JP2006242899A - 多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法および多重蛍光からの蛍光強度の推定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】測定した多重蛍光から蛍光色素濃度を推定する多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法において、蛍光色素濃度が既知の蛍光色素の分光スペクトルに対して独立成分分析を行って独立成分の強度を導出し、上記導出した独立成分の強度を変数として回帰分析を行って上記蛍光色素濃度が既知の蛍光色素の蛍光色素濃度関数を推定し、上記推定した蛍光色素濃度関数に基づいて測定した多重蛍光から蛍光色素の濃度を推定する。
【選択図】 図14
Description
上記したような背景から、タンパク質の同定や生体組織の観察のために、タンパク質や生体組織を蛍光色素で染色して可視化する手法たる蛍光イメージングが、分子生物学の分野などにおいて広く行われている。
ところで、多重蛍光イメージングにおける多重蛍光染色試料の観察には、重なり合った蛍光の分離が必要となる。
ここで、以下の説明の理解を容易にするために、蛍光観察の定式化について検討するが、まず、蛍光観察を定式化するために、励起光および観察光をそれぞれ分光できる観察系を考える。
和として、次の式(4)に示すように表す。
次に、従来の波長フィルタによる波長選択の手法について説明するが、この波長フィルタによる波長選択を用いた蛍光の分離は、単一蛍光色素による染色や、多重蛍光染色でも蛍光色素同士の励起波長や蛍光波長が十分に大きく異なる場合においては、信頼性のある簡便な手法であることが知られている。
一方、リニア・アンミキシングによる分光スペクトルの分離は、吸光スペクトルや発光スペクトルのピーク波長が近い蛍光の分離に有効であることが知られている(非特許文献1参照)。
以上において説明したように、従来の波長フィルタによる波長選択の手法やリニア・アンミキシングの手法は、蛍光色素の相互作用を考慮に入れていないため、限定された場合のみにしか適用することができず、いずれも蛍光色素同士の励起波長や蛍光波長が重なり合って相互作用がある場合には適用できないという問題点があり、また、多重蛍光染色において同時に使用することができる蛍光色素の数も極めて少ないという問題点があった。
鶴井博理、「画像分光による超多色蛍光イメージング法」、サイトメトリー・リサーチ(Cytometry Research)、9(2)、pp.1−7、1999
要するに、本発明は、予め蛍光色素濃度あるいは蛍光強度が既知のサンプルを用意し、その分光スペクトルから各蛍光色素毎の濃度を得る関数たる蛍光色素濃度関数あるいは各蛍光色素毎の蛍光強度を得る関数たる蛍光強度関数を回帰分析により求めるようにしたものである。ここで、回帰分析では説明変数同士の無相関性が要件として挙げられるが、分光スペクトルは多重共線性が高くこの要件を満たさないので、事前に多変量解析の一手法である独立成分分析を用いて変数を縮約する。そして、縮約した変数を説明変数、蛍光色素の濃度あるいは蛍光強度を被説明変数として、線形あるいは非線形の回帰分析を施して色素毎に蛍光色素濃度関数あるいは蛍光強度関数を得るものである。そして、回帰分析に用いる回帰モデルとしては、線形回帰モデルは計算コストが小さいが当てはまりが良くないので、高い精度を要求される場合には、計算コストは大きいが精度の高い非線形回帰モデルの一つであるロジスティック回帰モデルを適用することが好ましいものである。
即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、測定した多重蛍光から各蛍光色素の蛍光色素濃度を推定する多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法において、蛍光色素濃度が既知の蛍光色素の分光スペクトルに対して独立成分分析を行って独立成分の強度を導出し、上記導出した独立成分の強度を変数として回帰分析を行って上記蛍光色素濃度が既知の蛍光色素の蛍光色素濃度関数を推定し、上記推定した蛍光色素濃度関数に基づいて、測定した多重蛍光から各蛍光色素の蛍光色素濃度を推定するようにしたものである。
本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法を説明するに際して、はじめに、独立成分分析による次元圧縮について説明するが、この独立成分分析(ICA: Independent Component Analysis)とは、ブラインド・ソース・セパレーション(Blind Source Separation)を行う手法の一つである。
次に、上記した独立成分分析の分光スペクトルへの適用について説明するが、この実施の形態においては、説明を簡略化して本発明の理解を容易にするために、リニア・アンミキシングの手法と同様に、励起光の励起波長あるいは観察光の観察波長のいずれか一方を固定し、波長を固定しない他方の励起光または観察光の波長を走査して観察した分光スペクトルを対象として独立成分分析を適用する。ここで、励起光あるいは観察光の波長を固定するということは、励起光あるいは観察光の分光スペクトルを変化させないということであり、それが単一波長の光であるか、白色光であるか、種々の波長の光を混合したものであるかは問わない。
次に、回帰分析を適用して、回帰分析による蛍光色素濃度関数の推定の手法について説明するが、いま、蛍光色素の混合比率として既知のm個の観測値があるものとする。
p=b0+b1χ1+・・・+bNχN
・ロジスティック回帰モデルの場合
p=1/[1+exp{−(b0+b1χ1+・・・+bNχN)}]
そして、各蛍光色素iについて、回帰モデルの係数(b0,・・・,bN)を最尤法により決定する。なお、(χ1,・・・,χN)=Tγk,p=δikとする。
pi(c)=bi0+bi1c1+・・・+biNcN
・ロジスティック回帰モデルの場合
pi(c)=1/[1+exp{−(bi0+bi1c1+・・・+biNcN)}]
ここで、c=T(c1,・・・,cN)である。
次に、上記した回帰分析のなかで、非線形回帰モデルであるロジスティック回帰モデルについて説明する。
ここで、ロジスティック回帰分析による蛍光色素濃度関数の推定の手法についてより詳細に説明する。
次に、上記のようにして求められる蛍光色素iの濃度の精度評価のために行った実験結果について説明する。
以下に、実験の詳細について説明するが、本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法の有用性を検証するために、2種の蛍光色素の混合溶液を測定した分光スペクトルから各蛍光色素の濃度を推定する実験を行った。
(ア)実験条件
2種の蛍光色素(FITC,RITC)の濃度を変えた混合溶液を作成し、それを試料としてその蛍光の分光スペクトルを測定した。なお、本実験にかかる説明ならびに図面においては、記載の簡略化のために、FITCを「A」または「色素A」と適宜に表記し、RITCを「B」または「色素B」と適宜に表記する。
ここで、図4乃至図10には、それぞれ35種類の濃度比率(希釈倍率と濃度比率とは逆数の関係にある。)で色素Aと色素Bとを混合した試料に対して、上記した実験装置によってスペクトルを測定した結果が図表として示されている。なお、色素Aと色素Bとの濃度は、色素Aと色素BとをそれぞれDMSOで溶解させたものの1000倍の水溶液の濃度を1とし、相対濃度をとったものである。
なお、この実験装置においては、励起光が分光されないので観察光には励起光が必ず含まれることになり、厳密にはこの観察系は蛍光の分離に必要な式(6)の条件を満たさない。しかしながら、蒸留水のみを観察したスペクトル(図4におけるNo.1)を見ると、散乱光として観察されるはずである光源10のスペクトルが確認できない。これは、色素Aや色素Bの蛍光やディテクタ14のノイズと比して、溶媒の散乱光は微弱であることを示している。また、色素Aや色素Bの散乱光についても、それを示す特徴的なスペクトルは確認されなかった。従って、本実験においては、観察波長が励起波長を含むことによる散乱光の影響は無視できるものと考えられる。
次に、分光スペクトルの次元圧縮について説明するが、まず、図11は、図4乃至図10に示す図表のスペクトルに独立成分分析を施して2本の独立成分を抽出し、x,y軸にそれぞれ独立成分の強度c1、c2をとって平面上にプロットしたものである。なお、色素Aの等濃度線を実線で示し、色素Bの等濃度線を破線で示している。
次に、回帰分析による蛍光色素濃度関数推定について説明すると、図12には本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法により得られた色素Aのdi(x)の回帰曲面と測定値のプロットが示されており、また、図13には本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法により得られた色素Bのdi(x)の回帰曲面と測定値のプロットが示されている。なお、図12ならびに図13においては、x軸、y軸にそれぞれc1、c2をとり、z軸にpi(c)をとった。
次に、予測精度の算出および疑似画像による可視化について説明すると、本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法の定量的な評価を行うために、本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法と従来の手法とのそれぞれの予測性能の指標Q2を算出した。その結果を図14に図表として示す。なお、図14ならびに図15(後述する。)において、「ピーク検出」ならびに「Linear Unmixing」(リニア・アンミキシング)が従来の手法であり、「ICA+線形回帰」、即ち、独立成分分析と線形回帰分析とを用いた手法ならびに「ICA+ロジスティック回帰」、即ち、独立成分分析とロジスティック回帰分析とを用いた手法が本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法である。
手順2.それらを重ね合わせて一画素毎に濃度比を持つ画像を生成する
手順3.図4乃至図10を元に画素毎に対応するスペクトルを決定する。
5.推定された濃度を元に各色素の濃度画像を再構成する
その推定結果から作成した画像は、実際には色素濃度を表す濃淡画像であるが、見やすさのためにカラー化してもよい。
以上において説明したように、ピーク検出は、蛍光波長の強度を蛍光の強さと見なすもので波長フィルタによる波長選択に相当する。色素Aの結果は全体に暗く、これは色素Aの蛍光が色素Bに吸収されてしまっているからであると考えられる。また、色素Bの結果を見ると色素Aの蛍光と分離がなされていないことが分かる。
上記したように、本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法により蛍光色素の濃度を推定することによって、多重蛍光を分離することが可能となり、従来の手法の問題点を解決することができた。特に、分光スペクトルを分析することから、波長フィルタによる波長選択よりも有用とされているリニア・アンミキシングは、色素の相互作用により適用できる色素の組み合わせが限られるものであるが、本発明は独立成分分析とロジスティック回帰分析などの回帰分析とを用いて濃度関数を推定するという手法を用いるものであるため、蛍光色素の相互作用に依存しない。
以上においては、本発明による多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法について説明したが、次に本発明による多重蛍光からの蛍光強度の推定方法について説明することとする。
なお、上記した実施の形態は、以下の(1)乃至(4)に示すように変形することができるものである。
・ロジスティック回帰モデルに比して推定精度が悪い
・計算コストが小さい
・被説明変数のとる値の範囲に制限がない
〔ロジスティック回帰モデルの特徴〕
・推定精度が良い
・線形回帰モデルに比して計算コストがやや大きい
・被説明変数の取る値の範囲は[0,1]に制限される
上記したように、ロジスティック回帰モデルは、計算コストはやや高いが推定精度が良いため、一般にはロジスティック回帰モデルを適用すべきである。一方、推定精度よりも計算コストの小ささを優先する場合には、線形回帰モデルを適用することが好ましい。
12 キュベットホルダ
14 分光器(ディテクタ)
16 データ取得用パーソナル・コンピュータ
18 光ファイバ
18a 端部
20 光ファイバ
20a 端部
22 ケーブル
24 試料セル
26 集光レンズ
28 集光レンズ
30 試料
Claims (8)
- 測定した多重蛍光から各蛍光色素の蛍光色素濃度を推定する多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法において、
蛍光色素濃度が既知の蛍光色素の分光スペクトルに対して独立成分分析を行って独立成分の強度を導出し、
前記導出した独立成分の強度を変数として回帰分析を行って前記蛍光色素濃度が既知の蛍光色素の蛍光色素濃度関数を推定し、
前記推定した蛍光色素濃度関数に基づいて、測定した多重蛍光から各蛍光色素の蛍光色素濃度を推定する
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法。 - 請求項1に記載の多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法において、
前記回帰分析は、線形回帰モデルによる回帰分析である
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法。 - 請求項1に記載の多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法において、
前記回帰分析は、非線形回帰モデルによる回帰分析である
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法。 - 請求項3に記載の多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法において、
前記非線形回帰モデルは、ロジスティック回帰モデル、多項式回帰モデル、フーリエ級数、ウェーブレットまたはn次スプラインである
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光色素濃度の推定方法。 - 測定した多重蛍光から各蛍光色素の蛍光強度を推定する多重蛍光からの蛍光強度の推定方法において、
蛍光強度が既知の蛍光色素の分光スペクトルに対して独立成分分析を行って独立成分の強度を導出し、
前記導出した独立成分の強度を変数として回帰分析を行って前記蛍光強度が既知の蛍光色素の蛍光強度関数を推定し、
前記推定した蛍光強度関数に基づいて、測定した多重蛍光から各蛍光色素の蛍光強度を推定する
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光強度の推定方法。 - 請求項5に記載の多重蛍光からの蛍光強度の推定方法において、
前記回帰分析は、線形回帰モデルによる回帰分析である
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光強度の推定方法。 - 請求項5に記載の多重蛍光からの蛍光強度の推定方法において、
前記回帰分析は、非線形回帰モデルによる回帰分析である
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光強度の推定方法。 - 請求項7に記載の多重蛍光からの蛍光強度の推定方法において、
前記非線形回帰モデルは、ロジスティック回帰モデル、多項式回帰モデル、フーリエ級数、ウェーブレットまたはn次スプラインである
ことを特徴とする多重蛍光からの蛍光強度の推定方法。
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