JP2008101968A - Screening apparatus for drug development, and development method for drug development - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、蛍光顕微システムを利用した創薬スクリーニング装置において、取得した試料の画像から測定対象の数を計数する画像処理装置に関わる。 The present invention relates to an image processing apparatus that counts the number of measurement objects from an acquired sample image in a drug discovery screening apparatus using a fluorescence microscope system.
創薬スクリーニング装置ではウェルプレートにあるアレイ状のウェル(穴)に並べられた試料に特定の波長の光を照射して励起し、励起された試料から出る蛍光像を顕微鏡システムで拡大し、拡大像をカメラで取り込んでいる。その場合、全ウェルから蛍光画像を取得するため、XYステージでウェルプレートを移動する。 The drug discovery screening device excites a sample arranged in an array of wells (holes) on a well plate by irradiating it with light of a specific wavelength, and magnifies and expands the fluorescence image emitted from the excited sample with a microscope system. The image is captured with a camera. In that case, the well plate is moved on the XY stage in order to acquire fluorescent images from all wells.
次に、カメラで取得した画像に対して画像処理をし、その結果を元に薬の候補になる試料を見出している。画像の画質を高めるため、顕微鏡とカメラの間に共焦点スキャナが設置される。 Next, image processing is performed on the image acquired by the camera, and a sample that is a drug candidate is found based on the result. In order to improve the image quality, a confocal scanner is installed between the microscope and the camera.
このような共焦点スキャナを用いた創薬スクリーニング装置の先行技術としては下記のような特許文献が知られている。 The following patent documents are known as prior art of such a drug discovery screening apparatus using a confocal scanner.
図5は上記特許文献1に記載された従来の創薬スクリーニング装置の技術を示す構成図である。共焦点スキャナ100は顕微鏡200に接続されており、照明用平行励起光束1(一点鎖線)はマイクロレンズアレイディスク(MLディスクという)2により個別の光束に集光される。
FIG. 5 is a block diagram showing the technology of the conventional drug discovery screening device described in
分光特性を持つ平板ミラーからなる第1のダイクロイックミラー(DMという)3を透過後、ニポウディスク4の個々のピンホールを通過し、顕微鏡200の対物レンズ5により、ウェルプレート60に載置されたサンプル6の各試料に集光され蛍光試薬を励起する。MLディスク2とニポウディスク4は連結部材8で機械的に連結された状態で、回転中心軸12の周りを回転する。 After passing through a first dichroic mirror (DM) 3 composed of a flat mirror having spectral characteristics, the sample passes through individual pinholes of the Niipou disc 4 and is placed on the well plate 60 by the objective lens 5 of the microscope 200. 6 is condensed on each sample to excite the fluorescent reagent. The ML disk 2 and the nipou disk 4 rotate around the rotation center axis 12 while being mechanically connected by the connecting member 8.
サンプル6の各試料の蛍光試薬が発した蛍光信号7は再び対物レンズ5を通り、ニポウディスク4の個々のピンホール上に集光される。個々のピンホールを通過した蛍光信号7はDM3で反射され、リレーレンズ9を介して、共焦点光学像がカメラ10に結像される。 The fluorescent signal 7 emitted from the fluorescent reagent of each sample of the sample 6 passes through the objective lens 5 again and is collected on each pinhole of the Niipou disc 4. The fluorescence signals 7 that have passed through the individual pinholes are reflected by the DM 3, and a confocal optical image is formed on the camera 10 via the relay lens 9.
上述の構成では、ニポウディスク4のピンホールが並んでいる平面と、サンプル6上の被観察平面と、カメラ10の受光面とは互いに光学的に共役な関係に配置してあるので、カメラ10にはサンプル6の光学的断面像、すなわち共焦点画像が結像される。したがって、サンプル6の共焦点画像をカメラ10の受光面上に形成することができるため、多数の被検査試料をマトリックス上に並べたサンプル6を顕微鏡200と共焦点スキャナ100に対して相対的に移動させることにより、試料全数の共焦点画像を高速に取り込むことができる。 In the above-described configuration, the plane on which the pinholes of the Niipou disc 4 are arranged, the plane to be observed on the sample 6, and the light receiving surface of the camera 10 are arranged in an optically conjugate relationship with each other. An optical cross-sectional image of the sample 6, that is, a confocal image is formed. Therefore, since a confocal image of the sample 6 can be formed on the light receiving surface of the camera 10, the sample 6 in which a large number of specimens are arranged on a matrix is relative to the microscope 200 and the confocal scanner 100. By moving, the confocal images of all the samples can be captured at high speed.
ところで、上述の従来例においては、ニポウディスク4を出し入れすることにより、蛍光画像又は共焦点画像を選択している。創薬のアプリケーションにおいて、細胞核から細胞質への移行を解析するトランスロケーションや、カルシウムシグナルの測定は蛍光画像が適し、神経突起の伸長測定など高画質が必要な場合は共焦点画像が適している。これらのアプリケーションでは、様々な反応を画像処理によって数値化し、その際、反応の程度を細胞の数で規格化する。 By the way, in the above-described conventional example, the fluorescent image or the confocal image is selected by inserting and removing the Nipo disk 4. In drug discovery applications, fluorescent images are suitable for translocation to analyze the transition from the nucleus to the cytoplasm and calcium signals, and confocal images are suitable when high image quality is required, such as neurite outgrowth measurement. In these applications, various reactions are digitized by image processing, and the degree of reaction is normalized by the number of cells.
従来の例では、細胞の数を計数する際、取得した画像に対して、その中にある独立した領域をラベリングし、面積を計算する。そして、面積について、オペレータ(あるいはユーザ)が上限閾値と下限閾値を設定して、下限閾値以下のものはノイズとみなして計数せず、上下限閾値の間のものは細胞が1個あるとみなして計数し、上限閾値以上のものは複数個の細胞が接触している状態とみなして計数する。 In the conventional example, when counting the number of cells, an independent region in the acquired image is labeled and the area is calculated. For the area, the operator (or user) sets the upper and lower thresholds, and those below the lower threshold are not counted as noise, and those between the upper and lower thresholds are regarded as having one cell. When the number is equal to or greater than the upper threshold value, the number of cells is regarded as being in contact with each other.
しかし、上記のようにして細胞の数を計算すると、画像処理の際、面積の閾値はオペレータが設定するため、オペレータによって、ばらつきが生じ、測定結果の再現性に影響を及ぼし、測定精度が低下してしまうという問題があった。 However, if the number of cells is calculated as described above, the area threshold value is set by the operator during image processing, so that variation occurs depending on the operator, affecting the reproducibility of the measurement results, and the measurement accuracy decreases. There was a problem of doing.
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、取得した試料の画像から測定対象の数を計数する際に、オペレータの差によるばらつきを無くし、再現性の高い創薬スクリーニング装置を実現することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems of the prior art. When counting the number of objects to be measured from the acquired sample images, the present invention eliminates variations due to operator differences and has high reproducibility for drug discovery screening. It aims to realize.
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
ウェルプレートに載置された試料に励起光を照射し、前記試料からの蛍光信号に基づく画像に存在する測定対象の数を計数する創薬スクリーニング装置において、
前記測定対象の大きさの上下限閾値が予め記憶されたメモリ
を備えたことを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to
In the drug discovery screening apparatus that irradiates the sample placed on the well plate with excitation light and counts the number of measurement objects present in the image based on the fluorescence signal from the sample,
A memory in which upper and lower thresholds of the size of the measurement target are stored in advance is provided.
請求項2記載の発明は、
請求項1記載の創薬スクリーニング装置において、
前記上下限閾値の範囲内の独立領域の個数と、前記上限閾値より大きな独立領域の個数の2倍を加算することにより前記測定対象の個数を計数することを特徴とする。
The invention according to claim 2
The drug discovery screening device according to
The number of measurement objects is counted by adding the number of independent regions within the upper and lower threshold values and twice the number of independent regions larger than the upper threshold value.
請求項3記載の発明は、
請求項1記載の創薬スクリーニング装置において、
前記メモリは接触又は重なっている複数の前記測定対象の大きさの複合上限閾値が予め記憶され、前記上下限閾値と前記複合上限閾値とを組み合わせて前記測定対象の数を計数することを特徴とする。
The invention described in claim 3
The drug discovery screening device according to
The memory is prestored with a composite upper limit threshold of the size of the plurality of measurement objects that are in contact with or overlapping, and the number of the measurement objects is counted by combining the upper and lower limit thresholds and the composite upper limit threshold. To do.
請求項4記載の発明は、
請求項3記載の創薬スクリーニング装置において、
前記複合上限閾値は前記上限閾値の前記複数倍としたことを特徴とする。
The invention according to claim 4
The drug discovery screening device according to claim 3,
The composite upper limit threshold is a plurality of times the upper limit threshold.
請求項5記載の発明は、
請求項1乃至請求項4記載の創薬スクリーニング装置において、
ニポウ方式の共焦点スキャナを用いて、光軸方向に焦点位置を変化させ、各焦点位置において前記試料に前記励起光を照射することにより共焦点画像を取り出すことを特徴とする。
The invention according to claim 5
The drug discovery screening device according to any one of
Using a Nipo type confocal scanner, the focal position is changed in the optical axis direction, and the confocal image is extracted by irradiating the sample with the excitation light at each focal position.
請求項6記載の発明は、
請求項1乃至請求項5記載の創薬スクリーニング装置において、
前記測定対象を細胞又は細胞核とすることを特徴とする。
The invention described in claim 6
The drug discovery screening device according to any one of
The measurement object is a cell or a cell nucleus.
請求項7記載の発明は、
ウェルプレートに載置された試料に励起光を照射し、前記試料からの蛍光信号に基づく画像に存在する測定対象の数を計数する創薬スクリーニング方法において、
前記測定対象の大きさの上下限閾値を予めメモリに記憶することを特徴とする。
The invention described in claim 7
In the drug discovery screening method of irradiating the sample placed on the well plate with excitation light and counting the number of measurement objects present in the image based on the fluorescence signal from the sample,
The upper and lower thresholds of the size of the measurement object are stored in advance in a memory.
請求項8記載の発明は、
請求項7記載の創薬スクリーニング方法において、
前記上下限閾値の範囲内の独立領域の個数と、前記上限閾値より大きな独立領域の個数の2倍を加算することにより前記測定対象の個数を計数することを特徴とする。
The invention described in claim 8
The drug discovery screening method according to claim 7,
The number of measurement objects is counted by adding the number of independent regions within the upper and lower threshold values and twice the number of independent regions larger than the upper threshold value.
請求項9記載の発明は、
請求項7記載の創薬スクリーニング方法において、
前記メモリは接触又は重なっている複数の前記測定対象の大きさの複合上限閾値が予め記憶され、前記上下限閾値と前記複合上限閾値を組み合わせて前記測定対象の数を計数することを特徴とする。
The invention according to claim 9
The drug discovery screening method according to claim 7,
The memory is prestored with a composite upper limit threshold of the size of a plurality of the measurement objects that are in contact with or overlapping, and the number of the measurement objects is counted by combining the upper and lower limit thresholds and the composite upper limit threshold. .
請求項10記載の発明は、
請求項9記載の創薬スクリーニング方法において、
前記複合上限閾値は前記上限閾値の前記複数倍としたことを特徴とする。
The invention according to claim 10 is:
The drug discovery screening method according to claim 9, wherein
The composite upper limit threshold is a plurality of times the upper limit threshold.
請求項11記載の発明は、
請求項7乃至請求項10記載の創薬スクリーニング方法において、
ニポウ方式の共焦点スキャナを用いて、光軸方向に焦点位置を変化させ、各焦点位置において前記試料に前記励起光を照射することにより共焦点画像を取り出すことを特徴とする。
The invention according to claim 11
The drug discovery screening method according to any one of claims 7 to 10,
Using a Nipo type confocal scanner, the focal position is changed in the optical axis direction, and the confocal image is extracted by irradiating the sample with the excitation light at each focal position.
請求項12記載の発明は、
請求項7乃至請求項11記載の創薬スクリーニング方法において、
前記測定対象を細胞又は細胞核とする。
The invention according to claim 12
The drug discovery screening method according to any one of claims 7 to 11,
The measurement object is a cell or a cell nucleus.
請求項13記載の発明は、
請求項1乃至請求項12記載の創薬スクリーニング装置又は創薬スクリーニング方法において、
前記大きさは面積であることを特徴とする。
The invention according to claim 13
In the drug discovery screening device or drug discovery screening method according to any one of
The size is an area.
本発明の創薬スクリーニング装置によれば、予め使用する試料の大きさに関する情報をメモリに記憶し、試料の大きさに対して予め上下限閾値を設定して、実際に取得した画像にその値を適用することによって、オペレータの差によるばらつきを無くし、測定対象の数を再現性良くカウントすることができる創薬スクリーニング装置を実現することができる。 According to the drug discovery screening apparatus of the present invention, information relating to the size of a sample to be used in advance is stored in a memory, an upper and lower limit threshold is set in advance for the size of the sample, and the value is obtained in an actually acquired image. By applying, it is possible to realize a drug discovery screening device that can eliminate variations due to operator differences and count the number of measurement objects with good reproducibility.
以下、図1を参照して、本発明による創薬スクリーニング装置の一実施形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of a drug discovery screening apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG.
図1において図5に示す従来例と同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。従来例と異なる点は、予め使用する試料の大きさに関する情報をデータベース化してメモリに記憶し、試料の大きさに対して予め上下限閾値を設定し、実際に取得した画像に自動的に適用するようにした点にある。 In FIG. 1, the same elements as those of the conventional example shown in FIG. The difference from the conventional example is that information on the size of the sample to be used is stored in a database and stored in the memory, and upper and lower thresholds are set in advance for the sample size and automatically applied to the actually acquired image. It is in the point which was made to do.
図1に示すように、ウェルプレート60にあるアレイ状のウェル(穴)の1つにある試料6に対して、レーザ光源(図示なし)から出る励起光束1を用いて照射する。照射された試料6から蛍光信号7を発し、顕微鏡200によって集光され、蛍光像が得られる。SN比の高い画像を得るのに共焦点スキャナ100を用いる。共焦点スキャナ100を通った単色又は多色の蛍光画像はカメラ10に撮像され、画像処理装置11で画像処理が行われる。画像処理装置11において、メモリ13には予め試料の大きさに関する情報がデータベース化されて記憶される。メモリ13から読み出すことにより画像処理装置11に予め試料の大きさの上下限閾値が設定される。
As shown in FIG. 1, the sample 6 in one of the arrayed wells (holes) in the well plate 60 is irradiated with an
以下に画像処理装置11における動作を説明する。
図2にカメラ10で取得した画像の概念図を示す。このような画像20をもとに、例えば細胞核(以下、核という)の数を計数する場合、画像の中の独立した領域、すなわち細胞21,核22,ノイズ23,重なった細胞核24などをまず検出し、ラベリングする。ラベリングされた独立領域のうち、測定対象(核)について、大きさ別に独立領域の数を計数して、大きさの度数分布を求める。大きさの度数分布図の一例を図3に示す。このために、画像処理装置11には、予め、メモリ13内のデータベースに基づき、測定対象(核)の大きさに応じて下限閾値と上限閾値が設定される。一例として、試料として広く使用されているヒト由来のHe−La細胞では、核の大きさは約5〜10μmである。
The operation in the image processing apparatus 11 will be described below.
FIG. 2 shows a conceptual diagram of an image acquired by the camera 10. For example, when counting the number of cell nuclei (hereinafter referred to as nuclei) based on such an image 20, first, an independent region in the image, that is, a cell 21, a nucleus 22, noise 23, an overlapping cell nucleus 24, etc. Detect and label. Among the labeled independent regions, the number of independent regions is counted for each size of the measurement target (nucleus) to obtain a frequency distribution of the sizes. An example of the frequency distribution diagram of the size is shown in FIG. For this purpose, the lower limit threshold and the upper limit threshold are set in advance in the image processing apparatus 11 according to the size of the measurement target (core) based on the database in the memory 13. As an example, in a human-derived He-La cell widely used as a sample, the size of the nucleus is about 5 to 10 μm.
核の数は上下限閾値を用いて以下のように求められる。
(1)図3の下限閾値以下の範囲では、核の数は0とする。(例:図2のノイズ23)
(2)図3の下限閾値〜上限閾値の範囲では、核の数は大きさ別度数の合計とする。(例:図2の核22)
(3)図3の上限以上の範囲では、核の数は大きさ別度数の合計の2倍とする。(例:図2の重なり細胞核24)
以上の結果、核の数は上記(2)と(3)の合計となる。
The number of nuclei is obtained as follows using upper and lower thresholds.
(1) The number of nuclei is 0 in the range below the lower threshold in FIG. (Example: Noise 23 in FIG. 2)
(2) In the range from the lower threshold value to the upper threshold value in FIG. 3, the number of nuclei is the sum of the frequencies according to size. (Example: Core 22 in FIG. 2)
(3) In the range above the upper limit in FIG. 3, the number of nuclei is set to be twice the total number of frequencies according to size. (Example: overlapping cell nucleus 24 in FIG. 2)
As a result, the number of nuclei is the sum of the above (2) and (3).
図4に画像処理装置11が核の数を自動的に計数するフローチャートを示す。
以下、図4に基づいて、画像処理装置11の詳細な動作を説明する。試料がセットされると細胞核の数m(以下計数値という)を初期値0にする(ステップ301)。次にメモリ13のデータベース内から上記試料に対応するデータを取り出し、核についての上下限閾値Smax,Sminを設定する(ステップ302)。カメラで画像を取得し(ステップ303)、独立領域1〜Nのラベリングを行う(ステップ304)。次に独立領域1〜Nについて、それぞれの面積Sn(n=1〜N)を計算する(ステップ305)。n=1と置いて領域1を選択し(ステップ306)、nを独立領域の数Nと比較し(ステップ307)、nが独立領域の数Nより大きければ終了する(ステップ313)。nが独立領域の数Nより大きくない場合は、独立領域1の面積S1を下限閾値Sminと比較し(ステップ308)、独立領域1の面積S1が下限閾値Sminより小さい場合はノイズとみなして計数値mに加算せず、n=n+1=2として(ステップ312)次の領域2の計数に移る。独立領域1の面積S1が下限閾値Sminより小さくない場合は、独立領域1の面積S1を上限閾値Smaxと比較(ステップ309)する。独立領域1の面積S1が上限閾値Smaxより大きい場合は m=m+2=0+2=2とし(ステップ310)、独立領域の面積S1が上限閾値Smaxより大きくない場合(ステップ309)はm=m+1=0+1=1とする(ステップ311)。その後n=n+1=2として(ステップ312)独立領域2の計数に移り、領域2〜Nについて307以下のステップを繰り返し、最終的な核の計数値mを得る。
FIG. 4 shows a flowchart in which the image processing apparatus 11 automatically counts the number of nuclei.
Hereinafter, the detailed operation of the image processing apparatus 11 will be described with reference to FIG. When the sample is set, the number m of cell nuclei (hereinafter referred to as a count value) is set to an initial value 0 (step 301). Next, data corresponding to the sample is taken out from the database of the memory 13, and upper and lower thresholds Smax and Smin for the nucleus are set (step 302). An image is acquired with a camera (step 303), and
上記のような創薬スクリーニング装置によれば、予め使用する試料の面積に関する情報をデータベース化してメモリに記憶し、試料の面積に対して予め上下限閾値を設定して、実際に取得した画像にその値を適用することによって、オペレータの差によるばらつきを無くし、測定対象の数を再現性良くカウントすることができる創薬スクリーニング装置を実現することができる。 According to the drug discovery screening device as described above, information on the area of the sample to be used in advance is stored in a memory and stored in a memory, and an upper and lower limit threshold is set in advance for the area of the sample, and an actually acquired image is obtained. By applying the value, it is possible to realize a drug discovery screening apparatus that can eliminate variations due to differences in operators and count the number of measurement objects with high reproducibility.
また試料に対応した上下限閾値を自動的に設定できるので効率的に測定対象の数を計数することができる。 In addition, since the upper and lower thresholds corresponding to the sample can be automatically set, the number of measurement objects can be counted efficiently.
なお、上記の実施例では試料の大きさとして面積を用いたが、これに限らず、例えば直径や周囲長を用いてもよい。 In the above embodiment, the area is used as the size of the sample.
また、計数の対象とする画像は共焦点画像に限らず、ニポウディスク4を省略したときの蛍光画像について計数してもよい。 Further, the image to be counted is not limited to the confocal image, and the fluorescence image when the Nipo disk 4 is omitted may be counted.
また、図3の上限閾値より大きい核領域において、核が複数接触又は重なっている場合について、上限閾値の複数倍の大きさの複合上限閾値を設け、以下のように、核をよりきめ細かく計数してもよい。
上限閾値から上限閾値の2倍までの領域では、核の数を実測数(度数)の2倍とする。
上限閾値の2倍から3倍までの領域では、核の数を実測数(度数)の3倍とする。
・・・・・・
上限閾値のn倍からn+1倍までの領域では、核の数を実測値(度数)のn+1倍とする。
また、上記の実施例では核の数を計数する場合を示したが、細胞その他を計数してもよい。
In addition, in the case where a plurality of nuclei are in contact or overlap with each other in a nucleus region larger than the upper limit threshold in FIG. 3, a composite upper limit threshold that is a multiple of the upper limit threshold is provided, and the nuclei are counted more finely as follows. May be.
In the region from the upper limit threshold to twice the upper limit threshold, the number of nuclei is set to be twice the actual number (frequency).
In the region from 2 to 3 times the upper threshold, the number of nuclei is 3 times the actual number (frequency).
・ ・ ・ ・ ・ ・
In the region from n times to n + 1 times the upper threshold, the number of nuclei is set to n + 1 times the actually measured value (frequency).
Moreover, although the case where the number of nuclei was counted was shown in said Example, you may count a cell and others.
また、本発明は、上記実施例や変形例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
1 励起光束
2 マイクロレンズアレイディスク
3 ダイクロイックミラー
4 ピンホールアレイディスク
5 対物レンズ
6 試料
7 蛍光信号
8 連結部材
9 リレーレンズ
10 カメラ
12 回転中心軸
13 メモリ
60 ウェルプレート
100 共焦点スキャナ
200 顕微鏡
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記測定対象の大きさの上下限閾値が予め記憶されたメモリ
を備えたことを特徴とする創薬スクリーニング装置。 In the drug discovery screening apparatus that irradiates the sample placed on the well plate with excitation light and counts the number of measurement objects present in the image based on the fluorescence signal from the sample,
A drug discovery screening apparatus comprising a memory in which upper and lower thresholds of the size of the measurement target are stored in advance.
前記測定対象の大きさの上下限閾値を予めメモリに記憶することを特徴とする創薬スクリーニング方法。 In the drug discovery screening method of irradiating the sample placed on the well plate with excitation light and counting the number of measurement objects present in the image based on the fluorescence signal from the sample,
A drug discovery screening method, wherein upper and lower thresholds of the size of the measurement target are stored in a memory in advance.
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