JP2010210290A - Method for detecting dna-fragmented apotosis cell, cell image analyzer, program, and method for evaluating stage of apotosis - Google Patents

Method for detecting dna-fragmented apotosis cell, cell image analyzer, program, and method for evaluating stage of apotosis Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for accurately detecting a DNA-fragmented apotosis cell. <P>SOLUTION: The method for detecting the DNA-fragmented apotosis cell has the step (a) for performing nucleus dyeing using a double stranded nucleic acid dyeing agent and TUNEL dyeing with respect to one or a plurality of the cells fixed to a cell observing container, the step (b) for imaging the cells dyed in the step (a) to acquire the double stranded nucleic acid dyed image and TUNEL dyed image of each cell, the step (c) for analyzing the acquired double stranded nucleic acid dyed image to discriminate whether the nucleus of each cell in the image is fragmented, the step (d) for analyzing the acquired TUNEL dyed image to discriminate whether the DNA chain of each cell in the image is cut, and the step (e) for detecting the cell, of which the DNA chain is discriminated to be cut in the step (d), being the cell of which the nucleus is discriminated to be fragmented in the step (c), as the DNA fragmented cell. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、アポトーシス細胞のうち、DNA鎖が切断されて亀裂(ニック)が生じているものの未だDNAが断片化されていない細胞と、DNAが断片化された細胞とを区別して検出する方法、該方法に用いられる細胞画像解析装置、及び該方法を用いたアポトーシスのステージの評価方法に関する。   The present invention is a method for distinguishing between apoptotic cells in which DNA strands are cleaved and cracks (nicks) are occurring but DNA is not yet fragmented, and cells in which DNA is fragmented, The present invention relates to a cell image analysis apparatus used in the method, and a method for evaluating an apoptosis stage using the method.

アポトーシスは、ある制御されたカスケードに従って進行するプログラムされた細胞死であり、多細胞生物の発生に非常に重要な役割を担っている。また、ネクローシス(細胞壊死)と異なり、原則的に炎症を惹起しないため、生体内の細胞環境のホメオスターシス維持のためにも重要なメカニズムである。このため、古くから、アポトーシスカスケードを解明すべく、世界中で研究がなされている。また、治療等においてアポトーシスが重要であるとされる疾患も多い。例えば、癌等の増殖性疾患では、癌細胞をアポトーシスへ誘導する創薬研究が盛んである。逆に、パーキンソン病やアルツハイマー病等の神経系疾患においては、アポトーシスを抑制することにより、病症の進行を遅らせたり、病態を改善できることが期待されるため、アポトーシスを抑制できる化合物をターゲットとした創薬開発が盛んである。   Apoptosis is a programmed cell death that proceeds according to a controlled cascade and plays a very important role in the development of multicellular organisms. In addition, unlike necrosis (cell necrosis), since it does not cause inflammation in principle, it is an important mechanism for maintaining homeostasis of the cellular environment in vivo. For this reason, research has been conducted all over the world to elucidate the apoptotic cascade. In addition, there are many diseases in which apoptosis is important in treatment and the like. For example, in proliferative diseases such as cancer, drug discovery research that induces cancer cells to apoptosis is active. Conversely, in neurological diseases such as Parkinson's disease and Alzheimer's disease, it is expected to suppress the progression of the disease or improve the disease state by inhibiting apoptosis. Drug development is thriving.

アポトーシスはもともと、形態学的に定義された概念であり、ネクローシスと比べ、顕著な形態学的変化を伴う細胞死の様式である。アポトーシスに陥った細胞は収縮し、核が濃縮し断片化された後、断片化した核が細胞膜に包まれたアポトーシス小体が形成される。このアポトーシス小体は食細胞により処理される。一般的には、細胞の丸化(細胞容積減少)、核の凝集、DNA断片化(染色体DNAがヌクレオソームごとに切断されること)、及びアポトーシス小体の形成(細胞の分断化)が、アポトーシスの特徴的な形態的変化であるといわれている。   Apoptosis was originally a morphologically defined concept and a mode of cell death with significant morphological changes compared to necrosis. Cells that have undergone apoptosis contract, and after the nuclei are concentrated and fragmented, apoptotic bodies are formed in which the fragmented nuclei are enveloped in the cell membrane. This apoptotic body is processed by phagocytes. In general, cell rounding (cell volume reduction), nuclear aggregation, DNA fragmentation (chromosomal DNA is cleaved every nucleosome), and formation of apoptotic bodies (cell fragmentation) It is said to be a characteristic morphological change.

アポトーシスのシグナル伝達系は複数のカスケードが複雑に絡み合っており、非常に多くの因子が関与している。このため、アポトーシスの検出方法も多岐にわたっている。また、アポトーシスのステージは、その形態学的特徴から、主に、初期、中期、後期と分類されており、このステージを区別して検出する方法の開発も盛んである。ここで、アポトーシスは、シグナルが誘導されてから細胞死までの工程が細胞内で行われているため、アポトーシスの検出には、細胞をダイレクトに検出する方法が好ましい。例えば、従来から、核等の細胞内器官を蛍光物質で染色し、顕微鏡にて撮像し、撮像された細胞画像を解析する技術が提案されており(例えば、特許文献1等)、このような顕微鏡画像解析を応用することにより、アポトーシスの各ステージの形態的変化をより高感度に検出することができる。   The apoptotic signal transduction system is intricately intertwined with multiple cascades and involves many factors. For this reason, there are various methods for detecting apoptosis. In addition, the stage of apoptosis is mainly classified into an early stage, a middle stage, and a late stage based on its morphological characteristics, and development of a method for distinguishing and detecting this stage is also active. Here, since apoptosis is performed in a cell from the signal induction to the cell death, a method of directly detecting the cell is preferable for detecting apoptosis. For example, conventionally, a technique has been proposed in which intracellular organs such as nuclei are stained with a fluorescent substance, imaged with a microscope, and the captured cell image is analyzed (for example, Patent Document 1). By applying microscopic image analysis, morphological changes at each stage of apoptosis can be detected with higher sensitivity.

代表的なアポトーシスの検出方法として、細胞質内における断片化カスパーゼの誘導を検出する方法、細胞膜の透過性変化を検出する方法、DNA鎖の切断(分解)を検出する方法、DNA断片化を検出する方法、及びミトコンドリアの膜電位の変化を検出する方法等が挙げられる。これらのうち、DNA断片化を検出する方法以外は、蛍光マーカー等を利用することにより、一般的に用いられているフローサイトメータや顕微鏡観察により行われている。一方、DNA断片化を検出する方法は、フローサイトメータを用いては検出することができず、現在のところ、顕微鏡観察により行われている。   Representative methods for detecting apoptosis include detecting fragmented caspase induction in the cytoplasm, detecting cell membrane permeability changes, detecting DNA strand breaks (degradation), and detecting DNA fragmentation. And a method for detecting a change in mitochondrial membrane potential. Of these, methods other than the method for detecting DNA fragmentation are carried out by using a commonly used flow cytometer or microscope observation by utilizing a fluorescent marker or the like. On the other hand, the method for detecting DNA fragmentation cannot be detected using a flow cytometer, and is currently performed by microscopic observation.

上記の4つの検出方法のうち、特にDNA断片化は、その反応が完全に不可逆的なものであるため、多くの論文などで、他のマーカーとともに平行して行うアポトーシスの評価の対象とされている。DNA断片化を検出する方法としては、細胞から抽出したDNAを電気泳動等により長さごとに分離し、梯子状のラダー像を確認する方法が広く行われている。これは、染色体DNAがヌクレオソーム単位で切断される(ヌクレオソームとヌクレオソームまで切断される)ために観察される。ヌクレオソーム1個に約180bpが巻き付いているので、一番小さい断片が180bp、その次が360bpと、整数倍の大きさの断片が検出される。また、DNA断片化に伴い、核も断片化することが観察される。そこで、インターカレーター等の二本鎖DNAの染色試薬を用いて核を染め、顕微鏡下で核の断片化という形態的変化を観察することによって、DNA断片化を検出する方法もある。   Of the four detection methods described above, DNA fragmentation, in particular, is a completely irreversible reaction. Therefore, in many papers and the like, it is an object of evaluation of apoptosis performed in parallel with other markers. Yes. As a method for detecting DNA fragmentation, a method of separating a DNA extracted from cells by length by electrophoresis or the like and confirming a ladder-like ladder image is widely used. This is observed because chromosomal DNA is cleaved in nucleosome units (cleaved to nucleosomes and nucleosomes). Since about 180 bp wraps around one nucleosome, the smallest fragment is 180 bp, and the next is 360 bp. It is also observed that the nuclei also become fragmented with DNA fragmentation. Therefore, there is also a method for detecting DNA fragmentation by staining nuclei with a double-stranded DNA staining reagent such as an intercalator and observing a morphological change of fragmentation of the nuclei under a microscope.

一方、二本鎖DNAの断片化の前に起こる現象がDNA鎖の切断(分解)である。このため、フローサイトメータを用いてアポトーシスを検出する場合には、DNA断片化の代用として、アポトーシスの初期段階で頻繁に生じる特徴的な現象であるDNA鎖分解のアッセイを行うことが多い。DNA鎖の分解を検出する方法としては、TUNEL(ターミナルトランスフェラーゼニックエンドラベリング)法が挙げられる。TUNEL法は、外来酵素であるターミナルトランスフェラーゼを用いて、DNA鎖の切断部位を、修飾ヌクレオチドであるビオチン-dUTP等で標識する。断片化されたDNAを検出することができ、従来のテンプレート依存のISNT(インサイチュニックトランスレーション)法より感度が高く、その上、手間がかからないため、アポトーシス解析には使用頻度の高い検出方法である。   On the other hand, a phenomenon that occurs before fragmentation of double-stranded DNA is DNA strand breakage (decomposition). For this reason, when detecting apoptosis using a flow cytometer, an assay for DNA strand degradation, which is a characteristic phenomenon that frequently occurs in the early stages of apoptosis, is often performed as a substitute for DNA fragmentation. Examples of the method for detecting the degradation of the DNA strand include the TUNEL (terminal transferase nick end labeling) method. In the TUNEL method, a DNA cleavable site is labeled with biotin-dUTP, which is a modified nucleotide, using terminal transferase, which is a foreign enzyme. It can detect fragmented DNA, and is more sensitive than conventional template-dependent ISNT (In Situ Translation) method. In addition, it is a detection method that is frequently used for apoptosis analysis. .

特許第3576491号公報Japanese Patent No. 3576491

しかしながら、TUNEL法では、断片化されたDNAのみならず、二本鎖DNAのうちの一本鎖にのみニック(亀裂)が入ったものも検出されるため、DNAが断片化された細胞と共に、まだ断片化に至っていない細胞までも検出してしまうことになる。このため、フローサイトメータを用いてTUNEL法により検出する場合には、DNA鎖の切断ステージにある細胞とDNAの断片化ステージにある細胞情報が混在することになり、真の評価ができないことになる。   However, the TUNEL method detects not only fragmented DNA but also nicks (cracks) only in one strand of double-stranded DNA, so that along with the cells in which DNA is fragmented, Even cells that have not yet been fragmented will be detected. For this reason, when detecting by the TUNEL method using a flow cytometer, cells in the DNA strand break stage and cell information in the DNA fragmentation stage coexist, and true evaluation cannot be performed. Become.

また、フローサイトメータを用いてTUNEL法を行い、DNA断片化を顕微鏡で観察する方法もあるが、この場合には、全く同じ細胞で2種類の異なるアッセイを測定することは難しく、また手間がかかるという問題がある。さらに、DNA断片化を顕微鏡で観察する場合には、一般的に比較的薄く染色された核中に、濃く染色された断片化された核(DNA)が観察されるが、測定者が目視でDNAが断片化された細胞を検出し、その数を測定する場合には、測定者の負担が大きい上に、個人(測定者)の主観により結果がばらつくことが少なくない。   In addition, there is a method of performing a TUNEL method using a flow cytometer and observing DNA fragmentation with a microscope, but in this case, it is difficult and time-consuming to measure two different assays using exactly the same cells. There is a problem that it takes. Furthermore, when observing DNA fragmentation with a microscope, generally darkly-stained fragmented nuclei (DNA) are observed in relatively lightly stained nuclei. When detecting the number of cells in which DNA is fragmented and measuring the number thereof, the burden on the measurer is large, and the results often vary depending on the subjectivity of the individual (measurer).

本発明は、画像解析により、DNA鎖に切断が生じているものの未だ断片化に至っていないステージのアポトーシス細胞と、DNA断片化がなされたステージのアポトーシス細胞とを区別して検出することにより、DNA断片化がなされたステージのアポトーシス細胞をより精確に検出するための方法を提供することを目的とする。   According to the present invention, a DNA fragment is detected by distinguishing between an apoptotic cell in a stage where DNA strand breakage has not yet been fragmented and an apoptotic cell in which DNA has been fragmented by image analysis. It is an object of the present invention to provide a method for more accurately detecting apoptotic cells at the stage where they have been converted.

すなわち、本発明は、
(1) 画像解析により、DNAが断片化されたアポトーシス細胞を検出する方法であって、(a)細胞観察用容器に固定された1又は複数の細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色とを行う工程と、(b)前記工程(a)において染色された細胞を、顕微鏡を用いて撮像し、各細胞の二本鎖核酸染色画像及びTUNEL染色画像を取得する工程と、(c)前記工程(b)において取得された二本鎖核酸染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞の核が断片化されているか否かを判別する工程と、(d)前記工程(b)において取得されたTUNEL染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞のDNA鎖の切断が生じているか否かを判別する工程と、(e)前記工程(c)において核が断片化されていると判別された細胞であって、かつ、前記工程(d)においてDNA鎖の切断が生じていると判別された細胞を、DNAが断片化されている細胞として検出する工程と、を有することを特徴とする、DNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法、
(2) 前記工程(c)における二本鎖核酸染色画像の解析を、細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する閾値記憶部を備える細胞画像解析装置が、前記二本鎖核酸染色画像を入力する画像入力工程と、前記細胞画像解析装置が、入力された二本鎖核酸染色画像から、前記細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する細胞核領域抽出工程と、前記細胞画像解析装置が、前記細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する断片化細胞核領域抽出工程と、前記細胞画像解析装置が、前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する断片化細胞核判別工程と、により行い、前記工程(d)におけるTUNEL染色画像の解析を、前記細胞画像解析装置が、前記TUNEL染色画像を入力する画像入力工程と、前記細胞画像解析装置が、入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定するTUNEL染色輝度値測定工程と、前記細胞画像解析装置が、前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別するDNA鎖切断判別工程と、により行うことを特徴とする前記(1)記載のDNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法、
(3) 前記細胞観察用容器が、スライドガラスまたはマルチウェルプレートであることを特徴とする前記(1)又は(2)記載のDNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法、
(4) 顕微鏡画像の取得および画像解析を、イメージングサイトメータを用いて行うことを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか記載のDNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法、
That is, the present invention
(1) A method for detecting apoptotic cells in which DNA is fragmented by image analysis, and (a) a fluorescent double-stranded nucleic acid against one or a plurality of cells fixed in a cell observation container A step of performing nuclear staining using a staining agent and TUNEL staining for fluorescently labeling a DNA strand break site; (b) imaging the cells stained in the step (a) using a microscope; A step of obtaining a double-stranded nucleic acid-stained image and a TUNEL-stained image; and (c) analyzing the double-stranded nucleic acid-stained image obtained in the step (b), thereby fragmenting the cell nucleus in the image. And (d) analyzing the TUNEL-stained image acquired in the step (b) to determine whether or not the DNA strand of the cell in the image has been cleaved. And (e ) DNA that has been determined in step (c) that the nucleus has been fragmented and that has been determined in step (d) that DNA strand breakage has occurred. A method for detecting apoptotic cells in which DNA is fragmented, characterized by comprising:
(2) A cell image provided with a threshold storage unit for preliminarily storing a threshold for cell nuclei, a threshold for fragmented cell nuclei, an area threshold for cell nuclei, and a threshold for TUNEL staining in the analysis of the double-stranded nucleic acid staining image in the step (c) An image input step in which the analysis device inputs the double-stranded nucleic acid stained image, and a region in which the cell image analysis device has a luminance value equal to or higher than the threshold for cell nuclei from the input double-stranded nucleic acid stained image A cell nucleus region extraction step for extracting a region having an area equal to or greater than the cell nucleus area threshold as a cell nucleus region, and the cell image analysis device generates a fragmented cell nucleus from the cell nucleus region as a fragmented cell nucleus. A fragmented cell nucleus region extraction step for extracting as a region, and the cell image analysis apparatus, when the cell image analysis device has two or more fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region; A fragmented cell nucleus discriminating step for discriminating that the cell nucleus containing the cell nucleus region is fragmented and the cell nucleus containing the cell nucleus region is not fragmented when the number is one or zero. The analysis of the TUNEL-stained image in the step (d) includes the image input step in which the cell image analyzer inputs the TUNEL-stained image, and the cell image analyzer inputs the two TUNEL-stained images. A TUNEL staining luminance value measuring step for measuring a luminance value of a pixel included in a region corresponding to a cell nucleus region extracted in a single-stranded nucleic acid staining image; and the cell image analyzer, wherein the statistical value is the TUNEL When the cell containing the cell nucleus region is above the threshold for staining, DNA strand breakage has occurred, and when the cell nucleus region is less than the threshold for TUNEL staining, the cell nucleus region is included Detection method for apoptotic cells, wherein (1) DNA according becomes fragmented vesicles, which comprises carrying out the DNA strand break determination step of determining that no cause DNA strand breaks, by,
(3) The method for detecting apoptotic cells fragmented with DNA according to (1) or (2), wherein the cell observation container is a slide glass or a multiwell plate,
(4) The method for detecting apoptotic cells fragmented with DNA according to any one of (1) to (3), wherein microscopic image acquisition and image analysis are performed using an imaging cytometer,

(5) 細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する閾値記憶部と、蛍光性の二本鎖核酸染色剤により染色された細胞が撮像された二本鎖核酸染色画像と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色された、前記二本鎖核酸染色画像と同一視野のTUNEL染色画像を入力する画像入力部と、入力された二本鎖核酸染色画像から、前記細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する細胞核領域抽出部と、前記細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する断片化細胞核領域抽出部と、前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する断片化細胞核判別部と、入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定するTUNEL染色輝度値測定部と、前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別するDNA鎖切断判別部と、核が断片化されていると判定され、かつ、DNA鎖の切断が生じていると判定された細胞を、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であると解析する解析部と、
を備えることを特徴とする細胞画像解析装置、
(6) 前記断片化細胞核領域抽出部は、前記細胞核領域から断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を候補領域として抽出する候補領域抽出部と、前記候補領域において、各画素の輝度値の傾きに基づいた境界線検出処理を行うことによって境界線を検出し、検出された境界線によって囲まれる領域を断片化細胞核領域として抽出する領域決定部と、を備えることを特徴とする前記(5)記載の細胞画像解析装置、
(7) 細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する閾値記憶部を備えるコンピュータに対し、蛍光性の二本鎖核酸染色剤により染色された細胞が撮像された二本鎖核酸染色画像と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色された、前記二本鎖核酸染色画像と同一視野のTUNEL染色画像を入力する画像入力工程と、入力された二本鎖核酸染色画像から、前記細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する細胞核領域抽出工程と、前記細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する断片化細胞核領域抽出工程と、前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する断片化細胞核判別工程と、入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定するTUNEL染色輝度値測定工程と、前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別するDNA鎖切断判別工程と、核が断片化されていると判定され、かつ、DNA鎖の切断が生じていると判定された細胞を、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であると解析する解析工程と、を実行させるためのプログラム、
(5) A threshold storage unit for preliminarily storing a threshold for cell nuclei, a threshold for fragmented cell nuclei, an area threshold for cell nuclei, and a threshold for TUNEL staining, and cells stained with a fluorescent double-stranded nucleic acid stain were imaged A double-stranded nucleic acid stained image, a TUNEL-stained image that is fluorescently labeled at the DNA strand break site, an image input unit that inputs a TUNEL-stained image having the same field of view as the double-stranded nucleic acid stained image, and an input double-stranded nucleic acid From a stained image, a cell nucleus region extraction unit that extracts a region having an area greater than or equal to the cell nucleus area threshold as a cell nucleus region among regions having a luminance value greater than or equal to the cell nucleus threshold, and from the cell nucleus region, the fragmented cell nucleus threshold or greater When a fragmented cell nucleus region extraction unit that extracts a region having a luminance value as a fragmented cell nucleus region and two or more fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region A fragmented cell nucleus discriminating unit for discriminating that the cell nucleus including the cell nucleus region is not fragmented when the cell nucleus including the cell nucleus region is fragmented and is 1 or 0; The TUNEL staining luminance value measurement unit that measures the statistical value of the luminance value of the pixels included in the region corresponding to the cell nucleus region extracted in the double-stranded nucleic acid staining image of the TUNEL staining image, and the statistical value, When the TUNEL staining threshold is exceeded, the cell containing the cell nucleus region has undergone DNA strand breaks, and when the TUNEL staining threshold is less than the cell, the cell containing the cell nucleus region has undergone DNA strand breaks. A DNA strand break discriminating section for discriminating that the cell has been determined that the nucleus has been fragmented and the DNA strand break has occurred, And analysis section which analyzes as a scan cell,
A cell image analysis device comprising:
(6) The fragmented cell nucleus region extraction unit extracts a region having a luminance value equal to or higher than a fragmented cell nucleus threshold value from the cell nucleus region as a candidate region; and the luminance value of each pixel in the candidate region A region determination unit that detects a boundary line by performing a boundary line detection process based on the inclination of the region, and extracts a region surrounded by the detected boundary line as a fragmented cell nucleus region, 5) The cell image analysis device according to
(7) Cells stained with a fluorescent double-stranded nucleic acid stain for a computer having a threshold storage unit that stores in advance a threshold for cell nuclei, a threshold for fragmented cell nuclei, an area threshold for cell nuclei, and a threshold for TUNEL staining An image input step for inputting a double-stranded nucleic acid stained image obtained by imaging, and a TUNEL-stained image having the same field of view as the double-stranded nucleic acid stained image that is fluorescently labeled at the DNA strand break site. A cell nucleus region extraction step for extracting, as a cell nucleus region, a region having an area equal to or greater than the cell nucleus area threshold value from the double-stranded nucleic acid stained image, and a fragmentation from the cell nucleus region. A fragmented cell nucleus region extracting step for extracting a region having a luminance value equal to or higher than a threshold value for a cell nucleus as a fragmented cell nucleus region; and a fragmentation cell extracted from the cell nucleus region The cell nucleus containing the cell nucleus region is fragmented when the cell nucleus region is 2 or more, and the cell nucleus containing the cell nucleus region is not fragmented when the cell nucleus region is 1 or 0. A fragmented cell nucleus discriminating step for discriminating between and a TUNEL staining for measuring a statistical value of luminance values of pixels included in an area corresponding to a cell nucleus area extracted in the double-stranded nucleic acid staining image of the input TUNEL stained image When the luminance value measurement step and the statistical value are equal to or greater than the threshold for TUNEL staining, cells containing the cell nucleus region have undergone DNA strand breaks, and when the statistical value is less than the threshold for TUNEL staining, the cell nucleus region A DNA strand break discriminating step for discriminating that DNA strand breakage has not occurred in the cells containing nuclei, it was determined that the nucleus was fragmented, and it was determined that DNA strand breakage had occurred Program for executing the cells, and the analysis step of analyzing the DNA is fragmented apoptotic cells, and

(8) 画像解析により、アポトーシスのステージを評価する方法であって、(a’1)フォスファチジルセリン蛍光染色、ミトコンドリア膜電位検出用プローブを用いた蛍光染色、及び細胞膜透過性プローブを用いた蛍光染色からなる群より選択される1以上の蛍光染色を行った細胞を、細胞観察用容器に固定する工程と、(a’2)前記工程(a’ 1)の後、前記細胞観察用容器中の細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色及びDNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色を行う工程と、(b’)前記工程(a’ 2)の後、前記細胞観察用容器中の細胞の染色画像を、顕微鏡を用いて、細胞染色の種類ごとに取得する工程と、(c’)前記工程(b’)において取得された二本鎖核酸染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞の核が断片化されているか否かを判別する工程と、(d’)前記工程(b’)において取得されたTUNEL染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞のDNA鎖の切断が生じているか否かを判別する工程と、(e’)前記工程(c’)において核が断片化されていると判別された細胞であり、かつ、前記工程(d’)においてDNA鎖の切断が生じていると判別された細胞を、DNAが断片化されている中期又は後期のアポトーシス細胞であると評価する工程と、(f’)前記工程(b’)においてフォスファチジルセリン蛍光染色画像を取得した場合には、当該染色画像を解析し、フォスファチジルセリンが細胞膜の外側に局在していると判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、前記工程(b’)においてミトコンドリア膜電位検出用プローブ蛍光染色画像を取得した場合には、当該染色画像を解析し、ミトコンドリア膜に脱分極が生じていると判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、前記工程(b’)において細胞膜透過性検出用プローブ蛍光染色画像を取得した場合には、当該染色画像を解析し、当該細胞膜透過性プローブにより染色されたと判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価する工程、(g’)前記工程(e’)においてDNAが断片化されていると判断されなかった細胞のうち、前記工程(f’)においてアポトーシス細胞であると評価された細胞を、初期のアポトーシス細胞であると評価する工程と、を有することを特徴とするアポトーシスのステージの評価方法、
を、提供するものである。
(8) A method for evaluating the stage of apoptosis by image analysis, using (a′1) phosphatidylserine fluorescence staining, fluorescence staining using a probe for detecting mitochondrial membrane potential, and cell membrane permeability probe A step of fixing a cell subjected to one or more fluorescent staining selected from the group consisting of fluorescent staining to a cell observation container; and (a′2) after the step (a′1), the cell observation container A step of performing nuclear staining using a fluorescent double-stranded nucleic acid stain and TUNEL staining for fluorescently labeling a DNA strand break site on the cells in the cell, (b ′) after the step (a ′ 2) A step of acquiring a stained image of cells in the cell observation container for each type of cell staining using a microscope, and (c ′) a double-stranded nucleic acid stained image acquired in the step (b ′). By analyzing the image A step of discriminating whether or not the nucleus of the cell in the cell is fragmented, and (d ′) analyzing the TUNEL-stained image obtained in the step (b ′), thereby analyzing the DNA chain of the cell in the image A step of determining whether or not cleavage has occurred; (e ′) a cell in which the nucleus is determined to be fragmented in the step (c ′), and DNA in the step (d ′) Evaluating a cell determined to have undergone strand breakage as an intermediate or late apoptotic cell in which DNA is fragmented; and (f ′) phosphatidylserine in the step (b ′). When a fluorescent stained image is obtained, the stained image is analyzed, and a cell determined that phosphatidylserine is localized outside the cell membrane is evaluated as an apoptotic cell, and the step (b ′ ) Mitocondo When a probe fluorescent staining image for membrane potential detection is obtained, the stained image is analyzed, and a cell determined to be depolarized in the mitochondrial membrane is evaluated as an apoptotic cell, and the step (b ') When the probe membrane staining dye detection image for cell membrane permeability detection is acquired, the staining image is analyzed, and the cells determined to be stained with the cell membrane permeability probe are evaluated as apoptotic cells. g ′) Among the cells whose DNA was not judged to be fragmented in the step (e ′), the cells evaluated as apoptotic cells in the step (f ′) are early apoptotic cells. An evaluation method of the stage of apoptosis, characterized by comprising:
Is provided.

本発明のアポトーシス細胞の検出方法により、アポトーシス評価において非常に重要な形態変化であるDNA鎖の切断とDNAの断片化とを区別して検出することができる。このため、本発明のアポトーシス細胞の検出方法を用いることにより、アポトーシス細胞のステージをより精確に評価することが可能となる。
さらに、本発明の細胞画像解析装置を用いることにより、自動的に、DNA鎖に切断が生じているものの未だ断片化に至っていないステージのアポトーシス細胞と、DNA断片化がなされたステージのアポトーシス細胞とを区別して検出することが可能である。
By the method for detecting apoptotic cells of the present invention, DNA strand breakage and DNA fragmentation, which are very important morphological changes in apoptosis evaluation, can be distinguished and detected. Therefore, by using the method for detecting apoptotic cells of the present invention, the stage of apoptotic cells can be more accurately evaluated.
Furthermore, by using the cell image analyzer of the present invention, an apoptotic cell at a stage in which a DNA strand has been cut but has not yet been fragmented, and an apoptotic cell at a stage where DNA has been fragmented, Can be detected separately.

細胞画像解析装置の一態様である細胞画像解析装置の機能構成を表す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram showing the functional composition of the cell image analysis device which is one mode of the cell image analysis device. 閾値記憶部が記憶する細胞核用閾値と断片化細胞核用閾値との概略を表す概略図である。It is the schematic showing the outline of the threshold value for cell nuclei and the threshold value for fragmented cell nuclei which a threshold value memory | storage part memorize | stores. アポトーシスを起こしていない細胞核の画像の例を表す図である。It is a figure showing the example of the image of the cell nucleus which has not raise | generated apoptosis. アポトーシスを起こした細胞核の画像の例を表す図である。It is a figure showing the example of the image of the cell nucleus which raise | generated apoptosis. 細胞画像解析装置の動作例を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the operation example of a cell image analyzer. 断片化細胞核領域抽出処理における断片化細胞核領域抽出部の動作例を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the operation example of the fragmented cell nucleus area | region extraction part in a fragmented cell nucleus area | region extraction process. 細胞画像解析装置1aのうちの、領域決定部106aの結果の例を表す図である。It is a figure showing the example of the result of the area | region determination part 106a among the cell image analyzer 1a. 実施例1において、画像解析の結果を示した図である。In Example 1, it is the figure which showed the result of the image analysis. 実施例1において、スタウロスポリン濃度ごとの解析結果を示した図である。In Example 1, it is the figure which showed the analysis result for every staurosporine density | concentration.

本発明において、「DNAが断片化する」とは、染色体DNAが、ヌクレオソームと抜くレオソームの間で切断され、2以上のフラグメントに分解されることを意味する。
また、「DNA鎖が切断する」とは、染色体を構成する二本鎖DNAのうちの少なくとも一方の鎖の1箇所が切断されることを意味する。つまり、DNA鎖が切断されている細胞には、DNAが断片化されている細胞が含まれるが、単に染色体DNAに切断が生じており、フラグメントに分解されていない、すなわちDNAが断片化されていない細胞も含まれる。
また、「核が断片化する」とは、一の細胞由来の染色体DNAが2以上の凝集領域を形成している状態を意味する。この凝集領域は、二本鎖核染色剤により強く染色される。つまり、二本鎖核染色をした場合に、核領域内に強く染色される領域が2以上ある場合に、「核が断片化されている」という。
In the present invention, “DNA is fragmented” means that chromosomal DNA is cleaved between a nucleosome and a reosome to be extracted and decomposed into two or more fragments.
Further, “a DNA strand breaks” means that at least one strand of a double-stranded DNA constituting a chromosome is cut. In other words, cells in which the DNA strand is cleaved include cells in which DNA is fragmented, but chromosomal DNA is simply cleaved and not broken down into fragments, that is, the DNA is fragmented. Not including cells.
Further, “nucleus is fragmented” means a state in which chromosomal DNA derived from one cell forms two or more aggregated regions. This aggregated area is strongly stained with a double-stranded nuclear stain. That is, when double-stranded nuclear staining is performed, if there are two or more strongly stained regions in the nucleus region, it is said that the nucleus is fragmented.

<DNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法>
本発明のアポトーシス細胞の検出方法は、画像解析により、二本鎖核酸染色剤を用いた核染色(二本鎖核酸染色)とTUNEL染色とを併用することにより、DNA鎖に切断が生じているものの未だ断片化に至っていないステージ(以下、「DNA鎖切断ステージ」という。)のアポトーシス細胞と、DNA断片化がなされたステージ(以下、「DNA断片化ステージ」という。)のアポトーシス細胞とを区別して検出することを特徴とする。TUNEL染色により、DNA鎖に切断が生じているか否かを判別することができる。TUNEL染色陽性細胞(TUNEL染色された細胞)には、二本鎖DNAのうちの一本鎖にのみニックが入り、未だ断片化まで至っていない細胞(以下、「DNA鎖切断細胞」ということがある。)と、二本鎖DNAの両方の鎖が切断されて断片化された細胞(以下、「DNA断片化細胞」ということがある。)のいずれもが含まれる。一方で、二本鎖核酸染色剤を用いた核染色により、核の断片化が生じているか否かを判別することができるが、核が断片化された細胞(以下、「核断片化細胞」ということがある。)では、DNAも断片化されている。そこで、二本鎖核酸染色とTUNEL染色とを併用することにより、TUNEL染色陽性細胞のうち、核断片化細胞をDNA断片化細胞とし、核の断片化が観察されなかった細胞をDNA鎖切断細胞として区別して検出することができる。
<Method for detecting apoptotic cells fragmented with DNA>
In the method for detecting apoptotic cells of the present invention, DNA strands are cleaved by using nuclear staining (double-stranded nucleic acid staining) using a double-stranded nucleic acid stain and TUNEL staining by image analysis. An apoptotic cell at a stage that has not yet been fragmented (hereinafter referred to as “DNA strand break stage”) and an apoptotic cell at a stage where DNA fragmentation has been performed (hereinafter referred to as “DNA fragmentation stage”) is distinguished. It is detected separately. By TUNEL staining, it can be determined whether or not the DNA strand is cleaved. TUNEL staining positive cells (TUNEL-stained cells) are cells that are nicked only in one strand of double-stranded DNA and have not yet been fragmented (hereinafter referred to as “DNA strand-breaking cells”). )) And cells in which both strands of double-stranded DNA are cleaved and fragmented (hereinafter also referred to as “DNA fragmented cells”) are included. On the other hand, it is possible to determine whether or not nuclear fragmentation has occurred by nuclear staining using a double-stranded nucleic acid stain. However, cells in which the nucleus is fragmented (hereinafter referred to as “nuclear fragmented cells”). In some cases, DNA is also fragmented. Therefore, by combining double-stranded nucleic acid staining and TUNEL staining, among TUNEL staining positive cells, the nuclear fragmented cells are defined as DNA fragmented cells, and the cells in which no nuclear fragmentation has been observed are DNA strand cleaved cells. And can be detected separately.

本発明においては、二本鎖核酸染色及びTUNEL染色された細胞観察用容器中の細胞を、顕微鏡を用いて、個々の細胞ごとに核断片化の有無やTUNEL染色の有無を判別する。この際に、顕微鏡画像を取得して画像解析を行うことにより、顕微鏡下の目視観察を行う従来の方法よりも、簡便かつ迅速であり、判別時の操作負担を顕著に軽減することができる。   In the present invention, the presence or absence of nuclear fragmentation or the presence or absence of TUNEL staining is determined for each individual cell in a cell observation container that has been subjected to double-stranded nucleic acid staining and TUNEL staining using a microscope. At this time, by acquiring a microscope image and performing image analysis, it is simpler and quicker than the conventional method of performing visual observation under a microscope, and the operation burden at the time of discrimination can be significantly reduced.

本発明のアポトーシス細胞の検出方法は、具体的には、下記の工程(a)〜(e)を有することを特徴とする。
(a)細胞観察用容器に固定された1又は複数の細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色とを行う工程。
(b)前記工程(a)において染色された細胞を、顕微鏡を用いて撮像し、各細胞の二本鎖核酸染色画像及びTUNEL染色画像を取得する工程。
(c)前記工程(b)において取得された二本鎖核酸染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞の核が断片化されているか否かを判別する工程。
(d)前記工程(b)において取得されたTUNEL染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞のDNA鎖の切断が生じているか否かを判別する工程。
(e)前記工程(c)において核が断片化されていると判別された細胞であって、かつ、前記工程(d)においてDNA鎖の切断が生じていると判別された細胞を、DNAが断片化されている細胞として検出する工程。
以下、工程ごとに説明する。
Specifically, the method for detecting apoptotic cells of the present invention comprises the following steps (a) to (e).
(A) A step of performing nuclear staining using a fluorescent double-stranded nucleic acid stain and TUNEL staining for fluorescently labeling a DNA strand break site on one or a plurality of cells fixed in a cell observation container .
(B) A step of imaging the cells stained in the step (a) using a microscope and obtaining a double-stranded nucleic acid stained image and a TUNEL stained image of each cell.
(C) A step of determining whether or not the nucleus of the cell in the image is fragmented by analyzing the double-stranded nucleic acid stained image obtained in the step (b).
(D) A step of analyzing the TUNEL-stained image acquired in the step (b) to determine whether or not the DNA strand breakage of the cells in the image has occurred.
(E) a cell in which the nucleus has been determined to be fragmented in the step (c) and the DNA in which the DNA strand breakage has been determined in the step (d) Detecting as fragmented cells.
Hereinafter, it demonstrates for every process.

まず、工程(a)として、細胞観察用容器に固定された1又は複数の細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色とを行う。   First, as step (a), nuclear staining using a fluorescent double-stranded nucleic acid stain for one or a plurality of cells fixed in a cell observation container, and TUNEL that fluorescently labels a DNA strand break site And dyeing.

細胞観察用容器としては、一般的に細胞染色に用いられるものであれば、特に限定されるものではないが、スライドガラス又はマルチウェルプレートであることが好ましい。
スライドガラス又はマルチウェルプレートを用いて、イメージングサイトメータ等を用いることにより、多数の検体も迅速かつ簡便に処理することが可能となる。
The cell observation container is not particularly limited as long as it is generally used for cell staining, but it is preferably a slide glass or a multiwell plate.
By using an imaging cytometer or the like using a slide glass or a multi-well plate, a large number of specimens can be processed quickly and easily.

細胞観察用容器への細胞の固定方法は、特に限定されるものではなく、常法により行うことができる。例えば、自然乾燥させてもよく、ホルムアルデヒドやパラホルムアルデヒド、メタノール等の細胞固定架橋剤を呈することにより、細胞観察用容器へ細胞を固定することができる。固定処理後、細胞固定架橋剤を除去するため、PBS等で洗浄する。洗浄処理後、すぐに細胞染色を行わない場合は、細胞観察用容器をPBS等のバッファーを満たし、乾燥防止のフィルムを貼付して4℃で保存することもできる。また、検出用抗体と反応させる前に、細胞を固定した細胞観察用容器を、スキムミルク含有PBS等を用いてブロッキングすることも好ましい。   The method for fixing cells to the cell observation container is not particularly limited, and can be performed by a conventional method. For example, it may be naturally dried, and cells can be fixed to the cell observation container by presenting a cell-fixing cross-linking agent such as formaldehyde, paraformaldehyde, or methanol. After the fixing treatment, the cells are washed with PBS or the like to remove the cell fixing cross-linking agent. If cell staining is not performed immediately after the washing treatment, the cell observation container can be filled with a buffer such as PBS, and a dry prevention film can be attached and stored at 4 ° C. In addition, it is also preferable to block the cell observation container on which the cells are fixed with a skim milk-containing PBS or the like before reacting with the detection antibody.

二本鎖核酸染色やTUNEL染色は、当該技術分野において汎用されている細胞染色であり、常法により行うことができる。また、両染色を同時に行っても良く、別々に行っても良い。   Double-stranded nucleic acid staining and TUNEL staining are cell stains that are widely used in the art, and can be performed by conventional methods. Moreover, both dyeing | staining may be performed simultaneously and may be performed separately.

例えば、二本鎖核酸染色は、界面活性剤等による細胞膜透過処理を行った細胞を、二本鎖核酸染色剤溶液に一定時間浸漬させることによって行うことができる。
二本鎖核酸染色剤としては、二本鎖DNAを染色し得る蛍光物質からなる染色剤であれば特に限定されるものではなく、公知の蛍光性核染色剤の中から、適宜選択して用いることができる。本発明においては、インタカレーターであることが好ましい。公知の蛍光性の二本鎖核酸染色剤として、例えば、DAPI(4‘,6−diamino−2−phenylindole)、PI(propidium iodide)、Hoechst、DRAQ5(登録商標)(Biostatus社製)、Sytox(登録商標)(インビトロジェン社製)、YOYO(登録商標)(インビトロジェン社製)等が挙げられる。
For example, double-stranded nucleic acid staining can be performed by immersing cells that have been subjected to cell membrane permeabilization with a surfactant or the like in a double-stranded nucleic acid stain solution for a certain period of time.
The double-stranded nucleic acid stain is not particularly limited as long as it is a stain made of a fluorescent substance capable of staining double-stranded DNA, and is appropriately selected from known fluorescent nuclear stains. be able to. In the present invention, an intercalator is preferable. Known fluorescent double-stranded nucleic acid stains include, for example, DAPI (4 ′, 6-diamino-2-phenylindole), PI (propidium iodide), Hoechst, DRAQ5 (registered trademark) (manufactured by Biostatus), Sytox ( Registered trademark) (manufactured by Invitrogen), YOYO (registered trademark) (manufactured by Invitrogen), and the like.

一方、TUNEL染色では、まず、細胞膜透過処理を行った細胞を、ターミナルトランスフェラーゼと修飾dUTP(修飾物質により修飾されたdUTP)とを含む溶液に一定時間浸漬させることにより、DNA鎖の切断部位の3’−OH基に修飾dUTPを取り込ませる。修飾dUTPは、ターミナルトランスフェラーゼによりDNA鎖の切断部位に取り込まれるものであれば、特に限定されるものではなく、ヌクレオチドを検出するために一般的に用いられる修飾物質により修飾されたdUTPを用いることができる。このような修飾dUTPとして、例えば、BrdUTP(ブロモ化デオキシウリジン三リン酸)や、ビオチン−dUTP等のようなリガンドを修飾物質としたものが挙げられる。このようなリガンドとしては、通常ヌクレオチド等の標識に用いられるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ビオチン(biotin)、グルタチオン(Glutathione)、DNP(dinitorophenol)、ジゴキシゲニン(digoxigenin)、ジゴキシン(digoxin)、2以上の糖からなる糖鎖、6以上のアミノ酸からなるポリペプチド、オーキシン、ジベレリン、ステロイド、タンパク質、及びそれらの類縁体等がある。   On the other hand, in TUNEL staining, first, cells subjected to cell membrane permeabilization are immersed in a solution containing terminal transferase and modified dUTP (dUTP modified with a modifying substance) for a certain period of time, so that 3 'Incorporate modified dUTP into -OH group. The modified dUTP is not particularly limited as long as it is incorporated into the DNA strand cleavage site by terminal transferase, and dUTP modified with a modifying substance generally used for detecting nucleotides may be used. it can. Examples of such modified dUTP include those using a ligand such as BrdUTP (brominated deoxyuridine triphosphate) or biotin-dUTP as a modifying substance. Such a ligand is not particularly limited as long as it is usually used for labeling of nucleotides and the like. (digoxin) There are sugar chains composed of 2 or more sugars, polypeptides composed of 6 or more amino acids, auxins, gibberellins, steroids, proteins, and analogs thereof.

その後、この修飾物質を指標としてDNA鎖の切断部位を蛍光染色することができる。例えば、修飾dUTPとしてBrdUTPを用いた場合には、抗BrdUTP抗体を用いて免疫染色を行う。免疫染色としては、蛍光物質で標識された抗BrdUTP抗体を用いて染色する直接法であってもよく、蛍光物質で標識された二次抗体(抗BrdUTP抗体に対する抗体)を用いて染色する間接法であってもよい。抗体を標識する蛍光物質としては、一般的にタンパク質等の生体分子の標識に用いられる蛍光物質であれば、特に限定されるものではなく、公知の蛍光物質の中から適宜選択して用いることができる。該蛍光物質として、例えば、FITC(フルオレセインイソチオシアナート)、フルオレセイン、ローダミン(Rhodamin)、TAMRA、NBD、TMR(テトラメチルローダミン)等が挙げられる。   Thereafter, the DNA strand cleavage site can be fluorescently stained using this modifying substance as an index. For example, when BrdUTP is used as the modified dUTP, immunostaining is performed using an anti-BrdUTP antibody. The immunostaining may be a direct method of staining with an anti-BrdUTP antibody labeled with a fluorescent substance, or an indirect method of staining with a secondary antibody (antibody against an anti-BrdUTP antibody) labeled with a fluorescent substance. It may be. The fluorescent substance for labeling the antibody is not particularly limited as long as it is a fluorescent substance that is generally used for labeling biomolecules such as proteins, and may be appropriately selected from known fluorescent substances. it can. Examples of the fluorescent substance include FITC (fluorescein isothiocyanate), fluorescein, rhodamine, TAMRA, NBD, TMR (tetramethylrhodamine) and the like.

また、ビオチン−dUTP等のように、リガンドを修飾物質とした修飾dUTPを用いた場合には、当該リガンドと特異的に結合し得る受容体を蛍光物質で標識したものを用いて蛍光染色することができる。受容体としては、該リガンドの抗体や該リガンドの検出等に通常用いられている化合物等を用いることができ、例えば、リガンドがビオチンの場合にはアビジンやストレプトアビジンであり、リガンドがグルタチオンの場合にはGST(グルタチオン−S−トランスフェラーゼ)、リガンドがマルトース等のアミロースの場合にはMBP(マルトース結合タンパク質)等である。   In addition, when a modified dUTP having a ligand as a modifying substance, such as biotin-dUTP, is used, fluorescent staining is performed using a receptor labeled with a fluorescent substance that can specifically bind to the ligand. Can do. As the receptor, an antibody of the ligand, a compound usually used for detection of the ligand, and the like can be used. For example, when the ligand is biotin, it is avidin or streptavidin, and the ligand is glutathione. GST (glutathione-S-transferase), and MBP (maltose binding protein) when the ligand is amylose such as maltose.

本発明においては、工程(b)において二本鎖核酸染色画像とTUNEL染色画像とを区別して取得するため、TUNEL染色において、抗体や受容体の標識として用いられる蛍光物質は、二本鎖核酸染色剤と蛍光特性の異なる蛍光物質を用いる。なお、本発明において、蛍光特性が異なるとは、FITCとローダミンのように、励起光照射により発される蛍光の波長が、区別して検出し得るほど異なることを意味する。   In the present invention, since the double-stranded nucleic acid stained image and the TUNEL-stained image are separately obtained in the step (b), the fluorescent substance used as the antibody or receptor label in TUNEL staining is double-stranded nucleic acid stained. A fluorescent material having a fluorescent property different from that of the agent is used. In the present invention, the fact that the fluorescence characteristics are different means that the wavelengths of the fluorescence emitted by the excitation light irradiation are so different that they can be distinguished and detected, such as FITC and rhodamine.

次に、工程(b)として、染色された細胞を、顕微鏡を用いて撮像し、各細胞の二本鎖核酸染色画像及びTUNEL染色画像を取得する。染色画像は、共焦点レーザ顕微鏡等を用いて、染色において標識として用いた蛍光物質の蛍光特性に適した波長の励起光を細胞に照射し、該蛍光物質から発された蛍光を検出して撮像することにより取得することができる。二本鎖核酸染色画像とTUNEL染色画像とを、1ショット(1顕微鏡視野)ごとに別個に取得し、蓄積する。   Next, as a step (b), the stained cells are imaged using a microscope, and a double-stranded nucleic acid stained image and a TUNEL-stained image of each cell are obtained. Stained images are captured using a confocal laser microscope or the like by irradiating cells with excitation light having a wavelength suitable for the fluorescence characteristics of the fluorescent material used as a label in staining, and detecting the fluorescence emitted from the fluorescent material. Can be obtained. A double-stranded nucleic acid-stained image and a TUNEL-stained image are acquired separately for each shot (one microscope field) and accumulated.

次いで工程(c)において、取得された二本鎖核酸染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞の核が断片化されているか否かを判別する。断片化された核は、断片化されていない核よりも密度が高いため、二本鎖核酸染色剤により、より強く(濃く)染色される。ここで、染色画像においては、強く染色されている領域のほうが、弱く(薄く)染色される領域よりも画素(ピクセル)当たりの輝度(明るさの度合)が大きくなる。そこで、この輝度の相違を利用して、二本鎖核酸染色画像中の細胞を、核が断片化されているものとされていないものとに区別して検出することができる。加えて、同時に一細胞あたりの断片化された核の数も検出することができる。   Next, in step (c), by analyzing the obtained double-stranded nucleic acid stained image, it is determined whether or not the cell nucleus in the image is fragmented. Fragmented nuclei have a higher density than non-fragmented nuclei and are therefore more intensely (darker) stained with double-stranded nucleic acid stains. Here, in a stained image, a region that is strongly stained has higher luminance (degree of brightness) per pixel (pixel) than a region that is weakly (thinly) stained. Therefore, by utilizing this difference in brightness, cells in the double-stranded nucleic acid stained image can be detected separately from those in which the nucleus is not fragmented. In addition, the number of fragmented nuclei per cell can be detected at the same time.

具体的には、予め、二本鎖核酸染色画像中の核を認識するための細胞核用閾値及び細胞核用面積閾値、並びに断片化された核(以下、「断片化細胞核」ということがある)を認識するための断片化細胞核用閾値を設定しておき、二本鎖核酸染色画像から、各画素が細胞核用閾値以上の輝度の値(以下、「輝度値」という。)を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する。なお、ここでいう面積とは、領域の正確な面積の数値のみならず、領域に含まれる画素の数を意味しても良い。
さらに、抽出された細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する。細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が2個以上である場合に、当該細胞核領域を含む細胞の核は断片化されており、当該細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が1個又は0個である場合には、当該細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていない、と判別する。
Specifically, a cell nucleus threshold and a cell nucleus area threshold for recognizing nuclei in a double-stranded nucleic acid staining image, and fragmented nuclei (hereinafter sometimes referred to as “fragmented cell nuclei”) are used. A threshold for fragmented cell nuclei for recognition is set, and cell nuclei in a region where each pixel has a luminance value (hereinafter referred to as “luminance value”) greater than or equal to the threshold for cell nuclei from a double-stranded nucleic acid stained image. A region having an area equal to or larger than the use area threshold is extracted as a cell nucleus region. In addition, the area here may mean not only the numerical value of the accurate area of the region but also the number of pixels included in the region.
Furthermore, from the extracted cell nucleus region, a region having a luminance value equal to or higher than the threshold for fragmented cell nuclei is extracted as a fragmented cell nucleus region. When there are two or more fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region, the nucleus of the cell containing the cell nucleus region is fragmented, and one or 0 fragmented cell nucleus regions are extracted from the cell nucleus region. In the case of individual cells, it is determined that the cell nucleus including the cell nucleus region is not fragmented.

ここで、細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及び断片化細胞核用閾値は、解析する対象の細胞の種類、用いる二本鎖核酸染色剤の種類等を考慮して適宜設定されるものである。例えば、解析対象の細胞と同種の細胞を予め二本鎖核酸染色剤を用いて染色し、染色画像を取得した後、当該染色画像から核領域の輝度値や面積値を測定し、得られた測定値に基づいて設定することができる。同様に、断片化細胞核用閾値は、解析対象の細胞と同種の細胞であって、アポトーシス誘導剤処理等によりアポトーシスを起こした細胞の染色画像を取得した後、当該染色画像から核が断片化されている領域の輝度値を測定し、得られた測定値に基づいて設定することができる。   Here, the cell nucleus threshold, the cell nucleus area threshold, and the fragmented cell nucleus threshold are appropriately set in consideration of the type of cell to be analyzed, the type of double-stranded nucleic acid stain to be used, and the like. For example, the same type of cells as the analysis target cells were previously stained with a double-stranded nucleic acid stain, and after obtaining a stained image, the luminance value and area value of the nuclear region were measured from the stained image, and obtained. It can be set based on the measured value. Similarly, the threshold for fragmented cell nuclei is the same type of cell as the analysis target cell, and after obtaining a stained image of cells that have undergone apoptosis due to treatment with an apoptosis inducer, the nucleus is fragmented from the stained image. The luminance value of the area being measured can be measured and set based on the obtained measurement value.

また、抽出された全ての細胞核領域に対して、断片化細胞核領域の抽出を行ってもよいが、細胞核領域の面積値と他の形状の記述ファクターとにより抽出対象とする細胞核領域の集団を特定してもよい。このように、他の形状の記述ファクターを用いることにより、抽出対象からデブリスを排除することができる。形状の記述ファクターとしては、例えば、サーキュラリティーファクター、円周ペリメータ、MAXフェレット、エロンゲーションファクター等がある。   In addition, the fragmented cell nucleus region may be extracted from all the extracted cell nucleus regions, but the group of cell nucleus regions to be extracted is specified by the area value of the cell nucleus region and other shape description factors. May be. In this way, debris can be excluded from the extraction target by using description factors of other shapes. Examples of the shape description factor include a circularity factor, a circumferential perimeter, a MAX ferret, and an elongation factor.

さらに工程(d)として、取得されたTUNEL染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞のDNA鎖の切断が生じているか否かを判別する。TUNEL染色陽性細胞(TUNEL染色により染色された細胞)はDNA鎖が切断されており、TUNEL染色陰性細胞はDNA鎖が切断されていない。本発明においては、核におけるTUNEL染色の蛍光強度が予め設定された閾値以上である場合に、当該核を含む細胞はTUNEL染色陽性細胞であるとする。   Further, as a step (d), by analyzing the acquired TUNEL-stained image, it is determined whether or not the DNA strand of the cell in the image has been broken. TUNEL staining positive cells (cells stained by TUNEL staining) have a cleaved DNA strand, while TUNEL staining negative cells do not have a cleaved DNA strand. In the present invention, when the fluorescence intensity of TUNEL staining in the nucleus is greater than or equal to a preset threshold value, the cell containing the nucleus is assumed to be a TUNEL staining positive cell.

具体的には、予め、TUNEL染色用閾値を設定しておき、TUNEL染色画像中の細各胞核領域(二本鎖核酸染色画像から抽出された各細胞核領域に相当する領域)に対して、それぞれ、当該領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定する。輝度値の統計値とは、細胞核領域に含まれる全画素の輝度値の合計値であってもよく、1画素当たりの平均値であってもよい。測定された統計値が、TUNEL染色用閾値以上である場合に、当該細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、当該測定量がTUNEL染色用閾値未満である場合に、当該細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていない、と判別する。   Specifically, a threshold for TUNEL staining is set in advance, and for each cell nucleus region (region corresponding to each cell nucleus region extracted from the double-stranded nucleic acid staining image) in the TUNEL staining image, The statistical value of the luminance value of the pixel included in the area is measured. The statistical value of the luminance value may be a total value of the luminance values of all the pixels included in the cell nucleus region, or may be an average value per pixel. When the measured statistical value is equal to or greater than the threshold for TUNEL staining, the cell containing the cell nucleus region has undergone DNA strand breakage, and when the measured amount is less than the threshold for TUNEL staining, the cell nucleus region It is determined that the DNA chain is not broken.

ここで、TUNEL染色用閾値は、TUNEL染色に用いる蛍光物質の種類や解析する対象の細胞の種類等を考慮して、適宜設定することができる。例えば、TUNEL染色画像中の細胞が存在していない領域の輝度値(バックグラウンド)の統計値をTUNEL染色用閾値としてもよく、アポトーシスが起こっていない細胞をTUNEL染色して染色画像を取得後、当該染色画像から細胞内外の適当な領域の輝度値を測定し、得られた測定値の統計値に基づいて設定してもよい。   Here, the threshold for TUNEL staining can be appropriately set in consideration of the type of fluorescent material used for TUNEL staining, the type of target cell to be analyzed, and the like. For example, the statistical value of the luminance value (background) of the area where no cells exist in the TUNEL-stained image may be used as the threshold for TUNEL staining. The brightness value of an appropriate region inside and outside the cell may be measured from the stained image, and may be set based on the statistical value of the obtained measurement value.

また、断片化細胞核領域の抽出と同様に、工程(c)において抽出された全ての細胞核領域に対して、TUNEL染色陽性か陰性かを判断してもよく、特定の集団に含まれるものに対してのみ行っても良い。   Similarly to the extraction of the fragmented cell nucleus region, it may be determined whether all of the cell nucleus regions extracted in step (c) are positive or negative for TUNEL staining. You may go only.

その後、工程(e)において、工程(c)において核が断片化されていると判別された細胞であって、かつ、工程(d)においてDNA鎖の切断が生じていると判別された細胞を、DNAが断片化されている細胞として検出することにより、DNAが断片化されたアポトーシス細胞を検出することができる。   Thereafter, in step (e), cells that have been determined that the nucleus has been fragmented in step (c) and that have been determined that DNA strand breakage has occurred in step (d) By detecting the DNA as a fragmented cell, an apoptotic cell in which the DNA is fragmented can be detected.

理論上は、工程(c)において核が断片化されていると判別された細胞の中には、正常細胞であって、細胞周期のM(mitosis)期の細胞も含まれる。特に、倍加した娘染色体が紡錘体に引っ張られてそれぞれ極方向へ移動した後、細胞質分裂前の細胞(M期の後期〜終期の細胞)は、1細胞当たりの断片化細胞核領域が2個抽出されるためである。一方で、これらのM期の細胞は、TUNEL染色陰性であり、工程(d)においてDNA鎖の切断が生じていないと判断される。つまり、本発明のように、核の断片化の有無とTUNEL染色の有無(DNA鎖の切断の有無)とを併用して評価することにより、DNAが断片化されたアポトーシス細胞を精度よく検出することができる。   Theoretically, the cells in which the nucleus is determined to be fragmented in step (c) include normal cells and cells in the M (mitosis) phase of the cell cycle. In particular, after the doubling daughter chromosomes are pulled by the spindle and each move in the polar direction, cells before cytokinesis (late M phase cells to late cells) extract two fragmented cell nucleus regions per cell. It is to be done. On the other hand, these M-phase cells are negative for TUNEL staining, and it is determined that DNA strand breakage has not occurred in step (d). That is, as in the present invention, the presence or absence of nuclear fragmentation and the presence or absence of TUNEL staining (presence or absence of DNA strand breaks) are evaluated in combination to accurately detect apoptotic cells in which DNA has been fragmented. be able to.

また、1細胞当たりの断片化細胞核領域が2個抽出された細胞に関しては、個々の細胞ごとに二本鎖核酸染色画像を呼び出し、目視で確認することにより、当該細胞がM期の正常細胞なのか、それともアポトーシス細胞であるのかを、さらに正確に判断することができる。その他、アポトーシスを起こしていないことが明らかである細胞(例えば、アポトーシス誘導剤等の刺激を加えていない細胞等)をネガティブコントロールとして用いることによっても、正常細胞とアポトーシス細胞とをより正確に識別することが可能となる。   In addition, for cells from which two fragmented cell nucleus regions per cell have been extracted, a double-stranded nucleic acid staining image is called for each individual cell and visually confirmed, so that the cell is a normal cell in the M phase. It is possible to more accurately determine whether the cell is an apoptotic cell. In addition, normal cells and apoptotic cells can be more accurately distinguished by using as a negative control a cell that is clearly not undergoing apoptosis (for example, a cell that has not been stimulated with an apoptosis inducer, etc.). It becomes possible.

DNAの断片化は、アポトーシスの中期から後期にかけて観察される形態変化である。そこで、本発明の検出方法により検出されたDNAが断片化された細胞は、中期又は後期のアポトーシス細胞であると評価することができる。
このため、発明のアポトーシス細胞の検出方法を用いることにより、ある試験化合物で細胞を処理した場合のアポトーシスに対する影響を評価することも可能であり、よって、アポトーシスの誘導剤や抑制(阻害)剤等のスクリーニングを効率よく行うことができる。また、試験化合物の毒性試験にも応用することができる。
DNA fragmentation is a morphological change observed from the mid to late stages of apoptosis. Therefore, the cells in which the DNA detected by the detection method of the present invention is fragmented can be evaluated as apoptotic cells in the middle stage or late stage.
For this reason, by using the method for detecting apoptotic cells of the invention, it is also possible to evaluate the effect on apoptosis when cells are treated with a certain test compound. Therefore, an inducer or inhibitor (inhibitor) of apoptosis, etc. Screening can be performed efficiently. It can also be applied to toxicity tests of test compounds.

その他、本発明の検出方法には、カスパーゼやBcl−2ファミリータンパク質等のアポトーシスシグナルに関与しているとされる生体分子の免疫染色を組み合わせてもよい。なお、これらの生体分子の免疫染色は、細胞観察用容器に固定された細胞に対して、TUNEL染色と別個に行ってもよいが、同時に行うこともできる。
例えば、活性型カスペース3に対する特異的抗体を用いて免疫染色を行った場合、染色された細胞(陽性細胞)はアポトーシス細胞であると判別することができる。このように、アポトーシスシグナルに関連する生体分子の免疫染色を組み合わせることにより、より精確にアポトーシス細胞を検出することができる。
In addition, the detection method of the present invention may be combined with immunostaining of biomolecules that are involved in apoptosis signals such as caspases and Bcl-2 family proteins. In addition, although immunostaining of these biomolecules may be performed separately from the TUNEL staining on the cells fixed in the cell observation container, it can also be performed simultaneously.
For example, when immunostaining is performed using a specific antibody against active caspase 3, the stained cells (positive cells) can be determined to be apoptotic cells. Thus, apoptotic cells can be detected more accurately by combining immunostaining of biomolecules related to apoptotic signals.

<細胞画像解析装置>
工程(c)、(d)、及び(e)は、これらの工程を実現可能な一の画像解析装置を用いて解析することができる。
図1は、このような細胞画像解析装置の一実施形態である細胞画像解析装置1の機能構成を表す概略ブロック図である。細胞画像解析装置1は、画像入力部101、閾値記憶部102、細胞核領域抽出部103、断片化細胞核領域抽出部104a、断片化細胞核判別部111、TUNEL染色輝度値測定部112、DNA鎖切断判別部113、解析部114、及び解析結果出力部107を備える。細胞画像解析装置1aは、パーソナルコンピューターやワークステーション等の情報処理装置を用いて構成されても良いし、顕微鏡などに組み込まれた専用装置として構成されても良い。
<Cell image analyzer>
Steps (c), (d), and (e) can be analyzed using one image analysis apparatus that can realize these steps.
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a functional configuration of a cell image analysis apparatus 1 which is an embodiment of such a cell image analysis apparatus. The cell image analysis apparatus 1 includes an image input unit 101, a threshold storage unit 102, a cell nucleus region extraction unit 103, a fragmented cell nucleus region extraction unit 104a, a fragmented cell nucleus discrimination unit 111, a TUNEL staining luminance value measurement unit 112, and a DNA strand break discrimination. Unit 113, analysis unit 114, and analysis result output unit 107. The cell image analysis apparatus 1a may be configured using an information processing apparatus such as a personal computer or a workstation, or may be configured as a dedicated apparatus incorporated in a microscope or the like.

画像入力部101は、蛍光物質で染色された細胞が顕微鏡にて撮像された細胞画像(二本鎖核酸染色画像及びTUNEL染色画像)のデジタルデータを細胞画像解析装置1aに入力する。なお、二本鎖核酸染色画像とTUNEL染色画像は、同一視野の細胞を撮像した画像である。   The image input unit 101 inputs digital data of cell images (double-stranded nucleic acid stained image and TUNEL stained image) obtained by imaging cells stained with a fluorescent substance with a microscope to the cell image analysis apparatus 1a. The double-stranded nucleic acid stained image and the TUNEL stained image are images obtained by imaging cells in the same visual field.

閾値記憶部102は、細胞核領域抽出部103、断片化細胞核領域抽出部104a、及びDNA鎖切断判別部113の処理で用いられる細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する。   The threshold value storage unit 102 is a cell nucleus threshold value, a fragmented cell nucleus threshold value, a cell nucleus area threshold value, and a TUNEL staining used in the processing of the cell nucleus region extraction unit 103, the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a, and the DNA strand breakage determination unit 113. The threshold value is stored in advance.

細胞核領域抽出部103は、入力された二本鎖核酸染色画像から、細胞核用閾値及び細胞核用面積閾値に基づいて細胞核領域を抽出し、細胞核領域の位置と範囲を表す情報を取得する。なお、ここでいう面積とは、領域の正確な面積の数値のみならず、領域に含まれる画素の数を意味しても良い。   The cell nucleus region extraction unit 103 extracts a cell nucleus region from the input double-stranded nucleic acid staining image based on the cell nucleus threshold and the cell nucleus area threshold, and acquires information representing the position and range of the cell nucleus region. In addition, the area here may mean not only the numerical value of the accurate area of the region but also the number of pixels included in the region.

断片化細胞核領域抽出部104aは、入力された二本鎖核酸染色画像の細胞核領域から断片化細胞核用閾値に基づいて断片化細胞核領域を抽出し、断片化細胞核領域の位置と範囲を表す情報を取得する。   The fragmented cell nucleus region extraction unit 104a extracts the fragmented cell nucleus region from the cell nucleus region of the input double-stranded nucleic acid staining image based on the fragmented cell nucleus threshold, and displays information indicating the position and range of the fragmented cell nucleus region. get.

具体的には、断片化細胞核領域抽出部104aは、候補領域抽出部105a、領域決定部106aを備える。候補領域抽出部105aは、細胞核領域の内側から、断片化細胞核用閾値以上の輝度の値(輝度値)を持つ領域を候補領域として抽出する。領域決定部106aは、候補領域の各画素の輝度値の傾きに基づいた境界線検出処理を行うことによって境界線を検出し、検出された境界線によって囲まれる領域を断片化細胞核領域として抽出する。なお、ここでいう輝度とは、例えば濃淡画像においては濃淡を表す値であり、画像中の各ピクセル(画素)の明るさを表す値である。   Specifically, the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a includes a candidate region extraction unit 105a and a region determination unit 106a. The candidate area extraction unit 105a extracts an area having a luminance value (brightness value) equal to or higher than the fragmented cell nucleus threshold value from the inside of the cell nucleus area as a candidate area. The region determination unit 106a detects a boundary line by performing a boundary line detection process based on the gradient of the luminance value of each pixel in the candidate region, and extracts a region surrounded by the detected boundary line as a fragmented cell nucleus region. . Note that the luminance here is a value representing light and shade in a light and shade image, for example, and is a value representing the brightness of each pixel (pixel) in the image.

断片化細胞核判別部111は、断片化細胞核領域抽出部104aの結果に基づき、細胞核領域抽出部103で抽出された細胞核領域において核の断片化の有無を判別する。具体的には、前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する。   The fragmented cell nucleus discriminating unit 111 discriminates the presence or absence of nuclear fragmentation in the cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extracting unit 103 based on the result of the fragmented cell nucleus region extracting unit 104a. Specifically, when the number of fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region is 2 or more, the nucleus of the cell containing the cell nucleus region is fragmented, and when the number is 1 or 0, It is determined that the cell nucleus including the cell nucleus region is not fragmented.

TUNEL染色輝度値測定部112は、入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域(以下、単に「TUNEL染色画像の細胞核領域」ということがある。)に含まれる画素の輝度値の統計値を測定する。輝度値の統計値とは、細胞核領域に含まれる全画素の輝度値の合計値であってもよく、1画素当たりの平均値であってもよい。   The TUNEL staining luminance value measurement unit 112 may be referred to as a region corresponding to the cell nucleus region extracted in the double-stranded nucleic acid staining image of the input TUNEL staining image (hereinafter simply referred to as “cell nucleus region of the TUNEL staining image”). )) To measure the statistical value of the luminance value of the pixels included. The statistical value of the luminance value may be a total value of the luminance values of all the pixels included in the cell nucleus region, or may be an average value per pixel.

DNA鎖切断判別部113は、TUNEL染色輝度値測定部112の結果及びTUNEL染色用閾値に基づき、細胞核領域抽出部103で抽出された細胞核領域においてDNA鎖切断の有無を判別する。具体的には、TUNEL染色輝度値測定部112により得られた前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別する。   The DNA strand break discriminating unit 113 discriminates the presence or absence of DNA strand breaks in the cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extracting unit 103 based on the result of the TUNEL staining luminance value measuring unit 112 and the threshold for TUNEL staining. Specifically, when the statistical value obtained by the TUNEL staining luminance value measuring unit 112 is equal to or greater than the TUNEL staining threshold, the cell including the cell nucleus region has undergone DNA strand breakage, and the TUNEL staining If it is less than the threshold value for use, it is determined that the cell containing the cell nucleus region has not undergone DNA strand breakage.

解析部114は、断片化細胞核判別部111及びDNA鎖切断判別部113の結果に基づき、細胞核領域抽出部103で抽出された細胞核領域を含む細胞が、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であるか否かを解析する。具体的には、断片化細胞核判別部111において核が断片化されていると判定され、かつ、DNA鎖切断判別部113においてDNA鎖の切断が生じていると判定された細胞を、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であると解析する。   Based on the results of the fragmented cell nucleus discriminating unit 111 and the DNA strand break discriminating unit 113, the analyzing unit 114 determines whether the cell containing the cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extracting unit 103 is an apoptotic cell in which DNA is fragmented. Analyze whether or not. Specifically, the fragmented cell nucleus discriminating unit 111 determines that the nucleus has been fragmented, and the DNA strand breakage discriminating unit 113 determines that the DNA strand break has occurred. It is analyzed that the cells are apoptotic cells.

解析結果出力部107は、細胞核領域及び断片化細胞核領域それぞれの位置と範囲を表す情報に基づいて、解析結果を生成し出力する。解析結果出力部107は、解析結果を画像出力装置に文字又はグラフなどの図形として表示させることによって出力しても良いし、プリンターに印字させることによって出力しても良い。解析結果出力部107が出力する解析結果は、例えば以下の項目である。
・細胞核領域の数
・断片化細胞核領域の数
・内部から断片化細胞核領域が抽出されなかった細胞核領域の数
・内部から断片化細胞核領域が抽出された細胞核領域の数
・細胞核領域の面積の総和
・断片化細胞核領域の面積の総和
・細胞核領域の面積の総和と断片化細胞核領域の面積の総和との比
・二本鎖核酸染色画像における細胞核領域の輝度値の平均値と断片化細胞核領域の輝度値の平均値との比
・TUNEL染色画像における細胞核領域の輝度値の平均値
・TUNEL染色画像における細胞核領域の輝度値の合計値
・各細胞核領域の核の断片化の有無
・各細胞核領域のDNA鎖の切断の有無
・DNA鎖が切断されていると判別された細胞核領域の数
・DNA鎖が切断されていないと判別された細胞核領域の数
・核が断片化されており、かつDNA鎖が切断されていると判別された細胞核領域の数
・核が断片化されており、かつDNA鎖が切断されていないと判別された細胞核領域の数
・核が断片化されておらず、かつDNA鎖が切断されていると判別された細胞核領域の数
・核が断片化されておらず、かつDNA鎖が切断されていないと判別された細胞核領域の数
The analysis result output unit 107 generates and outputs an analysis result based on information representing the positions and ranges of the cell nucleus region and the fragmented cell nucleus region. The analysis result output unit 107 may output the analysis result by causing the image output apparatus to display it as a graphic such as a character or a graph, or may output the analysis result by printing it on a printer. The analysis results output by the analysis result output unit 107 are, for example, the following items.
-Number of cell nucleus regions-Number of fragmented cell nucleus regions-Number of cell nucleus regions from which fragmented cell nucleus regions were not extracted from inside-Number of cell nucleus regions from which fragmented cell nucleus regions were extracted from inside-Total area of cell nucleus regions・ Total area of fragmented cell nucleus area ・ Ratio of total area of cell nucleus area and total area of fragmented cell nucleus area ・ Average brightness value of cell nucleus area and fragmented cell nucleus area in double-stranded nucleic acid stained image Ratio of average brightness value ・ Average brightness value of cell nucleus area in TUNEL-stained image ・ Total brightness value of cell nucleus area in TUNEL-stained image ・ Presence / absence of fragmentation of nucleus in each nucleus area ・ Each cell nucleus area The presence or absence of DNA strand breaks, the number of cell nucleus regions determined to be broken, the number of cell nucleus regions determined not to be broken, the nucleus being fragmented, and The number / nucleus of cell nucleus regions determined to be NA chain cleaved are fragmented, and the number of cell nucleus regions determined to be DNA chain not cleaved are not fragmented, And the number of cell nucleus regions determined to have a DNA strand cleaved, the number of cell nucleus regions that have been determined that the nucleus is not fragmented and the DNA strand is not cleaved

図2は、閾値記憶部102が記憶する細胞核用閾値と断片化細胞核用閾値との概略を表す概略図である。図2のグラフは、予め実験によって得られた二本鎖核酸染色画像においてy軸の値を所定値に固定したときのx軸方向の輝度値の変化を表す。図2において、A1〜A3の各領域の境界となるx座標の値は、設計者や実験者によって設定される値である。A1の領域は、細胞核領域及び断片化細胞核領域のいずれにも該当しない領域である。二本鎖核酸染色画像では、細胞核を選択的に染色する蛍光物質を用いて細胞核の染色が行われるため、A1のように細胞核及び断片化細胞核が存在していない領域は輝度値が低い画素によって占められる。A2の領域は、断片化細胞核が存在していない細胞核領域である。A3の領域は、断片化細胞核が存在している領域である。二本鎖核酸染色画像では、細胞核の密度が高い領域ほど輝度値が高くなるため、断片化細胞核が存在する領域は、断片化細胞核が存在していない細胞核領域よりも輝度値が高い。   FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the outline of the threshold for cell nuclei and the threshold for fragmented cell nuclei stored in the threshold storage unit 102. The graph of FIG. 2 represents a change in luminance value in the x-axis direction when the y-axis value is fixed to a predetermined value in a double-stranded nucleic acid stained image obtained in advance by experiments. In FIG. 2, the value of the x coordinate that becomes the boundary between the areas A1 to A3 is a value set by a designer or an experimenter. The region A1 is a region that does not correspond to either the cell nucleus region or the fragmented cell nucleus region. In the double-stranded nucleic acid stained image, since the cell nucleus is stained using a fluorescent substance that selectively stains the cell nucleus, the area where the cell nucleus and the fragmented cell nucleus do not exist, such as A1, is represented by a pixel having a low luminance value. Occupied. The region A2 is a cell nucleus region in which no fragmented cell nucleus exists. The region A3 is a region where fragmented cell nuclei are present. In a double-stranded nucleic acid-stained image, since the luminance value increases as the density of cell nuclei increases, the region where fragmented cell nuclei exist has a higher luminance value than the cell nucleus region where no fragmented cell nuclei exist.

このような実験結果に基づいて、細胞核用閾値及び断片化細胞核用閾値の値が設定される。則ち、領域A1と領域A2との境界となる画素における輝度値が細胞核用閾値として設定され、領域A2と領域A3との境界となる画素における輝度値が断片化細胞核用閾値として設定される。このとき、断片化細胞核用閾値の値は細胞核用閾値よりも大きい値として設定される。実際には、細胞核用閾値及び断片化細胞核用閾値の二つの値は、予め複数の実験を行い細胞核領域と断片化細胞核が存在する領域の輝度値の統計をとることによって、実験環境に応じて最適に決定される。   Based on such experimental results, the values for the cell nucleus threshold and the fragmented cell nucleus threshold are set. That is, the luminance value at the pixel that becomes the boundary between the region A1 and the region A2 is set as the threshold value for the cell nucleus, and the luminance value at the pixel that becomes the boundary between the region A2 and the region A3 is set as the threshold value for the fragmented cell nucleus. At this time, the fragmented cell nucleus threshold value is set to a value larger than the cell nucleus threshold value. Actually, the two values of the threshold for the cell nucleus and the threshold for the fragmented cell nucleus are determined according to the experimental environment by performing a plurality of experiments in advance and taking statistics of the luminance values of the cell nucleus region and the region where the fragmented cell nucleus exists. Determined optimally.

図3(a)は、アポトーシスを起こしていない細胞核の画像の例を表す図である。図3(b)は、細胞核領域抽出部103によって抽出された細胞核領域の例を表す図である。
図3(b)において、符号Xで表される破線で囲まれた領域が、細胞核領域抽出部103によって抽出された細胞核領域を表す。なお、図3を含む本願図面では、図面作成の都合により輝度値が低いほど白く表し、輝度値が高いほど黒く表す。
FIG. 3A is a diagram illustrating an example of an image of a cell nucleus in which apoptosis has not occurred. FIG. 3B is a diagram illustrating an example of a cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extraction unit 103.
In FIG. 3B, a region surrounded by a broken line represented by a symbol X represents a cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extraction unit 103. In the drawings of the present application including FIG. 3, the lower the luminance value is, the more white the color is, and the higher the luminance value is, the black, the color is for convenience of drawing.

図4(a)は、アポトーシスを起こした細胞核の画像の例を表す図である。図4(a)に表されるように、アポトーシスを起こした細胞核の画像には、細胞核の内側に複数の断片化細胞核が存在する。図4(b)は、細胞核領域抽出部103によって抽出された細胞核領域及び断片化細胞核領域抽出部104aによって抽出された断片化細胞核領域の例を表す図である。図4(b)において、符号Xで表される破線で囲まれた領域が、細胞核領域抽出部103によって抽出された細胞核領域を表す。また、図4(b)において、符号Yで表される実線で囲まれた領域が、断片化細胞核領域抽出部104aによって抽出された断片化細胞核領域を表す。   FIG. 4A is a diagram illustrating an example of an image of a cell nucleus in which apoptosis has occurred. As shown in FIG. 4A, in the image of the cell nucleus in which apoptosis occurs, a plurality of fragmented cell nuclei exist inside the cell nucleus. FIG. 4B is a diagram illustrating an example of a cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extraction unit 103 and a fragmented cell nucleus region extracted by the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a. In FIG. 4B, a region surrounded by a broken line represented by a symbol X represents a cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extraction unit 103. In FIG. 4B, a region surrounded by a solid line represented by a symbol Y represents a fragmented cell nucleus region extracted by the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a.

図5は、細胞画像解析装置1aの動作例を表すフローチャートである。以下、図5を用いて細胞画像解析装置1aの動作例について説明する。まず、画像入力部101が細胞画像(二本鎖核酸染色画像及びTUNEL染色画像)のデジタルデータを細胞画像解析装置1aに入力する(ステップS101)。次に、細胞核領域抽出部103が、閾値記憶部102に記憶される細胞核用閾値を読み出し、二本鎖核酸染色画像から細胞核用閾値以上の輝度値を持つ領域を全て抽出する(ステップS102)。次に、細胞核領域抽出部103が、閾値記憶部102に記憶される細胞核用面積閾値を読み出し、ステップS102において抽出された領域のうち、その面積が細胞核用面積閾値以上の領域を、細胞核領域として全て抽出する(ステップS103)。   FIG. 5 is a flowchart showing an operation example of the cell image analysis apparatus 1a. Hereinafter, an operation example of the cell image analysis apparatus 1a will be described with reference to FIG. First, the image input unit 101 inputs digital data of a cell image (double-stranded nucleic acid stained image and TUNEL stained image) to the cell image analysis apparatus 1a (step S101). Next, the cell nucleus region extraction unit 103 reads the cell nucleus threshold stored in the threshold storage unit 102, and extracts all regions having a luminance value equal to or higher than the cell nucleus threshold from the double-stranded nucleic acid stained image (step S102). Next, the cell nucleus region extraction unit 103 reads the cell nucleus area threshold value stored in the threshold value storage unit 102, and among the regions extracted in step S102, the region whose area is equal to or greater than the cell nucleus area threshold value is defined as a cell nucleus region. All are extracted (step S103).

次に、断片化細胞核領域抽出部104aが断片化細胞核領域抽出処理を実行する(ステップS104)。図6は、断片化細胞核領域抽出処理における断片化細胞核領域抽出部104aの動作例を表すフローチャートである。まず、候補領域抽出部105aが、閾値記憶部102に記憶される断片化細胞核用閾値を読み出し、ステップS103において抽出された各細胞核領域の内側から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を持つ領域を候補領域として全て抽出する(ステップS201)。   Next, the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a executes a fragmented cell nucleus region extraction process (step S104). FIG. 6 is a flowchart showing an operation example of the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a in the fragmented cell nucleus region extraction process. First, the candidate region extraction unit 105a reads the fragmented cell nucleus threshold stored in the threshold storage unit 102, and has a luminance value equal to or greater than the fragmented cell nucleus threshold from the inside of each cell nucleus region extracted in step S103. Are extracted as candidate regions (step S201).

次に、領域決定部106aが、各候補領域の各画素の輝度値の傾きに基づいた境界線抽出処理を行うことによって全ての境界線を抽出する(ステップS202)。ステップS202における境界線抽出処理は、従来の画像処理技術における境界線抽出処理(境界線検出処理)を適用して実現される。例えば、領域決定部106aは、候補領域の各画素において輝度値に関する微分値を算出し、微分値が局所的に極大となる画素を連続的に繋ぎ合わせることによって境界線を抽出する。   Next, the region determination unit 106a extracts all boundary lines by performing boundary line extraction processing based on the gradient of the luminance value of each pixel in each candidate region (step S202). The boundary line extraction process in step S202 is realized by applying the boundary line extraction process (boundary line detection process) in the conventional image processing technique. For example, the region determination unit 106a calculates a differential value related to the luminance value in each pixel of the candidate region, and extracts a boundary line by continuously connecting pixels whose differential values are locally maximum.

次に、領域決定部106aが、抽出された各境界線によって囲まれる各領域をそれぞれ断片化細胞核領域として抽出し(ステップS203)、断片化細胞核領域抽出処理を終了する。   Next, the region determination unit 106a extracts each region surrounded by each extracted boundary line as a fragmented cell nucleus region (step S203), and ends the fragmented cell nucleus region extraction process.

図5に戻って説明を続ける。断片化細胞核領域抽出処理が終了すると、断片化細胞核判別部111が、断片化細胞核領域抽出部104aの抽出結果に基づいて、ステップS103において抽出された各細胞核領域において、核が断片化されているか否かを判別する(ステップS105)。   Returning to FIG. When the fragmented cell nucleus region extraction process is completed, the fragmented cell nucleus discriminating unit 111 determines whether the nucleus is fragmented in each cell nucleus region extracted in step S103 based on the extraction result of the fragmented cell nucleus region extracting unit 104a. It is determined whether or not (step S105).

次に、TUNEL染色輝度値測定部112が、TUNEL染色画像のから、ステップS103において抽出された各細胞核領域に含まれる全画素の輝度値を測定し、測定された輝度値から細胞核領域ごとの統計値を算出する(ステップS106)。   Next, the TUNEL staining luminance value measuring unit 112 measures the luminance values of all the pixels included in each cell nucleus region extracted in step S103 from the TUNEL staining image, and the statistics for each cell nucleus region are measured from the measured luminance values. A value is calculated (step S106).

次に、DNA鎖切断判別部113が、閾値記憶部102に記憶されるTUNEL染色用閾値を読み出し、TUNEL染色輝度値測定部112の測定結果に基づき、ステップS103において抽出された各細胞核領域において、DNA鎖が切断されているか否かを判別する(ステップS107)。   Next, the DNA strand break discriminating unit 113 reads the TUNEL staining threshold stored in the threshold storage unit 102, and in each cell nucleus region extracted in step S103 based on the measurement result of the TUNEL staining luminance value measuring unit 112, It is determined whether or not the DNA strand is cleaved (step S107).

なお、ステップS104〜S107は、ステップ105の前にS104が行われており、かつ、ステップ107の前にS105が行われている限り、どのような順番で行ってもよい。例えば、ステップS106及びS107を行った後に、ステップS104及びS105を行ってもよい。   Note that steps S104 to S107 may be performed in any order as long as S104 is performed before step 105 and S105 is performed before step 107. For example, steps S104 and S105 may be performed after performing steps S106 and S107.

次に、解析部114が、断片化細胞核判別部111の判別結果及びDNA鎖切断判別部113の判別結果に基づき、細胞核領域抽出部103で抽出された細胞核領域を含む細胞が、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であるか否かを解析する(ステップS108)。   Next, based on the discrimination result of the fragmented cell nucleus discriminating unit 111 and the discrimination result of the DNA strand break discriminating unit 113, the analysis unit 114 causes the cell including the cell nucleus region extracted by the cell nucleus region extracting unit 103 to fragment DNA. It is analyzed whether or not the cell is an apoptotic cell (step S108).

解析部114による解析が終了すると、解析結果出力部107が、解析部114の解析結果を生成し出力し(ステップS109)、図5に表される処理を終える。   When the analysis by the analysis unit 114 is completed, the analysis result output unit 107 generates and outputs the analysis result of the analysis unit 114 (step S109), and the process illustrated in FIG.

図7は、細胞画像解析装置1aのうちの、領域決定部106aの結果の例を表す図である。細胞画像解析装置1aに入力された細胞画像に複数の細胞核や断片化細胞核が撮像されている場合、細胞核領域抽出部103は、撮像されている全ての細胞核領域(図7においては符号Xによって表される3つの破線内部の領域)を抽出し、断片化細胞核領域抽出部104aは、撮像されている全ての断片化細胞核領域(図7においては符号Yによって表される8つの実線内部の領域)を抽出する。   FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a result of the region determination unit 106a in the cell image analysis apparatus 1a. When a plurality of cell nuclei and fragmented cell nuclei are captured in the cell image input to the cell image analysis apparatus 1a, the cell nucleus region extraction unit 103 displays all the captured cell nucleus regions (represented by the symbol X in FIG. 7). 3), the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a extracts all of the imaged fragmented cell nucleus regions (regions within eight solid lines represented by symbol Y in FIG. 7). To extract.

このように構成された細胞画像解析装置1aでは、細胞核用閾値と、細胞核用閾値よりも値が大きい断片化細胞核用閾値とを用いることによって、則ち輝度値に関する二つの閾値を用いることによって、細胞核領域と断片化細胞核領域とをそれぞれ抽出することが可能となる。   In the cell image analysis apparatus 1a configured as described above, by using the threshold for cell nuclei and the threshold for fragmented cell nuclei having a value larger than the threshold for cell nuclei, that is, by using two thresholds related to the luminance value, It becomes possible to extract the cell nucleus region and the fragmented cell nucleus region, respectively.

また、図2に表されるように、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出してしまうと、複数の断片化細胞核領域が一つの断片化細胞核領域として誤って検出されてしまう場合がある。このような問題に対し、断片化細胞核領域抽出部104aは、断片化細胞核用閾値を用いた処理に加えて、各画素の輝度値の傾きに基づいた境界線抽出処理を行うことによって境界線を抽出し、抽出された境界線によって囲まれる領域を断片化細胞核領域として抽出するため、より正確に断片化細胞核領域を抽出することが可能となる。   Further, as shown in FIG. 2, if a region having a luminance value equal to or higher than the threshold for fragmented cell nuclei is extracted as a fragmented cell nucleus region, a plurality of fragmented cell nucleus regions are mistakenly regarded as one fragmented cell nucleus region. May be detected. In response to such a problem, the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a performs the boundary line extraction process based on the gradient of the luminance value of each pixel in addition to the process using the fragment cell nucleus threshold. Since the region surrounded by the extracted boundary line is extracted as the fragmented cell nucleus region, the fragmented cell nucleus region can be extracted more accurately.

<変形例>
断片化細胞核領域抽出部104aは、ステップS201の処理において抽出された候補領域の全てを、ステップS202及びステップS203の処理を行うことなく、断片化細胞核領域としてそのまま抽出しても良い。言い換えれば、断片化細胞核領域抽出部104aは、細胞核領域から断片化細胞核用閾値以上の輝度値を持つ領域を断片化細胞核領域として抽出するように構成されても良い。
<Modification>
The fragmented cell nucleus region extraction unit 104a may extract all candidate regions extracted in step S201 as fragmented cell nucleus regions without performing steps S202 and S203. In other words, the fragmented cell nucleus region extraction unit 104a may be configured to extract, as a fragmented cell nucleus region, a region having a luminance value equal to or higher than the fragmented cell nucleus threshold.

上述した本発明の細胞画像解析装置の一態様である細胞画像解析装置1aの機能をコンピュータで実現するようにしても良い。その場合、各機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。   You may make it implement | achieve the function of the cell image analyzer 1a which is the one aspect | mode of the cell image analyzer of this invention mentioned above with a computer. In that case, a program for realizing each function may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read into a computer system and executed. The “computer system” here includes an OS and hardware such as peripheral devices. The “computer-readable recording medium” refers to a storage device such as a flexible medium, a magneto-optical disk, a portable medium such as a ROM and a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Furthermore, the “computer-readable recording medium” dynamically holds a program for a short time like a communication line when transmitting a program via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. In this case, a volatile memory inside a computer system serving as a server or a client in that case may be included and a program that holds a program for a certain period of time. The program may be a program for realizing a part of the functions described above, and may be a program capable of realizing the functions described above in combination with a program already recorded in a computer system.

本発明のアポトーシス細胞の検出方法は、このような細胞画像解析装置と、細胞の染色画像を取得するための顕微鏡部及び撮像部、並びに撮像された画像を蓄積し記録する画像記録部とを備える、イメージングサイトメータを用いて行うことが好ましい。なお、本発明においてイメージングサイトメータとは、自動的に染色画像の取得と得られた染色画像の解析を行うことができる画像解析装置を意味する。例えば、スライドガラス上の細胞集団に対して、レーザを収束させたスポットで走査し、この細胞集団の個々の細胞が発する蛍光を検出し、走査画像データを画像処理することにより、個々の細胞のデータを抽出して測定するレーザ走査型サイトメータ(例えば、特開平3−255365号公報参照。)やこれを適宜改良したサイトメータ等が挙げられる。   The method for detecting apoptotic cells of the present invention includes such a cell image analysis apparatus, a microscope unit and an imaging unit for acquiring a stained image of the cells, and an image recording unit for accumulating and recording the captured images. It is preferable to use an imaging cytometer. In the present invention, the imaging cytometer means an image analysis apparatus capable of automatically acquiring a stained image and analyzing the obtained stained image. For example, a cell population on a glass slide is scanned with a laser focused spot, the fluorescence emitted by individual cells of this cell population is detected, and the scanned image data is image-processed. Examples thereof include a laser scanning cytometer that extracts and measures data (for example, see JP-A-3-255365), a cytometer obtained by appropriately improving the cytometer, and the like.

特に、取得された顕微鏡画像に基づき得られた解析データから、顕微鏡画像の画像データを呼び出す手段を有するイメージングサイトメータを用いることが好ましい。各解析データ、例えば、細胞核領域、断片化細胞核領域、TUNEL染色画像の輝度値の統計値等のデータに対して画像データを迅速に確認することができるため、より信頼性の高い診断結果を得ることができるためである。また、解析結果をヒストグラムやドットプロットにより表示する手段を有していることが好ましい。本発明においては、ドットプロット表示がより望ましい。ドットプロット表示では、個々の細胞が1つ1つのドットとして表示されるため、解析結果をドットプロット表示することにより、個々の細胞情報を画像とともに瞬時に確認できる利点がある。   In particular, it is preferable to use an imaging cytometer having means for calling up image data of a microscope image from analysis data obtained based on the acquired microscope image. Since the image data can be quickly confirmed with respect to each analysis data, for example, data such as cell nucleus region, fragmented cell nucleus region, brightness value statistics of TUNEL-stained image, a more reliable diagnosis result is obtained. Because it can. Moreover, it is preferable to have a means for displaying the analysis result by a histogram or dot plot. In the present invention, dot plot display is more desirable. In the dot plot display, each cell is displayed as a single dot. Therefore, there is an advantage that the individual cell information can be confirmed instantaneously together with the image by displaying the analysis result in the dot plot display.

<アポトーシスのステージの評価方法>
本発明の検出方法に、さらに他のアポトーシス細胞を検出する方法を組み合わせることにより、一の測定試料中に含まれる複数の細胞のそれぞれに対して、アポトーシスのステージを評価することが可能になる。本発明においては、アポトーシスの特定のステージの細胞を特異的に検出する方法を組み合わせることが好ましく、中でも、初期のアポトーシス細胞を検出する方法と組み合わせることが好ましい。
<Evaluation method of apoptosis stage>
By combining the detection method of the present invention with a method for detecting other apoptotic cells, the stage of apoptosis can be evaluated for each of a plurality of cells contained in one measurement sample. In the present invention, a method for specifically detecting cells at a specific stage of apoptosis is preferably combined, and among them, a method for detecting early apoptotic cells is preferably combined.

例えば、細胞膜中のフォスファチジルセリンの局在変化、ミトコンドリア膜の脱分極、及び細胞膜の透過性向上は、アポトーシスの初期から観察される変化であり、これらを検出する方法と、本発明とを組み合わせることにより、初期のアポトーシス細胞と、中期又は後期のアポトーシス細胞とを、精度よく評価することができる。   For example, changes in the localization of phosphatidylserine in the cell membrane, depolarization of the mitochondrial membrane, and improved permeability of the cell membrane are changes observed from the early stage of apoptosis. By combining, early apoptotic cells and intermediate or late apoptotic cells can be accurately evaluated.

フォスファチジルセリンは、通常は細胞膜の内膜に局在しているが、アポトーシスが起こると外膜へ移行することが分かっている。フォスファチジルセリンの局在変化は、フォスファチジルセリンと特異的に結合する化合物又は該化合物を蛍光物質で標識したものを用いた細胞染色(フォスファチジルセリン染色)を行うことにより検出することができる。フォスファチジルセリンと特異的に結合する化合物としては、例えば、アネキシンV等が挙げられる。   Phosphatidylserine is usually localized in the inner membrane of the cell membrane, but has been found to migrate to the outer membrane when apoptosis occurs. Changes in localization of phosphatidylserine can be detected by performing cell staining (phosphatidylserine staining) using a compound that specifically binds to phosphatidylserine or a compound labeled with a fluorescent substance. Can do. Examples of the compound that specifically binds to phosphatidylserine include annexin V and the like.

ミトコンドリア膜の脱分極は、例えば、ミトコンドリア膜が脱分極を起こしているか否かにより、細胞内における局在や蛍光特性が変化する蛍光性のミトコンドリア膜電位検出用プローブを用いた蛍光細胞染色により、検出することができる。このようなミトコンドリア膜電位検出用プローブは、公知のいずれのプローブを用いてもよく、例えば、CMXRos、JC−1、DiOC6等を挙げることができる。   Depolarization of the mitochondrial membrane is, for example, by fluorescent cell staining using a fluorescent mitochondrial membrane potential detection probe whose localization and fluorescence characteristics change depending on whether or not the mitochondrial membrane is depolarized, Can be detected. As such a probe for detecting mitochondrial membrane potential, any known probe may be used, and examples thereof include CMXRos, JC-1, and DiOC6.

アポトーシス細胞では、細胞膜の透過性が向上する。そこで、アポトーシスを起こしていない細胞の細胞膜は透過できないが、アポトーシスを起こした細胞の細胞膜を透過する大きさの蛍光物質(細胞膜透過性検出用プローブ)を用いて細胞染色を行うことにより、アポトーシス細胞を検出することができる。このような細胞膜透過性検出用プローブは、公知のいずれのプローブを用いてもよく、例えば、PI等を挙げることができる。   In apoptotic cells, the permeability of the cell membrane is improved. Therefore, cells that have not undergone apoptosis cannot permeate the cell membrane, but cell staining is performed using a fluorescent substance (probe for detecting cell membrane permeability) that is sized to penetrate the cell membrane of cells that have undergone apoptosis. Can be detected. As such a cell membrane permeability detection probe, any known probe may be used, and examples thereof include PI.

フォスファチジルセリン蛍光染色、ミトコンドリア膜電位検出用プローブを用いた蛍光染色、及び細胞膜透過性プローブを用いた蛍光染色のうち、1のみを本発明の検出方法に組み合わせてもよく、複数を組み合わせてもよく、全てを組み合わせても良い。組み合わせる染色方法の数が多いほど、信頼性の高い評価を得ることができる。   Of the phosphatidylserine fluorescent staining, the fluorescent staining using the probe for detecting mitochondrial membrane potential, and the fluorescent staining using the cell membrane permeable probe, only one may be combined with the detection method of the present invention, or a plurality may be combined. You may combine all. As the number of staining methods to be combined increases, a more reliable evaluation can be obtained.

フォスファチジルセリン蛍光染色、ミトコンドリア膜電位検出用プローブを用いた蛍光染色、及び細胞膜透過性プローブを用いた蛍光染色は、いずれも、生細胞(固定処理や細胞膜透過処理を行っていない状態の細胞)を用いて染色を行わなければならない。このため、検出対象である細胞に対して、まず、これらの染色を行った後に、細胞観察用容器に固定する。次に、固定された細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色及びDNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色を行う。その後、染色の種類ごとに、それぞれ染色画像を取得する。   Phosphatidylserine fluorescence staining, fluorescence staining using a probe for detecting mitochondrial membrane potential, and fluorescence staining using a cell membrane permeability probe are all live cells (cells that have not undergone fixation treatment or cell membrane permeabilization treatment). ) Should be used for staining. For this reason, the cells to be detected are first stained and then fixed to the cell observation container. Next, the fixed cells are subjected to nuclear staining using a fluorescent double-stranded nucleic acid stain and TUNEL staining for fluorescently labeling the DNA strand break site. Thereafter, a stained image is acquired for each type of staining.

フォスファチジルセリン染色画像を取得した場合には、当該フォスファチジルセリン染色画像を解析する。画像解析により、フォスファチジルセリンが細胞膜の外側に局在していると判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、フォスファチジルセリンが細胞膜の中側に局在していると判別された細胞は、アポトーシスを起こしていない細胞(非アポトーシス細胞)であると評価する。
また、ミトコンドリア膜電位検出用プローブ染色画像を取得した場合には、当該ミトコンドリア膜電位検出用プローブ染色画像を解析する。この画像解析の結果、ミトコンドリア膜に脱分極が生じていると判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、脱分極が生じていないと判別された細胞を非アポトーシス細胞であると評価する。
細胞膜透過性検出用プローブ染色画像を取得した場合には、当該細胞膜透過性プローブ染色画像を解析する。この画像解析の結果、当該細胞膜透過性プローブにより染色されたと判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、染色されなかったと判別された細胞を非アポトーシス細胞であると評価する。
When a phosphatidylserine stained image is acquired, the phosphatidylserine stained image is analyzed. By image analysis, cells that were identified as having phosphatidylserine localized outside the cell membrane were evaluated as apoptotic cells, and phosphatidylserine was identified as being localized inside the cell membrane. The evaluated cells are evaluated as non-apoptotic cells (non-apoptotic cells).
In addition, when a probe-stained image for detecting mitochondrial membrane potential is obtained, the probe-stained image for detecting mitochondrial membrane potential is analyzed. As a result of this image analysis, cells determined to be depolarized in the mitochondrial membrane are evaluated as apoptotic cells, and cells determined to be depolarized are evaluated as non-apoptotic cells.
When a cell membrane permeability detection probe stained image is acquired, the cell membrane permeability probe stained image is analyzed. As a result of this image analysis, cells determined to be stained with the cell membrane permeable probe are evaluated as apoptotic cells, and cells determined to be unstained are evaluated as non-apoptotic cells.

これらの3種類の染色画像の少なくとも1の解析により、アポトーシス細胞であると評価された細胞であって、二本鎖核酸染色剤による染色とTUNEL染色の解析から、DNAが断片化されていると判断されなかった(DNAが断片化されていないと判断された)細胞を、初期のアポトーシス細胞であると評価することができる。   It is a cell that has been evaluated as an apoptotic cell by analysis of at least one of these three types of stained images, and that DNA has been fragmented from the analysis by staining with a double-stranded nucleic acid stain and TUNEL staining. Cells that were not determined (DNA was determined not to be fragmented) can be evaluated as early apoptotic cells.

その他、アポトーシスの特定のステージにおいて活性化等される生体分子の免疫染色を組み合わせてもよい。なお、これらの生体分子の免疫染色は、細胞観察用容器に固定された細胞に対して、TUNEL染色と別個に行ってもよいが、同時に行うこともできる。
例えば、活性型カスペース3は、比較的アポトーシスの初期ステージから検出される。このため、活性型カスペース3の免疫染色を組み合わせた場合、活性型カスペース3陽性細胞(免疫染色により活性型カスペース3が検出された細胞)であって、DNA断片化されていないと判断された細胞は、初期のアポトーシス細胞であると評価することができる。
In addition, immunostaining of biomolecules activated at a specific stage of apoptosis may be combined. In addition, although immunostaining of these biomolecules may be performed separately from the TUNEL staining on the cells fixed in the cell observation container, it can also be performed simultaneously.
For example, active caspase 3 is detected from a relatively early stage of apoptosis. Therefore, when immunostaining of active caspase 3 is combined, it is determined that it is an active caspase 3 positive cell (a cell in which active caspase 3 is detected by immunostaining) and is not DNA fragmented. The treated cells can be evaluated as early apoptotic cells.

なお、本発明の検出方法等は、TUNEL染色と二本鎖核酸染色を併用することを特徴とするが、TUNEL染色に代えて生細胞に対する染色(例えば、前述のフォスファチジルセリン染色やミトコンドリア膜電位検出用プローブを用いた蛍光細胞染色)と、Hoechst等の生細胞の核酸を染色し得る二本鎖核酸染色剤を用いた染色とを併用することにより、生細胞の状態でアポトーシス細胞のステージを評価することができる。具体的には、各染色剤を添加した培地で細胞を培養し、この状態で細胞画像を取得し、取得された画像に対し、画像解析を行う。この方法では、一の生細胞の経時変化を観察することができるため、アポトーシスの進行を画像解析により評価することもできる。   The detection method of the present invention is characterized by using both TUNEL staining and double-stranded nucleic acid staining. However, instead of TUNEL staining, staining of living cells (for example, phosphatidylserine staining or mitochondrial membrane described above) The stage of apoptotic cells in the state of living cells by combining fluorescent cell staining using a potential detection probe) and staining with a double-stranded nucleic acid stain capable of staining nucleic acid of living cells such as Hoechst Can be evaluated. Specifically, the cells are cultured in a medium to which each stain is added, a cell image is acquired in this state, and image analysis is performed on the acquired image. In this method, since a time-dependent change of one living cell can be observed, the progress of apoptosis can also be evaluated by image analysis.

次に実施例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example is shown and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.

[実施例1]
スタウロスポリンによってアポトーシスを誘導したHL60細胞を、TUNEL染色した後、二本鎖核酸染色剤で染色し、画像解析を行い、DNAが断片化された細胞を検出した。具体的には、以下のように行った。なお、HL60細胞の培養は、10%FBS(ウシ胎児血清、GIBCO社製)含有RPMI培地(GIBCO社製)を用いて、35cmフラスコに、1〜9×10cells/mLとなるように播種して、37℃、COインキュベータ中で行った。
[Example 1]
HL60 cells in which apoptosis was induced by staurosporine were stained with TUNEL, then stained with a double-stranded nucleic acid stain, and image analysis was performed to detect cells fragmented with DNA. Specifically, it was performed as follows. In addition, culture of HL60 cells is carried out so as to be 1 to 9 × 10 5 cells / mL in a 35 cm 2 flask using RPMI medium (GIBCO) containing 10% FBS (fetal bovine serum, GIBCO). Seeding was performed at 37 ° C. in a CO 2 incubator.

<スタウロスポリン処理>
24well plateに0.5×10cells/wellとなるように播種したHL60細胞に、最終濃度がそれぞれ0、0.1、0.25、0.5、1.0μMとなるように、スタウロスポリン(CALBIOCHEM社製)を添加し、5時間インキュベートした。
<Staurosporin treatment>
In HL60 cells seeded at 24 well plate so as to be 0.5 × 10 6 cells / well, stauros so that the final concentrations are 0, 0.1, 0.25, 0.5, and 1.0 μM, respectively. Porin (CALBIOCHEM) was added and incubated for 5 hours.

<細胞固定>
インキュベート後、wellから細胞を培地ごと15mLチューブに移し、培地を除去した後、4%パラホルムアルデヒド(和光純薬社製)溶液を添加して室温で20分間静置することにより、細胞を固定した。その後、遠心処理を行って4%パラホルムアルデヒド溶液を除去し、PBSで1回洗浄した後、PBSを添加して細胞懸濁液を調製した。
この細胞懸濁液を、96well plateに、5×10cells/wellとなるように加えた。当該プレートを、600rpm、10分間の遠心処理を行った後、プレート向きを逆にして再度600rpm、10分間の遠心処理を行って溶液を除去し、30分間おいて自然乾燥させた。その後、70%冷エタノールを100μL/wellずつ加えて−20℃で1晩置いて細胞を固定した。その後、エタノールを除去し、PBSで洗浄した。
<Cell fixation>
After incubation, the cells were transferred from the well to the 15 mL tube together with the medium, and after removing the medium, a 4% paraformaldehyde (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) solution was added and the cells were fixed by allowing to stand at room temperature for 20 minutes. . Thereafter, centrifugation was performed to remove the 4% paraformaldehyde solution, and after washing once with PBS, PBS was added to prepare a cell suspension.
This cell suspension was added to 96 well plate so that it might become 5 * 10 < 4 > cells / well. The plate was centrifuged at 600 rpm for 10 minutes, then the plate direction was reversed, and the solution was removed again by centrifugation at 600 rpm for 10 minutes, followed by natural drying for 30 minutes. Thereafter, 70% cold ethanol was added in an amount of 100 μL / well, and the cells were fixed at −20 ° C. overnight. Thereafter, ethanol was removed and washed with PBS.

<免疫染色>
各wellに、1%TritonXを100μL/wellずつ加え、氷上で10分間静置した後、PBSで1回洗浄した。各wellに、50μLのLabeling Reaction Mixを加えて37℃で1時間インキュベートした。次いで、Rinsing Buffer(0.1%TritonX及び0.5%BSA含有PBS)で3回洗浄した後、各wellに、anti−BrdU抗体(CALBIOCHEM社製)をIncubation Buffer(1%BSA及び0.1%Tween20含有PBS)で200倍に希釈した溶液を100μL/wellずつ加え、室温で1時間インキュベートした。各wellを、Washing Buffer(0.1%Tween20含有PBS)で2回洗浄した後、anti−mouse−Alexa647抗体(Alexa Fluor 647 goat anti−mouse IgG(H+L)、Invitrogen社製)をIncubation Bufferで250倍に希釈した溶液を100μL/wellずつ加え、室温遮光下で30分間インキュベートした。さらに、Washing Bufferで2回洗浄した後、PBSで1μg/mLに希釈したDAPI(Roche社製)溶液を、100μL/wellずつ加え、室温で10分間インキュベートした後、PBSで2回洗浄した。なお、Labeling Reaction Mixは、10μLの×5TdT Buffer(Roche社製)、2μLの25mM CoCl(Roche社製)、0.125μLのTdT enzyme(Roche社製)、及び1μLの2mM BrdUTP(SIGMA社製)に蒸留水を加えて最終量50μLとしたものである。
<Immunostaining>
1% Triton X was added to each well at 100 μL / well, allowed to stand on ice for 10 minutes, and then washed once with PBS. 50 μL of Labeling Reaction Mix was added to each well and incubated at 37 ° C. for 1 hour. Next, after washing three times with Rinsing Buffer (PBS containing 0.1% Triton X and 0.5% BSA), anti-BrdU antibody (manufactured by CALBIOCHEM) was added to each well with Incubation Buffer (1% BSA and 0.1% BSA). A solution diluted 200-fold with PBS containing% Tween 20) was added by 100 μL / well and incubated at room temperature for 1 hour. Each well was washed twice with Washing Buffer (PBS containing 0.1% Tween 20), and then anti-mouse-Alexa647 antibody (Alexa Fluor 647 goat anti-mouse IgG (H + L), manufactured by Invitrogen) was used with Incubation Buffer 250. 100 μL / well of the diluted solution was added and incubated for 30 minutes at room temperature and protected from light. Further, after washing twice with Washing Buffer, a DAPI (Roche) solution diluted to 1 μg / mL with PBS was added in an amount of 100 μL / well, incubated at room temperature for 10 minutes, and then washed twice with PBS. The Labeling Reaction Mix is 10 μL × 5 TdT Buffer (Roche), 2 μL 25 mM CoCl 2 (Roche), 0.125 μL TdT enzyme (Roche), and 1 μL 2 mM BrdUTP (SIGMA). ) To the final volume of 50 μL.

<画像解析>
上記操作後の各wellに、100μLずつPBS加えておいたものを試料とし、CELAVIEW(オリンパス社製)を用いて、DAPI染色画像(二本鎖核酸染色画像)とTUNEL染色画像を取得し、解析した。なお、以下に示す条件により、染色画像の取得を行った。
<Image analysis>
Each well after the above operation is added with 100 μL of PBS as a sample, and CELAVIEW (manufactured by Olympus) is used to acquire and analyze DAPI-stained images (double-stranded nucleic acid-stained images) and TUNEL-stained images. did. In addition, the dyeing | staining image was acquired on the conditions shown below.

Auto focus
Type: Object−based
ZDC Sequence : Don’t use ZDC
Acquisition
Color channel: DAPI
Microscope
Objective : LUCPLFLAN 20×
Filter cube : UV
Z offset(μm) : 0
Camera
Exposure time(ms): 25
Preacquisition delay(s): 0
Illumination
Fluorescence
Excitation filter : UV
Intensity : 33.3
Color channel : Alexa647
Microscope
Objective : LUCPLFLAN 20×
Filter cube : Cy5
Z offset (μm) : −1
Camera
Exposure time(ms): 500
Preacquisition delay(s): 0
Illumination
Fluorescence
Excitation filter : RED
Intensity : 100
Well Manager
Position : 6Columns/well 6Rows/well 36Total positions
Spacing : 550Column spacing(μm) 550Row spacing(μm)
Auto focus
Type: Object-based
ZDC Sequence: Don't use ZDC
Acquisition
Color channel: DAPI
Microscope
Objective: LUCPLFLAN 20x
Filter cube: UV
Z offset (μm): 0
Camera
Exposure time (ms): 25
Prequisition delay (s): 0
Illumination
Fluorescence
Exclusion filter: UV
Intensity: 33.3
Color channel: Alexa647
Microscope
Objective: LUCPLFLAN 20x
Filter cube: Cy5
Z offset (μm): −1
Camera
Exposure time (ms): 500
Prequisition delay (s): 0
Illumination
Fluorescence
Exclusion filter: RED
Intensity: 100
Well Manager
Position: 6Columns / well 6Rows / well 36Total positions
Spacing: 550 Column spacing (μm) 550 Row spacing (μm)

その後、図5に示すフローチャートに従い、DAPI染色画像から細胞核領域を抽出し、抽出された細胞核領域から断片化細胞核領域を抽出した。1の細胞核領域から2以上の断片化細胞核領域が抽出された細胞を、核が断片化された細胞として判別した。また、TUNEL染色画像から、TUNEL染色陽性細胞を、DNA鎖の切断が生じている細胞として判別した。   Thereafter, according to the flowchart shown in FIG. 5, a cell nucleus region was extracted from the DAPI-stained image, and a fragmented cell nucleus region was extracted from the extracted cell nucleus region. Cells in which two or more fragmented cell nucleus regions were extracted from one cell nucleus region were identified as cells in which the nucleus was fragmented. Moreover, TUNEL staining positive cells were discriminated from the TUNEL stained images as cells in which DNA strand breakage occurred.

図8に、画像解析の結果を示す。
図8(a)は、細胞核領域が抽出されて認識された細胞を、面積値とサーキュラリティーファクターをパラメータとして、ドットプロット(スキャッターグラム)により表示したものである。1ドットが1細胞(すなわち1細胞核領域)を示している。なお、ドットプロットに換えてヒストグラムにより表示してもよい。図8(a)のドットプロットに示すように、解析対象とする細胞核領域(細胞)を含む集団(線で囲まれた領域)を特定し、当該集団に含まれるものに対してのみ、以降の画像解析を行った。
FIG. 8 shows the result of image analysis.
FIG. 8A shows the cells recognized by extracting the cell nucleus region by dot plot (scattergram) using the area value and the circularity factor as parameters. One dot represents one cell (that is, one cell nucleus region). Note that a histogram may be used instead of the dot plot. As shown in the dot plot of FIG. 8 (a), the group including the cell nucleus region (cell) to be analyzed (the region surrounded by the line) is specified, and only for those included in the group, the following Image analysis was performed.

図8(b)は、細胞核領域が抽出されて認識された細胞を、抽出された断片化細胞核領域の数ごとに表示したグラフである。X軸は1細胞(1細胞核領域)あたりの断片化細胞核領域の数を示している。図中、領域Aは、細胞核領域当たりの断片化細胞核領域が2個以上である細胞の集団を示しており、領域Bは、断片化細胞核領域が1個又は0個である細胞の集団を示している。   FIG. 8B is a graph displaying the cells recognized by extracting the cell nucleus region for each number of the extracted fragmented cell nucleus regions. The X axis indicates the number of fragmented cell nucleus regions per cell (one cell nucleus region). In the figure, a region A shows a population of cells having two or more fragmented cell nucleus regions per cell nucleus region, and a region B shows a population of cells having one or zero fragmented cell nucleus regions. ing.

図8(c)は、細胞核領域が抽出されて認識された細胞を、TUNEL染色画像中の当該細胞核領域に含まれる画素の輝度値の平均値をパラメータとして表示したヒストグラムである。図中、領域Cは、輝度値の平均値がTUNEL染色用閾値以上であったTUNEL染色陽性細胞の集団を示しており、領域Dは、TUNEL染色用閾値未満であったTUNEL染色陰性細胞の集団を示している。   FIG. 8C is a histogram displaying the cells recognized by extracting the cell nucleus region, using the average value of the luminance values of the pixels included in the cell nucleus region in the TUNEL-stained image as a parameter. In the figure, a region C shows a population of TUNEL staining positive cells whose average luminance value is equal to or greater than a threshold for TUNEL staining, and a region D is a population of TUNEL staining negative cells whose average is less than the threshold for TUNEL staining. Is shown.

表1に示すように、図8(b)及び(c)に示す領域AとDの両方に分類される細胞は、アポトーシスを起こしていない正常な細胞であり、領域BとCの両方に分類される細胞は、DNAが断片化されたアポトーシス細胞である。一方、領域AとCの両方に分類される細胞は、DNA鎖が切断されているが、DNAは断片化されていないステージのアポトーシス細胞である。なお、表中、「+」は、DNA鎖の切断やDNAの断片化が生じていることを、「−」は、DNA鎖の切断やDNAの断片化が生じていないことを、それぞれ示している。   As shown in Table 1, the cells classified into both regions A and D shown in FIGS. 8B and 8C are normal cells that have not undergone apoptosis, and are classified into both regions B and C. The cells to be treated are apoptotic cells in which DNA is fragmented. On the other hand, cells classified into both regions A and C are apoptotic cells at a stage where the DNA strand is cleaved but the DNA is not fragmented. In the table, “+” indicates that DNA strand breakage or DNA fragmentation has occurred, and “−” indicates that DNA strand breakage or DNA fragmentation has not occurred. Yes.

スタウロスポリン濃度ごとの解析結果を表2及び図9に示す。表2中、「解析細胞数」とは、図8(a)に示す、DAPI染色画像から抽出された細胞核領域(細胞)のうち、解析対象とした細胞(線で囲まれた領域の細胞)の数を示している。表2中、「核断片化細胞」とは、図8(b)の領域Bに含まれる細胞(2以上の断片化細胞核領域が抽出された細胞)の数を示し、「TUNEL陽性細胞」とは、図8(c)の領域Cに含まれる細胞(DNA鎖が切断しているDNA鎖切断細胞)の数を示し、「DNA断片化細胞」とは、図8(b)の領域Bに含まれ、かつ図8(c)の領域Cに含まれる細胞の数を示している。   The analysis results for each staurosporine concentration are shown in Table 2 and FIG. In Table 2, “number of analyzed cells” refers to cells to be analyzed (cells surrounded by a line) among the cell nucleus regions (cells) extracted from the DAPI-stained image shown in FIG. Indicates the number of In Table 2, “nuclear fragmented cells” refers to the number of cells (cells from which two or more fragmented cell nucleus regions have been extracted) contained in region B of FIG. 8 (b), and “TUNEL positive cells” Indicates the number of cells (DNA strand-cleaved cells in which the DNA strand is cleaved) contained in region C in FIG. 8 (c), and “DNA fragmented cells” refers to region B in FIG. 8 (b). The number of cells included and included in the region C in FIG.

図9は、表2の数値をグラフとしたものである。図中、「DNA body」はDNA鎖の切断が生じている細胞の数(領域Bの細胞数)を、「TUNEL」はTUNEL染色陽性細胞の数(領域Cの細胞数)を、「DNA body and TUNEL positive」はDNA断片化細胞数(領域BとCの両方に含まれる細胞数)を、それぞれ示している。図9に示すように、スタウロスポリン濃度が0.1μMの場合には、核断片化細胞数とDNA鎖切断細胞数はほぼ等しかったが、スタウロスポリン濃度が高くなるにつれて、核断片化細胞数よりもDNA鎖切断細胞数が多くなる傾向が観察された。これは、DNA断片化に至る前のDNA鎖にニックが生じた細胞も計上されているためと考えられる。つまり、この結果からも、TUNEL染色のみでは、DNA断片化細胞を正確に検出できないが、本発明のように、二本鎖核酸染色を併用することにより、DNA断片化細胞をより精度よく検出できることが明らかである。   FIG. 9 is a graph of the numerical values in Table 2. In the figure, “DNA body” indicates the number of cells with DNA strand breaks (number of cells in region B), “TUNEL” indicates the number of TUNEL staining positive cells (number of cells in region C), and “DNA body”. and TUNEL positive ”indicate the number of DNA fragmented cells (number of cells contained in both regions B and C). As shown in FIG. 9, when the staurosporine concentration was 0.1 μM, the number of nuclear fragmented cells and the number of DNA strand break cells were almost equal, but as the staurosporine concentration increased, the nuclear fragmented cells A tendency for the number of DNA strand break cells to be larger than the number was observed. This is presumably because cells in which nicks have occurred in the DNA strand before DNA fragmentation are also counted. That is, even from this result, DNA fragmented cells cannot be accurately detected only by TUNEL staining, but DNA fragmented cells can be detected more accurately by using double-stranded nucleic acid staining together as in the present invention. Is clear.

本発明のアポトーシス細胞の検出方法を用いることにより、画像解析を用いて、DNA鎖の切断とDNAの断片化とを区別して検出することができるため、アポトーシスの解析等の学術的分野のみならず、創薬開発等の分野においても利用が可能である。   By using the method for detecting apoptotic cells of the present invention, it is possible to distinguish and detect DNA strand breaks and DNA fragmentation using image analysis. It can also be used in fields such as drug development.

1…細胞画像解析装置、101…画像入力部、102…閾値記憶部、103…細胞核領域抽出部、104a…断片化細胞核領域抽出部、105a…候補領域抽出部、106a…領域決定部、107…解析結果出力部、108…ピーク検出部、109…断片化細胞核領域選択部、111…断片化細胞核判別部、112…TUNEL染色輝度値測定部、113…DNA鎖切断判別部、114…解析部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cell image analysis apparatus, 101 ... Image input part, 102 ... Threshold storage part, 103 ... Cell nucleus area extraction part, 104a ... Fragmented cell nucleus area extraction part, 105a ... Candidate area extraction part, 106a ... Area determination part, 107 ... Analysis result output unit 108... Peak detection unit 109 109 Fragmented cell nucleus region selection unit 111. Fragmented cell nucleus discrimination unit 112 112 TUNEL staining luminance value measurement unit 113... DNA strand breakage discrimination unit 114.

Claims (8)

画像解析により、DNAが断片化されたアポトーシス細胞を検出する方法であって、
(a)細胞観察用容器に固定された1又は複数の細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色とを行う工程と、
(b)前記工程(a)において染色された細胞を、顕微鏡を用いて撮像し、各細胞の二本鎖核酸染色画像及びTUNEL染色画像を取得する工程と、
(c)前記工程(b)において取得された二本鎖核酸染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞の核が断片化されているか否かを判別する工程と、
(d)前記工程(b)において取得されたTUNEL染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞のDNA鎖の切断が生じているか否かを判別する工程と、
(e)前記工程(c)において核が断片化されていると判別された細胞であって、かつ、前記工程(d)においてDNA鎖の切断が生じていると判別された細胞を、DNAが断片化されている細胞として検出する工程と、
を有することを特徴とする、DNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法。
A method for detecting apoptotic cells in which DNA has been fragmented by image analysis,
(A) A step of performing nuclear staining using a fluorescent double-stranded nucleic acid stain and TUNEL staining for fluorescently labeling a DNA strand break site on one or a plurality of cells fixed in a cell observation container When,
(B) capturing the cells stained in the step (a) using a microscope and obtaining a double-stranded nucleic acid stained image and a TUNEL-stained image of each cell;
(C) analyzing the double-stranded nucleic acid staining image obtained in the step (b) to determine whether or not the cell nucleus in the image is fragmented;
(D) analyzing the TUNEL-stained image obtained in the step (b) to determine whether or not the DNA strand breakage of the cells in the image has occurred;
(E) a cell in which the nucleus has been determined to be fragmented in the step (c) and the DNA in which the DNA strand breakage has been determined in the step (d) Detecting as a fragmented cell;
A method for detecting apoptotic cells in which DNA is fragmented, comprising:
前記工程(c)における二本鎖核酸染色画像の解析を、
細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する閾値記憶部を備える細胞画像解析装置が、前記二本鎖核酸染色画像を入力する画像入力工程と、
前記細胞画像解析装置が、入力された二本鎖核酸染色画像から、前記細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する細胞核領域抽出工程と、
前記細胞画像解析装置が、前記細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する断片化細胞核領域抽出工程と、
前記細胞画像解析装置が、前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する断片化細胞核判別工程と、
により行い、
前記工程(d)におけるTUNEL染色画像の解析を、
前記細胞画像解析装置が、前記TUNEL染色画像を入力する画像入力工程と、
前記細胞画像解析装置が、入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定するTUNEL染色輝度値測定工程と、
前記細胞画像解析装置が、前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別するDNA鎖切断判別工程と、
により行うことを特徴とする請求項1記載のDNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法。
Analysis of the double-stranded nucleic acid staining image in the step (c),
An image input step of inputting the double-stranded nucleic acid staining image, a cell image analysis apparatus comprising a threshold storage unit for storing in advance a threshold for cell nuclei, a threshold for fragmented nuclei, an area threshold for cell nuclei, and a threshold for TUNEL staining;
Cell nucleus region extraction in which the cell image analyzer extracts, as a cell nucleus region, a region having an area equal to or greater than the cell nucleus area threshold among regions having a luminance value equal to or greater than the cell nucleus threshold from the input double-stranded nucleic acid staining image Process,
A fragmented cell nucleus region extraction step in which the cell image analyzer extracts, as the fragmented cell nucleus region, a region having a luminance value equal to or higher than a fragmented cell nucleus threshold from the cell nucleus region;
When the cell image analysis apparatus has two or more fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region, the cell nucleus including the cell nucleus region is fragmented, and is one or zero A fragmented cell nucleus discriminating step for discriminating that the nucleus of the cell containing the cell nucleus region is not fragmented,
Done by
Analysis of the TUNEL-stained image in the step (d)
An image input step in which the cell image analyzer inputs the TUNEL-stained image;
The TUNEL staining luminance value measurement in which the cell image analyzer measures the statistical value of the luminance value of pixels included in the region corresponding to the cell nucleus region extracted from the double-stranded nucleic acid staining image of the input TUNEL staining image. Process,
When the statistical value is greater than or equal to the threshold for TUNEL staining, the cell image analyzer has a DNA strand breakage in the cell containing the nucleus region, and the cell nucleus when the statistical value is less than the threshold for TUNEL staining. A DNA strand break discriminating step for discriminating that a cell containing the region has not undergone DNA strand breaks;
The method for detecting apoptotic cells fragmented with DNA according to claim 1, wherein
前記細胞観察用容器が、スライドガラスまたはマルチウェルプレートであることを特徴とする請求項1又は2記載のDNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法。   3. The method for detecting apoptotic cells fragmented with DNA according to claim 1, wherein the cell observation container is a slide glass or a multiwell plate. 顕微鏡画像の取得および画像解析を、イメージングサイトメータを用いて行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載のDNAが断片化されたアポトーシス細胞の検出方法。   The method for detecting apoptotic cells in which DNA is fragmented according to any one of claims 1 to 3, wherein microscopic image acquisition and image analysis are performed using an imaging cytometer. 細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する閾値記憶部と、
蛍光性の二本鎖核酸染色剤により染色された細胞が撮像された二本鎖核酸染色画像と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色された、前記二本鎖核酸染色画像と同一視野のTUNEL染色画像を入力する画像入力部と、
入力された二本鎖核酸染色画像から、前記細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する細胞核領域抽出部と、
前記細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する断片化細胞核領域抽出部と、
前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する断片化細胞核判別部と、
入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定するTUNEL染色輝度値測定部と、
前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別するDNA鎖切断判別部と、
核が断片化されていると判定され、かつ、DNA鎖の切断が生じていると判定された細胞を、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であると解析する解析部と、
を備えることを特徴とする細胞画像解析装置。
A threshold storage unit for storing in advance a threshold for cell nuclei, a threshold for fragmented nuclei, an area threshold for cell nuclei, and a threshold for TUNEL staining;
A double-stranded nucleic acid stained image in which cells stained with a fluorescent double-stranded nucleic acid stain are imaged and a TUNEL-stained double-stranded nucleic acid stained image that fluorescently labels a DNA strand break site are in the same field of view. An image input unit for inputting a TUNEL stained image;
From the input double-stranded nucleic acid staining image, a cell nucleus region extraction unit that extracts a region having an area greater than or equal to the cell nucleus area threshold as a cell nucleus region among regions having a luminance value greater than or equal to the cell nucleus threshold; and
From the cell nucleus region, a fragmented cell nucleus region extraction unit that extracts a region having a luminance value equal to or higher than a threshold for fragmented cell nuclei as a fragmented cell nucleus region;
When the number of fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region is 2 or more, the nucleus of the cell containing the cell nucleus region is fragmented, and when the number is 1 or 0, the cell containing the cell nucleus region A fragmented cell nucleus discriminating unit that discriminates that the nucleus of
A TUNEL staining luminance value measuring unit for measuring a statistical value of luminance values of pixels included in a region corresponding to a cell nucleus region extracted in the double-stranded nucleic acid staining image of the input TUNEL staining image;
When the statistical value is greater than or equal to the threshold for TUNEL staining, the cell containing the cell nucleus region has undergone DNA strand breakage, and when the statistical value is less than the threshold for TUNEL staining, the cell containing the cell nucleus region is DNA strand A DNA strand break discriminating part for discriminating that no cleavage occurs;
An analysis unit for analyzing a cell that has been determined that the nucleus is fragmented and that DNA strand breaks are occurring as an apoptotic cell in which DNA is fragmented;
A cell image analysis apparatus comprising:
前記断片化細胞核領域抽出部は、
前記細胞核領域から断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を候補領域として抽出する候補領域抽出部と、
前記候補領域において、各画素の輝度値の傾きに基づいた境界線検出処理を行うことによって境界線を検出し、検出された境界線によって囲まれる領域を断片化細胞核領域として抽出する領域決定部と、
を備えることを特徴とする請求項5記載の細胞画像解析装置。
The fragmented cell nucleus region extraction unit comprises:
A candidate region extraction unit that extracts a region having a luminance value equal to or higher than a threshold for fragmented cell nuclei from the cell nucleus region as a candidate region;
A region determining unit that detects a boundary line by performing a boundary line detection process based on a gradient of a luminance value of each pixel in the candidate region, and extracts a region surrounded by the detected boundary line as a fragmented cell nucleus region; ,
The cell image analysis apparatus according to claim 5, comprising:
細胞核用閾値、断片化細胞核用閾値、細胞核用面積閾値、及びTUNEL染色用閾値を予め記憶する閾値記憶部を備えるコンピュータに対し、
蛍光性の二本鎖核酸染色剤により染色された細胞が撮像された二本鎖核酸染色画像と、DNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色された、前記二本鎖核酸染色画像と同一視野のTUNEL染色画像を入力する画像入力工程と、
入力された二本鎖核酸染色画像から、前記細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域のうち細胞核用面積閾値以上の面積を有する領域を細胞核領域として抽出する細胞核領域抽出工程と、
前記細胞核領域から、断片化細胞核用閾値以上の輝度値を有する領域を断片化細胞核領域として抽出する断片化細胞核領域抽出工程と、
前記細胞核領域から抽出された断片化細胞核領域が、2個以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核が断片化されており、1個又は0個である場合に前記細胞核領域を含む細胞の核は断片化されていないと判別する断片化細胞核判別工程と、
入力されたTUNEL染色画像の、前記二本鎖核酸染色画像において抽出された細胞核領域に相当する領域に含まれる画素の輝度値の統計値を測定するTUNEL染色輝度値測定工程と、
前記統計値が、前記TUNEL染色用閾値以上である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じており、前記TUNEL染色用閾値未満である場合に前記細胞核領域を含む細胞はDNA鎖の切断が生じていないと判別するDNA鎖切断判別工程と、
核が断片化されていると判定され、かつ、DNA鎖の切断が生じていると判定された細胞を、DNAが断片化されたアポトーシス細胞であると解析する解析工程と、
を実行させるためのプログラム。
For a computer comprising a threshold storage unit that prestores a threshold for cell nuclei, a threshold for fragmented nuclei, an area threshold for cell nuclei, and a threshold for TUNEL staining,
A double-stranded nucleic acid stained image in which cells stained with a fluorescent double-stranded nucleic acid stain are imaged and a TUNEL-stained double-stranded nucleic acid stained image that fluorescently labels a DNA strand break site are in the same field of view. An image input process for inputting a TUNEL stained image;
From the input double-stranded nucleic acid staining image, a cell nucleus region extraction step of extracting a region having an area greater than or equal to the cell nucleus area threshold as a cell nucleus region among regions having a luminance value greater than or equal to the cell nucleus threshold; and
From the cell nucleus region, a fragmented cell nucleus region extracting step of extracting a region having a luminance value equal to or higher than a threshold for fragmented cell nuclei as a fragmented cell nucleus region;
When the number of fragmented cell nucleus regions extracted from the cell nucleus region is 2 or more, the nucleus of the cell containing the cell nucleus region is fragmented, and when the number is 1 or 0, the cell containing the cell nucleus region A fragmented cell nucleus discriminating step for discriminating that the nucleus is not fragmented,
A TUNEL staining luminance value measuring step for measuring a statistical value of luminance values of pixels included in a region corresponding to a cell nucleus region extracted in the double-stranded nucleic acid staining image of the input TUNEL staining image;
When the statistical value is greater than or equal to the threshold for TUNEL staining, the cell containing the cell nucleus region has undergone DNA strand breakage, and when the statistical value is less than the threshold for TUNEL staining, the cell containing the cell nucleus region is DNA strand A DNA strand break discriminating step for discriminating that no cleavage occurs;
An analysis step of analyzing a cell determined to have a fragmented nucleus and a DNA strand break to be an apoptotic cell having a fragmented DNA;
A program for running
画像解析により、アポトーシスのステージを評価する方法であって、
(a’1)フォスファチジルセリン蛍光染色、ミトコンドリア膜電位検出用プローブを用いた蛍光染色、及び細胞膜透過性プローブを用いた蛍光染色からなる群より選択される1以上の蛍光染色を行った細胞を、細胞観察用容器に固定する工程と、
(a’2)前記工程(a’ 1)の後、前記細胞観察用容器中の細胞に対して、蛍光性の二本鎖核酸染色剤を用いた核染色及びDNA鎖切断部位を蛍光標識するTUNEL染色を行う工程と、
(b’)前記工程(a’ 2)の後、前記細胞観察用容器中の細胞の染色画像を、顕微鏡を用いて、細胞染色の種類ごとに取得する工程と、
(c’)前記工程(b’)において取得された二本鎖核酸染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞の核が断片化されているか否かを判別する工程と、
(d’)前記工程(b’)において取得されたTUNEL染色画像を解析することにより、当該画像中の細胞のDNA鎖の切断が生じているか否かを判別する工程と、
(e’)前記工程(c’)において核が断片化されていると判別された細胞であり、かつ、前記工程(d’)においてDNA鎖の切断が生じていると判別された細胞を、DNAが断片化されている中期又は後期のアポトーシス細胞であると評価する工程と、
(f’)前記工程(b’)においてフォスファチジルセリン蛍光染色画像を取得した場合には、当該染色画像を解析し、フォスファチジルセリンが細胞膜の外側に局在していると判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、前記工程(b’)においてミトコンドリア膜電位検出用プローブ蛍光染色画像を取得した場合には、当該染色画像を解析し、ミトコンドリア膜に脱分極が生じていると判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価し、前記工程(b’)において細胞膜透過性検出用プローブ蛍光染色画像を取得した場合には、当該染色画像を解析し、当該細胞膜透過性プローブにより染色されたと判別された細胞をアポトーシス細胞であると評価する工程、
(g’)前記工程(e’)においてDNAが断片化されていると判断されなかった細胞のうち、前記工程(f’)においてアポトーシス細胞であると評価された細胞を、初期のアポトーシス細胞であると評価する工程と、
を有することを特徴とするアポトーシスのステージの評価方法。
A method for evaluating the stage of apoptosis by image analysis,
(A′1) Cells subjected to at least one fluorescent staining selected from the group consisting of phosphatidylserine fluorescent staining, fluorescent staining using a probe for detecting mitochondrial membrane potential, and fluorescent staining using a cell membrane permeable probe Fixing the cell observation container,
(A′2) After the step (a ′ 1), nuclear staining using a fluorescent double-stranded nucleic acid stain and a DNA strand break site are fluorescently labeled on the cells in the cell observation container Performing TUNEL staining;
(B ′) after the step (a ′ 2), obtaining a stained image of the cells in the cell observation container for each type of cell staining using a microscope;
(C ′) analyzing the double-stranded nucleic acid stained image obtained in the step (b ′) to determine whether or not the nucleus of the cell in the image is fragmented;
(D ′) analyzing the TUNEL-stained image obtained in the step (b ′) to determine whether or not DNA strand breakage of cells in the image has occurred;
(E ′) a cell in which the nucleus has been determined to be fragmented in the step (c ′), and a cell in which the DNA strand break has been determined in the step (d ′) Evaluating the DNA to be a fragmented metaphase or late apoptotic cell;
(F ′) When a phosphatidylserine fluorescent staining image was acquired in the step (b ′), the staining image was analyzed, and it was determined that phosphatidylserine was localized outside the cell membrane. When the cell is evaluated as an apoptotic cell and a probe fluorescent staining image for detecting mitochondrial membrane potential is obtained in the step (b ′), the stained image is analyzed and depolarization occurs in the mitochondrial membrane. When the discriminated cell is evaluated as an apoptotic cell, and a probe fluorescent staining image for cell membrane permeability detection is obtained in the step (b ′), the stained image is analyzed and stained with the cell membrane permeability probe. Evaluating a cell identified as having been apoptotic,
(G ′) Among the cells whose DNA has not been determined to be fragmented in the step (e ′), cells evaluated as apoptotic cells in the step (f ′) are treated as early apoptotic cells. A process of evaluating that there is,
A method for evaluating the stage of apoptosis characterized by comprising:
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