性を、CLL細胞の多量の集団に適用する。この分析に基づいて、CLL細胞の最大パーセンテージを最も正確に同定する分類装置が最適化され、集団全体が分類装置によって含まれるようになる。   Morphological heterogeneity is observed in CLL cells. However, since it is technically difficult to consistently prepare and evaluate a peripheral blood smear of a patient, an accurate and objective understanding of the extent has not been achieved so far. By acquiring large data sets from CLL patients using the multi-mode imaging system described above, the degree of morphological heterogeneity can be objectively analyzed using an imaging processing software package become. The developed classifiers described above are applied to these datasets to evaluate the morphological heterogeneity assessed by analyzing the degree of specific classifiers (eg, nuclear size, N / C ratio, etc.). Apply to large populations of CLL cells. Based on this analysis, the classifier that most accurately identifies the maximum percentage of CLL cells is optimized so that the entire population is included by the classifier.

上述したように、CLLに適用されるとき、本願明細書で開示された技術は、細胞集団を健常細胞に対応するサブ集団及び疾患細胞に対応するサブ集団に分離するためには使用されない。その代わり、血液細胞集団から収集した画像データは、血液細胞集団を血液細胞タイプ(すなわち、リンパ細胞、単球、好塩基球、好中球、及び好酸球)に基づいてサブ集団へと分離するために使用される。CLLは血液細胞集団に見られるリンパ細胞数の増加(すなわち、リンパ細胞サブ集団の増加)と関連するので、リンパ細胞の増加を検出することによって疾患状態(すなわち、CLL)の存在が示される。本願明細書に説明された好ましい方法は、血液細胞集団を複数の異なるサブ集団に分離することを含むが、CLL検出法は血液細胞集団を単純にリンパ細胞サブ集団及び非リンパ細胞サブ集団に分離することによって実行することもできる。健常患者での平均リンパ細胞サブ集団を示す実験的データを使用して、平均より高いリンパ細胞サブ集団を検出することによって、CLL疾患状態が示唆される。   As described above, when applied to CLL, the techniques disclosed herein are not used to separate cell populations into subpopulations corresponding to healthy cells and subpopulations corresponding to diseased cells. Instead, image data collected from blood cell populations separate blood cell populations into subpopulations based on blood cell types (ie, lymphocytes, monocytes, basophils, neutrophils, and eosinophils). Used to do. Since CLL is associated with an increase in the number of lymphocytes found in the blood cell population (ie, an increase in lymphocyte subpopulation), detecting an increase in lymphocytes indicates the presence of a disease state (ie, CLL). Although the preferred method described herein involves separating the blood cell population into a plurality of different subpopulations, the CLL detection method simply separates the blood cell population into lymphocyte and non-lymphocyte subpopulations. It can also be executed. Using experimental data showing the average lymphocyte subpopulation in healthy patients, detecting a lymphocyte subpopulation higher than average suggests a CLL disease state.

最初にCLL疾患状態を検出することに加えて、上述したイメージング及び分析法をCLL患者を縦断的に追跡するために適用して、治療への反応、臨床反応の安定、及び疾患の再発を判断することができる。正常及び残存CLLの両方を含む、末梢血の集団の変化を追跡し、臨床アウトカムと相関させることができる。   In addition to initially detecting CLL disease status, the imaging and analysis methods described above are applied to longitudinally track CLL patients to determine response to treatment, clinical response stability, and disease recurrence. can do. Changes in the peripheral blood population, including both normal and residual CLL, can be followed and correlated with clinical outcomes.

<例示的な計算環境>
上述したように、本発明の一実施態様は、細胞集団の一部から同時に収集された複数の画像の画像分析を含んでいる。例示的な画像分析ソフトウェアパッケージを参照する。図14及び以下の関連する説明は、本発明を実施するための適切な計算環境の簡略で一般的な説明を示すものであり、必要な画像処理は、一般に、図14に示すものと同様の計算デバイスを使用して実施される。当業者であれば、必要な画像処理は、ラップトップ及び他のタイプのポータブルコンピュータ、マルチプロセッサシステム、ネットワークコンピュータ、メインフレームコンピュータ、手持ち式コンピュータ、パーソナルデータアシスタント(PDA)、ならびにプロセッサ及び機械の指示を記憶するためのメモリを含み、プロセッサで実行されるとき複数の機能を実行する他のタイプの計算デバイスを含む、多くの異なるタイプの計算デバイスによって実施することができる。
<Example computing environment>
As described above, one embodiment of the present invention includes image analysis of multiple images collected simultaneously from a portion of a cell population. Reference is made to an exemplary image analysis software package. FIG. 14 and the associated description below provide a simplified and general description of a suitable computing environment for practicing the present invention, and the required image processing is generally similar to that shown in FIG. Implemented using a computing device. For those skilled in the art, the necessary image processing includes laptops and other types of portable computers, multiprocessor systems, network computers, mainframe computers, handheld computers, personal data assistants (PDAs), and processor and machine instructions. Can be implemented by many different types of computing devices, including other types of computing devices that perform multiple functions when executed on a processor.

本発明で必要とされる画像処理の実行に適切な例示的な計算システム150は、入力デバイス152、及び出力デバイス162、例えば、ディスプレイに機能的に接続されている処理ユニット154を含んでいる。処理ユニット154は、本発明の機能を実行するための(測定する集団によって少なくとも1つの特徴の提示を可能にするための、物体の集団から同時に取得された複数の画像の分析)、画像処理/画像分析プログラムを含む機械の指示を実行する中央処理ユニット(CPU158)を含んでいる。少なくとも1つの実施形態では、機械の指示は、一般に、上述したものと同様の機能を実行し、図3に示すフローチャートならびに例示的なスクリーンショットを参照する。当業者であれば、この目的に適したプロセッサ又は中央処理ユニット(CPU)は、Intel Corporation、AMD Corporation、Motorola Corporation、及び他の供給者から入手可能である。   An exemplary computing system 150 suitable for performing the image processing required by the present invention includes an input device 152 and an output device 162, eg, a processing unit 154 that is functionally connected to a display. The processing unit 154 performs the functions of the present invention (analysis of a plurality of images acquired simultaneously from a group of objects to enable presentation of at least one feature by the group to be measured), image processing / A central processing unit (CPU 158) for executing machine instructions including an image analysis program is included. In at least one embodiment, machine instructions generally perform functions similar to those described above, with reference to the flowchart shown in FIG. Those skilled in the art will find suitable processors or central processing units (CPUs) for this purpose available from Intel Corporation, AMD Corporation, Motorola Corporation, and other suppliers.

処理ユニット154には、ランダムアクセスメモリ156(RAM)、及び一般に読出し専用メモリ(ROM)を含む非揮発性メモリ160、ならびにハードドライブ、光学ドライブなどいくつかの形態のメモリストレージも含まれる。これらのメモリデバイスは、CPU158に双方向接続されている。そのようなストレージデバイスは、当業者には良く知られている。機械の指示及びデータは、非揮発性メモリ160から一時的にRAM156内にロードされる。メモリには、オペレーティングシステムソフトウェア及び補助ソフトウェアも保存されている。別個に示されてはいないが、計算システム150を起動するのに必要な電力を供給するために電源が必要となる。   The processing unit 154 also includes random access memory 156 (RAM) and non-volatile memory 160, typically including read only memory (ROM), and some form of memory storage such as hard drives, optical drives, and the like. These memory devices are bidirectionally connected to the CPU 158. Such storage devices are well known to those skilled in the art. Machine instructions and data are temporarily loaded from non-volatile memory 160 into RAM 156. The memory also stores operating system software and auxiliary software. Although not shown separately, a power source is required to supply the power necessary to start the computing system 150.

入力デバイス152は、限定はされないが、マウス、キーボード、マイク、モデム、ポインティングデバイス、又は他の入力デバイスを含む、オペレーティング環境への入力を容易にするどのようなデバイス又は機構とすることもできる。図14には特に示されていないが、計算システム150は、図1に概略的に示すようなイメージングシステムと論理的に接続されており、所望の画像処理を実施するように、収集された画像データを計算システム150で利用できるようになっている。もちろん、計算システムを直接イメージングシステムに論理的に接続するのではなく、イメージングシステムによって収集されたデータを、ポータブルメモリメディアなど多くの様々なデータ転送デバイスを使用して、又はネットワーク(有線又は無線)経由で、単純に計算システムに転送することもできる。出力デバイス162は、出力画像を人が視覚的に認識するように設計されたモニター又はコンピュータディスプレイを最も一般に含んでいる。   Input device 152 may be any device or mechanism that facilitates input to the operating environment, including but not limited to a mouse, keyboard, microphone, modem, pointing device, or other input device. Although not specifically shown in FIG. 14, the computing system 150 is logically connected to an imaging system such as that schematically shown in FIG. 1 to collect the collected images to perform the desired image processing. Data can be used in the calculation system 150. Of course, rather than logically connecting the computing system directly to the imaging system, the data collected by the imaging system can be collected using many different data transfer devices such as portable memory media or network (wired or wireless) It can be simply transferred to the computing system via The output device 162 most commonly includes a monitor or computer display designed to allow a person to visually recognize the output image.

以上、本願明細書に開示された概念を、それを実行するのに好ましい実施形態及びその修正と併せて説明したが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲の範囲内において本願明細書に開示された概念に他の多くの修正を行うことができる。したがって、本願明細書に開示された概念の範囲は、上述した説明によってどのようにも制限されるものではなく、添付の特許請求の範囲を参照することによって全体的に判断されるものである。排他的な権利を主張する本発明は添付の通り定義される。   While the concepts disclosed herein have been described in conjunction with preferred embodiments and modifications thereof for practicing the same, those skilled in the art will recognize within the scope of the appended claims. Many other modifications can be made to the concept disclosed in. Accordingly, the scope of the concepts disclosed herein is not limited in any way by the above description, but is to be determined entirely by reference to the appended claims. The invention claiming exclusive rights is defined as follows.

フロー中の物体から複数の画像を同時に収集するために使用することのできる例示的なフローイメージングシステムを示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating an exemplary flow imaging system that can be used to simultaneously collect multiple images from an object in flow. FIG. 図1に示したフローイメージングシステムによって記録(生成)された画像を表す図である。It is a figure showing the image recorded (generated) by the flow imaging system shown in FIG. 本願明細書に開示された概念の一実施態様で実行される全体的な方法ステップのフローチャートを示す図である。FIG. 5 shows a flowchart of overall method steps performed in one implementation of the concepts disclosed herein. 図3に示した方法ステップを実行するために使用される例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。FIG. 4 illustrates an exemplary graphical user interface used to perform the method steps shown in FIG. ヒトの末梢血の分析に適用される、図3の方法ステップを実行するために使用される例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。FIG. 4 illustrates an exemplary graphical user interface used to perform the method steps of FIG. 3 applied to the analysis of human peripheral blood. 正常な(すなわち、健常な)乳房上皮細胞の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of a normal (namely, healthy) breast epithelial cell. 蛍光チャンネルのデータの定量化が疾患状態のマーカーとしてどのように機能するかを示す、乳癌(すなわち、疾患)細胞の画像を示す図である。FIG. 6 shows an image of breast cancer (ie, disease) cells showing how quantification of fluorescence channel data functions as a marker of disease state. 健常な乳房上皮細胞の画像を乳癌細胞の画像と自動的に区別するために使用することのできる複数の異なる測光及び形態的ディスクリプタを示す図で、図3に示した方法ステップを実行するために使用される例示的なグラフィカルユーザインターフェースを示す図である。FIG. 4 shows a plurality of different photometric and morphological descriptors that can be used to automatically distinguish an image of healthy breast epithelial cells from an image of breast cancer cells to perform the method steps shown in FIG. FIG. 3 illustrates an exemplary graphical user interface used. ヒト末梢血の細胞を測光的特性に基づいて様々なサブ集団へと分離することを図式的に示す図である。FIG. 3 schematically illustrates the separation of human peripheral blood cells into various subpopulations based on photometric characteristics. 乳癌細胞を含まない細胞集団から収集された画像データに基づいて、正常末梢血の単核細胞(PBMC)の分布を図式的に示す図である。It is a figure which shows typically distribution of the mononuclear cell (PBMC) of normal peripheral blood based on the image data collected from the cell population which does not contain a breast cancer cell. 乳癌細胞の分布が正常PBMC細胞の分布とどのように区別可能であるかを示し、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データに基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布を図式的に示す図である。Shows how the distribution of breast cancer cells is distinguishable from that of normal PBMC cells, and schematically illustrates the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on image data collected from cell populations containing both cell types. FIG. 乳癌細胞の細胞質面積の分布が正常PBMC細胞の細胞質面積の分布とどのように区別可能であるかを示し、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データから得られた細胞質面積の測定に基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布を図式的に示す図である。Measurement of cytoplasmic area obtained from image data collected from cell populations containing both cell types, showing how the distribution of cytoplasmic area of breast cancer cells is distinguishable from that of normal PBMC cells FIG. 6 is a diagram schematically showing the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on FIG. 乳癌細胞の散乱周波数の分布が正常PBMC細胞の散乱周波数の分布とどのように区別可能であるかを示し、両方の細胞タイプを含む細胞集団から収集された画像データから得られた散乱周波数の測定に基づいて正常PBMC及び乳癌細胞の分布を図式的に示す図である。Shows how the distribution of scatter frequencies of breast cancer cells is distinguishable from that of normal PBMC cells and measures scatter frequencies obtained from image data collected from cell populations containing both cell types FIG. 6 is a diagram schematically showing the distribution of normal PBMC and breast cancer cells based on FIG. 乳癌細胞の明視野及び蛍光画像を組み合わせることによって生成された細胞の合成画像を示す図である。It is a figure which shows the synthetic | combination image of the cell produced | generated by combining the bright field and fluorescence image of a breast cancer cell. 細胞集団の画像データから得られた散乱データによって定義することのできる、5つの異なるPBMC集団の代表的な画像を示す図である。FIG. 4 shows representative images of five different PBMC populations that can be defined by scatter data obtained from image data of cell populations. 図3に示した方法ステップを実行するために使用される例示的な計算システムを概略的に示す図である。FIG. 4 schematically illustrates an example computing system used to perform the method steps shown in FIG. 3.

Claims (1)

細胞集団から収集された画像により疾患状態を検出する疾患状態検出方法であって、
(a)各細胞の複数の画像が同時に収集されるように、画像データを収集するために前記細胞集団を画像化するステップであって、
前記複数の画像が、以下の2つのタイプの画像:
(i)複数スペクトル画像と、
(ii)複数モード画像と
の少なくとも1つを含むステップと、
(b)前記疾患状態を示唆する細胞のサブ集団が検出されるかどうかを判断するために、収集された前記画像データを分析するステップと
を含むことを特徴とする疾患状態検出方法。
A disease state detection method for detecting a disease state by an image collected from a cell population,
(A) imaging the cell population to collect image data such that multiple images of each cell are collected simultaneously;
The plurality of images are the following two types of images:
(I) a multi-spectral image;
(Ii) including at least one of a multi-mode image;
(B) analyzing the collected image data to determine whether a subpopulation of cells suggesting the disease state is detected. A disease state detection method comprising:
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