JP2018509591A - 不均一なバイオマーカー分布を定量的に分析するための方法、システム及び装置 - Google Patents
不均一なバイオマーカー分布を定量的に分析するための方法、システム及び装置 Download PDFInfo
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Abstract
Description
2014年12月3日に出願された米国仮特許出願第62/086,840号の利益が本出願により主張され、同仮特許出願の内容は参照により本明細書に組み込まれている。
(a)データセットは細胞試料における1つ又は複数の対象領域(AOI)内の複数の視野(FOV)各々について1つずつの画像スタックを含み、この画像スタックはx軸、y軸及びz軸を含み、x軸及びy軸は視野内の空間座標を表し、z軸は1つ又は複数の層を含み、z軸の各層は単一の検出可能マーカーについての複数のx,y座標での強度データを含み、
(b)クラスタ分析は、非監視型、ノンパラメトリック、密度ベースのクラスタ化アルゴリズムを画像スタックに適用するステップを含み、このクラスタ化アルゴリズムはx,y座標を、複数のz軸層にまたがる検出可能マーカー強度の比率が同等である他のx,y座標と一緒にグループ化することにより、同等の発現パターンを有する複数のクラスタ群を生成する。
別の一実施形態において、前述の方法のデータセットは
(a1)画像内の複数のAOI各々についてFOVサンプリング格子(任意選択でAOI全体にまたがり規則的な間隔で配置される複数のFOVを含む)を計算するステップと、
(a2)各FOV内の単一又は複数のz面にて多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトル(hyper−spectral)データを自動的に収集するステップ(任意選択でメタデータ属性を有するネスト化データ構造又はデータベースに自動記憶させてもよく、前記メタデータ属性は患者、アッセイ、生検、切片、AOI位置及び/又はFOV位置を含む)と、
(a3)検出可能マーカーシグナルを多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータからコンピュータ処理によりセグメント化するステップと、
(a4)クラスタ分析において1つのグループとして比較されることになるFOVを選択してデータセット構造に入れ込むステップ
(ただし任意選択で
(a4a)1つのグループとしての比較対象として選択されるFOVは同一組織切片中の別々の腫瘍病巣に相当するか、又は
(a4b)FOVは同一患者から採取された別の生検材料と比較するために同一患者から採取された生検材料に基づいてグループ化されるか、又は
(a4c)FOVは腫瘍部位に基づいてグループ化されるか、又は
(a4d)FOVは患者に基づいて別の患者と比較するためにグループ化されるか、又は
(a4e)FOVは腫瘍遺伝子型に基づいてグループ化される)と、
(a5)形態学的特徴の自動セグメント化をデータセット内の各FOVの各検出可能マーカーシグナルに適用するステップ(前記特徴のセグメント化は任意選択でサイズの制約、強度の制約、又はサイズの制約と強度の制約との組み合わせに基づく)と
を含む方法によって取得される。
(a6)1つ又は複数のFOVにおいて、クラスタ分析に含めるか、又はクラスタ分析から除外する領域を手作業で指定するステップ
をさらに含む。
・複数の被分析物が検出可能マーカーで標識され、
・検出可能マーカーで標識される被分析物のうち少なくとも1つはリン酸化シグナル伝達タンパク質であり、
・画像の各FOV内の単一又は複数のz面にて、ハイパースペクトル又は多重スペクトルのデータが収集される。
(a)分析用画像処理分析システムであって、
プロセッサと、
プロセッサに結合され、プロセッサによって実行されたとき前述の方法のいずれかを含む操作をプロセッサに実施させるコンピュータ実行可能な命令を記憶するメモリと
を含む分析用画像処理分析システムと、任意選択で
(b)細胞試料のデジタル化画像並びに細胞試料からの多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータを捕捉するよう、またデジタル化画像を分析用画像処理分析システムへ伝達するように適合された、分析用画像処理ハードウェアシステムと、任意選択で
(c)リレーショナルデータベースと
を含む。
本開示の様々な実施例を再検討しやすくするため、略語及び特定の用語について以下の説明を記載する。
CRC:結腸直腸がん
FFPE組織:ホルマリン固定パラフィン包埋組織
FISH:蛍光性インサイチュハイブリダイゼーション
H&E:ヘマトキシリン及びエオシン染色
IHC:免疫組織化学
ISH:インサイチュハイブリダイゼーション
NBF:中性緩衝ホルマリン溶液
NSCLC:非小細胞肺がん
PI3K:ホスファチジルイノシトール3−キナーゼ。ホスファチジルイノシトール−4,5−ビスリン酸3−キナーゼ、ホスファチジルイノシタイド3−キナーゼ、PI3−キナーゼ、PI(3)K、及びPI−3Kともいう。
被分析物:試料中において特異的に検出されることになる分子又は分子群。
被分析物結合体:被分析物に対して特異的に結合する能力を有するもの。被分析物結合体の例として以下が挙げられる:標的抗原に結合する抗体及び抗体フラグメント(一本鎖抗体を含む);MHC:抗原複合体に結合するt細胞受容体(一本鎖受容体を含む);MHC:ペプチドマルチマー(特定のT細胞受容体に結合する);特定の核酸又はペプチド標的に結合するアプタマー;特定の核酸、ペプチド、及び他の分子に結合する亜鉛フィンガー;受容体リガンドに結合する受容体複合体(一本鎖受容体及びキメラ受容体を含む);受容体複合体に結合する受容体リガンド、並びに特定の核酸に対してハイブリダイゼーションを起こす核酸プローブ。
・特定のリン酸化アミノ酸残基について特異的な抗体、例えばリン酸化ヒスチジン(抗ホスホHis)、リン酸化セリン(抗ホスホSer)、リン酸化トレオニン(抗ホスホThr)、及びリン酸化チロシン(抗ホスホTyr)、並びに
・リン酸化アミノ酸を含有する特定の抗原について特異的な抗体、例えばセリン473においてリン酸化されたAkt(抗ホスホAkt(Ser473));PI3
が挙げられる。
ポリペプチド:長さが20個のアミノ酸より長いペプチド。本明細書において使用される用語「ポリペプチド」又は「タンパク質」は、任意のアミノ酸配列を包含し、糖タンパク質など修飾後配列を含む意味で使用される。
II.はじめに
腫瘍組織中の多様なバイオマーカーを特徴付け、腫瘍組織内及び腫瘍組織間における前記バイオマーカーの存在及びレベルの不均一性を測定することが可能であれば、患者の疾患状態に対して利用可能な標的療法を適切に選択するための重要な情報の提供に繋がる。適切な併用療法の開発及び選定は、再発防止においてさらに重要な要因となり得、組織中で主要なバイオマーカーの分布が異なる区域を識別及び測定することが可能であれば、併用療法を判定する上で重要な情報の提供に繋がる。
本方法及びシステムを使用できるようになる前に、対象の被分析物について検出可能に標識される試料を生成しなければならない。原則として、本方法及びシステムは、標識及び画像処理され得るどのような種類の細胞試料でも使用することができる。
しかし、本方法及びシステムは、免疫組織化学、インサイチュハイブリダイゼーション、及び形態学向けの染色/標識(H&E染色など)方法を含め、細胞中で対象の被分析物を標識する方法に対して敏感な如何なる試料にも適合するということが重視されるべきである。
本方法及びシステムは、対象の各被分析物の識別情報、位置及び強度に関するデータを含有する標識組織の画像に適用される。したがって、細胞試料の形態学的特徴を含有するデジタル画像が捕捉され、任意選択で対象区域(AOI)について注釈付けされ、次いで対象の各被分析物に関連する各検出可能標識の識別情報、位置及び強度に関する多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータがAOIから捕捉される。この分析のための基本的ワークフローの一例
A.画像取得
形態学的画像をまず捕捉し、次いで注釈を付け、不均一性を評価されることになる1つ又は複数の対象区域(AOI)を識別する。
1.対象区域の注釈付け
形態学的画像は一旦収集された後、熟練の使用者(医師又は病理学者など)により、さらなる問い合わせのための1つ又は複数のAOIを選定するために注釈が付けられる。AOIの境界はコンピュータにより、ステージ座標へと変換される。一実施形態において、AOIは画像全体に相当し得るか、又は画像の一部、例えば画像の中で一定の形態学的特徴を有する部分に限定され得る。画像の注釈付けに様々な基準を使用することができ、例えば、腺など解剖学的構造の認識又は上皮など細胞種別の認識を目的とする医学的訓練に基づいて注釈付けを行うか、あるいは腫瘍と基質との対比における差別化に基づいて区別を行うことができる。注釈付けは、セグメント化された細胞のテクスチャ特徴、形態学的特性の機械認識、観察中の線切片に登録された連続切片からのデータ、又はこれらの方法の組み合わせを使用して自動化することができる。一実施形態において、1つ又は複数のAOIは解剖学的組織に基づいて選定される。
AOIを複数のFOVに細分化して、FOVサンプリング格子を生成する。FOVサンプリング格子は、画像内で相互に比較可能な一連の代表的領域を設けるよう生成される。したがって、AOI内で分析対象となる関連領域の代表的サンプルを捕捉する形で、FOVはAOI全体にわたり分布すべきである。
AOI内のFOV毎に複数の画像スタックを含むデータセットに、FOVからのデータを整理して入れ込む。
AOI内でFOVが選定されると、多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータが各FOVから収集される。このデータは新たに(すなわちFOV選定後にスペクトルデータを収集することにより)収集されるか、又は収集済みのスペクトルデータセットからFOV選定後に抽出され得る。次いで検出可能マーカーシグナルが、収集された多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータからコンピュータ処理によりセグメント化される。
次のステップは、データセットに含まれることになる個別のFOV又はAOI全体の選定である。本明細書において用語「データセット」は、異なる「データセット」との比較を目的にグループ化される、取得された複数の視野から成る1つの群を表す意味で使用される。これは1つの腫瘍区域からの視野を同一組織の正常区域からの視野と比較するか、又は1つの腫瘍からの複数の視野から成る1つの群を同じ患者からの異なる腫瘍からの複数の視野からなる1つの群と比較するか、又はある患者からの腫瘍からの複数の視野からなる1つの群を異なる患者からの腫瘍からの複数の視野から成る1つの群と比較するためのグループ化が関係し得る。別の例として、マイクロアレイのコア毎に取得された視野を相互に比較するためのグループ化、あるいは複製コアらの視野を複製コアから成る他の「データセット」と比較するためのグループ化が挙げられる。データ分析向けに視野をこのように柔軟にグループ化すると、マーカー発現の比較を腫瘍間、腫瘍内、患者間、患者内、処置群に応じた複数の患者、マイクロアレイのコア間、といった様々なレベルで行うことができる。
データセット内のフィールド毎にアンミキシングされた染色剤チャネルをさらに、任意選択で自動的にセグメント化して、形態学的特性(サイズ、形状)又は光度特性(シグナル強度範囲)に基づいて対象の特徴を選択することができる。特徴の自動選定により、強度範囲、サイズ及び形状の制約に基づいて構造を分析から除外することが可能となる。これは背景の染色及びノイズが分析に及ぼす影響を最小限に抑える上で役立つ。これらのセグメント化はデータセットの一部として持続し、また専用ビュアー内でデータセットを開き、セグメント化パラメータを変更することにより、再セグメント化及び上書きすることができる。
細胞又は組織の試料中における不均一性を判定するため、任意選択でセグメント化されるデータセットにクラスタ分析が適用される。前述のデータセットオブジェクトは、分析に含まれる視野、分析に含まれる被分析物、及び各視野のうち含まれる区域(セグメント化された特徴及び注釈付け)に関する情報を包含する。
分析向けデータセットは不均一性分析インターフェースにロードされ、FOV毎の各被分析物が画像「スタック」(3Dアレイ)にロードされる結果、x軸及びy軸が空間座標を表し、z軸は1つ又は複数の層を包含し、各層は別々の被分析物マップを表す。模範的な分析が図11で図示されている。使用者により設定されるパラメータは、z軸の層内のピクセルが中央値フィルタ処理されて任意の足跡区域にわたりシグナルを均一化するか、又は任意の足跡区域にわたりシグナルが平均化されるかを制御する。これらのパラメータは、クラスタアルゴリズムに入力される各「ピクセル」又は単位区域のサイズを決定付ける。例えば、細胞のサイズに合わせた領域が複数のグループへとクラスタ化されるよう、細胞のサイズとおおよそ同等の足跡にわたり、シグナルを均一化することが望ましい場合がある。各FOV画像スタックは、x軸又はy軸いずれかの端部に位置する従前の画像スタックに付加される結果、視野はタイル化され、AOI全体を表す大型のx,y,z画像となる。各被分析物の視野がロードされるにつれ、包含対象として既に選定済みのFOVはそのまま残され、他の区域はゼロの値に設定される。
細胞は受容体を経て膜で化学シグナル及び環境シグナルを受容し、これらのシグナルはタンパク質リン酸化カスケードを経て中継される。このシグナル伝達は、刺激に対する応答として細胞挙動を変化させる形で遺伝機構を制御する。各経路は様々な生物学的結末に影響を及ぼし得る。これらのシグナル伝達経路の異常調節は、外部刺激がそれ以上必要でなくなる原因となり得、病理学的異常やがんの発達を引き起こし得る。したがって、腫瘍形成に関わるシグナル伝達経路を対象とする多数の標的化治療が開発され、臨床試験を経てきた(表1及び2)。
本明細書に記載の画像分析方法及びシステムを例示するため、6つの抗ホスホ抗体−量子ドット共役対が一団として多重化向けに開発した。これらはPI3Kシグナル伝達経路における5つのエフェクター成分(pAKT473、pAKT308、pPRAS40、pS6、peIF4G)、及びPI3Kシグナル伝達とのクロストークに関係する経路であるMAPKシグナル伝達経路における1つの出力エフェクター成分(pERK)から成る。
表3は、本研究で使用したすべての一次抗体のリストである。一次抗体はすべて、Cell Signaling Technologies(マサチューセッツ州ダンバーズ)から、BSAアジド不使用製剤として購入した。
乳がん細胞株モデルSKBR3及び前立腺腺癌細胞株モデルLNCaPを10%のFBSを補充したMcCoyの5A培地中で培養した。SKBR3細胞は、ATP競合性pan−AKTキナーゼ阻害剤GSK690693を低ナノモル濃度(250nM)で使用して24時間にわたり、抗体検証研究用に処理した。薬物処理後、切片化及びスライド調製のために、細胞を低温のIX PBSを使用して洗浄し、低温の10%中性緩衝ホルマリン中に固定し、パラフィン中に包埋した。
SKBR3細胞からのタンパク質試料は、等容積のLaemmli試料緩衝液(Biorad(カリフォルニア州ハーキュリーズ))に0.5Mのジチオトレイトールを添加した100℃の溶液に細胞溶解物を5分間浸漬して変性させることによって調製した。SDS−PAGEによりタンパク質を分離し、ポリビニリデンジフルオリド膜へ移し、一次抗体でブロット処理し、セイヨウワサビペルオキシダーゼ共役二次抗体を使用して検出した。ECL(Thermo Scientific)を使用して、タンパク質バンドを検出した。
Benchmark XT自動染色装置(Ventana Medical Systems(アリゾナ州トゥーソン))を使用して一次ホスホ抗体染色を行い場合の最適なアッセイ条件を判定するため、FFPE標本のLnCaP、SKBR3及びCalu−3異種移植片に対して、DABベースの検出を使用する明視野IHCを実施した。ULTRA VIEW UNIVERSAL DAB検出キット(VMSI Cat#760−500)を使用した。必要な場合、OMNIMAP DAB抗Rb検出キット(VMSI Cat#760−149)のOMNIMAP抗Rb HRP成分、又は抗ハプテン特異的HRP二次抗体コンジュゲートを、ULTRA VIEW DAB Multimerの代わりに使用した(例えば各々、非共役一次抗体又は抗ハプテン共役一次抗体を評価するため)。すべてのHRPコンジュゲートを、37℃にて8分間培養した。
患者からの腫瘍標本を、乳がんの機能的マーカーであるER、PR、Her2、Ki−67、PTENについてはIHCにより、INDIVUMEDの腫瘍標本についてはHer2 Dual ISHにより、OHSU−IDCの標本についてはER、PR、Her2により染色した。機能的マーカーをVentana Medical Systems,Inc.から購入し、製造者の推奨に従って使用した。乳がんマーカーのIHC染色のスコアリングは、委員会公認の病理学者により、標準慣行に従って行われた(Wolff 2007、Hammond、2010)。委員会公認の病理学者は、H&E染色された連続切片上の腫瘍領域を24〜48mm間隔で識別した。
腫瘍試料を、関連する遺伝子突然変異についてスクリーニングした。病理学者は、DNA抽出向けに隔離された未染色のFFPE切片から、腫瘍領域を識別した。FFPE組織から導出された20ngのDNAを、突然変異分析向けのPCRによって、がんにおいて役割を果たすことが既知の37の遺伝子のコーディングエクソンをカバーするパネルを使用して増幅した。標的単位複製配列ライブラリを生成するため、特別製のIon AMPLISEQ(Ion Torrent)固体腫瘍パネル(Beadling 2013)を使用した。単位複製配列ライブラリの調製及びシークエンシングについて詳しくは、Supplementary Methods: Preparation of amplicon libraries(補完的方法:単位複製配列ライブラリの調製)に説明されている。OHSU IDCの試料について、既に記述されているとおり(Ang 2014)、53の遺伝子における643の点突然変異を包含する多重化PCR質量分析法ベースの技法を使用して、突然変異スクリーニングを実施した。シークエンシングによって検出された遺伝子突然変異が表6に列記されている。
画像処理戦略では、絶対照明レベルの変動が1%未満の条件でサンプル面での照明流速量を反復可能な、閉ループ安定化金属ハロゲン化物アーク光源(Exfo Exacte(Lumen Dynamics、カナダ、オンタリオ州、部品番号P010−00201R))を使用した。照明レベルは1%の増分での線形方式でも調節可能である。照明源は、屈折力測定システム(X−Cite Optical Power Meter and Sensor(Lumen Dynamics、カナダ、オンタリオ州、部品番号P010−00245R))を使用して、サンプル面での出力を絶対単位に対して校正するメカニズムを提供する。この校正装置を使用して、正確に100mwの励起照明がデータ取得の都度、画像処理用の光学トレイン及びフィルタを介してサンプル面に到達することを確保するよう、光源内のマイクロプロセッサを校正した。
染色された細胞及び腫瘍組織の試料におけるすべてのPI3K経路タンパク質のリン酸化レベルを、マーカー毎の染色強度寄与を表す、アンミキシングされたチャネルの強度を基に定量した。各画像の視野について、閾値ピクセルから平均強度を計算した(視野内の最も高輝度のシグナルの1%未満のピクセル値を除外して、関連性のないピクセル寄与を未染色区域から排除し、また最大強度の95パーセントを超えるピクセルを95パーセントの強度レベルに固定して、平均に対するホットピクセルからの疑似寄与を排除した)。各患者のホスホマーカーの総体的平均強度を、無作為に選択された複数の画像視野の複合平均を基に計算した。
平均シフトアルゴリズムは、機械視覚での対象物追跡及びカラー画像での対象物のセグメント化に、より全般的に応用される最頻値探索型アルゴリズムである。ここでは我々は、6つのマーカー間における発現パターンの類似性に基づいて区域をセグメント化するために、このアルゴリズムを使用した。このアルゴリズムを使用すると、ベクトル空間において発現パターンが同等のグループをセグメント化することができ、また不規則な形状の分布に寛容である。また、このアルゴリズムは、「異なる」クラスタがどのような状態でなければならないかについて離散的なカットオフポイントを想定する必要、又は想定上のクラスタ数をデータに強制する必要なく、機能する。
生成されたホスホマーカー発現表現型間における類似性をランク付けするため、ユークリッド距離メトリックを採用する、ノンパラメトリックの階層型分析を使用した(Hastie, T. et al.The elements of statistical learning.2(統計学習の要素 2)、Springer、2009)。各表現型間でのベクトル差の計算により、ホスホマーカー発現表現型のあらゆる組み合わせ同士の距離を算出した。標準の凝集型、ボトムアップ、階層型の分析を使用して、最小ユークリッド距離によってネットワークシグナル伝達クラスタをランク付け及びグループ化し、系統樹形式でプロット化した。
1.多重化組織画像処理プラットフォーム(MTIP)機能の特徴付け
PI3Kシグナル伝達経路における5つのエフェクター成分(pAKT473、pAKT308、pPRAS40、pS6、peIF4G)、並びにPI3Kシグナル伝達(ref)とのクロストークに関係する経路であるMAPKシグナル伝達経路における1つの出力エフェクター成分(pERK)から成る、6つの抗ホスホ抗体−QD共役対を一団として多重化向けに生成した(表4)。6つのハプテン化抗ホスホマーカー抗体すべての混合物を組織と一緒に培養し、続いて6つの抗ハプテン二次抗体−QDコンジュゲートの混合物と一緒に培養した(図14)。
MTIPの性能について、FFPE乳がん患者腫瘍試料を、患者5の標的シークエンシング(表5及び表6)を介して確認されたPIK3Caにおける既知のH1047R突然変異で染色することによって試験した(図17a)。図17aの各パネルに、病理学者が目印を付けた腫瘍領域にまたがって無作為に選定されたFOVにわたり平均化された6つのホスホマーカーすべての染色パターンが記載されている。同じFOVからのホスホマーカーのスペクトルアンミキシングされた画像は腫瘍領域内での不均一な染色パターンを示し、これはマーカー毎に予想された生物学的発現パターンを反映するものである。これらのデータは、発現における幅広いダイナミックレンジにわたり多重化されたホスホマーカーシグナル伝達を、無傷のFFPE固体腫瘍組織において細胞より小さい空間分解能で検出するMTIPの能力を実証するものである。
MTIPを使用しての定量的ホスホ発現プロファイリングを、標的シークエンシングを通じて判定されたとおり、PI3K経路によく見られるゲノム異常を表す乳がんコホートにおいて実施した。これらの試料からの連続切片も同じく、ER、PR、Ki67、Her2及びPTENを含む乳がんマーカーを使用してIHCを介して染色し、これをゲノム状態だけから明らかになるとは限らないPI3K活性化に対する他の寄与因子に関する理解を向上すべく、病理学者にスコアリングしてもらった(表6)。MTIPは、個々の腫瘍が複雑なPI3K経路のホスホ発現パターンを有することを明らかにした(個別のROIは図18a、平均ROIは図18b)。第2に、MTIPは、患者間における有意な、ホスホ発現の不均一性を明らかにした。MTIPは、PI3K経路のホスホ活性化が必ずしもPIK3caの突然変異状態だけから予測できるわけではないことを明らかにした(図18c)。例えば、患者1はPIK3CaにE545K突然変異を抱えていたが、高レベルのPI3K経路活性化を示したわけではない。この標本は、低いPI3K活性化を補助するPTEN+でもあった。あるいは、患者5の標本はPIK3caにH1047R突然変異を維持していたほか、高いHer2発現及びPTEN陰性も示し(図18c)、これは付加的なインプットがPI3K経路活性化に関わることを示唆する。これらのデータは、MTIPを使用しての多重化ホスホ発現プロファイリングが、腫瘍形成に関する、より包括的な分析を生成する上で、伝統的なIHCバイオマーカー評価及び遺伝子型情報を補完し得ることを意味する。
コンピュータ処理によるパターン認識を使用して、発現パターンが同等の区域を表現型群又は「発現クラスタ」へとセグメント化した。平均シフトクラスタ分析を使用して、固有のリン酸化パターンを識別した(図11)。表現型を、6つのマーカーにまたがって相対的なリンタンパク質発現のパターンが似ている腫瘍の領域として定義し、各クラスタに属する2次元の腫瘍区域を色分けして、捕捉された腫瘍視野内に存在する、認識された表現型を表すようにした(n=8)(図19a)。各表現型クラスタを、腫瘍の空間的広がりにまたがって色分けし(図19b)、(面積が)最も大きい3つの表現型クラスタ内のホスホマーカー毎に測定されて発現レベルの分布をプロット化した(図19c)。表現型の階層型クラスタ化がヒートマップに示され、系統樹形式でランク付けされている(図19d)。4つの腫瘍例について色分けされた表現型マップを検証すると、いくつかの所感に繋がる。まず、複数の固有のPI3K経路リン酸化表現型が、複数の個別の腫瘍にまたがって不均一な空間分布で存在する。各患者は、同じ腫瘍組織内に、特徴的なシグナル伝達経路リン酸化表現型を複数有する。患者3は対象のすべての領域で認識される同じ表現型を有する一方、患者4は捕捉された領域のサブセットに固有の表現型をいくつか有する。腫瘍内及び腫瘍間において、pERK及びpAKT308の比率の顕著な変動性が明らかであり、またpAKT473,pRAS40、pS6のパターンは患者間で有意な差があると見られる。階層型分析の結果、予想されたPI3K経路リン酸化表現型は、マーカー毎のホスホ発現プロファイリングによって表されるような、認識された遺伝子型(野生型、AKT1又はPIK3CA突然変異)との相関関係はあまりないことが分かった(図18b及び図18c及び図19c)。すべての腫瘍において、間質組織は、6つのPI3Kネットワーク成分すべてにおける低めのホスホ活性化レベルによって、上皮組織からセグメント化される(灰色のクラスタ、図19a、図19b、図19c)。注目すると興味深いのは、小さい細胞集団に限り出現した表現型の存在である(図19b、5−CA3、3−CA1、及び2−CA1)。そうしたデータは、これらの特定の異常な上皮のサブタイプについて、さらなる特徴付けが必要であることを意味する。したがって、MTIPクラスタ分析は異なるホスホ活性化表現型に関する定量的データを提供し、この情報は、組織材料を均一化する、又はより広い区域にわたり平均化する、直交的方法では失われてしまう。
ポイントPi=(xi,yi,Ii(L2),Ii(L3),Ii(L4),Ii(L5))である。
MTIP技術は、がん細胞モデル及び臨床乳がん組織における多重化リンタンパク質発現を捕捉及び測定することができる。我々は、乳がん標本における表現型の識別及びシグナル伝達経路の不均一性の定量を、強固な機械学習パターン認識アルゴリズムを使用して行うための、実用的アプローチを提示する。我々は、特徴付けられた腫瘍試料における細胞表現型に関連する情報を提供するMTIP技術の能力を実証し、この情報は、直交的アプローチによって現在のバイオマーカーを使用してアクセスすることが不可能であるため、既存のバイオマーカー及びゲノムの情報を補うものである。
Claims (45)
- 検出可能マーカーで標識された1つ又は複数の被分析物を含む、細胞試料における不均一性を特徴付ける方法であって、様々な発現パターンの複数のクラスタを含むクラスタマップを作成するために、前記細胞試料の画像から得られるデータセットに対してクラスタ分析を適用するようプログラムされたコンピュータプロセッサを含むコンピュータ装置上で前記細胞試料の画像(100)を分析するステップを含み、
(a)前記データセットは前記細胞試料の画像の少なくとも一部について1つの画像スタック(102)を含み、前記画像スタックはx軸、y軸及びz軸を含み、前記x軸及び前記y軸は画像の部分内の空間座標を表し、前記z軸はいくつかのn個の層(L1、L2、L3...、Ln)を含み、前記z軸の各層は単一の検出可能マーカーについての複数のx,y座標での強度データを含み、
(b)前記クラスタ分析は、非監視型、ノンパラメトリック、密度ベースのクラスタ化アルゴリズムを画像スタックに適用するステップを含み、前記クラスタ化アルゴリズムは少なくともn+2次元の空間において前記データセットによって定義されるポイント(Pi,Pj)をクラスタ化し、前記空間で各ポイントはx,y座標及び画像スタック内の各々のx,y座標におけるn個の層からのn個の強度データ値によって与えられることにより、前記複数のクラスタを生成し、
(c)出力データ(114、116)の出力は前記クラスタ分析の結果を表し、前記データは前記細胞試料における不均一性を示すものである
方法。 - 前記画像が多重チャネル画像であり、前記多重チャネル画像のアンミキシングによって前記n個の層が得られる請求項1に記載の方法。
- 前記多重チャネル画像(100)及び/又は1つ又は複数の単一チャネル画像(104、106、108、110、112)を表示することによってデータの前記出力が実施され、単一チャネル画像が、前記多重チャネル画像及び/又は少なくとも1つの単一チャネル画像内のクラスタの境界設定(114、116)を可視化することによって、n個の層のうち1つの表示により与えられる請求項1又は2に記載の方法。
- 前記データセット内でクラスタ毎の比例的区域を表示するクラスタヒストグラムを生成するステップをさらに含み、前記クラスタヒストグラムがステップcで出力されるデータである請求項1、2又は3に記載の方法。
- 前記画像スタックをローパスフィルタ処理しビニングされた画像スタックを提供するためのxy分解能を低減するためにn+2次元の空間のポイントをビニングするステップをさらに含み、ステップbでの前記クラスタ分析が前記ビニングされた画像スタック上で実施される前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 細胞試料の少なくとも1つの対象区域(AOI)内の少なくとも1つの視野(FOV)に画像の一部が該当する前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記出力データが前記クラスタ分析の結果におけるクラスタ数を示すデータを含む前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記密度ベースのクラスタ化アルゴリズムが平均シフトクラスタ化アルゴリズムであり、前記平均シフトクラスタ化アルゴリズムへの入力が画像スタックであり、前記平均シフトアルゴリズムの出力がx,yアレイであり、x座標及びy座標が入力された画像スタックの空間座標であり、各x,y座標での値が任意のx,y座標が属するクラスタ番号を示す標識である前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 組織試料の画像が医師による注釈付け向けにデジタル表示され得る解剖学的組織の屈折率コントラスト画像であり、解剖学的組織に基づいてAOIが選定される前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記データセットが、
(a1)前記画像内の複数のAOI各々についてFOVサンプリング格子を計算するステップと、
(a2)各FOV内の単一又は複数のz面にて多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータを自動的に収集するステップと、
(a3)検出可能マーカーシグナルを多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータからコンピュータ処理によりセグメント化するステップと、
(a4)前記クラスタ分析において1つのグループとして比較されることになるFOVを選択してデータセット構造に入れ込むステップと、
(a5)形態学的特徴の自動セグメント化を前記データセット内の各FOVの各検出可能マーカーシグナルに適用するステップと
を含む方法によって得られる前記請求項のいずれか一項に記載の方法。 - 前記FOVサンプリング格子がAOIにまたがり規則的な間隔で配置された複数のFOVを含む請求項10に記載の方法。
- 各FOVのz面からの前記多重スペクトルデータ及び/又は前記ハイパースペクトルデータが、患者、アッセイ、生検、切片、AOI位置及び/又はFOV位置に対するメタデータ特性と併せて、ネスト化されたデータ構造又はデータベースに自動記憶される請求項10に記載の方法。
- (a4a)1つのグループとしての比較対象として選択される前記FOVが同一組織切片中の別々の腫瘍病巣に相当するか、又は
(a4b)前記FOVが同一患者から採取された別の生検材料と比較するために同一患者から採取された生検材料に基づいてグループ化されるか、又は
(a4c)FOVが腫瘍部位に基づいてグループ化されるか、又は
(a4d)FOVが患者に基づいて別の患者と比較するためにグループ化されるか、又は
(a4e)FOVが腫瘍遺伝子型に基づいてグループ化される
請求項10に記載の方法。 - 特徴のセグメント化がサイズの制約、強度の制約、又はサイズの制約と強度の制約との組み合わせに基づく請求項10に記載の方法。
- 前記データセットを取得する方法が、
(a6)1つ又は複数のFOVにおいて、前記クラスタ分析に含めるか、又は前記クラスタ分析から除外する領域を手作業で指定するステップ
をさらに含む請求項10から14のいずれか一項に記載に記載の方法。 - 前記検出可能マーカーが、共局在化され、定量可能な場合、スペクトル又は他の物理的特徴に基づいて他のマーカー及び組織から分離されるシグナルを生成する前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記検出可能マーカーが抗体に付加される請求項16に記載の方法。
- 前記検出可能標識が少なくとも1つのリン酸化タンパク質に対して特異的に結合する少なくとも1つの抗体に付加される前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのリン酸化タンパク質がPI−3キナーゼシグナル伝達経路又はMAPキナーゼシグナル伝達経路のメンバーである前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのリン酸化タンパク質がAKT、PRAS40、S6、EIF4G及びERK1/2から成る群から選択される請求項19に記載の方法。
- 前記組織が二温度固定法を使用して固定された請求項18から20のいずれか一項に記載の方法。
- 腫瘍中におけるシグナル伝達経路の生理学的状態に応じて前記腫瘍を特徴付ける方法であって、前記請求項のいずれか一項に記載の方法に従って前記腫瘍の試料の画像を分析するステップを含み、
複数の被分析物が前記検出可能マーカーで標識され、
前記検出可能マーカーで標識される前記被分析物のうち少なくとも1つがリン酸化シグナル伝達タンパク質であり、
前記画像の各FOV内の単一又は複数のz面にて、ハイパースペクトル又は多重スペクトルのデータが収集される
方法。 - 細胞試料における不均一性を自動的に識別するシステムであって、
(a)分析用画像処理分析システムを含み、前記分析用画像処理分析システムは、
プロセッサと、
前記プロセッサに結合され、前記プロセッサによって実行されたとき前記請求項のいずれか一項に記載の方法を含む操作を前記プロセッサに実施させるコンピュータ実行可能な命令を記憶するメモリと
を含む、システム。 - (b)前記細胞試料のデジタル化画像並びに前記細胞試料からの多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータを捕捉するよう、また前記デジタル化画像を分析用画像処理分析システムへ伝達するように適合された、分析用画像処理ハードウェアシステム
をさらに含む請求項23に記載のシステム。 - 対象の1つ又は複数の被分析物が検出可能標識で標識される細胞試料を含有するスライドをさらに含む請求項24に記載のシステム。
- 前記細胞試料が二温度固定法を使用して保存済みのホルマリン固定パラフィン包埋組織試料であり、前記検出可能標識が少なくとも1つのリン酸化タンパク質に特異的に結合する少なくとも1つの抗体に付加される請求項25に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのリン酸化タンパク質がPI−3キナーゼシグナル伝達経路又はMAPキナーゼシグナル伝達経路のメンバーである請求項26に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのリン酸化タンパク質がAKT、AKT、PRAS40、S6、EIF4G及びERK1/2から成る群から選択される請求項26に記載のシステム。
- (c)リレーショナルデータベース
をさらに含む請求項23から28のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記請求項のいずれか一項に記載の方法を含む操作を実施するためにプロセッサによって実行されるコンピュータ実行可能な命令を記憶するための、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体。
- リン酸化プロファイルに従って腫瘍を特徴付ける方法であって、
(a)腫瘍領域を他の非腫瘍領域と区別するために形態学的詳細を明らかにするように腫瘍の細胞試料のデジタル画像を捕捉するステップであって、
(a1)前記腫瘍の前記細胞試料は検出可能に標識された複数の特異的結合剤で標識され、
(a2)前記複数の特異的結合剤のうち少なくとも1つはリン酸化された形態のシグナル伝達タンパク質に特異的であり、
(a3)前記特異的結合剤の前記検出可能標識は、
(a3a)相互に共局在化される場合はスペクトル特性に基づいて相互に分離可能であり、
(a3b)前記細胞試料から分離可能であり、
(a3c)定量可能である、ステップと、
(b)前記細胞試料の腫瘍領域内の1つ又は複数の対象区域(AOI)を選択するため前記細胞試料の前記デジタル画像に注釈付けする機能をプロセッサ上で実行するステップと、
(c)前記画像内の各AOIについて視野(FOV)のサンプリング格子を計算する機能をプロセッサ上で実行し、各FOVの単一又は複数のz面において多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータを収集するステップと、
(d)検出可能マーカーシグナルをコンピュータ処理により多重スペクトルデータ及び/又はハイパースペクトルデータからセグメント化する機能をプロセッサ上で実行するステップと、
(e)相互に比較されることになるFOVをデータセット構造に配置する機能をプロセッサ上で実行するステップと、
(f)任意選択で、サイズの制約、強度の制約、又はサイズの制約と強度の制約との組み合わせに基づいて形態学的特徴の自動セグメント化をデータセット内の各FOVの各検出可能マーカーシグナルに適用して、クラスタ分析から除外されることになるFOVの領域を識別する機能をプロセッサ上で実行するステップと、
(g)任意選択で、1つ又は複数のFOVにおいて前記クラスタ分析に含めるか、又は前記クラスタ分析から除外することになる領域の手動での指定を可能にする機能をプロセッサ上で実行するステップと、
(h)x軸、y軸及びz軸を有する画像スタック内に前記データセット構造をロードする機能をプロセッサ上で実行するステップであって、前記x軸及び前記y軸がFOV内の空間座標を表し、前記z軸が1つ又は複数の層を含み、前記z軸の各層が単一の検出可能マーカーについての複数のx,y座標での強度データを含む、ステップと、
(i)非監視型、ノンパラメトリック、密度ベースのクラスタ化アルゴリズムを前記画像スタックに適用して、x,y座標を、複数のz軸層にまたがる検出可能マーカー強度の比率が同等である他のx,y座標と一緒にグループ化する機能をプロセッサ上で実行して、同等の発現パターンを有する複数のクラスタを生成するステップであって、各クラスタはリン酸化プロファイルを示すものである、ステップと
を含む方法。 - 前記非監視型、ノンパラメトリック、密度ベースのクラスタ化アルゴリズムが平均シフトクラスタ化アルゴリズムであり、前記平均シフトクラスタ化アルゴリズムへの入力が前記画像スタックであり、前記平均シフトアルゴリズムの出力がx,yアレイであり、前記x座標及びy座標が入力された画像スタックの空間座標であり、各x,y座標での値が任意のx,y座標が属するクラスタ番号を示す標識である請求項31に記載の方法。
- 前記細胞試料が組織試料であり、前記組織試料の画像が医師による注釈付け向けにデジタル表示され得る解剖学的組織の屈折率コントラスト画像であり、解剖学的組織に基づいてAOIが選定される請求項31に記載の方法。
- 前記FOVサンプリング格子がAOIにまたがり規則的な間隔で配置された複数のFOVを含む請求項31に記載の方法。
- 各FOVのz面からの前記多重スペクトルデータ及び/又は前記ハイパースペクトルデータが、患者、アッセイ、生検、切片、AOI位置及び/又はFOV位置に対するメタデータ特性と併せて、ネスト化されたデータ構造又はデータベースに自動記憶される請求項31に記載の方法。
- (a4a)1つのグループとしての比較対象として選択される前記FOVが同一組織切片中の別々の腫瘍病巣に相当するか、又は
(a4b)前記FOVが同一患者から採取された別の生検材料と比較するために同一患者から採取された生検材料に基づいてグループ化されるか、又は
(a4c)FOVが腫瘍部位に基づいてグループ化されるか、又は
(a4d)FOVが患者に基づいて別の患者と比較するためにグループ化されるか、又は
(a4e)FOVが腫瘍遺伝子型に基づいてグループ化される
請求項31に記載の方法。 - 前記リン酸化タンパク質のうち少なくとも1つがPI−3キナーゼシグナル伝達経路又はMAPキナーゼシグナル伝達経路のメンバーである請求項31に記載の方法。
- 前記リン酸化タンパク質のうち少なくとも1つがAKT、PRAS40、S6、EIF4G及びERK1/2から成る群から選択される請求項31に記載の方法。
- 前記細胞試料が二温度固定法を使用して固定された組織試料である請求項31に記載の方法。
- 前記方法が(a)に従って前記デジタル化画像を捕捉するよう、また前記デジタル化画像を分析用画像処理分析(AIA)システムへ伝達するように適合された分析用画像処理ハードウェアシステムを含むシステム上で実行され、前記AIAシステムが、プロセッサと、前記プロセッサに結合され、前記プロセッサによって実行されたとき(b)から(i)の操作をプロセッサに実施させるコンピュータ実行可能な命令を記憶するメモリとを含む請求項31に記載の方法。
- 表示装置(117)を含む多重スペクトル画像処理システムによって実装される細胞試料画像処理方法であって、
細胞試料から多重スペクトルピクセルを含む画像データ(100)を取得するステップと、
n個の単一チャネル画像(104、106、108、110、112)を多数提供する多重スペクトルピクセルをスペクトルアンミキシングするステップと、
非監視型、ノンパラメトリック、密度ベースのクラスタ化アルゴリズムを前記n個の単一チャネル画像によって与えられるn+2次元の空間で応用することにより、複数のクラスタ(C1、C2)を生成するステップを含むクラスタ分析を実施するステップと、
クラスタ化によって得られたクラスタ化の結果の表現(114、116)を前記表示装置(117)に表示させるステップと
を含む方法。 - 前記単一チャネル画像(108)のうち少なくとも1つを表示させるステップと、前記クラスタ化の結果の前記表現(114、116)を前記少なくとも1つの単一チャネル画像にオーバーレイとして表示させるステップとをさらに含む請求項40に記載の方法。
- 単一チャネル画像の数nが3個より多いか又は4個より多い請求項40又は41に記載の方法。
- 前記クラスタ化アルゴリズムを実施する前に、前記アンミキシングされた画像データでローパスフィルタ処理される請求項40、41又は42に記載の方法。
- 前記クラスタ化アルゴリズムを実施する前に、前記アンミキシングされた画像データがビニングされ、前記表示される画像(108)が、ビニングされなかった画像データの分解能を有する請求項40から43のいずれか一項に記載の方法。
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