JP2007064689A - 遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システム - Google Patents

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Abstract

【課題】これまでと比べて格段な数（具体的には約３万種類程度）の遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、試料を切断し、切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築し、試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定し、構築した試料立体画像および測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料に存在する遺伝子の発現状態（発現パターン）と試料の３次元画像である試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムに関するものである。
これまで、動物や植物などの生体試料内で発現した遺伝子（発現遺伝子）の局在、つまり遺伝子の発現パターンを３次元的に観察する技術として、特許文献１や特許文献２が開示されている。
特許文献１には、特定の遺伝子の発現時に検出が可能となるマーカー（蛍光物質や発光物質など）を有する遺伝子組み換え生体試料を連続して切断し、生体試料の切断毎に該切断面の画像たる断面画像を撮像し、切断面毎に撮像した画像に基づいて３次元的な生体試料の観察を行う技術について記載されている。これにより、生体試料一個全体を観察対象として、生体試料内における発現遺伝子の３次元局在を観察することができる。
また、特許文献２には、特定の遺伝子の発現時に検出が可能となるマーカー（蛍光物質や発光物質など）を有する遺伝子組み換え生体試料を一定の方向に順次押し出し、押し出された遺伝子組み換え生体試料の断面に光を集光させ、光を集光させた断面からの反射光によって断面の２次元画像を撮像し、撮像した２次元画像に基づいて３次元的な遺伝子組み換え生体試料の観察を行う技術について記載されている。これにより、生体試料一個全体を観察対象領域とし、且つその観察対象領域内の微細な領域（１つの細胞の大きさ程度の領域）における発現遺伝子の３次元局在を観察することができる。
ところで、Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社製のＧｅｎｅＣｈｉｐ（登録商標）やＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のオリゴＤＮＡマイクロアレイ（ＯｌｉｇｏＤＮＡ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ）に代表されるように、生物に存在する遺伝子の発現パターンを解析するＤＮＡマイクロアレイ技術が開発されている。現在では、約３万個の遺伝子の発現パターンを解析するＤＮＡチップの開発も行われている。
特開２００３−２５４９０２号公報 特開２００３−２５４９６４号公報
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の技術では、生体試料に組み込んだ、特定の遺伝子の発現時に検出が可能となるマーカー（蛍光物質や発光物質など）を介して遺伝子の発現パターンを３次元的に示していたので、対象とする遺伝子の数が１から５個程度の少数に制限されていた、という問題点があった。
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、これまでと比べて格段な数の遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明にかかる請求項１に記載の遺伝子発現画像構築方法は、試料を切断する切断ステップと、前記切断ステップで切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築する試料立体画像構築ステップと、を含み、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築方法であって、前記切断ステップで試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定する発現量測定ステップと、前記試料立体画像構築ステップで構築した試料立体画像および前記発現量測定ステップで測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築ステップとをさらに含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項２に記載の遺伝子発現画像構築方法は、請求項１に記載の遺伝子発現画像構築方法において、複数の試料を対象とし、試料ごとに予め定めた切断方向で、各試料に対し、前記切断ステップならびに前記試料立体画像構築ステップおよび前記発現量測定ステップを実行し、前記遺伝子発現画像構築ステップは、前記試料立体画像構築ステップで構築した各試料の試料立体画像および前記発現量測定ステップで測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築することを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項３に記載の遺伝子発現画像構築方法は、請求項１または２に記載の遺伝子発現画像構築方法において、前記試料立体画像構築ステップは、前記撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出する領域断面画像抽出ステップと、前記領域断面画像抽出ステップで抽出した複数の領域断面画像に基づいて、前記領域断面画像抽出ステップで認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を構築する領域立体画像構築ステップとをさらに含み、当該試料立体画像構築ステップは、領域立体画像を試料立体画像として構築することを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項４に記載の遺伝子発現画像構築方法は、請求項３に記載の遺伝子発現画像構築方法において、前記遺伝子発現画像構築ステップは、前記領域断面画像抽出ステップで抽出した領域断面画像に基づいて前記予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて前記発現量測定ステップで測定した発現量を補正する発現量補正ステップと、前記領域立体画像構築ステップで構築した領域立体画像および前記発現量補正ステップで補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する補正発現画像構築ステップとをさらに含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項５に記載の遺伝子発現画像構築方法は、請求項１から４のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築方法において、前記発現量測定ステップは、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出し、前記遺伝子発現画像構築ステップは、前記試料立体画像構築ステップで構築した試料立体画像ならびに前記発現量測定ステップで測定した発現量および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築することを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項６に記載の遺伝子発現画像構築方法は、請求項１から５のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築方法において、前記所定の画像再構築手法として、解析的手法または近似解推定手法を用いることを特徴とする。
また、本発明は遺伝子発現画像構築システムに関するものであり、本発明にかかる請求項７に記載の遺伝子発現画像構築システムは、試料を切断する切断手段と、前記切断手段で切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築する試料立体画像構築手段と、を備え、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築システムであって、前記切断手段で試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定する発現量測定手段と、前記試料立体画像構築手段で構築した試料立体画像および前記発現量測定手段で測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築手段とをさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項８に記載の遺伝子発現画像構築システムは、請求項７に記載の遺伝子発現画像構築システムにおいて、複数の試料を対象とし、試料ごとに予め定めた切断方向で、各試料に対し、前記切断手段ならびに前記試料立体画像構築手段および前記発現量測定手段を実行し、前記遺伝子発現画像構築手段は、前記試料立体画像構築手段で構築した各試料の試料立体画像および前記発現量測定手段で測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築することを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項９に記載の遺伝子発現画像構築システムは、請求項７または８に記載の遺伝子発現画像構築システムにおいて、前記試料立体画像構築手段は、前記撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出する領域断面画像抽出手段と、前記領域断面画像抽出手段で抽出した複数の領域断面画像に基づいて、前記領域断面画像抽出手段で認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を構築する領域立体画像構築手段とをさらに備え、当該試料立体画像構築手段は、領域立体画像を試料立体画像として構築することを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項１０に記載の遺伝子発現画像構築システムは、請求項９に記載の遺伝子発現画像構築システムにおいて、前記遺伝子発現画像構築手段は、前記領域断面画像抽出手段で抽出した領域断面画像に基づいて前記予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて前記発現量測定手段で測定した発現量を補正する発現量補正手段と、前記領域立体画像構築手段で構築した領域立体画像および前記発現量補正手段で補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する補正発現画像構築手段とをさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項１１に記載の遺伝子発現画像構築システムは、請求項７から１０のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築システムにおいて、前記発現量測定手段は、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出し、前記遺伝子発現画像構築手段は、前記試料立体画像構築手段で構築した試料立体画像ならびに前記発現量測定手段で測定した発現量および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築することを特徴とする。
また、本発明にかかる請求項１２に記載の遺伝子発現画像構築システムは、請求項７から１１のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築システムにおいて、前記所定の画像再構築手法として、解析的手法または近似解推定手法を用いることを特徴とする。
本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムによれば、（１）試料を切断し、（２）切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築し、（３）試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定し、（４）構築した試料立体画像および測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する。これにより、これまでと比べて格段な数（具体的には約３万種類程度）の遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができるという効果を奏する。換言すると、これまでと比べて格段な数の遺伝子の試料内での局在および発現量を３次元的に明らかにすることができるという効果を奏する。また、このことから、試料内で発現している遺伝子（発現遺伝子）間の相互作用などに関する情報を得ることができる。
また、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムによれば、複数の試料を対象とし、試料ごとに予め定めた切断方向（例えば、互いに直交する切断方向）で、各試料に対し、上記の（１）ならびに（２）および（３）を実行し、上記の（４）において、構築した各試料の試料立体画像および測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。これにより、遺伝子発現画像上で遺伝子の発現パターンを細かく示すことができるという効果を奏する。換言すると、遺伝子発現画像における、遺伝子の発現パターンの空間分解能を向上することができるという効果を奏する。つまり、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンのマッピングの精度を向上することができるという効果を奏する。
また、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムによれば、上記の（２）において、（２−１）撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出し、（２−２）抽出した複数の領域断面画像に基づいて、認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を試料立体画像として構築する。具体的には、例えば、各撮像断面画像から遺伝子がない領域（例えば、試料周辺の領域、対象とする遺伝子の発現がないことが予め判っている領域など）を除くことで、関心のある領域（例えば、対象とする遺伝子が在る領域、組織領域など）の領域断面画像を抽出し、抽出した複数の領域断面画像に基づいて領域立体画像を構築する。これにより、所望の領域立体画像と遺伝子の発現状態とを対応付けた遺伝子発現画像上で遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができるという効果を奏する。また、本発明によれば、所望の領域断面画像を抽出する際、例えば遺伝子の発現部位を限定することができるので、最終的に構築された遺伝子発現画像における、遺伝子の発現パターンの空間分解能を向上することができるという効果を奏する。
また、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムによれば、上記の（４）において、（４−１）上記の（２−１）で抽出した領域断面画像に基づいて、予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて、測定した発現量を補正し、（４−２）上記の（２−２）で構築した領域立体画像および上記の（４−１）で補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。これにより、遺伝子発現画像上で示す発現量の値の精度を高めることができるという効果を奏する。また、遺伝子発現画像上で単位面積あたりの発現量を示すことができるという効果を奏する。
また、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムによれば、上記の（３）において、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出し、上記の（４）において、構築した試料立体画像（例えば、領域立体画像）ならびに測定した発現量（例えば、補正した発現量）および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。これにより、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンの信頼性を高めることができるという効果を奏する。
さらに、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムによれば、所定の画像再構築手法として、解析的手法または近似解推定手法を用いる。これにより、既存の手法を利用して遺伝子発現画像の構築ができるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
〔本発明の基本原理〕
本発明の基本原理について図１を参照して説明する。図１は、本発明の基本原理を示す図である。まず、本発明では、遺伝子発現画像を構築するために用いる試料を準備する（工程１）。ここで、試料は、遺伝子が存在するものであり、具体的には、動物や植物などの生体（個体）、当該生体に含まれる臓器・器官などである。準備する試料の数は、１つでもよく、また複数でもよい。なお、遺伝子発現画像（試料に存在する遺伝子の発現状態と、試料の３次元画像である試料立体画像とを対応付けたもの）上で示す遺伝子の発現パターンの空間分解能を向上させる場合には、ほぼ同一の遺伝子が存在する複数の試料を準備することが望ましい。以下で説明する工程２から工程１２は１つの試料に対して行う。
つぎに、本発明では、工程１で準備した試料を、ｍＲＮＡが失活しない包埋剤で包埋（例えば、凍結包埋、パラフィン包埋、樹脂包埋など）する（工程２）。つぎに、本発明では、工程２で包埋した試料を固化（例えば、凍結、冷却、加熱、重合など）する（工程３）。つぎに、本発明では、工程３で固化した試料を、３次元内部構造顕微鏡に設けられた試料設置場所に、所定の角度（向き）で設置する（工程４）。なお、当該所定の角度（向き）とは、試料ごとに予め定めた切断方向で試料を切断するための角度（向き）である。
つぎに、本発明では、工程４で設置した試料を、３次元内部構造顕微鏡に設けられた、試料を切削するナイフで所定の厚さに切断する（工程５）。ここで、当該ナイフは、図２に示すような形状（出っ張りのある形状）のものを用いてもよく、また、図３に示すような形状（切り欠けのある形状）のものを用いてもよい。これにより、図示の如く、１回の切断で短冊状の切片を複数枚作製することができる。すなわち、１つの試料から、２次元方向を規定した短冊状の切片を作製することができる。つまり、１つの試料を２つの切断方向から同時に切断することができる。この結果、最終的に構築する遺伝子発現画像上で遺伝子の発現パターンを細かく示すことができる。つまり、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンの空間分解能を高めることができる。また、これにより、工程１で準備する試料の数を減らすことができる。
つぎに、本発明では、工程５で切断した試料の断面を、所定の位置に設置したＣＣＤカメラやスキャナで撮像する（工程６）。ここで、工程６において、試料の断面へ白色光を照射して当該断面をＣＣＤカメラで撮像し、さらに当該断面へ特定光（蛍光）を照射して当該断面をＣＣＤカメラで撮像してもよい。なお、工程６において、試料の断面を、試料を切断する度に撮像しなくてもよい。例えば試料の断面を、試料を複数回（例えば２、３回）切断する度に撮像してもよい。
また、本発明では、工程６と並行して、工程５で試料を切断した際に作製した切片を所定の容器を用いて回収すると共に、切片の回収回数をカウントする（工程７）。ここで、工程７において、当該切片の回収回数が所定の数（例えば１００）になった場合、当該所定の数の切片が収められた容器を新たな容器に交換する。これにより、工程７で回収した切片を、例えば連続する所定の枚数（例えば１００枚程度）の切片からなる複数の切片群（試料（試料立体画像）上における場所が既知の切片群）に分別する。なお、本発明では、工程６で撮像した撮像断面画像と工程７で作製した切片とを対応付けて管理する。また、１つの切片群に含まれる切片の枚数は、集める切片の体積（最小枚数と切削量との積）やｍＲＮＡの検出限界などを考慮して適宜変更する。
そして、本発明では、試料を所定の距離だけ移動しながら、試料の切断が完了するまで、工程５から工程７を繰り返し実行する。
つぎに、本発明では、工程６で撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料立体画像を構築する（工程８）。ここで、工程８において、工程６で撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域（例えば、対象とする遺伝子が在る領域や組織領域など）を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出し（工程８−１）、工程８−１で抽出した複数の領域断面画像に基づいて、工程８−１で認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を構築し（工程８−２）てもよい。
また、本発明では、工程８と並行して、工程７で分別した各切片群を、切片群ごとに保存液に溶解する（工程９）。つぎに、本発明では、工程９で溶解した各保存液からｍＲＮＡを抽出する（工程１０）。つぎに、本発明では、工程１０で抽出したｍＲＮＡをＤＮＡマイクロアレイ（例えば、Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社製のＧｅｎｅＣｈｉｐ（登録商標）、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のオリゴＤＮＡマイクロアレイなどの遺伝子発現を解析するマイクロアレイ）にハイブリダイズする（工程１１）。つぎに、本発明では、工程１１でハイブリダイズしたＤＮＡマイクロアレイをスキャナ（例えば共焦点レーザースキャナなど）でスキャンし、スキャンした画像に基づいて、工程７で分別した各切片群に含まれる遺伝子の発現量を測定する（工程１２）。ここで、工程１２において、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出してもよい。なお、工程９から工程１２までは公知の遺伝子発現解析手法で行う。
そして、本発明では、工程１で準備した試料の個数分、工程２から工程１２を繰り返し実行する。
つぎに、本発明では、工程８で構築した各試料の試料立体画像および工程１２で測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する（工程１３）。換言すると、試料立体画像上へ発現量をマッピングすることで、遺伝子発現画像を構築する。具体的には、各切断方向で切断した各試料の切片に基づいて測定した発現量の値を３次元空間（具体的には試料立体画像）上にポテンシャル（濃度）としてプロットし、プロットした発現量から、妥当と思われる発現量の分布を推定することで、遺伝子発現画像を構築する。なお、試料立体画像の空間分解能は、切片群（具体的には約１００枚の切片）に対応する遺伝子の発現量の３次元空間上での空間分解能に比べて遥かに細かい。
ここで、工程１３において、工程８で構築した試料立体画像および工程１２で測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を試料ごとに構築し、構築した各試料に対応する遺伝子発現画像に基づいて、最終的に得る遺伝子発現画像を構築してもよい。
また、工程１３において、工程８−１で抽出した領域断面画像に基づいて、工程８−１で記した予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて、工程１２で測定した発現量を補正し、工程８−２で構築した領域立体画像および補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築してもよい。
また、工程１３において、工程８で構築した各試料の試料立体画像（例えば、領域立体画像）ならびに工程１２で測定した各試料の発現量（例えば、補正した発現量）および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築してもよい。具体的には、所定の切断方向から切断した各試料に対応する各切片群を用いて測定した、各試料の各切片群に含まれる遺伝子の発現量を、３次元空間（具体的には試料立体画像）にプロットすることで、発現量の確率モデルを構築し、遺伝子発現画像を構築してもよい。より具体的には、例えば切断方向が互いに直交する３方向（ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向）の場合、発現量の寄与率をそれぞれの方向に対し例えば３３％とし、この寄与率に各遺伝子の信頼性情報を積算することで発現量の確率モデルを構築し、遺伝子発現画像を構築してもよい。これにより、信頼性の低い発現量が、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンに与える影響を低減することができる。つまり、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンの信頼性を向上させることができる。なお、工程１１でＡｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社製のＧｅｎｅＣｈｉｐ（登録商標）やＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のオリゴＤＮＡマイクロアレイなどを用いた場合、工程１２では発現量の他に当該発現量の信頼性に関する信頼性情報を算出し、工程１３では当該信頼性情報をさらに用いることが望ましい。
なお、所定の画像再構築手法として、解析的手法（文献「Ｓ．Ｉｗａｓａｋｉ， Ｓ．Ｏｄａｎａｋａ， Ｙ．Ｓｈｉｎｔｏｋｕ， Ｍ．Ｋｉｔａｍｕｒａ， Ｍ．Ｈａｒｕｙａｍａ， Ｍ．Ｔａｋａｓｅ， Ｋ．Ａｒａ，“Ｎｅｗ ＣＴ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｂａｙｅｓ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ａ４２２， ｐｐ．６８３−６８７， １９９９」参照）、近似解推定手法（文献「工藤博幸，“逐次近似法を用いたＣＴ画像再構成法の考え方と驚異”， ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， Ｖｏｌ．２３， Ｎｏ．１， Ｊａｎｕａｒｙ， ２００５」参照）、などを用いてもよい。解析的手法を用いれば、撮像方向および切断間隔（切片回収のピッチ）を細かくすることで、３次元空間（具体的には遺伝子発現画像）上で示す遺伝子の発現パターンの格子（ボクセル）を細かくすることができる。また、近似解推定手法を用いれば、比較的少ない撮像方向、比較的粗い切断間隔（切片回収のピッチ）でも、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンを統計的に推定することができる。工程１１で用いるＤＮＡマイクロアレイ（特にＧｅｎｅＣｈｉｐ（登録商標：Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社製）やオリゴＤＮＡマイクロアレイ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製））は、最近では安価になってきているが、依然、高価であるので、工程１３で近似解推定手法を用いることは本発明を安価に実現するために非常に有効である。
ここで、３つの試料（試料Ａ、試料Ｂおよび試料Ｃ）を対象として、試料Ａを第１切断方向で、試料Ｂを第２切断方向で、試料Ｃを第３切断方向で切断した場合に遺伝子発現画像を構築する手法の一例について、図４を参照して概念的に説明する。なお、第１切断方向（図４で示すように、ｚ軸に垂直な方向）、第２切断方向（図４で示すように、ｘ軸に垂直な方向）および第３切断方向（図４で示すように、ｙ軸に垂直な方向）は互いに直交する方向である。また、試料Ａ、試料Ｂおよび試料Ｃは、ほぼ同一の遺伝子が存在するものである。
まず、第１切断方向で切断した試料Ａの断面を含む各撮像断面画像に対し、第２切断方向で切断した試料Ｂに含まれる遺伝子の発現パターンを対応付けることで、第２切断方向の発現パターンを対応付けた遺伝子発現画像Ｉ2を構築する。また、第１切断方向で切断した試料Ａの断面を含む各撮像断面画像に対し、第３切断方向で切断した試料Ｃに含まれる遺伝子の発現パターンを対応付けることで、第３切断方向の発現パターンを対応付けた遺伝子発現画像Ｉ3を構築する。ついで、遺伝子発現画像Ｉ2と遺伝子発現画像Ｉ3とを重ね合わせることで、第２切断方向および第３切断方向の発現パターンを対応付けた遺伝子発現画像Ｉ23を構築する。
なお、構築した遺伝子発現画像Ｉ23上で示す遺伝子の発現パターンの空間分解能をさらに向上させるために、図５に示すように、試料Ａ，試料Ｂおよび試料Ｃとほぼ同一の遺伝子が存在する試料Ｄおよび試料Ｅをさらに追加し、試料Ｄおよび試料Ｅをそれぞれ図示の如く第４切断方向および第５切断方向で切断し、第４切断方向の発現パターンを対応付けた遺伝子発現画像Ｉ4および第５切断方向の発現パターンを対応付けた遺伝子発現画像Ｉ5を上記と同様に構築し、遺伝子発現画像Ｉ4および遺伝子発現画像Ｉ5を遺伝子発現画像Ｉ23と重ね合わせることで、第２切断方向から第５切断方向の発現パターンを対応付けた遺伝子発現画像Ｉ25を構築してもよい。
以上、本発明の基本原理について説明したが、本発明では、特定の遺伝子の発現時に検出が可能となるマーカー（蛍光物質）を組み込んだ試料（蛍光物質で染色した試料）を対象として、３次元内部構造顕微鏡での観察（切断および撮像）と蛍光観察とを組み合わせてもよい。これにより、試料中の発現遺伝子（遺伝子個別に問わない）の量を遺伝子発現画像上で示すことが可能であり、さらに、遺伝子の発現の様子（活性度）と発現している遺伝子の種類との関係を遺伝子発現画像上で確認することが可能である。ただし、発現遺伝子の染色で用いる蛍光色素の蛍光波長と工程１１で用いるＤＮＡマイクロアレイで使用する蛍光物質の蛍光波長とが重ならないように、染色で用いる蛍光色素を選択することが重要である。また、その中の全ての細胞で蛍光を発現するように設計した遺伝子組み替え体を対象としてもよい。これにより、例えば、消化器官内など遺伝子発現がない体外の部分を明らかにすることが可能となり、その結果、遺伝子発現画像上で遺伝子の発現パターンをより鮮明に示すことが可能となる。
〔システム構成〕
本実施の形態の遺伝子発現画像構築システム１００の構成について、図６を参照して説明する。図６は、遺伝子発現画像構築システム１００の構成を示すブロック図であり、該構成のうち本発明に関係する部分のみを概念的に示している。
図６に示すように、遺伝子発現画像構築システム１００は、大別して、３次元内部構造顕微鏡１０２と、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４と、ワークステーション１０６と、遺伝子発現画像データベース１０８とで構成され、これらは通信可能に接続されている。
３次元内部構造顕微鏡１０２は、主に、試料を切断し、切断した試料の断面を撮像する機能を有する。３次元内部構造顕微鏡１０２は、後述するワークステーション１０６の統合制御部１０６ａから受け取った入力情報（具体的には、試料番号、画像枚数、温度情報および試料交換トリガ）に基づいて出力情報（具体的には、撮像断面画像（画像情報）、撮像断面画像の空間分解能、切削間隔および光源情報）を出力すると共に、切片を作製する。具体的には、３次元内部構造顕微鏡１０２は、制御部１０２ａと、試料供給部１０２ｂと、切断部１０２ｃと、撮像部１０２ｄと、試料確認部１０２ｅと、試料移動部１０２ｆと、画像記憶部１０２ｇと、で構成される。
制御部１０２ａは、３次元内部構造顕微鏡１０２を統括的に制御するＣＰＵ等であり、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラムおよび所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラムに基づいて種々の処理を実行するための情報処理を行う。制御部１０２ａは、ワークステーション１０６やＤＮＡマイクロアレイシステム１０４から転送された情報に基づいて試料供給部１０２ｂ、切断部１０２ｃ、撮像部１０２ｄ、試料確認部１０２ｅ、試料移動部１０２ｆ、画像記憶部１０２ｇを制御したり、ワークステーション１０６やＤＮＡマイクロアレイシステム１０４へ情報を転送したりする。なお、制御部１０２ａはシーケンサーを含む。
試料供給部１０２ｂは、試料の準備、試料の包埋、試料の固化、試料の設置を行う。切断部１０２ｃは、ミクロトームなどであり、３次元内部構造顕微鏡１０２に設けられた試料設置場所に所定の角度（向き）で設置された試料を、試料を切削するナイフで切断する。
撮像部１０２ｄは、具体的にはカメラ（例えばＣＣＤカメラ、デジタルＣＣＤカメラなど）、撮像管、フォトマル（Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ：光電子増倍管）、スキャナなどで構成され、切断部１０２ｃで切断した試料の断面を撮像する。画像記憶部１０２ｅは、ストレージ手段であり、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ装置や、ハードディスクのような固定ディスク装置や、フレキシブルディスクや、光ディスク、ビデオテープ、写真用のフィルム等を用いることができる。
試料確認部１０２ｅは、３次元内部構造顕微鏡１０２に設けられた試料設置場所に設置された試料の残量を確認する。試料移動部１０２ｆは、３次元内部構造顕微鏡１０２に設けられた試料設置場所に設置された試料を所定の距離だけ移動する。画像記憶部１０２ｇは、撮像部１０２ｄで撮像した撮像断面画像を記憶する。
ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、主に、３次元内部構造顕微鏡１０２の切断部１０２ｃで試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定する機能を有する。ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、統合制御部１０６ａから受け取った試料番号、切片枚数、切片回収番号、位置情報および回収トリガに基づいて切片を回収・分別し、分別した切片（切片群）ならびに統合制御部１０６ａから受け取った試料番号、切片枚数、切片回収番号、位置情報およびＤＮＡマイクロアレイ番号に基づいて遺伝子番号、発現量および信頼性を出力する。具体的には、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、制御部１０４ａと、切片回収・分別部１０４ｂと、ｍＲＮＡ抽出部１０４ｃと、ハイブリダイゼーション部１０４ｄと、発現量測定部１０４ｅと、で構成される。
制御部１０４ａは、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４を統括的に制御するＣＰＵ等であり、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラムおよび所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラムに基づいて種々の処理を実行するための情報処理を行う。制御部１０４ａは、ワークステーション１０６や３次元内部構造顕微鏡１０２から転送された情報に基づいて切片回収・分別部１０４ｂ、ｍＲＮＡ抽出部１０４ｃ、ハイブリダイゼーション部１０４ｄ、発現量測定部１０４ｅを制御したり、ワークステーション１０６や３次元内部構造顕微鏡１０２へ情報を転送したりする。
切片回収・分別部１０４ｂは、３次元内部構造顕微鏡１０２の切断部１０２ｃで試料を切断した際に作製した切片を回収したり、回収した複数の切片を、例えば連続する所定の枚数（例えば１００枚程度）の切片からなる複数の切片群に分別したりする。ｍＲＮＡ抽出部１０４ｃは、切片回収・分別部１０４ｂで分別した各切片群を、切片群ごとに保存液に溶解し、溶解した各保存液からｍＲＮＡを抽出する。ハイブリダイゼーション部１０４ｄは、ｍＲＮＡ抽出部１０４ｃで抽出したｍＲＮＡをＤＮＡマイクロアレイにハイブリダイズする。
発現量測定部１０４ｅは、ハイブリダイゼーション部１０４ｄでハイブリダイズしたＤＮＡマイクロアレイをスキャナでスキャンし、スキャンした画像に基づいて、切片回収・分別部１０４ｂで分別した各切片群に含まれる遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出する。
ワークステーション１０６は、主に、３次元内部構造顕微鏡１０２の撮像部１０２ｄで撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築したり、構築した試料立体画像およびＤＮＡマイクロアレイシステム１０４の発現量測定部１０４ｅで測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現状態（発現パターン）と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築したりする。具体的には、ワークステーション１０６は、統合制御部１０６ａと、試料立体画像構築部１０６ｂと、遺伝子発現画像構築部１０６ｃと、画像表示部１０６ｄと、で構成される。
統合制御部１０６ａは、本システム全体を統括的に制御するＣＰＵ等であり、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラムおよび所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラムに基づいて種々の処理を実行するための情報処理を行う。統合制御部１０６ａは、３次元内部構造顕微鏡１０２やＤＮＡマイクロアレイシステム１０４から転送された情報に基づいて試料立体画像構築部１０６ｂ、遺伝子発現画像構築部１０６ｃ、画像表示部１０６ｄを制御したり、３次元内部構造顕微鏡１０２やＤＮＡマイクロアレイシステム１０４へ情報を転送したりする。
試料立体画像構築部１０６ｂは、３次元内部構造顕微鏡１０２の撮像部１０２ｄで撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築する。試料立体画像構築部１０６ｂは、３次元内部構造顕微鏡１０２から受け取った入力情報（具体的には、撮像断面画像（画像情報）、撮像断面画像の空間分解能、切削間隔および光源情報）および統合制御部１０６ａから受け取った入力情報（具体的には、試料番号、位置情報、画像枚数および撮像時刻）に基づいて、出力情報（具体的には、試料立体画像（３次元画像情報）、位置情報および属性情報（組織情報など））を出力する。ここで、試料立体画像構築部１０６ｂは、領域断面画像抽出部１０６ｂ１と、領域立体画像構築部１０６ｂ２とをさらに備える。領域断面画像抽出部１０６ｂ１は、３次元内部構造顕微鏡１０２の撮像部１０２ｄで撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出する。領域立体画像構築部１０６ｂ２は、領域断面画像抽出部１０６ｂ１で抽出した複数の領域断面画像に基づいて、領域断面画像抽出部１０６ｂ１で認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を試料立体画像として構築する。
遺伝子発現画像構築部１０６ｃは、試料立体画像構築部１０６ｂで構築した試料立体画像ならびにＤＮＡマイクロアレイシステム１０４の発現量測定部１０４ｅで測定した発現量および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。遺伝子発現画像構築部１０６ｃは、試料立体画像構築部１０６ｂから受け取った入力情報（具体的には、試料立体画像（３次元画像情報）、位置情報および属性情報（組織情報など））、統合制御部１０６ａから受け取った入力情報（具体的には、試料番号、切片枚数、切片回収番号、位置情報、ＤＮＡマイクロアレイ番号、処理条件）およびＤＮＡマイクロアレイシステム１０４から受け取った入力情報（具体的には、遺伝子番号、発現量、信頼性）に基づいて、出力情報（具体的には、試料名、部位名、遺伝子発現画像（３次元画像）、発現遺伝子情報、測定条件）を出力する。ここで、遺伝子発現画像構築部１０６ｃは、発現量補正部１０６ｃ１と、補正発現画像構築部１０６ｃ２とをさらに備える。発現量補正部１０６ｃ１は、領域断面画像抽出部１０６ｂ１で抽出した領域断面画像に基づいて、予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいてＤＮＡマイクロアレイシステム１０４の発現量測定部１０４ｅで測定した発現量を補正する。補正発現画像構築部１０６ｃ２は、領域立体画像構築部１０６ｂ２で構築した領域立体画像ならびに発現量補正部１０６ｃ１で補正した発現量および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。
画像表示部１０６ｄは、試料立体画像構築部１０６ｂで構築した試料立体画像や遺伝子発現画像構築部１０６ｃで構築した遺伝子発現画像をモニタに表示する。具体的には、遺伝子発現画像上で示す各遺伝子の発現量の値が視覚的に識別可能となるように、遺伝子発現画像をモニタに表示する。
遺伝子発現画像データベース１０８は、ワークステーション１０６の遺伝子発現画像構築部１０６ｃで構築した遺伝子発現画像を、当該遺伝子発現画像に関連する情報（具体的には、試料名、部位名、遺伝子発現情報、測定条件など）と共に記憶する。
〔システムの処理〕
以上の構成において、遺伝子発現画像構築システム１００で行われる処理を、図７を参照して説明する。図７は、遺伝子発現画像構築システム１００で行われる処理の一例を示すフローチャートである。なお、ここでは、試料の準備の処理、試料の包埋の処理および試料の固化の処理に関する説明を省略する。
まず、ワークステーション１０６は、統合制御部１０６ａの処理により、３次元内部構造顕微鏡１０２へ撮像開始を指示する（ステップＳＡ−１）。
つぎに、３次元内部構造顕微鏡１０２は、制御部１０２ａの処理により、ワークステーション１０６からの指示を受けてそれを試料供給部１０２ｂへ伝え、試料供給部１０２ｂの処理により、予め固化した試料を、３次元内部構造顕微鏡１０２に設けられた試料設置場所に、所定の角度（向き）で設置する（ステップＳＡ−２）。なお、当該所定の角度（向き）とは、試料ごとに予め定めた切断方向で試料を切断するための角度（向き）である。
つぎに、３次元内部構造顕微鏡１０２は、切断部１０２ｃの処理により、ステップＳＡ−２で設置した試料を、３次元内部構造顕微鏡１０２に設けられたナイフで所定の厚さに切断する（ステップＳＡ−３）。
つぎに、３次元内部構造顕微鏡１０２は、制御部１０２ａの処理により、試料の切断が終了したという通知をＤＮＡマイクロアレイシステム１０４へ転送する（ステップＳＡ−４）。
つぎに、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、制御部１０４ａの処理により、ステップＳＡ−４で３次元内部構造顕微鏡１０２から転送された通知を受けてそれを切片回収・分別部１０４ｂへ伝え、切片回収・分別部１０４ｂの処理により、ステップＳＡ−３で試料を切断した際に作製した切片を所定の容器を用いて回収すると共に、切片の回収回数をカウントする（ステップＳＡ−５）。ここで、ステップＳＡ−５において、当該切片の回収回数が所定の数（例えば１００）になった場合、切片回収・分別部１０４ｂの処理により、当該所定の数の切片が収められた容器を新たな容器に交換する。これにより、ステップＳＡ−５で回収した切片を、例えば連続する所定の枚数（例えば１００枚程度）の切片からなる複数の切片群（試料上における場所が既知の切片群）に分別する。
つぎに、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、制御部１０４ａの処理により、切片の回収・分別が終了したという通知を３次元内部構造顕微鏡１０２へ転送する（ステップＳＡ−６）。
一方、３次元内部構造顕微鏡１０２は、ステップＳＡ−４の処理に続いて、撮像部１０２ｄの処理により、ステップＳＡ−３で切断した試料の断面を、所定の位置に設置したＣＣＤカメラで撮像し、撮像した撮像断面画像をデジタルデータへ変換する（ステップＳＡ−７）。ここで、ステップＳＡ−７において、試料の断面へ白色光を照射して当該断面をＣＣＤカメラで撮像し、さらに当該断面へ特定光（蛍光）を照射して当該断面をＣＣＤカメラで撮像してもよい。
つぎに、３次元内部構造顕微鏡１０２は、制御部１０２ａの処理により、ステップＳＡ−６でＤＮＡマイクロアレイシステム１０４から転送された通知を受けてそれを試料確認部１０２ｅへ伝え、試料確認部１０２ｅの処理により、３次元内部構造顕微鏡１０２の試料設置場所に設置された試料の残量を確認する（ステップＳＡ−８）。
つぎに、３次元内部構造顕微鏡１０２は、試料の切断が完了してない場合（ステップＳＡ−９：Ｎｏ）、試料移動部１０２ｆの処理により、試料を所定の距離だけ移動してから（ステップＳＡ−１０）、ステップＳＡ−３へ戻る。また、３次元内部構造顕微鏡１０２は、試料の切断が完了した場合（ステップＳＡ−９：Ｙｅｓ）、制御部１０２ａの処理により、試料の切断が完了したという通知をＤＮＡマイクロアレイシステム１０４へ転送する（ステップＳＡ−１１）。
つぎに、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、制御部１０４ａの処理により、ステップＳＡ−１１で３次元内部構造顕微鏡１０２から転送された通知を受けてそれをｍＲＮＡ抽出部１０４ｃへ伝え、ｍＲＮＡ抽出部１０４ｃの処理により、ステップＳＡ−５で分別した各切片群を、切片群ごとに保存液に溶解し、溶解した各保存液からｍＲＮＡを抽出する（ステップＳＡ−１２）。
つぎに、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、ハイブリダイゼーション部１０４ｄの処理により、ステップＳＡ−１２で抽出したｍＲＮＡをＤＮＡマイクロアレイ（例えば、Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社製のＧｅｎｅＣｈｉｐ（登録商標）、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のオリゴＤＮＡマイクロアレイなどの遺伝子発現を解析するマイクロアレイ）にハイブリダイズする（ステップＳＡ−１３）。
つぎに、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、発現量測定部１０４ｅの処理により、ステップＳＡ−１３でハイブリダイズしたＤＮＡマイクロアレイをスキャナ（例えば共焦点レーザースキャナなど）でスキャンし、スキャンした画像に基づいて、ステップＳＡ−５で分別した切片群に含まれる遺伝子の発現量を切片群ごとに測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性情報を算出する（ステップＳＡ−１４）。
そして、遺伝子発現画像構築システム１００は、予め準備した試料の個数分、上述したステップＳＡ−２からステップＳＡ−１４までの処理を繰り返し実行する。
つぎに、３次元内部構造顕微鏡１０２は、ステップＳＡ−１１の処理に続いて、制御部１０２ａの処理により、ステップＳＡ−７で撮像した試料ごとの複数の撮像断面画像（デジタル化した撮像断面画像）をワークステーション１０６へ転送する（ステップＳＡ−１５）。
一方、ＤＮＡマイクロアレイシステム１０４は、ステップＳＡ−１５の処理と並行して、制御部１０４ａの処理により、ステップＳＡ−１４で測定した各試料の各切片群に含まれる遺伝子の発現量および信頼性情報をワークステーション１０６へ転送する（ステップＳＡ−１６）。
つぎに、ワークステーション１０６は、統合制御部１０６ａの処理により、ステップＳＡ−１５で３次元内部構造顕微鏡１０２から転送された試料ごとの複数の撮像断面画像およびステップＳＡ−１６でＤＮＡマイクロアレイシステム１０４から転送された各試料の各切片群に含まれる遺伝子の発現量および信頼性情報を受け取り、試料立体画像構築部１０６ｂの処理により、複数の撮像断面画像に基づいて試料立体画像を試料ごとに構築する（ステップＳＡ−１７）。ここで、試料立体画像構築部１０６ｂは、領域断面画像抽出部１０６ｂ１の処理により、撮像部１０２ｄで撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域（例えば、対象とする遺伝子が在る領域や組織領域など）を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出し、領域立体画像構築部１０６ｂ２の処理により、領域断面画像抽出部１０６ｂ１で抽出した複数の領域断面画像に基づいて、領域断面画像抽出部１０６ｂ１で認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を試料立体画像として構築してもよい。
つぎに、ワークステーション１０６は、遺伝子発現画像構築部１０６ｃの処理により、ステップＳＡ−１７で構築した各試料の試料立体画像ならびにステップＳＡ−１７で受け取った各試料の各切片群に含まれる遺伝子の発現量および信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築し、統合制御部１０６ａの処理により、構築した遺伝子発現画像を遺伝子発現画像データベース１０８に格納する（ステップＳＡ−１８）。換言すると、試料立体画像上へ発現量を信頼性情報を考慮してマッピングすることで、遺伝子発現画像を構築する。具体的には、発現量の値を試料立体画像上に信頼性情報を考慮してポテンシャル（濃度）としてプロットし、プロットした発現量から、妥当と思われる発現量の分布を推定することで、遺伝子発現画像を構築する。
ここで、遺伝子発現画像構築部１０６ｃは、発現量補正部１０６ｃ１の処理により、領域断面画像抽出部１０６ｂ１で抽出した領域断面画像に基づいて、撮像断面画像ごとに予め定めた領域（例えば、対象とする遺伝子が在る領域や組織領域など）の面積を算出し、算出した面積に基づいてステップＳＡ−１７で受け取った発現量を補正し、領域立体画像構築部１０６ｂ２で構築した領域立体画像ならびに発現量補正部１０６ｃ１で補正した発現量およびステップＳＡ−１７で受け取った信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築してもよい。具体的には、各試料の各切片群に含まれる遺伝子の発現量を試料立体画像上にプロットすることで発現量の確率モデルを構築して、遺伝子発現画像を構築してもよい。より具体的には、例えば切断方向が互いに直交する３方向（ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向）で試料を切断した場合、発現量の寄与率をそれぞれの方向に対し例えば３３％とし、この寄与率に各遺伝子の信頼性情報を積算することで発現量の確率モデルを構築して、遺伝子発現画像を構築してもよい。
なお、所定の画像再構築手法として、解析的手法（文献「Ｓ．Ｉｗａｓａｋｉ， Ｓ．Ｏｄａｎａｋａ， Ｙ．Ｓｈｉｎｔｏｋｕ， Ｍ．Ｋｉｔａｍｕｒａ， Ｍ．Ｈａｒｕｙａｍａ， Ｍ．Ｔａｋａｓｅ， Ｋ．Ａｒａ，“Ｎｅｗ ＣＴ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｂａｙｅｓ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ”， Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ａ４２２， ｐｐ．６８３−６８７， １９９９」参照）、近似解推定手法（文献「工藤博幸，“逐次近似法を用いたＣＴ画像再構成法の考え方と驚異”， ＭＥＤＩＣＡＬ ＩＭＡＧＩＮＧ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， Ｖｏｌ．２３， Ｎｏ．１， Ｊａｎｕａｒｙ， ２００５」参照）、などを用いてもよい。
以上説明したように、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、（１）試料を切断し、（２）切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築し、（３）試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定し、（４）構築した試料立体画像および測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する。これにより、これまでと比べて格段な数（具体的には約３万種類程度）の遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができる。換言すると、これまでと比べて格段な数の遺伝子の試料内での局在および発現量を３次元的に明らかにすることができる。また、このことから、試料内で発現している遺伝子（発現遺伝子）間の相互作用などに関する情報を得ることができる。
これまで、注目する１から５個程度の遺伝子を外からマーキングして３次元局在を見たり、遺伝子組み換え生物を対象に遺伝子の発現プロファイルを観察したりする手法について、特開２００３−２５４９０２号公報、特開２００３−２５４９６４号公報で開示されていた。しかしながら、この手法では、対象とする遺伝子の数が１から５個程度と少数であるので、対象とする遺伝子の数に制限があった。一方、Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ社製のＧｅｎｅＣｈｉｐ（登録商標）やＡｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社製のオリゴＤＮＡマイクロアレイ（ＯｌｉｇｏＤＮＡ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ）に代表されるように、生物の発現遺伝子を解析する手法が開発されている。現在では、約３万個にも及ぶ全発現遺伝子のＤＮＡチップの開発も行われている。しかしながら、この手法では、１枚のチップで１つのサンプルの遺伝子発現パターンを解析するのみであり、生物体内での遺伝子局在を知ることはできない。また、これからの研究では、発現遺伝子間の相互作用を明らかにすることも求められている。
そこで、遺伝子発現画像構築システム１００を用いれば、これまでと比べて格段な数（具体的には約３万種類程度）の遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができる。換言すると、これまでと比べて格段な数の遺伝子の試料内での局在および発現量を３次元的に明らかにすることができる。また、このことから、試料内で発現している遺伝子（発現遺伝子）間の相互作用などに関する情報を得ることができる。
また、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、複数の試料を対象とし、試料ごとに予め定めた切断方向（例えば、互いに直交する切断方向）で、各試料に対し、上記の（１）ならびに（２）および（３）を実行し、上記の（４）において、構築した各試料の試料立体画像および測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。これにより、遺伝子発現画像上で遺伝子の発現パターンを細かく示すことができる。換言すると、遺伝子発現画像における、遺伝子の発現パターンの空間分解能を向上することができる。つまり、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンのマッピングの精度を向上することができる。
また、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、上記の（２）において、（２−１）撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出し、（２−２）抽出した複数の領域断面画像に基づいて、認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を試料立体画像として構築する。具体的には、例えば、各撮像断面画像から遺伝子がない領域（例えば、試料周辺の領域、対象とする遺伝子の発現がないことが予め判っている領域など）を除くことで、関心のある領域（例えば、対象とする遺伝子が在る領域、組織領域など）の領域断面画像を抽出し、抽出した複数の領域断面画像に基づいて領域立体画像を構築する。これにより、所望の領域立体画像と遺伝子の発現状態とを対応付けた遺伝子発現画像上で遺伝子の発現パターンを３次元的に示すことができる。また、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、所望の領域断面画像を抽出する際、例えば遺伝子の発現部位を限定することができるので、最終的に構築された遺伝子発現画像における、遺伝子の発現パターンの空間分解能を向上することができる。
また、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、上記の（４）において、（４−１）上記の（２−１）で抽出した領域断面画像に基づいて、予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて、測定した発現量を補正し、（４−２）上記の（２−２）で構築した領域立体画像および上記の（４−１）で補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。これにより、遺伝子発現画像上で示す発現量の値の精度を高めることができる。また、遺伝子発現画像上で単位面積あたりの発現量を示すことができる。
また、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、上記の（３）において、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出し、上記の（４）において、構築した試料立体画像（例えば、領域立体画像）ならびに測定した発現量（例えば、補正した発現量）および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて遺伝子発現画像を構築する。これにより、遺伝子発現画像上で示す遺伝子の発現パターンの信頼性を高めることができる。
また、遺伝子発現画像構築システム１００によれば、所定の画像再構築手法として、解析的手法または近似解推定手法を用いる。これにより、既存の手法を利用して遺伝子発現画像の構築ができる。
以上のように、本発明にかかる遺伝子発現画像構築方法および遺伝子発現画像構築システムは、試料に存在する遺伝子の発現状態（発現パターン）と試料の３次元画像である試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築することができ、医療、製薬、創薬、生物学研究、臨床検査などにおいて極めて有用である。
本発明の基本原理を示す図である。 本発明におけるナイフの形状の一例を示す図である。 本発明におけるナイフの形状の別の一例を示す図である。 ３つの試料（試料Ａ、試料Ｂおよび試料Ｃ）を対象とした場合に遺伝子発現画像を構築する手法の一例を示す図である。 ５つの試料（試料Ａ、試料Ｂ、試料Ｃ、試料Ｄおよび試料Ｅ）を対象とした場合に遺伝子発現画像を構築する手法の一例を示す図である。 遺伝子発現画像構築システム１００の構成を示すブロック図である。 遺伝子発現画像構築システム１００で行われる処理の一例を示すフローチャートである。
符号の説明
１００ 遺伝子発現画像構築システム
１０２ ３次元内部構造顕微鏡
１０２ａ 制御部
１０２ｂ 試料供給部
１０２ｃ 切断部
１０２ｄ 撮像部
１０２ｅ 試料確認部
１０２ｆ 試料移動部
１０２ｇ 画像記憶部
１０４ ＤＮＡマイクロアレイシステム
１０４ａ 制御部
１０４ｂ 切片回収・分別部
１０４ｃ ｍＲＮＡ抽出部
１０４ｄ ハイブリダイゼーション部
１０４ｅ 発現量測定部
１０６ ワークステーション
１０６ａ 統合制御部
１０６ｂ 試料立体画像構築部
１０６ｂ１ 領域断面画像抽出部
１０６ｂ２ 領域立体画像構築部
１０６ｃ 遺伝子発現画像構築部
１０６ｃ１ 発現量補正部
１０６ｃ２ 補正発現画像構築部
１０６ｄ 画像表示部
１０８ 遺伝子発現画像データベース

Claims (12)

  1. 試料を切断する切断ステップと、前記切断ステップで切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築する試料立体画像構築ステップと、を含み、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築方法であって、
    前記切断ステップで試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定する発現量測定ステップと、
    前記試料立体画像構築ステップで構築した試料立体画像および前記発現量測定ステップで測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築ステップと
    をさらに含むことを特徴とする遺伝子発現画像構築方法。
  2. 複数の試料を対象とし、
    試料ごとに予め定めた切断方向で、各試料に対し、前記切断ステップならびに前記試料立体画像構築ステップおよび前記発現量測定ステップを実行し、
    前記遺伝子発現画像構築ステップは、前記試料立体画像構築ステップで構築した各試料の試料立体画像および前記発現量測定ステップで測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築すること
    を特徴とする請求項１に記載の遺伝子発現画像構築方法。
  3. 前記試料立体画像構築ステップは、
    前記撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出する領域断面画像抽出ステップと、
    前記領域断面画像抽出ステップで抽出した複数の領域断面画像に基づいて、前記領域断面画像抽出ステップで認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を構築する領域立体画像構築ステップと
    をさらに含み、
    当該試料立体画像構築ステップは、領域立体画像を試料立体画像として構築すること
    を特徴とする請求項１または２に記載の遺伝子発現画像構築方法。
  4. 前記遺伝子発現画像構築ステップは、
    前記領域断面画像抽出ステップで抽出した領域断面画像に基づいて前記予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて前記発現量測定ステップで測定した発現量を補正する発現量補正ステップと、
    前記領域立体画像構築ステップで構築した領域立体画像および前記発現量補正ステップで補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する補正発現画像構築ステップと
    をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の遺伝子発現画像構築方法。
  5. 前記発現量測定ステップは、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出し、
    前記遺伝子発現画像構築ステップは、前記試料立体画像構築ステップで構築した試料立体画像ならびに前記発現量測定ステップで測定した発現量および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築すること
    を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築方法。
  6. 前記所定の画像再構築手法として、解析的手法または近似解推定手法を用いること
    を特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築方法。
  7. 試料を切断する切断手段と、前記切断手段で切断した試料の断面を撮像し、撮像した複数の撮像断面画像に基づいて試料の３次元画像である試料立体画像を構築する試料立体画像構築手段と、を備え、試料に存在する遺伝子の発現状態と試料立体画像とを対応付けた遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築システムであって、
    前記切断手段で試料を切断した際に作製した複数の切片に基づいて、試料に存在する遺伝子の発現量を測定する発現量測定手段と、
    前記試料立体画像構築手段で構築した試料立体画像および前記発現量測定手段で測定した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する遺伝子発現画像構築手段と
    をさらに備えたことを特徴とする遺伝子発現画像構築システム。
  8. 複数の試料を対象とし、
    試料ごとに予め定めた切断方向で、各試料に対し、前記切断手段ならびに前記試料立体画像構築手段および前記発現量測定手段を実行し、
    前記遺伝子発現画像構築手段は、前記試料立体画像構築手段で構築した各試料の試料立体画像および前記発現量測定手段で測定した各試料の発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築すること
    を特徴とする請求項７に記載の遺伝子発現画像構築システム。
  9. 前記試料立体画像構築手段は、
    前記撮像した各撮像断面画像から、撮像断面画像ごとに予め定めた領域を認識し、当該認識した領域の断面画像である領域断面画像を抽出する領域断面画像抽出手段と、
    前記領域断面画像抽出手段で抽出した複数の領域断面画像に基づいて、前記領域断面画像抽出手段で認識した複数の領域で構成される３次元画像である領域立体画像を構築する領域立体画像構築手段と
    をさらに備え、
    当該試料立体画像構築手段は、領域立体画像を試料立体画像として構築すること
    を特徴とする請求項７または８に記載の遺伝子発現画像構築システム。
  10. 前記遺伝子発現画像構築手段は、
    前記領域断面画像抽出手段で抽出した領域断面画像に基づいて前記予め定めた領域の面積を算出し、算出した面積に基づいて前記発現量測定手段で測定した発現量を補正する発現量補正手段と、
    前記領域立体画像構築手段で構築した領域立体画像および前記発現量補正手段で補正した発現量から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築する補正発現画像構築手段と
    をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の遺伝子発現画像構築システム。
  11. 前記発現量測定手段は、遺伝子の発現量を測定すると共に、当該測定した発現量の信頼性に関する情報である信頼性情報を算出し、
    前記遺伝子発現画像構築手段は、前記試料立体画像構築手段で構築した試料立体画像ならびに前記発現量測定手段で測定した発現量および算出した信頼性情報から、所定の画像再構築手法に基づいて前記遺伝子発現画像を構築すること
    を特徴とする請求項７から１０のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築システム。
  12. 前記所定の画像再構築手法として、解析的手法または近似解推定手法を用いること
    を特徴とする請求項７から１１のいずれか１つに記載の遺伝子発現画像構築システム。
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