JP2004251630A - Thrombus process observing apparatus, and thrombus process observation method - Google Patents

Thrombus process observing apparatus, and thrombus process observation method Download PDF

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JP2004251630A
JP2004251630A JP2003039230A JP2003039230A JP2004251630A JP 2004251630 A JP2004251630 A JP 2004251630A JP 2003039230 A JP2003039230 A JP 2003039230A JP 2003039230 A JP2003039230 A JP 2003039230A JP 2004251630 A JP2004251630 A JP 2004251630A
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Shinya Goto
信哉 後藤
Hideyuki Ishida
英之 石田
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Tokai University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To observe the interaction with the dynamic form change of a platelet under an environment for simulating conditions in a living body. <P>SOLUTION: A monoclonal antibody to membrane glycoprotein GP IIb/IIIa existing on the surface of the platelet and GP Ibalpha is subjected to fluorescent labeling by an FITC, or the like. Sample blood mixed into blood in whole blood including a red corpuscle is flowed to a flow chamber 20 using a glass plate 22 that is subjected to a solid phase, for example, by coating the upper surface with matrix, such as collagen for simulating a damaged blood vessel wall and vWF (von Willebrand factor). At the same time, by using a confocal microscope device, the three-dimensional form of the platelet is imaged as a moving picture. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、抗血栓薬の薬効評価等のために血栓形成過程を観測する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、抗血栓薬の薬効評価は、血小板をADPやthrombinなどの活性化物質で活性化したときに惹起される血小板内顆粒の放出や、活性化した血小板の形態変化や、活性化した血小板を攪拌して惹起される血小板凝集などに対する抑制効果を指標として行われきた。
【0003】
しかし、生体内における血栓形成過程は、血小板が活性化物質に暴露された結果としてではなく、内管壁が損傷し内皮下のマトリックスが血流に暴露されたことを契機に、マトリックス上に血流条件下で血小板が凝集すると共に血小板とマトリックスとが相互作用して、血小板が活性化されることにより進行する。
【0004】
そこで、実際の血栓形成過程における薬効を評価するために、従来は、マトリックスと相互作用させた血小板検体を固定して標本を観測対象として、走査型電子顕微鏡により血小板の形態を観測することが行われてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記走査型電子顕微鏡によって血小板を観測する技術によれば、固定した血小板検体を観測の対象とするために、血小板の動的な形態変化やマトリックスとの相互作用のようすを観測することができない。そして、このために、生体内条件下において、抗血栓薬が血小板機能に及ぼす作用や効果を詳細に評価することができなかった。
【0006】
そこで、本発明は、生体内条件と同等の条件下において、血小板の動的な形態変化やマトリックスとの相互作用を詳細に観測可能とすることを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題達成のために本発明は、コラーゲンまたはvWF(von Willebrand因子)の層が流路壁面上に設けられた流路が形成されたフローチャンバーと、前記フローチャンバーの流路に血液を流す流体ポンプと、前記フローチャンバーの流路を流れる血液を、繰り返し3次元撮像する共焦点顕微鏡装置とを備えた血栓生成過程観測装置を提供する。
【0008】
このような血栓生成過程観測装置によれば、コラーゲンまたはvWFの層によって損傷血管壁を模擬した流路に血流を通しながら、血流内の血小板の3次元形態を、共焦点顕微鏡を用いて、良好な空間解像、時間解像度で動画像として観測することができる。
【0009】
ここで、このような血栓生成過程観測装置においては、前記フローチャンバーに形成された流路は、流路断面の大きさが相互に異なる、流路方向についての複数の範囲を有するようにするのが良い。
このようにすることにより、共焦点顕微鏡装置によるフローチャンバーの流路上の撮像位置を変えるだけで、異なる壁ずり速度や異なる流路幅による血栓生成過程を観測することができるようになる。
また、前記課題達成のために、本発明は、血栓生成過程を観測する血栓生成過程観測方法として、コラーゲンまたはvWF(von Willebrand因子)の層が流路壁面上に設けられた流路が形成されたフローチャンバーの流路に、血小板の膜糖蛋白GP IIb/IIIaに対する、蛍光標識したモノクローン抗体を混入した血液を流しながら、前記フローチャンバーの流路を流れる血液を、共焦点顕微鏡装置によって、繰り返し3次元撮像する血栓生成過程観測方法を提供する。
【0010】
このような血栓生成過程観測方法によれば、コラーゲンまたはvWFの層によって損傷血管壁を模擬した流路に血流を通しながら、血流内の血小板の3次元形態を、共焦点顕微鏡を用いて、良好な空間解像、時間解像度で動画像として観測することができる。したがって、血小板の動的な形態変化やマトリックスとの相互作用のようすをより細やかに把握して、抗血栓薬の詳細な評価等を行うことができるようになる。また、蛍光標識したGP IIb/IIIaに対するモノクローン抗体を介して血小板の形態を撮像することにより、血流中の赤血球に邪魔されることなく、血小板の形態を良好に撮像することができる。
【0011】
また、同様に、本発明は、血栓生成過程を観測する血栓生成過程観測方法として、コラーゲンまたはvWF(von Willebrand因子)の層が流路壁面上に設けられた流路が形成されたフローチャンバーの流路に、血小板の膜糖蛋白GP Ibalphaに対する、蛍光標識したモノクローン抗体を混入した血液を流しながら、前記フローチャンバーの流路を流れる血液を、共焦点顕微鏡装置によって、繰り返し3次元撮像する血栓生成過程観測方法を提供する。
【0012】
このような血栓生成過程観測方法によれば、コラーゲンまたはvWFの層によって損傷血管壁を模擬した流路に血流を通しながら、血流内の血小板のGP Ibalphaの分布を、共焦点顕微鏡を用いて、良好な空間解像、時間解像度で動画像として観測することができる。ここで、GP Ibalphaは、血小板の活性化によって膜近傍から血小板内部へ移動集中していく現象を呈するので、本方法によれば、血小板の機能変化を、より細やかに把握して、抗血栓薬の詳細な評価等を行うことができるようになる。また、蛍光標識したGP Ibalphaに対するモノクローン抗体を介して撮像を行うことにより血流中の赤血球に邪魔されることなく、良好な撮像を実現することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1に、本実施形態に係る血栓生成過程観測装置の構成を示す。
本血栓生成過程観測装置は、生体内条件模擬装置と、共焦点顕微鏡装置とよりなる。
そして、生体内条件模擬装置は、血管を模擬した流路が形成されたフローチャンバー20と、フローチャンバー20に血流を供給する血流ポンプ30とより構成され、共焦点顕微鏡装置は、本体部1、フローチャンバー20を載置するステージ2、レーザ光源3、共焦点スキャナユニット4、IEEE 1394規格に従った66フレーム/秒倍速カメラ等の高速なカメラ5、カメラ5にイメージ増強や高速シャッタ機能などを付加するイメージインテンシファイヤ6、対物レンズ7、対物レンズ7を光軸方向に移動するアクチュエータ8、Z軸走査制御装置9、ビデオキャプチャインタフェースを備えたコンピュータ等である画像処理装置10、表示装置11とを有する。
【0014】
ここで、共焦点顕微鏡装置の原理について説明しておく。
図2に模式的に構成を示すように、共焦点顕微鏡装置の基本構成は、レーザ光を試料50上に集光させるためのマイクロレンズアレイ101と、ピンホールアレイ102と、対物レンズ7と、対物レンズ7を光軸方向(図中Z方向)に移動するためのアクチュエータ8と、集光レンズ103と撮像素子104を備えたカメラ5と、対物レンズ7とピンホールアレイ102を通過した試料50からの反射光の進路をカメラ5方向に変化させるビームスプリッタ105とよりなる。
【0015】
そして、このような構成において、対物レンズ7のZ方向の位置によってレーザ光の集光点のZ座標が制御され、マイクロレンズアレイ101とピンホールアレイ102を回転させることによりレーザ光の集光点のXY座標が制御される。すなわち、対物レンズ7のZ方向位置とマイクロレンズアレイ101とピンホールアレイ102の回転角によって、カメラ5に撮影される試料50中の走査点を3次元的に制御できるようになっている。
【0016】
なお、図1における共焦点スキャナユニット4は、図2に示したマイクロレンズアレイ101や、ピンホールアレイ102や、ビームスプリッタ105や、マイクロレンズアレイ101とピンホールアレイ102を回転駆動する回転制御部を収容したものである。また、本実施形態では、試料50はフローチャンバー20の内部を流れる血流となる。
【0017】
また、本共焦点顕微鏡装置は、照明光源12を備えており、この照明光源12と、本体部1に収容された光学系とより光学顕微鏡装置としても機能するようになっている。
次に、図3に示すように、生体内条件模擬装置の血流ポンプ30は、試料血液を供給管に注入する注入器31と、注入器31のロッドを設定された速度でシリンダに対して押し込んで行く直動機構を備えた注入装置32とよりなり、血流ポンプ30によって供給管33に注入された試料血液が、血流となってフローチャンバー20の内部に設けられた流路を通って排出管34に排出され、収集容器35に収集される構成となっている。
【0018】
次に、図4を用いてフローチャンバー20の構成について説明する。
図4aはフローチャンバー20の斜視図を現し、図4bはフローチャンバー20の流路中心線を通る鉛直な平面による断面図を表している。
図示するように、フローチャンバー20は、金属製のベース21と、損傷血管壁を模擬するコラーゲンやvWF(von Willebrand因子)などのマトリックスを固相化した層221を上面上に設けたガラス板22(スライドガラス)と、シリコン製の220μm程度の厚さの流路側壁形成シート23と、流路への血液供給トンネル241と流路からの血液排出トンネル242が形成されたガラスブロック24とを有し、これらを図4cに示すように当該記載順に下から重ね、4本のネジ25によって上下方向に締め付けた構成を有している。ただし、ここでは、共焦点顕微鏡装置にフローチャンバー20を設置した時に、レーザ光が入射してくる方向を上としている。
【0019】
さて、前述した血管を模擬した流路は、ガラス板22上に固相化されたコラーゲンやvWFを下壁とし、流路側壁形成シート23に設けられた孔の側面を側壁とし、ガラスブロック24の下面を上壁として形成される。そして、このような構成において、供給管33からガラスブロック24に設けられた血液供給トンネル241に注入された試料血液が、血液供給トンネル241を通って流路に流入し、流路を通った後、血液排出トンネル242を通って排出管34に排出される。
【0020】
ここで、流路側壁形成シート23に設けられた孔の形状、従って、試料血液の流路の上下方向から見た形状は、図4dに示すように、左右方向に関して、血液流入側から血液排出側に向かって狭まる形状となっている。流路の幅は、たとえば6mm?2mm程度とし、長さは30mm程度とする。
【0021】
さて、このような血栓生成過程観測装置による観測は以下のように行う。
まず、血小板の形態変化を中心に観察する場合には、血小板表面に存在する膜糖蛋白GP IIb/IIIaに対するモノクローン抗体をFITC等により蛍光標識し、蛍光標識したモノクローン抗体を赤血球を含む全血の血液中に混入し試料血液とする。一方、血小板の機能変化を中心に観測する場合には、血小板の活性化によって膜近傍から血小板内部へ移動集中していく現象を呈する膜糖蛋白GP Ibalphaに対するモノクローン抗体をFITC等により蛍光標識し、蛍光標識したモノクローン抗体を赤血球を含む全血の血液中に混入し試料血液とする。
【0022】
そして、試料血液を充填した注入器31を注入装置32にセットし、血流ポンプ30に、フローチャンバー20における血流の壁ずり速度が一定(たとえば、フローチャンバー20の流路の流路方向についての中央部において1500 −1となるような速度で、注入器31内の血液をフローチャンバー20に供給させながら、共焦点顕微鏡装置に図5に示す走査シーケンスによる撮像を行わせる。
【0023】
この図5に示した共焦点顕微鏡装置の走査シーケンスは、図5aに示すZ軸走査制御装置9が出力するTRIGER信号によって開始される。カメラ5は、TRIGER信号を外部トリガ信号として入力し、図5bに示すようにTRIGER信号に垂直同期信号を同期させ、撮影を開始する。
【0024】
また、カメラ5の垂直同期信号V SYNCは、共焦点スキャナユニット4とZ軸走査制御装置9に出力される。そして、共焦点スキャナユニット4の回転制御部は、入力する垂直同期信号V SYNCに同期して、各映像フレームの撮像期間毎に1回のXY走査を行うようにマイクロレンズアレイ101とピンホールアレイ102を回転駆動する。ここで、撮像期間とは、1映像フレーム期間のうちの、垂直同期信号期間を少なくとも除く期間を指す。なお、撮像期間には水平同期信号期間や、水平同期信号期間や垂直同期信号期間の前後にある画素を撮像しない期間を含めないようにしてもよい。
【0025】
一方、Z軸走査制御装置9は、図5cに示すように、入力する垂直同期信号V SYNCに同期して、各映像フレームの撮像期間中に所定周期のパルスを所定数アクチュエータに、移動制御信号CNTとして出力する。また、入力する垂直同期信号V SYNCをカウントし、所定カウントに達したならば、パルス出力を停止し、リセット信号RSTをアクチュエータ8に出力する。そして、次の垂直同期信号V SYNCが入力したならば、以上と同様に所定数の映像フレーム期間、各映像フレームの撮像期間中に所定数の所定周期のパルスを移動制御信号CNTとしてアクチュエータ8に出力するステージ2と、1映像フレーム期間パルス出力を停止すると共に、リセット信号RSTをアクチュエータ8に出力するステージ2とよりなるシーケンスを繰り返す。
【0026】
アクチュエータ8は、Z軸走査制御装置9から入力する移動制御信号CNTのパルスを積分し、図5d、eに示すように、垂直同期信号V SYNCの期間は一定値を保ち、映像フレームの撮像期間は一様に増加する駆動信号を生成し、この駆動信号によって対物レンズ7をZ方向に移動する。なお、ここでは、対物レンズ7の移動量は、駆動信号の大きさに比例するものとしている。もし、対物レンズ7の移動量は、駆動信号の大きさにリニアに比例しない場合は、対物レンズ7が、垂直同期信号V SYNCの期間は移動せず、映像フレームの撮像期間は一様に移動するように、駆動信号を生成するようにする。なお、対物レンズ7を移動する機構としては、ピエゾ素子を用いた機構などを用いることができる。
【0027】
そして、アクチュエータ8は、Z軸走査制御装置9からリセット信号RSTが入力したならば、駆動信号を初期値に戻す。
以上の動作によって、試料50中の走査点と各映像フレームとの関係は、図5gに示すようになる。すなわち、各映像フレーム期間(図5ではT1?T8)のそれぞれにおいて、各映像フレーム期間毎に異なるZ座標範囲内の映像が撮影される。ここで、本実施形態では、以上のように映像フレームの撮像期間にのみ対物レンズ7をZ方向に移動する。したがって、いずれのXY座標についても全く撮影されないZ座標範囲の発生は少ない。なお、本実施形態では、血小板の直径が2μm程度であることを考慮して、以上のような対物レンズ7のZ座標方向への移動により、各フレーム毎に焦点位置をZ座標方向に、流路下壁付近で、たとえば0.2μmづつ移動するようにする。また、1回のZ軸走査で撮像する映像フレーム数(図5の走査シーケンスでは、リセット信号RSTとリセット信号RSTの間の映像フレーム数−1)は10から数10フレーム程度とする。
【0028】
さて、画像処理装置10は、カメラ5から出力される各映像フレームを取り込み記憶すると共に、合成して表示装置11に表示する処理を繰り返す。ここで、画像処理装置10には、Z軸走査制御装置9からTRIGER信号のタイミングなどを表すタイミング信号が供給されており、画像処理装置10はこのタイミング信号に従って、各映像フレームとその映像フレームに撮像された試料50の走査面のZ方向の順番との対応を認識し、認識した順番に従って各映像フレームを合成又は配置して試料50の3次元画像を生成し、表示装置11に表示する。
【0029】
以上の動作の結果、生体内条件と同等の条件化での、3次元的な、動画像としての、血小板の形態イメージングや膜蛋白の再構築を含む機能イメージングが実現されたことになる。
図6は、このようにしてイメージングした3次元画像の表示例を示すものであり、図6aがマトリックスに対する角度が10度の方向から見た流路内の血小板を、図6bがマトリックスと垂直な方向から見た流路内の血小板を示している。ただし、実際には、動画像として、血小板の動きや形態変化を記録したり、リアルタイムに表示したりする。
【0030】
なお、本実施形態では前述したように、フローチャンバー20内の試料血液の流路の形状を、図4dに示すように、左右方向に関して、血液流入側から血液排出側に向かって狭まる形状としているので、フローチャンバー20の共焦点顕微鏡装置への設置位置を変えるだけで、異なる壁ずり速度や異なる流路幅による血栓生成過程を観測することができるようになる。
【0031】
また、蛍光標識したGP IIb/IIIaやGP Ibalphaに対するモノクローン抗体を介して血小板の形態を撮像するので、血流中の赤血球に邪魔されることなく、血小板の形態を良好に撮像することができる。
以上のように本実施形態によれば、フローチャンバー20を用いて構成した生体内条件を模擬した流路に血流を通しながら、血流内の血小板の3次元形態を、共焦点顕微鏡を用いて、良好な空間解像、時間解像度で動画像として観測することができる。したがって、血小板の動的な形態変化やマトリックスとの相互作用のようすをより細やかに把握して、抗血栓薬の詳細な評価等を行うことができるようになる。
【0032】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、生体内条件と同等の条件下において、血小板の動的な形態変化やマトリックスとの相互作用を詳細に観測可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る血栓生成過程観測装置の構成を示す図である。
【図2】本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡装置の基本構成を模式的示す図である。
【図3】本発明の実施形態に係る生体内条件模擬装置の構成をに示す図である。
【図4】本発明の実施形態に係るフローチャンバーの本発明の実施形態に係る他の走査シーケンスを示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係る共焦点顕微鏡装置の走査シーケンスを示す図である。
【図6】本発明の実施形態に係る血流内血小板の3次元撮像例を示す図である。
【符号の説明】
1…本体部、2…ステージ、3…レーザ光源、4…共焦点スキャナユニット、5…カメラ、6…イメージインテンシファイヤ、7…対物レンズ、8…アクチュエータ、9…軸走査制御装置、10…画像処理装置、11…表示装置、12…照明光源、20…フローチャンバー、21…ベース、22…ガラス板、23…流路側壁形成シート、24…ガラスブロック、25…ネジ、30…血流ポンプ、31…注入器、32…注入装置、33…供給管、34…排出管、35…収集容器、50…試料、101…マイクロレンズアレイ、102…ピンホールアレイ、103…集光レンズ、104…撮像素子、105…ビームスプリッタ、241…血液供給トンネル、242…血液排出トンネル。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for observing a thrombus formation process for evaluating the efficacy of an antithrombotic drug and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the evaluation of the efficacy of antithrombotic drugs has been based on the release of granules in platelets induced when platelets are activated with an activating substance such as ADP or thrombin, the change in morphology of activated platelets, and the evaluation of activated platelets. It has been used as an index for the inhibitory effect on platelet aggregation and the like caused by stirring.
[0003]
However, the thrombus formation process in vivo does not occur as a result of platelet exposure to activators, but rather as a result of damage to the inner tube wall and exposure of the subendothelial matrix to the bloodstream. Under flow conditions, the platelets aggregate and interact with the platelets and the matrix to activate the platelets and proceed.
[0004]
Therefore, in order to evaluate the drug efficacy during the actual thrombus formation process, conventionally, it has been practiced to fix the platelet specimen that has interacted with the matrix and observe the specimen as a target for observation using a scanning electron microscope to observe the morphology of platelets. I have been.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
According to the technique of observing platelets by the scanning electron microscope, it is not possible to observe dynamic changes in platelet morphology and interaction with the matrix, because fixed platelet specimens are targeted for observation. For this reason, the effect and effect of the antithrombotic drug on platelet function under in vivo conditions could not be evaluated in detail.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to make it possible to observe in detail the dynamic morphological change of platelets and the interaction with the matrix under conditions equivalent to those in vivo.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a flow chamber having a flow channel in which a layer of collagen or vWF (von Willebrand factor) is provided on the flow channel wall surface, and a fluid for flowing blood through the flow channel of the flow chamber. Provided is a thrombus generation process observation device including a pump and a confocal microscope device for repeatedly and three-dimensionally imaging blood flowing through a flow channel of the flow chamber.
[0008]
According to such a thrombus formation process observation device, the three-dimensional morphology of platelets in the blood flow is determined by using a confocal microscope while the blood flow is passed through a channel simulating the damaged blood vessel wall by a layer of collagen or vWF. , Can be observed as a moving image with good spatial resolution and temporal resolution.
[0009]
Here, in such a thrombus generation process observation device, the flow channel formed in the flow chamber has a plurality of ranges in the flow channel direction having mutually different cross-sectional sizes. Is good.
By doing so, it is possible to observe the thrombus generation process due to different wall shear speeds and different flow channel widths only by changing the imaging position on the flow channel of the flow chamber by the confocal microscope device.
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for observing a thrombus formation process, in which a flow channel in which a layer of collagen or vWF (von Willebrand factor) is provided on a channel wall surface is formed. The blood flowing through the flow chamber was passed through a flow channel of the flow chamber, and blood containing a fluorescently-labeled monoclonal antibody against platelet membrane glycoprotein GP IIb / IIIa was passed through the flow chamber. Provided is a method for observing a thrombus generation process in which repeated three-dimensional imaging is performed.
[0010]
According to such a method of observing a thrombus formation process, the three-dimensional morphology of platelets in the bloodstream is determined using a confocal microscope while the bloodstream is passed through a channel simulating the damaged blood vessel wall by a layer of collagen or vWF. , Can be observed as a moving image with good spatial resolution and temporal resolution. Therefore, it is possible to more closely grasp the dynamic morphological change of platelets and the interaction with the matrix, and to perform detailed evaluation of antithrombotic drugs and the like. Further, by imaging the morphology of platelets via a fluorescently labeled monoclonal antibody against GP IIb / IIIa, the morphology of platelets can be favorably imaged without being disturbed by red blood cells in the bloodstream.
[0011]
Similarly, the present invention provides a method for observing a thrombus formation process in which a layer of collagen or vWF (von Willebrand factor) is formed on a flow channel wall in which a flow channel is formed. A thrombus which repeatedly and three-dimensionally images the blood flowing through the flow channel of the flow chamber by a confocal microscope apparatus while flowing blood mixed with a fluorescently labeled monoclonal antibody against the platelet membrane glycoprotein GP Ibalpha in the flow channel. Provide a method for observing the generation process.
[0012]
According to such a method of observing a thrombus formation process, the distribution of GP Ibalpha of platelets in the bloodstream is determined using a confocal microscope while the bloodstream is passed through a channel simulating a damaged blood vessel wall by a layer of collagen or vWF. Therefore, it can be observed as a moving image with good spatial resolution and time resolution. Here, GP Ibalpha exhibits a phenomenon of moving and concentrating from the vicinity of the membrane to the inside of the platelet due to the activation of the platelet. Therefore, according to the present method, the function change of the platelet is grasped more finely, and the antithrombotic drug is obtained. Can be evaluated in detail. In addition, by performing imaging via a fluorescently labeled monoclonal antibody against GP Ibalpha, good imaging can be realized without being disturbed by red blood cells in the bloodstream.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 shows the configuration of the thrombus generation process monitoring apparatus according to the present embodiment.
The thrombus generation process observation device includes an in-vivo condition simulation device and a confocal microscope device.
The in-vivo condition simulator includes a flow chamber 20 in which a flow path simulating a blood vessel is formed, and a blood flow pump 30 that supplies a blood flow to the flow chamber 20. 1. A stage 2 on which a flow chamber 20 is mounted, a laser light source 3, a confocal scanner unit 4, a high-speed camera 5 such as a 66-frame / second double-speed camera conforming to the IEEE 1394 standard, and an image enhancement and high-speed shutter function for the camera 5. An image intensifier 6, an objective lens 7, an actuator 8 for moving the objective lens 7 in the optical axis direction, a Z-axis scanning control device 9, an image processing device 10, such as a computer having a video capture interface, and a display. Device 11.
[0014]
Here, the principle of the confocal microscope device will be described.
As schematically shown in FIG. 2, the basic configuration of the confocal microscope apparatus includes a microlens array 101 for condensing laser light on a sample 50, a pinhole array 102, an objective lens 7, An actuator 8 for moving the objective lens 7 in the optical axis direction (Z direction in the figure), a camera 5 having a condenser lens 103 and an image sensor 104, and a sample 50 having passed through the objective lens 7 and the pinhole array 102 And a beam splitter 105 that changes the course of the reflected light from the camera 5 in the direction of the camera 5.
[0015]
In such a configuration, the Z coordinate of the focal point of the laser beam is controlled by the position of the objective lens 7 in the Z direction, and the focal point of the laser beam is rotated by rotating the microlens array 101 and the pinhole array 102. Are controlled. That is, the scanning point in the sample 50 photographed by the camera 5 can be three-dimensionally controlled by the position of the objective lens 7 in the Z direction and the rotation angles of the microlens array 101 and the pinhole array 102.
[0016]
The confocal scanner unit 4 in FIG. 1 includes a microlens array 101, a pinhole array 102, a beam splitter 105, and a rotation control unit that drives the microlens array 101 and the pinhole array 102 shown in FIG. It is what contained. In the present embodiment, the sample 50 becomes a blood flow flowing inside the flow chamber 20.
[0017]
Further, the confocal microscope apparatus includes an illumination light source 12, and the illumination light source 12 and the optical system housed in the main body 1 function as an optical microscope apparatus.
Next, as shown in FIG. 3, the blood flow pump 30 of the in-vivo condition simulator simulates a syringe 31 for injecting the sample blood into the supply pipe and a rod of the syringe 31 at a set speed with respect to the cylinder. An injection device 32 having a linear motion mechanism for pushing the sample blood into the supply pipe 33 by the blood flow pump 30 forms a blood flow through a flow path provided inside the flow chamber 20. And discharged to a discharge pipe 34 and collected in a collection container 35.
[0018]
Next, the configuration of the flow chamber 20 will be described with reference to FIG.
FIG. 4A is a perspective view of the flow chamber 20, and FIG. 4B is a cross-sectional view of a vertical plane passing through the center line of the flow chamber 20.
As shown in the figure, the flow chamber 20 includes a metal base 21 and a glass plate 22 provided on the upper surface thereof with a layer 221 on which a matrix simulating a damaged blood vessel wall, such as collagen or vWF (von Willebrand factor), is immobilized. (Slide glass), a flow path side wall forming sheet 23 made of silicon having a thickness of about 220 μm, and a glass block 24 in which a blood supply tunnel 241 to the flow path and a blood discharge tunnel 242 from the flow path are formed. Then, as shown in FIG. 4C, the components are stacked from the bottom in the order of the description and are fastened in the vertical direction by four screws 25. However, here, the direction in which the laser beam enters when the flow chamber 20 is installed in the confocal microscope apparatus is set to the upward direction.
[0019]
The flow path simulating the blood vessel described above has a lower wall made of collagen or vWF immobilized on the glass plate 22, a side wall of a hole provided in the flow path side wall forming sheet 23 as a side wall, and a glass block 24. Is formed as an upper wall. In such a configuration, the sample blood injected from the supply pipe 33 into the blood supply tunnel 241 provided in the glass block 24 flows into the flow path through the blood supply tunnel 241 and passes through the flow path. Is discharged to the discharge pipe 34 through the blood discharge tunnel 242.
[0020]
Here, the shape of the holes provided in the flow path side wall forming sheet 23, and thus the shape of the flow path of the sample blood as viewed from above and below, is as shown in FIG. It has a shape that narrows toward the side. The width of the channel is, for example, 6 mm? The length is about 2 mm, and the length is about 30 mm.
[0021]
Now, observation by such a thrombus formation process observation device is performed as follows.
First, when observing mainly the change in platelet morphology, a monoclonal antibody to the membrane glycoprotein GP IIb / IIIa present on the platelet surface is fluorescently labeled with FITC or the like, and the fluorescently labeled monoclonal antibody is used for whole blood cells including erythrocytes. It is mixed with blood and used as sample blood. On the other hand, when observing mainly changes in platelet function, a monoclonal antibody against the membrane glycoprotein GP Ibalpha, which exhibits a phenomenon of movement and concentration from the vicinity of the membrane to the inside of the platelet due to platelet activation, is fluorescently labeled with FITC or the like. Then, a fluorescently labeled monoclonal antibody is mixed into whole blood including red blood cells to obtain a sample blood.
[0022]
Then, the injector 31 filled with the sample blood is set in the injector 32, and the blood pump 30 is provided with a constant blood shear rate in the flow chamber 20 (for example, with respect to the flow direction of the flow chamber 20). The confocal microscope apparatus performs imaging by the scanning sequence shown in FIG. 5 while supplying the blood in the injector 31 to the flow chamber 20 at a speed of 1500 -1 at the center of the confocal microscope.
[0023]
The scanning sequence of the confocal microscope device shown in FIG. 5 is started by the TRIGER signal output from the Z-axis scanning control device 9 shown in FIG. 5A. The camera 5 inputs the TRIGER signal as an external trigger signal, synchronizes the vertical synchronization signal with the TRIGER signal as shown in FIG. 5B, and starts shooting.
[0024]
The vertical synchronizing signal V SYNC of the camera 5 is output to the confocal scanner unit 4 and the Z-axis scanning controller 9. Then, the rotation control unit of the confocal scanner unit 4 performs the micro lens array 101 and the pinhole array so as to perform one XY scan every imaging period of each video frame in synchronization with the input vertical synchronizing signal VSYNC. 102 is driven to rotate. Here, the imaging period refers to a period excluding at least the vertical synchronization signal period in one video frame period. Note that the imaging period may not include a horizontal synchronization signal period, or a period in which pixels before and after the horizontal synchronization signal period and the vertical synchronization signal period are not imaged.
[0025]
On the other hand, as shown in FIG. 5C, the Z-axis scanning control device 9 transmits a pulse of a predetermined cycle to a predetermined number of actuators during the imaging period of each video frame to the movement control signal in synchronization with the input vertical synchronization signal VSYNC. Output as CNT. Further, the input vertical synchronization signal V SYNC is counted, and when a predetermined count is reached, the pulse output is stopped and a reset signal RST is output to the actuator 8. Then, when the next vertical synchronizing signal VSYNC is input, a predetermined number of pulses of a predetermined cycle are transferred to the actuator 8 as a movement control signal CNT during a predetermined number of video frame periods and an imaging period of each video frame in the same manner as described above. The sequence consisting of the stage 2 for outputting and the stage 2 for stopping the pulse output for one video frame period and outputting the reset signal RST to the actuator 8 is repeated.
[0026]
The actuator 8 integrates the pulse of the movement control signal CNT input from the Z-axis scanning control device 9, and as shown in FIGS. 5D and 5E, maintains the constant value during the period of the vertical synchronization signal V SYNC and sets the period during which the image frame is captured. Generates a drive signal which increases uniformly, and moves the objective lens 7 in the Z direction by this drive signal. Here, it is assumed that the amount of movement of the objective lens 7 is proportional to the magnitude of the drive signal. If the amount of movement of the objective lens 7 is not linearly proportional to the magnitude of the drive signal, the objective lens 7 does not move during the period of the vertical synchronization signal V SYNC and moves uniformly during the image frame imaging period. In this way, a drive signal is generated. As a mechanism for moving the objective lens 7, a mechanism using a piezo element or the like can be used.
[0027]
Then, when the reset signal RST is input from the Z-axis scanning control device 9, the actuator 8 returns the drive signal to the initial value.
By the above operation, the relationship between the scanning point in the sample 50 and each video frame is as shown in FIG. 5G. That is, in each of the video frame periods (T1 to T8 in FIG. 5), an image in a different Z coordinate range is captured for each video frame period. Here, in the present embodiment, the objective lens 7 is moved in the Z direction only during the imaging period of the video frame as described above. Therefore, the occurrence of a Z coordinate range in which no XY coordinates are captured at all is small. In the present embodiment, considering that the diameter of platelets is about 2 μm, by moving the objective lens 7 in the Z coordinate direction as described above, the focal position for each frame is changed in the Z coordinate direction. In the vicinity of the lower road wall, for example, it is moved by 0.2 μm. In addition, the number of video frames to be imaged in one Z-axis scan (the number of video frames between reset signals RST and -1 in the scanning sequence of FIG. 5) is about 10 to several tens of frames.
[0028]
Now, the image processing device 10 repeats the process of capturing and storing each video frame output from the camera 5 and combining and displaying the frames on the display device 11. Here, a timing signal indicating the timing of the TRIGER signal is supplied from the Z-axis scanning control device 9 to the image processing device 10, and the image processing device 10 converts each video frame and its video frame according to the timing signal. The three-dimensional image of the sample 50 is generated by combining or arranging the video frames in accordance with the recognized order, and recognizes the correspondence with the order of the imaged sample 50 in the scanning plane in the Z direction.
[0029]
As a result of the above operations, three-dimensional functional imaging including platelet morphological imaging and membrane protein reconstruction as moving images under conditions equivalent to in-vivo conditions has been realized.
FIG. 6 shows a display example of a three-dimensional image imaged in this manner. FIG. 6a shows platelets in a flow channel viewed from a direction at an angle of 10 degrees with respect to the matrix, and FIG. Fig. 3 shows platelets in a flow channel viewed from the direction. However, in practice, the movement or morphological change of platelets is recorded as a moving image or displayed in real time.
[0030]
In this embodiment, as described above, the shape of the flow path of the sample blood in the flow chamber 20 has a shape that narrows from the blood inflow side to the blood discharge side in the left-right direction as shown in FIG. 4D. Therefore, only by changing the installation position of the flow chamber 20 in the confocal microscope apparatus, it is possible to observe the thrombus generation process due to different wall shear rates and different flow channel widths.
[0031]
Moreover, since the morphology of platelets is imaged via the fluorescently labeled monoclonal antibody against GP IIb / IIIa or GP Ibalpha, the morphology of platelets can be favorably imaged without being disturbed by red blood cells in the bloodstream. .
As described above, according to the present embodiment, the three-dimensional form of platelets in the blood flow is determined using a confocal microscope while the blood flow is passed through the flow path simulating the in-vivo conditions configured using the flow chamber 20. Therefore, it can be observed as a moving image with good spatial resolution and time resolution. Therefore, it is possible to more closely grasp the dynamic morphological change of platelets and the interaction with the matrix, and to perform detailed evaluation of antithrombotic drugs and the like.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a dynamic morphological change of platelets and an interaction with a matrix can be observed in detail under conditions equivalent to in vivo conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a thrombus generation process observation device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a basic configuration of a confocal microscope device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an in-vivo condition simulation apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view showing another scanning sequence of the flow chamber according to the embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a diagram showing a scanning sequence of the confocal microscope device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of three-dimensional imaging of platelets in a bloodstream according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Body part, 2 ... Stage, 3 ... Laser light source, 4 ... Confocal scanner unit, 5 ... Camera, 6 ... Image intensifier, 7 ... Objective lens, 8 ... Actuator, 9 ... Axis scanning control device, 10 ... Image processing device, 11 Display device, 12 Illumination light source, 20 Flow chamber, 21 Base, 22 Glass plate, 23 Flow channel side wall forming sheet, 24 Glass block, 25 Screw, 30 Blood flow pump Reference numeral 31, 31 injector, 32 injector, 33 supply pipe, 34 discharge pipe, 35 collection container, 50 sample, 101 microlens array, 102 pinhole array, 103 condensing lens, 104 Image sensor 105, beam splitter 241 blood supply tunnel 242 blood drain tunnel.

Claims (4)

コラーゲンまたはvWF(von Willebrand因子)の層が流路壁面上に設けられた流路が形成されたフローチャンバーと、
前記フローチャンバーの流路に血液を流す流体ポンプと、
前記フローチャンバーの流路を流れる血液を、繰り返し3次元撮像する共焦点顕微鏡装置とを有することを特徴とする血栓生成過程観測装置。
A flow chamber formed with a flow channel in which a layer of collagen or vWF (von Willebrand factor) is provided on the flow channel wall surface;
A fluid pump for flowing blood into the flow channel of the flow chamber,
A thrombus generation process observation device, comprising: a confocal microscope device that repeatedly and three-dimensionally images blood flowing through the flow channel of the flow chamber.
請求項1記載の血栓生成過程観測装置であって、
前記フローチャンバーに形成された流路は、流路断面の大きさが相互に異なる、流路方向についての複数の範囲を有することを特徴とする血栓生成過程観測装置。
The thrombus generation process observation device according to claim 1,
The thrombus formation process observation device, wherein the flow channel formed in the flow chamber has a plurality of ranges in the flow channel direction where the cross-sectional sizes of the flow channels are different from each other.
血栓生成過程を観測する血栓生成過程観測方法であって、
コラーゲンまたはvWF(von Willebrand因子)の層が流路壁面上に設けられた流路が形成されたフローチャンバーの流路に、血小板の膜糖蛋白GP IIb/IIIaに対する、蛍光標識したモノクローン抗体を混入した血液を流しながら、前記フローチャンバーの流路を流れる血液を、共焦点顕微鏡装置によって、繰り返し3次元撮像することを特徴とする血栓生成過程観測方法。
A method for observing a thrombus formation process for observing a thrombus formation process,
A fluorescently labeled monoclonal antibody against the membrane glycoprotein GP IIb / IIIa of platelets is placed in a flow channel of a flow chamber in which a layer of collagen or vWF (von Willebrand factor) is provided on the channel wall surface. A method for observing a thrombus formation process, wherein blood flowing through a flow path of the flow chamber is repeatedly three-dimensionally imaged by a confocal microscope device while flowing mixed blood.
血栓生成過程を観測する血栓生成過程観測方法であって、
コラーゲンまたはvWF(von Willebrand因子)の層が流路壁面上に設けられた流路が形成されたフローチャンバーの流路に、血小板の膜糖蛋白GP Ibalphaに対する、蛍光標識したモノクローン抗体を混入した血液を流しながら、前記フローチャンバーの流路を流れる血液を、共焦点顕微鏡装置によって、繰り返し3次元撮像することを特徴とする血栓生成過程観測方法。
A method for observing a thrombus formation process for observing a thrombus formation process,
A fluorescence-labeled monoclonal antibody against the platelet membrane glycoprotein GP Ibalpha was mixed into the flow channel of a flow chamber in which a layer of collagen or vWF (von Willebrand factor) was provided on the channel wall surface. A method for observing a thrombus formation process, wherein blood flowing through the flow channel of the flow chamber is repeatedly three-dimensionally imaged by a confocal microscope while flowing blood.
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