JP2014023439A - 細胞解析方法および細胞解析装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】がん化した細胞をより高精度に識別することが可能な細胞解析方法を提供する。
【解決手段】判定対象組織の細胞核染色された細胞数を計測し、当該計測の結果を用いて蛍光強度を示すヒストグラムをフローサイトメータ5によって取得し、続いて、解析制御手段6によって、前記取得したヒストグラムを解析して予め定められた複数のパラメータに関するデータを取得し、各パラメータのデータを予め定められた各パラメータの閾値と対比して各パラメータにおける判定対象組織のがん化判定を行い、判定された各パラメータの結果に対してパラメータ毎にスコアリングの処理を行って、算出された各パラメータのスコアを組み合わせることにより、判定対象組織を総合的にがん化判定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、正常組織とがん化した組織を識別するための組織中細胞の解析方法および細胞解析装置に関するものである。
従来から、病理標本の作成が行われた後に細胞検査士や病理医によって組織切片による病理診断が行われている。標本の作成や細胞検査士および病理医による診断には熟練した技術が必要であり、技術の差により診断結果に違いが生じる場合がある。また、組織を摘出してから診断を行うまでには、組織を固定、切片を作成、染色といった手技が必要であり、細胞検査士、病理医等を一定時間拘束することになる。そこで、診断までの手技を自動化することが求められている。
また、腫瘍の部位や術式によっては、手術中に、摘出した組織が腫瘍であるのか正常組織であるのかを判別することが必要である。この判別には細胞診断や凍結切片による迅速診断が行われているが、通常の病理診断と比較して、より高度な技術と診断精度が要求される。したがって、術中に摘出した組織が腫瘍(がん細胞)であるのか否かの診断を自動でより客観的に且つ迅速に行う装置が開発されれば、病理医にとって非常に有用である。
そこで、例えば、単離・細胞核染色された細胞を計測して蛍光強度のヒストグラムを取得し、ヒストグラムのデータから正常細胞よりも蛍光強度の強い領域に分布する強領域細胞数を求め、この強領域細胞数とヒストグラムに基づいてがんの悪性度を判定する細胞解析装置及び細胞解析方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−047594号公報
上記特許文献1の細胞解析装置及び細胞解析方法によれば、ヒストグラムとその蛍光強度の強い領域に分布する細胞数に基づいてがんの悪性度を判定することができる。しかし、がん化した細胞の判定には、さらに高精度であることが求められる。
そこで、本発明は、がん化した細胞をより高精度に識別することが可能な細胞解析方法および細胞解析装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る細胞解析方法は、判定対象組織の細胞核染色された細胞数を計測し、当該計測の結果を用いて蛍光強度を示すヒストグラムを取得するヒストグラム取得工程と、前記ヒストグラム取得工程によって取得されたヒストグラムを解析し、予め定められた複数のパラメータに関するデータを取得する解析データ取得工程と、前記解析データ取得工程によって取得された各パラメータのデータを予め定められた各パラメータの閾値と対比して、各パラメータにおける判定対象組織のがん化判定を行うパラメータ判定工程と、前記パラメータ判定工程によって判定された各パラメータの判定結果に対して、パラメータ毎にスコアリングの処理を行うスコアリング処理工程と、前記スコアリング処理工程によって算出された各パラメータのスコアを組み合わせることにより、判定対象組織のがん化判定を行う総合判定工程(スコア組合せ判定工程)と、を有することを特徴とするものである。
また、本発明の細胞解析方法は、前記総合判定工程(スコア組合せ判定工程)におけるがん化判定は、前記スコアリング処理工程によって算出された各パラメータのスコアを合計した総合スコアを、予め定められた閾値と対比して行う判定であることが好ましい。
また、本発明の細胞解析方法は、前記総合判定工程(スコア組合せ判定工程)において対比する予め定められた閾値は、予め取得した前記総合スコアの中で、がん組織を正しく判定できる確率を示す感度と正常組織を正しく判定できる確率を示す特異度をプロットしたROC曲線において前記感度と前記特異度のバランスから定められた総合スコアの値であることが好ましい。
また、本発明の細胞解析方法は、前記パラメータ判定工程における予め定められた各パラメータの閾値は、前記解析データ取得工程によって予め取得した各パラメータにおける多数の解析データの中で、がん組織を正しく判定できる確率を示す感度と正常組織を正しく判定できる確率を示す特異度をプロットしたROC曲線において前記感度と前記特異度のバランスから定められた解析データの値であることが好ましい。
また、本発明の細胞解析方法は、前記スコアリング処理工程におけるスコアリングの処理は、前記パラメータ判定工程によるパラメータ毎のがん化判定結果情報を基に点数付けを行う処理であることが好ましい。
また、本発明の細胞解析方法は、前記スコアリング処理工程における点数付けでは、がん化判定に寄与する度合いに基づいてパラメータ間で重み付けが行われることが好ましい。
また、本発明の細胞解析方法は、前記解析データ取得工程における予め定められた複数のパラメータは、少なくとも前記ヒストグラムの全細胞数に対する正常DNA量細胞数の比率、前記ヒストグラムの全細胞数に対するDNA増幅細胞数の比率、前記ヒストグラムの全細胞数に対するデブリ数の比率、前記ヒストグラムにおける正常DNA量細胞の正規分布したピークの幅、前記ヒストグラムを高速フーリエ変換して得られた波形の曲線下面積、および前記ヒストグラムの全細胞数のうちの2つ以上のパラメータを含むことが好ましい。
また、本発明に係る細胞解析装置は、細胞核染色された細胞数を計測し、当該計測の結果を用いて蛍光強度を示すヒストグラムを取得するフローサイトメータと、前記フローサイトメータによって取得されたヒストグラムを解析して、予め定められた複数のパラメータに関するデータを取得し、当該取得したデータについて予め定められた各パラメータの閾値に基づきがん組織と正常組織の判定を行う解析制御手段と、を備え、前記解析制御手段は、前記各パラメータにおけるがん組織と正常組織の判定結果に対して、パラメータ毎にスコアリングの処理を行ない、当該スコアリングの処理によって算出された各パラメータのスコアを組み合わせ、当該組み合わせたスコアに基づいてがん組織と正常組織の判定を行うことを特徴とするものである。
本発明によれば、判定対象組織から取得されたヒストグラムについての特徴的な複数のパラメータを検出してパラメータ毎にがん化判定を行い、それらの判定結果に対してスコアリングを行って各パラメータの特徴を組み合わせた総合スコアに基づいて総合的ながん化判定を行っている。従って、がん組織と正常組織との差異が明確になって、より高精度にがん化した細胞を識別することができる。
本発明に係る細胞解析装置の実施形態の一例を含む細胞解析システムの構成図である。 細胞単離器具の一例を示す分解斜視図である。 フローサイトメータによって取得されたDNAヒストグラムの一例を示す図である。 DNAヒストグラムをFFT処理した波形の一例を示す図であり、(a)は正常組織のDNAヒストグラムをFFT処理した波形、(b)はがん組織のDNAヒストグラムをFFT処理した波形である。 DNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するG0/G1細胞比率の分布を示した図である。 DNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対する悪性指数の分布を示した図である。 DNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するデブリ数比率の分布を示した図である。 DNAヒストグラムにおける正常DNA量細胞のピーク幅の分布を示した図である。 DNAヒストグラムを高速フーリエ変換した波形のAUCの分布を示した図である。 DNAヒストグラムにおける総イベント数の分布を示した図である。 G0/G1細胞比率についてのROC曲線を示す図である。 悪性指数についてのROC曲線を示す図である。 デブリ数についてのROC曲線を示す図である。 正常DNA量細胞のピーク幅についてのROC曲線を示す図である。 AUCFFTについてのROC曲線を示す図である。 総イベント数についてのROC曲線を示す図である。 (a)は、がん患者から採取した組織について算出した総合スコアの分布を示す表である。(b)は、総合スコアの分布をプロットしたグラフである。 総合スコアについてのROC曲線を示す図である。
以下、本発明に係る細胞解析方法および細胞解析装置の実施形態の一例を添付図面に基づいて説明する。
図1は、細胞の解析を行うための細胞解析システム1を示す。
細胞解析システム1は、フローサイトメータ5とパーソナルコンピュータ(以下、解析制御手段とも称する)6を有する細胞解析装置2と、細胞前処理装置3と、細胞前処理装置3にセットされる細胞単離器具4(図2参照)を備えている。
細胞解析装置2のフローサイトメータ5は、フローサイトメトリ(Flow Cytometry)に用いられる装置である。フローサイトメトリとは、微細な粒子を流体中に分散させ、その流体(懸濁液)を流して個々の粒子を光学的に分析する手法のことをいう。微粒子を選択的に回収することもできる。この形態においてフローサイトメータ5は、がん化判定の対象である組織の細胞核染色された細胞の数を計測し、その結果を用いて蛍光強度を示すDNAヒストグラム(ヒストグラムの一例)を取得する。
細胞解析装置2の解析制御手段6は、フローサイトメータ5によって取得されたDNAヒストグラムを解析する装置である。
解析制御手段6は、具体的には、以下のような解析処理を行なう。
例えば、解析制御手段6はDNAヒストグラムの特徴を得るために複数のパラメータに関するデータを取得する。また、解析制御手段6は取得した各パラメータのデータを予め定められた各パラメータの最適閾値と対比して、各パラメータに関して判定対象組織ががん組織であるか正常組織であるかのがん化判定を行う。
また、解析制御手段6は、各パラメータにおけるがん化判定結果に対して、パラメータ毎にスコアリング(評点)という点数付けの処理を行う。さらに、解析制御手段6はスコアリングによって算出された各パラメータのスコアを組み合わせることにより、総合的に判定対象組織のがん化判定を行う。
なお、フローサイトメータ5と解析制御手段6とは、それぞれ別の装置とせずにフローサイトメータ5に解析制御手段6の機能を持たせる構成としてもよい。
細胞単離器具4は、解析の対象である組織が注入される筒状容器であり、細胞の単離処理を行うに際し細胞前処理装置3にセットされる。細胞前処理装置3は、ピペッティングの処理を行う装置であり、細胞単離器具4に対しノズルを介して細胞処理液(試薬を含む)と組織を出し入れする。
図2は、細胞単離器具4を分解した状態のものを示す。
細胞単離器具4は、本体21、フィルタ22(濾過部材)、および蓋体23を有するピペット部材20と、容器30を備えている。
界面活性剤、RNA(リボ核酸)除去剤、および蛍光染料色素を含んだ試薬31が、乾燥あるいは凍結乾燥された状態で容器30の底に収容される。細胞単離処理に供される組織および細胞処理液を容器30内に投入すると、試薬31が細胞処理液中に溶解する。
細胞単離器具4は、後述する撹拌による細胞単離処理と並行して、界面活性剤による組織細胞の裸核化、RNA除去剤によるRNA除去、および蛍光染料色素による裸核化されたDNA細胞核の染色を遂行することができる。これにより細胞前処理装置3に回収された後、フローサイトメータ5等による測定が可能な状態になり、迅速な診断を実現できる。
組織および細胞処理液(試薬31を含む)を収容した容器30にピペット部材20が装着される。本体21の先端(開口21b)は、容器30の中心軸C1上に配置され、容器30の底と一定の間隔をおいて対向する。本体21の先端と容器30の底との間には、投入された組織が位置する。本体21の先端部21aは、投入された細胞処理液に浸かった状態になる。
次に、以上のように構成された細胞単離器具4を用い、細胞前処理装置3によって行う細胞単離処理の内容について、図1、図2を参照しながら説明する。
細胞前処理装置3のスライド蓋12を開けて容器30の底部を位置決孔13に挿入して容器30を支持する。細胞単離器具4の上端部を細胞前処理装置3が備えるノズル14の下端部に接続し、ノズル14内の通路と蓋体23内の通路とが、適宜の係合構造を介して気密液密的に連通させる。細胞前処理装置3のスライド蓋12を閉めると、以下のような手順で細胞の単離処理の動作が開始される。
細胞前処理装置3はノズル14に接続されたポンプ機構(図示省略)を備えている。細胞前処理装置3の制御部は、ユーザによって設定された撹拌条件(撹拌強さ、繰り返し回数、継続時間等)に基づいてポンプ機構を制御し、加圧状態と減圧状態とを形成する。加圧状態においては、ノズル14から空気が吹き出し、減圧状態においては、ノズル14から空気が吸入される。
加圧状態と減圧状態を繰り返すピペッティング処理により、ノズル14に接続されたピペット部材20を通じて容器30内の組織および組織処理液(試薬31を含む)を撹拌することができる。
一定時間の撹拌処理を行なうことにより、組織は次第に細かく粉砕され、ミンスされた状態になり、単離された細胞を含んだ懸濁液を得ることができる。この処理において、細胞の核が壊されその中の染色体が蛍光に反応するように色付けされる。
その後、細胞前処理装置3は、ピペット部材20の通路を介して容器30内の懸濁液を吸引する。懸濁液はフィルタ22を通過することによって不要な組織片が濾過される。これにより、所望の単離細胞を含む細胞浮遊液が得られる。さらに吸引動作を継続することにより、細胞浮遊液が細胞前処理装置3に回収され、フローサイトメータ5による蛍光分析等の解析処理に供される。
次に、フローサイトメータ5によって実施されるDNAヒストグラムの取得処理(ヒストグラム取得工程)について説明する。
フローサイトメータ5は、細胞浮遊液を用いて単離・細胞核染色された細胞を計測し、イベント毎の蛍光信号のピーク値と積分値から、関連する変量の関係を平面上に表示したスキャッタグラム(図示省略)を得る。続いて、このスキャッタグラムに適切なゲート処理を施し、シングル細胞と思われるイベントから蛍光強度の積分値のDNAヒストグラムを得る。
このように、フローサイトメータ5は、細胞核染色された細胞(細胞数)を計測する計測部及び当該計測部の計測結果を用いて蛍光強度のDNAヒストグラムを取得するヒストグラム取得部として機能する。
フローサイトメータ5により得られたDNAヒストグラムに係るデータは、細胞解析装置2を構成するPC(解析制御手段)6へ送信されて記憶手段(例えば、RAM、フラッシュメモリ等)に記憶される。また、このデータは解析制御手段6の表示部(例えば、LCD)に表示することもできる。
図3は、フローサイトメータ5によって取得されたDNAヒストグラムの一例を示す。
DNAヒストグラムの縦軸は細胞数を表示している。また、横軸はDNA量に相当する蛍光強度を表示している。なお、染色体はDNAからできており、染色色素は二本鎖DNAにインターカレートするため、蛍光強度を測定することでDNAの量が測定できる。
図3において、Aの領域は、デブリ(Debris)、すなわち破壊された細胞(ゴミ)もしくは間質組織に染色体が付着したものが現れる領域である。この領域の細胞のDNA量は、正常なG0/G1期細胞のDNA量よりも少ない。
また、Bの領域は、G0/G1期細胞群、すなわち正常DNA量の細胞が現れる領域である。
また、Cの領域は、S期細胞群が現れる領域である。S期細胞群のうち、細胞のDNA合成を開始したばかりのもののDNA量は、正常なG0/G1期細胞のDNA量よりもわずかに多い。このDNA量は細胞のDNA量がG2期レベル(G2期は後述するE領域)になるまで増加し続ける。
また、Dの領域は、DNA Aneuploidyの細胞群が現れる領域である。この領域の細胞のDNA量は、異数体(正常DNA量の整数倍ではない)に分布を示す。腫瘍の組織において検出されることが多く、その出現場所はさまざまである。
また、Eの領域は、G2/M期細胞群が現れる領域である。G2期細胞のDNA量は、正常なG0/G1期細胞の2倍のDNA量を含む。M期細胞は母細胞が2つの嬢細胞に細胞分裂し、そのDNA量は正常なG0/G1期細胞の2倍のDNA量を含む。
また、Fの領域は、その他のDNA量を有する細胞群が現れる領域である。DNA Aneuploidyの細胞のS期やG2/M期の細胞が検出されることもある。
さらに、Pの位置は、Bの領域(G0/G1期細胞群)のピーク位置を示している。また、矢印間Wは、Bの領域(G0/G1期細胞群)のピーク区間を示しており、ピークP値の5%に相当する点の区間を示している。
DNAヒストグラムを取得する際、フローサイトメータ5は、フローサイトメータ5の内部を流れる細胞浮遊液にレーザ光を当て、レーザ光に対する蛍光強度を測定する。各細胞は色付け処理によって蛍光色素を含んでいるので光の吸収率がそれぞれ相違し、レーザ光に対する蛍光強度は相違する。蛍光色素はDNAの二重螺旋の中に入り込むためDNAの大きさによって入り込む色素の量が異なる。通常、がん細胞の染色体は正常細胞の染色体よりも大きいため、色付け処理によって含まれる色素の量はがん細胞の方が多くなる。
したがって、DNAヒストグラムの波形は、判定対象の組織中に含まれる正常DNA(細胞)の比率、またがん化したDNA(細胞)の比率等のパラメータによって相違した特徴を示す形状になる。
次に、上記のようにして取得したDNAヒストグラムを解析し、以下に示すような複数のパラメータについてのデータを算出・取得処理する解析データ取得工程について説明する。なお、この工程は細胞解析装置2の解析制御手段6によって処理しているが、上述したようにフローサイトメータ5によって処理する構成としてもよい。
パラメータとしては、がん組織の判定指標になる要素であり、DNAヒストグラムにおいて特徴的なパターンとして現れるものが好ましい。具体的には、(1)DNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対する正常DNA量細胞(G0/G1細胞)数の比率、(2)DNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するDNA増幅細胞数の比率(悪性指数)、(3)DNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するデブリ数の比率、(4)DNAヒストグラムにおける正常DNA量細胞の正規分布したピークの幅(G0/G1HPCV)、(5)DNAヒストグラムを高速フーリエ変換した結果から得られた波形の曲線下面積(AUC:Area Under the Curve)、(6)DNAヒストグラムにおける検出全細胞数等を挙げることができる。
これら(1)から(6)のパラメータを図3のDNAヒストグラムに対応させて説明すると以下のようになる。
(1)のDNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対する正常DNA量細胞(G0/G1細胞)数の比率は、G0/G1期細胞群の細胞数比率のことをいう。すなわち、全領域のうちBの領域に現れる細胞数の比率のことをいう。
(2)のDNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するDNA増幅細胞数の比率(悪性指数)は、S期細胞群、DNA Aneuploidyの細胞群、G2/M期細胞群、およびその他のDNA量を有する細胞群の細胞数比率のことをいう。すなわち全領域のうちCの領域、Dの領域、Eの領域、およびFの領域に現れる細胞数の比率のことをいう。
(3)のDNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するデブリ数の比率は、全領域のうちAの領域に現れる細胞数の比率のことをいう。
(4)のDNAヒストグラムにおける正常DNA量細胞の正規分布したピークの幅(G0/G1HPCV)は、Bの領域(G0/G1期細胞群)のピーク区間(ピークP値の5%に相当する点の区間)、すなわち矢印で示される区間Wを示している。これはB領域のピークのバラツキ度合いを現している。
(5)のDNAヒストグラムを高速フーリエ変換(FFT)した波形の曲線下面積は、DNAヒストグラムのFFT後の波形に対するAUCのことをいう。図4は、DNAヒストグラムをFFT処理した波形の一例を示す。(a)は正常組織のDNAヒストグラムをFFT処理した波形、(b)はがん組織のDNAヒストグラムをFFT処理した波形であり、それぞれのAUCが38および20であることを示している。
(6)のDNAヒストグラムにおける検出全細胞数は、デブリ、G0/G1期細胞群、S期細胞群、DNA Aneuploidyの細胞群、G2/M期細胞群、およびその他のDNA量を有する細胞群の細胞数、すなわちAの領域からFの領域の全領域に現れる全細胞数のことをいう。
図5から図10は、一例として、大腸がんの場合における上記(1)から(6)のパラメータについての計測データの分布を示す。大腸がん患者(26例)から組織を採取し、上記(1)から(6)のパラメータについての計測データをプロットしたものである。
図5は、各患者の正常組織と腫瘍(がん組織)のそれぞれについて、(1)のヒストグラムにおける検出全細胞数に対する正常DNA量細胞数の比率を計測し、その結果をプロットしたものを示す。図に示されるように、G0/G1細胞比率(正常DNA量細胞数の比率)は、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも低いという特徴を有する。なお、プロットした比率の所定範囲40、41は、それぞれ正常組織、腫瘍(がん組織)におけるパラメータの平均値±標準偏差(mean±SD)の範囲を示している。所定範囲40、41は図6から図10、および図17においても同様である。
図6は、同様に、(2)のヒストグラムにおける検出全細胞数に対するDNA増幅細胞数の比率(悪性指数)を計測し、その結果をプロットしたものである。図に示されるように、悪性指数は、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも高いという特徴を有する。
図7は、同様に、(3)のDNAヒストグラムにおける検出全細胞数に対するデブリ数の比率を計測し、その結果をプロットしたものである。図に示されるように、デブリ数の比率は、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも高いという特徴を有する。
図8は、同様に、(4)のDNAヒストグラムにおける正常DNA量細胞の正規分布したピークの幅(G0/G1HPCV)を測定し、その結果をプロットしたものである。図に示されるように、G0/G1HPCVは、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも大きいという特徴を有する。
図9は、同様に、(5)のDNAヒストグラムを高速フーリエ変換した波形のA曲線下面積(AUC)を算出し、その結果をプロットしたものである。図に示されるように、曲線下面積は、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも小さいという特徴を有する。
図10は、同様に、(6)のDNAヒストグラムにおける検出全細胞数を測定し、その結果をプロットしたものである。図に示されるように、検出全細胞数は、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも多いという特徴を有する。
上述のように(1)から(6)のパラメータを例として挙げたが、ヒストグラムから解析データを算出・取得するパラメータの項目および数は適宜設定するようにしてもよい。ただし、より精度良いがん組織の判定結果を得るためにはこれらのパラメータのうちの2以上の項目を含むことが必要である。パラメータの項目は、これらに限定されるものではなく、がん組織を検出するために有効でありヒストグラムに現れる特徴的なパラメータであればよい。
以上のようにして算出・取得された各パラメータに関するデータは、解析制御手段6の記憶手段(例えば、RAM、フラッシュメモリ等)に記憶される。
次に、上記のようにして取得した各パラメータのデータを予め定められた各パラメータの最適閾値と対比して、各パラメータにおける判定対象組織のがん化判定を行うパラメータ判定工程について説明する。なお、この工程も細胞解析装置2の解析制御手段6によって処理しているが、上述したようにフローサイトメータ5によって処理する構成としてもよい。また、以下で説明する最適閾値を算出する工程は、事前に集められた症例データに基づいて他のコンピュータで行い、算出された最適閾値を予め細胞解析装置2に記憶しておけば良い。
先ず、各パラメータにおける最適閾値は、がん患者から採取した組織に対し上記(1)から(6)のパラメータについてROC(Receiver Operatorating Characteristic)解析を行うことによって以下のように定められている。
上記のように大腸がん患者(26例)から組織を採取し、(1)から(6)の各パラメータについて取得した各組織のデータ(図5から図10に示すデータ)をパラメータの閾値(カットオフ値)とする。それぞれの閾値に対する「感度(sensitivity)」と「1−特異度(specificity)」との関係をプロットしてROC曲線を描く。ここで、感度とは、がん組織を正しくがん組織として判定できる確率のことをいい、特異度とは、正常組織を正しく正常組織として判定できる確率のことをいう。
図11から図16は、上記(1)から(6)のパラメータにおける図5から図10のデータに基づいたROC曲線を示したものである。各図において縦軸には感度を、横軸には1−特異度をとっている。
図11は、G0/G1細胞比率についてのROC曲線51である。これは図5のデータに基づくものである。ROC曲線51は、取得した各G0/G1細胞比率のデータ(26個)を閾値(カットオフ:Cut Off)値として、各データに対する感度と1−特異度との関係をプロットしている。G0/G1細胞比率では、組織の判定において、閾値以上を正常組織、閾値未満をがん組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわちG0/G1細胞比率を高く設定した場合には、感度が高くなる。また特異度が低くなるため、1−特異度は高くなる。つまり、閾値を大きくした場合には、がん組織を正しく判定できる確率は高くなるのに対して、正常組織を正しく判定できる確率は低くなる。これをROC曲線上の点の位置でいうと、曲線の右上に近い位置になる。
これに対して閾値を小さくしていく、すなわちG0/G1細胞比率を低く設定していった場合には、感度が低下していく。また特異度が上昇していくため1−特異度は低下していく。つまり、閾値を小さくしていくと、がん組織を正しく判定できる確率は低くなるのに対して、正常組織を正しく判定できる確率は高くなる。これをROC曲線上の点の位置でいうと、曲線の左下に近づいていく。
このようにして得られたROC曲線51において、最適閾値は、感度と特異度のバランスから便宜的に決定される。この実施形態では図の左上隅からの距離を利用した方法によって決定している。つまり、感度100%、特異度100%の左上隅の点(0,1)に最も近いROC曲線上の点を選択し、その点の閾値を最適閾値として決定する。
この方法によって選択された左上隅に最も近いROC曲線51上の点は、点53であった。そして、この点53における閾値、すなわち最適閾値は、CutOff:79.57[%]であった。また、このときの感度は、sensitivity:96.2[%]であり、特異度は、specificity:76.9[%]であった。
つまり、G0/G1細胞比率についてのROC曲線51において最適閾値を79.57[%]に設定すると、96.2[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、76.9[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図11におけるROC曲線の曲線下面積は、AUC:0.929であった。ROC曲線下面積は、判定対象組織のがん化を評価するための指標の一つであり、0.5から1.0の値をとる。ROC曲線下面積が大きければ大きいほどがん化判定の精度は高くなる。
なお、ROC曲線における最適閾値の決定方法としては、このほか例えば、AUC=0.500となる斜破線52から最も離れたROC曲線上の点を最適閾値とする、Youden indexを用いた方法を採用してもよい。以下、図12から図16および図18においても同様である。
図12は、悪性指数についてのROC曲線61である。これは図6のデータに基づくものである。ROC曲線61は、取得した各悪性指数のデータ(26個)を閾値として、各データに対する感度と1−特異度との関係をプロットしている。悪性指数では、組織の判定において、閾値以上をがん組織、閾値未満を正常組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわち悪性指数を高く設定した場合には、感度が低くなる。また特異度が高くなるため、1−特異度は低くなる。つまり、閾値を大きくした場合には、がん組織を正しく判定できる確率は低くなるのに対して、正常組織を正しく判定できる確率は高くなる。これをROC曲線上の点の位置でいうと、曲線の左下に近い位置になる。
これに対して閾値を小さくしていく、すなわち悪性指数を低く設定していった場合には、感度が上昇していく。また特異度が低下していくため1−特異度は上昇していく。つまり、閾値を小さくしていくと、がん組織を正しく判定できる確率は高くなるのに対して、正常組織を正しく判定できる確率は低くなる。これをROC曲線上の点の位置でいうと、曲線の右上に近づいていく。
このようにして得られたROC曲線61において、左上隅に最も近いROC曲線61上の点は、点63であった。そして、この点63における閾値、すなわち最適閾値は、CutOff:10.93[%]であった。また、このときの感度は、sensitivity:88.5[%]であり、特異度は、specificity:76.9[%]であった。
つまり、悪性指数についてのROC曲線61において最適閾値を10.93[%]に設定すると、88.5[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、76.9[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図12におけるROC曲線の曲線下面積は、AUC:0.858であった。
図13は、デブリについてのROC曲線71である。これは図7のデータに基づくものである。ROC曲線71は、取得した各デブリ数比率のデータ(26個)を閾値として、各データに対する感度と1−特異度との関係をプロットしている。デブリ数比率では、組織の判定において、閾値以上をがん組織、閾値未満を正常組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわちデブリ数比率を高く設定した場合には、感度が低くなる。また特異度が高くなるため、1−特異度は低くなる。また、閾値を小さくしていく、すなわちデブリ数比率を低く設定していった場合には、感度が上昇していく。また特異度が低下していくため1−特異度は上昇していく。したがって、その特性は、図12で説明した場合と同様になる。
このようにして得られたROC曲線71において、左上隅に最も近いROC曲線71上の点は、点73であった。そして、この点73における閾値、すなわち最適閾値は、CutOff:9.01[%]であった。また、このときの感度は、sensitivity:80.8[%]であり、特異度は、specificity:80.8[%]であった。
つまり、デブリについてのROC曲線71において最適閾値を9.01[%]に設定すると、80.8[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、80.8[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図13におけるROC曲線の曲線下面積は、AUC:0.836であった。
図14は、正常DNA量細胞のピークの幅(G0/G1HPCV)についてのROC曲線81である。これは図8のデータに基づくものである。ROC曲線81は、取得した各G0/G1HPCVのデータ(26個)を閾値として、各データに対する感度と1−特異度との関係をプロットしている。G0/G1HPCVでは、組織の判定において、閾値以上をがん組織、閾値未満を正常組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわちG0/G1HPCVを高く設定した場合には、感度が低くなる。また特異度が高くなるため、1−特異度は低くなる。また、閾値を小さくしていく、すなわちG0/G1HPCVを低く設定していった場合には、感度が上昇していく。また特異度が低下していくため1−特異度は上昇していく。したがって、その特性は、図12で説明した場合と同様になる。
このようにして得られたROC曲線81において、左上隅に最も近いROC曲線81上の点は、点83であった。そして、この点83における閾値、すなわち最適閾値は、CutOff:3.16[%]であった。また、このときの感度は、sensitivity:50.0[%]であり、特異度は、specificity:73.1[%]であった。
つまり、G0/G1HPCVについてのROC曲線81において最適閾値を3.16[%]に設定すると、50.0[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、73.1[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図14におけるROC曲線下面積は、AUC:0.611であった。
図15は、DNAヒストグラムを高速フーリエ変換した波形の曲線下面積(AUC)についてのROC曲線91である。これは図9のデータに基づくものである。ROC曲線91は、取得した各AUCのデータ(26個)を閾値として、各データに対する感度と1−特異度との関係をプロットしている。AUCでは、組織の判定において、閾値以上を正常組織、閾値未満をがん組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわちAUCを高く設定した場合には、感度が高くなる。また特異度が低くなるため、1−特異度は高くなる。また、閾値を小さくしていく、すなわちAUCを低く設定していった場合には、感度が低下していく。また特異度が上昇していくため1−特異度は低下していく。したがって、その特性は、図11で説明した場合と同様になる。
このようにして得られたROC曲線91において、左上隅に最も近いROC曲線91上の点は、点93であった。そして、この点93における閾値、すなわち最適閾値は、CutOff:27.35であった。また、このときの感度は、sensitivity:84.6[%]であり、特異度は、specificity:84.6[%]であった。
つまり、AUCについてのROC曲線91において最適閾値を27.35に設定すると、84.6[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、84.6[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図15におけるROC曲線の曲線下面積は、AUC:0.905であった。
図16は、検出全細胞数(総イベント数)についてのROC曲線101である。これは図10のデータに基づくものである。ROC曲線101は、取得した各総イベント数のデータ(26個)を閾値として、各データに対する感度と1−特異度との関係をプロットしている。総イベント数では、組織の判定において、閾値以上をがん組織、閾値未満を正常組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわち総イベント数を高く設定した場合には、感度が低くなる。また特異度が高くなるため、1−特異度は低くなる。また、閾値を小さくしていく、すなわち総イベント数を低く設定していった場合には、感度が上昇していく。また特異度が低下していくため1−特異度は上昇していく。したがって、その特性は、図12で説明した場合と同様になる。
このようにして得られたROC曲線101において、左上隅に最も近いROC曲線101上の点は、点103であった。そして、この点103における閾値、すなわち最適閾値は、CutOff:5069[個]であった。また、このときの感度は、sensitivity:69.2[%]であり、特異度は、specificity:65.4[%]であった。
つまり、総イベント数についてのROC曲線101において最適閾値を5069[個]に設定すると、69.2[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、65.4[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図16におけるROC曲線の曲線下面積は、AUC:0.706であった。
以上のようにして定められた各パラメータにおける最適閾値、感度、特異度、ROC曲線の曲線下面積、およびROC曲線等のデータは、解析制御手段6の記憶手段(例えば、RAM、フラッシュメモリ等)に記憶されている。
続いて、判定の対象組織においてそのヒストグラムから取得された各パラメータのデータは、上述のようにして定められている最適閾値(最適カットオフ値)と対比されて、それぞれのパラメータ毎にがん化判定が行われる。
具体的には、(1)のパラメータの正常DNA量細胞(G0/G1細胞)数の比率では、判定対象組織のG0/G1細胞数の比率が、上述のようにして定められている最適閾値79.57%と対比されて、最適閾値79.57%以上である場合にはその判定対象を正常組織と判定する。これに対して最適閾値79.57%未満である場合にはその判定対象をがん組織と判定する。
また、(2)のパラメータのDNA増幅細胞数の比率(悪性指数)では、判定対象組織の悪性指数が、最適閾値10.93%以上である場合にはその判定対象をがん組織と判定し、最適閾値10.93%未満である場合にはその判定対象を正常組織と判定する。
また、(3)のパラメータのデブリ数の比率では、判定対象組織のデブリ数の比率が、最適閾値9.01%以上である場合にはその判定対象をがん組織と判定し、最適閾値9.01%未満である場合にはその判定対象を正常組織と判定する。
また、(4)のパラメータのピークの幅(G0/G1HPCV)では、判定対象組織のG0/G1HPCVが、最適閾値3.16%以上である場合にはその判定対象をがん組織と判定し、最適閾値3.16%未満である場合にはその判定対象を正常組織と判定する。
また、(5)のパラメータのAUCでは、判定対象組織のAUCが、最適閾値27.35以上である場合にはその判定対象を正常組織と判定し、最適閾値27.35未満である場合にはその判定対象をがん組織と判定する。
また、(6)のパラメータの検出全細胞数(総イベント数)では、判定対象組織の総イベント数が、最適閾値5069以上である場合にはその判定対象をがん組織と判定し、最適閾値5069未満である場合にはその判定対象を正常組織と判定する。
次に、判定対象組織におけるパラメータ毎のがん化判定結果に対し、パラメータ毎にスコアリング(評点)という点数付けを行うスコアリング処理工程について説明する。この工程は解析制御手段6によって処理しているが、フローサイトメータ5によって処理する構成としてもよい。
スコアリング処理とは、パラメータ毎のがん化判定においてがん組織と判定されたか或いは正常組織と判定されたかに応じて、すなわちパラメータ毎のがん化判定結果情報を基にパラメータ毎に点数付けを行う作業のことをいう。
具体的には、がん化判定においてその結果が、がん組織であると判定された場合には、判定対象組織のスコアをそのパラメータについて+1点とし、正常組織であると判定された場合には0点として点数付けを行う。この点数付けの処理を上記(1)から(6)の各パラメータについて行う。
次に、各パラメータの結果を組み合わせて総合的に判定対象組織のがん化判定を行う総合判定工程(スコア組合せ判定工程)について説明する。この工程も解析制御手段6によって処理しているが、フローサイトメータ5によって処理する構成としてもよい。
上記スコアリング処理工程によって点数付けされた各パラメータのスコアを合計(例えば、加算)することにより、複数のパラメータに関する解析データを組み合わせ、判定対象組織の総合スコアを算出する。
そして、算出した総合スコアに基づいたがん化判定、すなわち各パラメータの結果を組み合わせることによる総合的ながん化判定を行う。この判定は、算出した判定対象組織の総合スコアを予め定められた総合スコアの最適閾値と対比することによって行う。
総合スコアの最適閾値は、がん患者から採取した組織について総合スコアのROC解析を行うことによって定められる。
図17(a)は、大腸がん患者(26例)から採取した組織について算出した総合スコアの分布を示した表である。また、図17(b)は、総合スコアをグラフ上にプロットしたものである。
図に示されるように、総合スコアは、腫瘍(がん組織)の方が正常組織よりも高いという特徴を有する。
大腸がん患者(26例)から採取した各組織の総合スコア(図17に示す総合スコア)を閾値(カットオフ値)とする。そして、それぞれの閾値に対する「感度」と「1−特異度」との関係をプロットして、上記図11から図16と同様にROC曲線を描く。
図18は、図17のデータに基づいて総合スコアのROC曲線を示したものである。総合スコアでは、組織の判定において、閾値以上をがん組織、閾値未満を正常組織と判定する。
閾値を大きくした場合、すなわち総合スコアを高く設定した場合には、感度が低くなる。また特異度が高くなるため、1−特異度は低くなる。また、閾値を小さくしていく、すなわち総合スコアを低く設定していった場合には、感度が上昇していく。また特異度が低下していくため1−特異度は上昇していく。したがって、その特性は、図12で説明した場合と同様になる。
このようにして得られたROC曲線111において、図18の左上隅(座標(0,1)の位置)に最も近いROC曲線111上の点は、点113であった。この点113における閾値が最適閾値であり、その値はCutOff:2.01[点]であった。また、このときの感度は、sensitivity:96.2[%]であり、特異度は、specificity:88.5[%]であった。
つまり、最適閾値を2.01[点]に設定すると、96.2[%]の確率で正しくがん組織を判定することができ、88.5[%]の確率で正しく正常組織を判定することができる。
また、図18におけるROC曲線の曲線下面積は、AUC:0.939であった。
なお、以上のようにして定められた総合スコアにおける最適閾値、感度、特異度、ROC曲線下面積、およびROC曲線等のデータは、解析制御手段6の記憶手段(例えば、RAM、フラッシュメモリ等)に記憶されている。
そして、判定の対象組織においてそのヒストグラムから取得される各パラメータの結果を組み合わせた総合スコアは、上述のようにして定められている最適閾値(最適カットオフ値)と対比されることにより、そのがん化判定が行われる。
具体的には、判定対象組織の総合スコアが、上述のようにして定められている最適閾値2.01と対比されて、最適閾値2.01点以上である場合にはその判定対象はがん組織と判定される。これに対して最適閾値2.01点未満である場合にはその判定対象は正常組織と判定される。
以上のような方法で決定された単独パラメータのROC曲線における最適閾値(図11から図16)と各パラメータの結果を組み合わせた総合スコアのROC曲線における最適閾値(図18)とを対比すると、総合スコアの最適閾値の方が、感度と特異度とのバランスにおいても、ROC曲線下面積においても明らかに高い数値を示している。
したがって、複数のパラメータのがん化判定を組み合わせた総合的ながん化判定を行うことによって、単独パラメータによるがん化判定を行うよりも、格段にがん化判定の精度を向上させることができる。また、予め事前に集められた症例データに基づいて算出され値細胞解析装置2に記憶された最適閾値(予め定められた各パラメータの閾値の一例)との比較によって判定を行うことができるので、より迅速かつ的確に判定することが可能になる。
さらに、ヒストグラムにおいて特徴を示す複数のパラメータについて、各パラメータのがん化判定結果を点数付けし、それらの点数を組み合わせた総合スコアに基づいてがん化判定を行っているので、一部のパラメータに関して特徴を示さないような特殊なDNAヒストグラムのパターンを示すがん組織に対しても、総合的ながん化判定によって的確な判定を行うことができる。
次に、パラメータ毎のスコアリングに関する重み付けについて説明する。
上述したスコアリング処理工程において、パラメータ毎に行われるスコアリング(評点)は、パラメータ間で重み付けをするようにしてもよい。
具体的には、複数のパラメータの中でがん化判定精度が高いパラメータについては、そのがん化判定でがん組織であると判定された場合には、他のパラメータの場合よりも高い点数を付けるようにする。すなわち、がん化判定に寄与する度合いに基づいてパラメータ間で点数付けに差を持たせる。
これをROC曲線の特性に当て嵌めていうと、感度と特異度とのバランスよく左上隅に特に近い点(最適閾値)を有するパラメータについては、そのがん化判定でがん組織であると判定された場合には、他のパラメータの場合よりも高い点数を付ける。
このような重み付けを行うことにより、判定精度の高いパラメータにおいてがん組織であると判定されたものは、総合スコアのがん化判定においてより高い確率でがん組織であると判定されることになる。また、総合スコアROC曲線のAUCもより大きくなってがん判定の精度は高くなる。
本発明は上記実施形態に例示したものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
1:細胞解析システム、2:細胞解析装置、3:細胞前処理装置、4:細胞単離器具、5:フローサイトメータ、6:PC(解析制御手段)、20:ピペット部材、30:容器、51、61、71、81、91、101、111:ROC曲線、53、63、73、83、93、103、113:最適閾値(最適カットオフ値)

Claims (8)

  1. 判定対象組織の細胞核染色された細胞数を計測し、当該計測の結果を用いて蛍光強度を示すヒストグラムを取得するヒストグラム取得工程と、
    前記ヒストグラム取得工程によって取得されたヒストグラムを解析し、予め定められた複数のパラメータに関するデータを取得する解析データ取得工程と、
    前記解析データ取得工程によって取得された各パラメータのデータを予め定められた各パラメータの閾値と対比して、各パラメータにおける判定対象組織のがん化判定を行うパラメータ判定工程と、
    前記パラメータ判定工程によって判定された各パラメータの判定結果に対して、パラメータ毎にスコアリングの処理を行うスコアリング処理工程と、
    前記スコアリング処理工程によって算出された各パラメータのスコアを組み合わせることにより、判定対象組織のがん化判定を行う総合判定工程と、
    を有することを特徴とする細胞解析方法。
  2. 前記総合判定工程におけるがん化判定は、前記スコアリング処理工程によって算出された各パラメータのスコアを合計した総合スコアを、予め定められた閾値と対比して行う判定であることを特徴とする請求項1に記載の細胞解析方法。
  3. 前記総合判定工程において対比する予め定められた閾値は、予め取得した前記総合スコアの中で、がん組織を正しく判定できる確率を示す感度と正常組織を正しく判定できる確率を示す特異度をプロットしたROC曲線において前記感度と前記特異度のバランスから定められた総合スコアの値であることを特徴とする請求項2に記載の細胞解析方法。
  4. 前記パラメータ判定工程における予め定められた各パラメータの閾値は、前記解析データ取得工程によって予め取得した各パラメータにおける多数の解析データの中で、がん組織を正しく判定できる確率を示す感度と正常組織を正しく判定できる確率を示す特異度をプロットしたROC曲線において前記感度と前記特異度のバランスから定められた解析データの値であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の細胞解析方法。
  5. 前記スコアリング処理工程におけるスコアリングの処理は、前記パラメータ判定工程によるパラメータ毎のがん化判定結果情報を基に点数付けを行う処理であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の細胞解析方法。
  6. 前記スコアリング処理工程における点数付けでは、がん化判定に寄与する度合いに基づいてパラメータ間で重み付けが行われることを特徴とする請求項5に記載の細胞解析方法。
  7. 前記解析データ取得工程における予め定められた複数のパラメータは、少なくとも前記ヒストグラムの全細胞数に対する正常DNA量細胞数の比率、前記ヒストグラムの全細胞数に対するDNA増幅細胞数の比率、前記ヒストグラムの全細胞数に対するデブリ数の比率、前記ヒストグラムにおける正常DNA量細胞の正規分布したピークの幅、前記ヒストグラムを高速フーリエ変換して得られた波形の曲線下面積、および前記ヒストグラムの全細胞数のうちの2つ以上のパラメータを含むことを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の細胞解析方法。
  8. 細胞核染色された細胞数を計測し、当該計測の結果を用いて蛍光強度を示すヒストグラムを取得するフローサイトメータと、
    前記フローサイトメータによって取得されたヒストグラムを解析して、予め定められた複数のパラメータに関するデータを取得し、当該取得したデータについて予め定められた各パラメータの閾値に基づきがん組織と正常組織の判定を行う解析制御手段と、
    を備え、
    前記解析制御手段は、前記各パラメータにおけるがん組織と正常組織の判定結果に対して、パラメータ毎にスコアリングの処理を行ない、当該スコアリングの処理によって算出された各パラメータのスコアを組み合わせ、当該組み合わせたスコアに基づいてがん組織と正常組織の判定を行うことを特徴とする細胞解析装置。
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