JP2019004794A - Proliferation prediction method, proliferation prediction apparatus and program - Google Patents

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ゆり 下嵜
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晶 佐波
満 水野
Mitsuru Mizuno
満 水野
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Ichiro Sekiya
一郎 関矢
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Abstract

To provide techniques that can predict the future proliferation degree of a cell while suppressing the influence on cells.SOLUTION: The proliferation prediction method comprises calculating an index for predicting the future proliferation state of mesenchymal stem cells based on the culture state of the mesenchymal stem cells at the first time point, and predicting the proliferation state of the mesenchymal stem cells at the second time point after the first time point based on the index and the discriminant.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本開示は、細胞の増殖度合いを予測する増殖予測方法、増殖予測装置およびプログラムに関する。   The present disclosure relates to a growth prediction method, a growth prediction apparatus, and a program for predicting the degree of cell proliferation.

近年、生体から細胞を採取して培養し、培養した細胞を医療研究または薬理試験に利用することが行われている。上記のような目的で細胞を増殖させる場合、所定の期日までに所望の量へ細胞を増殖させたいという要求があることが多い。そのため、これまでに様々な培養細胞の管理方法が考案されている。   In recent years, cells are collected from a living body and cultured, and the cultured cells are used for medical research or pharmacological tests. When cells are grown for the purpose as described above, there is often a demand to grow cells to a desired amount by a predetermined date. Therefore, various management methods for cultured cells have been devised so far.

特許文献1には、培養容器内の培養細胞の占有面積率を計測し、計測された培養細胞の占有面積率と、培養細胞の増殖状態に応じて二つの領域に分類される細胞数と占有面積率との関係とに基づいて、該二つの領域の境界に位置する占有面積率を有するか否かに応じて継代の可否を判断する培養細胞の継代判断方法が開示されている。   In Patent Document 1, the occupied area ratio of the cultured cells in the culture vessel is measured, and the measured occupied area ratio of the cultured cells and the number and occupation of the cells classified into two regions according to the proliferation state of the cultured cells are disclosed. Based on the relationship with the area ratio, there is disclosed a passage determination method for cultured cells that determines whether passage is possible or not according to whether or not it has an occupied area ratio located at the boundary between the two regions.

特開2007―124914号公報JP 2007-124914 A

しかしながら、特許文献1に記載された継代判断方法は、培養細胞の増殖スピードが落ちないように継代をするタイミングを判断する発明であり、所望の期日に所望の量の細胞が得られるかについての情報を与えない。それ故、上記の継代判断方法では、例えば、培養細胞を治療用途として使用する場合、患者へ移植する日に所望の量の細胞が得られるか見通しを立てにくい。   However, the passage determination method described in Patent Document 1 is an invention for determining the passage timing so that the growth speed of cultured cells does not decrease, and can a desired amount of cells be obtained on a desired date? Give no information about. Therefore, in the above passage determination method, for example, when using cultured cells for therapeutic purposes, it is difficult to predict whether a desired amount of cells can be obtained on the day of transplantation to a patient.

また、特許文献1に記載された発明では、培養細胞の占有面積率を計算するために、培養中の細胞の画像を随時取得する必要があり、この画像撮影および/またはそれに伴う諸作業が細胞の生育に悪影響を与える可能性がある。   In addition, in the invention described in Patent Document 1, it is necessary to acquire images of cells in culture at any time in order to calculate the occupied area ratio of cultured cells. May adversely affect the growth.

本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、細胞へ与える影響を抑えながら細胞の将来の増殖度合いを予測できる技術を提供する。   The present disclosure has been made in view of the above points, and provides a technique capable of predicting the degree of future proliferation of cells while suppressing the influence on the cells.

上記課題を解決するために、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、前記間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標を算出する算出ステップと、前記指標と判別式とに基づいて、前記第1時点よりも後の第2時点の前記間葉系幹細胞の増殖状態を予測する予測ステップと、を含む増殖予測方法を提供する。   In order to solve the above-mentioned problem, a calculation step for calculating an index for predicting a future proliferative state of the mesenchymal stem cell based on a culture state of the mesenchymal stem cell at a first time point; And a prediction step of predicting the proliferation state of the mesenchymal stem cells at a second time point after the first time point based on the formula.

また、培養している細胞の画像を取得する取得部と、前記画像に写った、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、前記間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標を算出する算出部と、前記指標と判別式とに基づいて、前記第1時点よりも後の第2時点の前記間葉系幹細胞の増殖状態を予測する予測部と、を備える増殖予測装置を提供する。   Further, a future proliferative state of the mesenchymal stem cell is predicted based on an acquisition unit that acquires an image of the cultured cell and the cultured state of the mesenchymal stem cell in the first time point that is reflected in the image. A proliferation unit comprising: a calculation unit that calculates an index for predicting; and a prediction unit that predicts a proliferation state of the mesenchymal stem cells at a second time point after the first time point based on the index and the discriminant. A prediction device is provided.

また、培養している細胞の画像を取得する取得ステップと、前記画像に写った、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、前記間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標を算出する算出ステップと、前記指標と判別式とに基づいて、前記第1時点よりも後の第2時点の前記間葉系幹細胞の増殖状態を予測する予測ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムを提供する。   Further, based on the acquisition step of acquiring an image of the cultured cells and the cultured state of the mesenchymal stem cells at the first time point shown in the image, the future proliferation state of the mesenchymal stem cells is predicted. A calculation step for calculating an index for predicting, and a prediction step for predicting a proliferation state of the mesenchymal stem cells at a second time point after the first time point based on the index and the discriminant. Provide a program to be executed.

本開示によれば、細胞へ与える影響を抑えながら細胞の将来の増殖度合いを予測できる。   According to the present disclosure, it is possible to predict the degree of future proliferation of cells while suppressing the effect on the cells.

コロニーの概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of a colony. コロニーの集合がグループ分けされる様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the collection of colonies is grouped. 細胞の平均的な長さが異なるコロニーを複数示す図である。It is a figure which shows multiple colonies from which the average length of a cell differs. 長さパラメータの算出方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method of a length parameter. 細胞の平均的な密度が異なるコロニーを複数示す図である。It is a figure which shows multiple colonies from which the average density of a cell differs. 周辺細胞の数え方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating how to count a surrounding cell. 密度パラメータを算出する方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of calculating a density parameter. 実施例1の増殖予測装置の構成を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically showing a configuration of a growth prediction apparatus of Example 1. FIG. 実施例1の増殖予測装置が実行する処理のフローを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the process which the proliferation prediction apparatus of Example 1 performs.

<概要>
本願の発明者らは、細胞培養実験を繰り返すことにより、間葉系幹細胞を培養する場合、培養を開始してから5日目の細胞の形態情報と、培養を開始してから15日目の細胞の増殖度合いと、の間に強い相関があることを確認した。そこで、発明者らは、上記知見を応用し、第1時点の細胞の形態情報に基づいて、第1時点よりも後の第2時点に所望の量の細胞が得られるか否かを判定する予測手法を開発した。
<Overview>
When culturing mesenchymal stem cells by repeating cell culturing experiments, the inventors of the present application, the morphological information of the cells on the fifth day after the start of the culture, and the 15th day after the start of the culture It was confirmed that there was a strong correlation between the degree of cell proliferation. Therefore, the inventors apply the above knowledge and determine whether or not a desired amount of cells can be obtained at the second time point after the first time point based on the cell shape information at the first time point. A prediction method was developed.

なお、本願明細書において、「培養を開始後n日目」という用語は、培養を開始して24×(n−1)時間後から24×n時間前までの何れかの時点を指す。また、形態情報とは、例えば、細胞の長さを表す長さパラメータ、複数の細胞がどの程度密集して増殖しているかを示す密度パラメータおよび細胞の個数のことである。形態情報のより詳細な定義については後述する。以下に、図面を参照しながら上記予測手法について説明する。   In the specification of the present application, the term “day n after the start of culture” refers to any point in time from 24 × (n−1) hours to 24 × n hours before the start of culture. Further, the morphological information is, for example, a length parameter indicating the length of a cell, a density parameter indicating how densely a plurality of cells are proliferating, and the number of cells. A more detailed definition of the form information will be described later. The prediction method will be described below with reference to the drawings.

[判別式]
まず、細胞の増殖度合いを予測するための判別式の決定方法について説明する。判別式とは、第1時点における細胞群(コロニー)の形態情報が特定された際に、第1時点よりも後の第2時点に細胞が所望の量に増殖しているか否かを予測するための判断基準のことである。判別式は、例えば、培養を開始して5日目(96時間経過してから24時間以内)の間葉系幹細胞の形態情報と培養を開始して15日目(336時間経過してから24時間以内)の間葉系幹細胞の個数情報とに基づいて算出される。
[Discriminant]
First, a method for determining a discriminant for predicting the degree of cell proliferation will be described. The discriminant predicts whether or not the cells have grown to a desired amount at the second time point after the first time point when the morphology information of the cell group (colony) at the first time point is specified. It is a standard for judgment. The discriminant is, for example, morphological information of mesenchymal stem cells on the fifth day (within 24 hours after 96 hours have elapsed) and the 15th day (after 336 hours have elapsed since the start of culturing). (Within time) and the number information of mesenchymal stem cells.

図1は、コロニーの概念を説明する図である。コロニーとは、複数の細胞が集まった細胞群を指す用語である。例えば、同一の間葉系幹細胞を起源とする間葉系幹細胞の集合を一つのコロニーとして定義する。このようにコロニーを定義すると、同一のコロニー内に含まれる細胞の成長の仕方が似るため、将来の増殖度合いを予測する指標を算出するのに好ましい。全ての細胞には、コロニーIDが付与され、どのコロニーに属しているかを判別できる。   FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of a colony. A colony is a term indicating a group of cells in which a plurality of cells are gathered. For example, a set of mesenchymal stem cells originating from the same mesenchymal stem cell is defined as one colony. Defining a colony in this way is preferable for calculating an index for predicting the degree of future proliferation because the growth of cells contained in the same colony is similar. All cells are given a colony ID, and it is possible to determine which colony they belong to.

細胞にコロニーIDを付与する方法としては、既知の細胞トラッキング技術を使用して所定の時間間隔で細胞を培養している培養ディッシュを撮影し続け、同一の細胞から分裂した複数の細胞のそれぞれに同一のコロニーIDを付与する方法がある。または、ある時点の画像において、一定範囲内に存在する細胞に同一のコロニーIDを付与する方法がある。   As a method for assigning a colony ID to a cell, a culture dish in which cells are cultured at a predetermined time interval using a known cell tracking technique is continuously photographed, and each of a plurality of cells divided from the same cell is photographed. There is a method of assigning the same colony ID. Alternatively, there is a method of assigning the same colony ID to cells existing within a certain range in an image at a certain time.

後に、どのような特徴を持つコロニーが充分に増殖するのかを知るために、培養開始後5日目において、各コロニーの形態情報が記録される。本開示において注目したコロニーの形態情報は、細胞の長軸を利用して算出する長さパラメータ、コロニー内の細胞の密集度合いに基づいて算出する密度パラメータ、コロニー内の細胞の個数である。   Later, in order to know what characteristics the colonies have grown sufficiently, the morphological information of each colony is recorded on the fifth day after the start of the culture. The colony morphological information noted in the present disclosure is a length parameter calculated using the long axis of the cell, a density parameter calculated based on the density of cells in the colony, and the number of cells in the colony.

続いて、培養開始後15日目において各コロニーの細胞の個数が500個以上となったかどうかを確認する。ここでは、培養開始後15日目において細胞の個数が500個以上となったコロニーを1とし、培養開始後15日目において細胞の個数が500個未満となったコロニーを0としてラベルづけした。つまり、各コロニーを特徴づけるパラメータとして、長さパラメータ、密度パラメータ、細胞の個数、コロニーに含まれる細胞の個数を識別する識別子(上記例ではバイナリ数値)、の4つがある。   Subsequently, it is confirmed whether or not the number of cells of each colony is 500 or more on the 15th day after the start of the culture. Here, a colony in which the number of cells was 500 or more on the 15th day after the start of culture was labeled as 1, and a colony in which the number of cells was less than 500 on the 15th day after the start of culture was labeled as 0. That is, there are four parameters that characterize each colony: a length parameter, a density parameter, the number of cells, and an identifier for identifying the number of cells included in the colony (in the above example, a binary numerical value).

本実施形態では、培養開始後5日目の長さパラメータ、密度パラメータ、細胞の個数、何れかの組み合わせにより、線形判別法を用いて培養開始後15日目のコロニーに含まれる細胞の個数を識別する識別子であるバイナリ数値をよく分離するようにグループ分けした。分けるグループの数は、いくつであってもよいが、例えば、二つにグループ分けする。このグループの分類基準が判別式として利用される。つまり、判別式は、少なくとも、コロニーを特徴づけるパラメータの組み合わせの数だけ存在する。   In the present embodiment, the number of cells contained in the colony on the 15th day after the start of culture is determined using a linear discriminant method based on any combination of the length parameter, the density parameter, and the number of cells on the 5th day after the start of the culture. Binary numbers that are identifiers to identify are grouped so that they are well separated. The number of groups to be divided may be any number. For example, the groups are divided into two groups. This group classification criterion is used as a discriminant. That is, there are at least as many discriminants as combinations of parameters that characterize a colony.

図2は、コロニーの集合がグループ分けされる様子を示す図である。ここでは、各コロニーが(密度、個数)平面上にプロットされている。図2(a)は、培養開始後5日目の各コロニーを示す分布図である。図2(b)は、培養開始後15日目の各コロニーを示す分布図である。図2(b)において、細胞の個数が500個以上のコロニーは三角でプロットされ、細胞の個数が500個未満のコロニーは丸でプロットされている。図2(c)は、線形判別法によってコロニーの集合が二つのグループに分類された様子を示す図である。図2(c)において示されている直線が判別式を示す直線である。   FIG. 2 is a diagram illustrating how colony sets are grouped. Here, each colony is plotted on the (density, number) plane. FIG. 2A is a distribution diagram showing colonies on the fifth day after the start of culture. FIG.2 (b) is a distribution map which shows each colony of the 15th day after culture | cultivation start. In FIG. 2 (b), colonies with 500 or more cells are plotted with triangles, and colonies with less than 500 cells are plotted with circles. FIG. 2C is a diagram illustrating a state in which a set of colonies is classified into two groups by the linear discrimination method. The straight line shown in FIG. 2C is a straight line indicating the discriminant.

上記判別式を得た後は、培養開始後5日目の細胞の形態情報に基づいて培養開始後15日目の細胞の増殖状態を予測することができる。なお、上に説明した例では、指標を計算する第1時点を培養開始後5日目とし、細胞の増殖状態を予想する第2時点を培養開始後15日目としたが、第1時点および第2時点はそれらに限定されない。例えば、第1時点は培養開始後4日目であってもよいし、第2時点は培養開始後16日目であってもよい。また、第2時点の細胞の個数が500個以上である場合にバイナリ変数を1としたが、細胞の増殖度合いがどの程度の時にバイナリ変数を1とするかは任意に決定できる。また、識別子はバイナリ数値に限らない。第2時点の細胞の個数が600個以上である場合に識別子を1とし、第2時点の細胞の個数が400個以上600個未満である場合に識別子を0とし、第2時点の細胞の個数が400個未満である場合に識別子を−1としてもよい。   After obtaining the discriminant, the growth state of the cells on the 15th day after the start of the culture can be predicted based on the cell morphology information on the 5th day after the start of the culture. In the example described above, the first time point for calculating the index is the fifth day after the start of the culture, and the second time point for predicting the cell growth state is the 15th day after the start of the culture. The second time point is not limited to them. For example, the first time point may be the fourth day after the start of the culture, and the second time point may be the 16th day after the start of the culture. Further, although the binary variable is set to 1 when the number of cells at the second time point is 500 or more, it can be arbitrarily determined whether the binary variable is set to 1 when the degree of cell proliferation is high. The identifier is not limited to a binary numerical value. The identifier is 1 when the number of cells at the second time point is 600 or more, the identifier is 0 when the number of cells at the second time point is 400 or more and less than 600, and the number of cells at the second time point If the number is less than 400, the identifier may be -1.

[指標の算出方法]
上述したとおり、第1時点において、間葉系幹細胞の細胞群であるコロニーごとに間葉系幹細胞の形態情報に基づいて指標が算出される。また、計測する細胞の形態情報としては、間葉系幹細胞の長さを表す長さパラメータおよび間葉系幹細胞の密度を表す密度パラメータがあった。以下に、長さパラメータおよび密度パラメータの算出方法を詳細に説明する。
[Indicator calculation method]
As described above, at the first time point, for each colony that is a cell group of mesenchymal stem cells, an index is calculated based on the morphological information of the mesenchymal stem cells. As the cell shape information to be measured, there were a length parameter representing the length of the mesenchymal stem cells and a density parameter representing the density of the mesenchymal stem cells. Below, the calculation method of a length parameter and a density parameter is demonstrated in detail.

(1)長さパラメータ
図3は、細胞の平均的な長さが異なるコロニーを複数示す図である。図3に示すように、培養途中の細胞の長さは、均一でなく、まちまちである。本願の発明者らは、細胞の長さが一定水準よりも短いものの割合が高いと、その後の細胞の増殖度合いが高いことを見出した。そこで、コロニーに含まれる細胞の長さの目安となる長さパラメータを将来の細胞の増殖度合いを予測するための指標とし、以下のように算出することとした。
(1) Length parameter FIG. 3 is a diagram showing a plurality of colonies having different average lengths of cells. As shown in FIG. 3, the length of the cells in the middle of the culture is not uniform but varies. The inventors of the present application have found that when the proportion of cells whose length is shorter than a certain level is high, the degree of subsequent cell proliferation is high. Therefore, the length parameter, which is a measure of the length of the cells contained in the colony, is used as an index for predicting the degree of future cell growth, and is calculated as follows.

図4は、長さパラメータの算出方法を示す図である。図4(a)は、コロニーを概念的に示した図である。図4(a)に示されているように、本願明細書において、長さパラメータは細胞の長軸の長さを用いて算出される。細胞の長軸の長さ(単位はμm)を計測する手法としては、細胞領域のモーメントを用いた次の式で算出する方法がある。
長軸の長さ=2×√2×√{M0,2+M2,0+√[(M0,2−M2,0)2+4×M1,1 2]}×A
ここで、M2,0、 M0,2、 M1,1 、Aはそれぞれ、画像X方向の二次モーメント、画像Y方向の二次モーメント、相乗モーメント、画像解像度により求められる数値、であり、以下の式で算出する。
2,0 = Σ(x−x’)2÷N+(1÷12)
0,2 = Σ(y−y’)2÷N+(1÷12)
1,1 = Σ{(x−x’)×(y−y’)}÷N+(1÷12)
なお、細胞領域とは、細胞が写った位相差画像をフィルタ処理した後、さらに画像を2値化して得られる2値化画像において、白い画素で表される一つ一つの閉領域のことである(2値化画像において黒い画素はバックグラウンド)。
x、yは細胞領域に含まれるピクセルの座標を示す。
x’、y’は細胞領域に含まれるピクセルの重心位置の座標を示す。
Nは細胞領域に含まれるピクセル数を示す。
Aは、画像の1ピクセルに対応する実際の長さである。例えば、対象とする画像が1ピクセル=4μmである場合、A=4となる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a method for calculating the length parameter. FIG. 4A is a diagram conceptually showing a colony. As shown in FIG. 4A, in the present specification, the length parameter is calculated using the length of the long axis of the cell. As a method for measuring the length of the long axis of the cell (unit: μm), there is a method of calculating by the following equation using the moment of the cell region.
Length of major axis = 2 × √2 × √ {M 0,2 + M 2,0 + √ [(M 0,2 −M 2,0 ) 2 + 4 × M 1,1 2 ]} × A
Here, M 2,0 , M 0,2 , M 1,1 , and A are the second moment in the image X direction, the second moment in the image Y direction, the synergistic moment, and the numerical values obtained from the image resolution. The following formula is used.
M 2,0 = Σ (xx ′) 2 ÷ N + (1 ÷ 12)
M 0,2 = Σ (y−y ′) 2 ÷ N + (1 ÷ 12)
M 1,1 = Σ {(x−x ′) × (y−y ′)} ÷ N + (1 ÷ 12)
The cell region refers to each closed region represented by white pixels in a binarized image obtained by filtering a phase difference image in which cells are reflected and then binarizing the image. Yes (black pixels are background in the binarized image).
x and y indicate the coordinates of pixels included in the cell region.
x ′ and y ′ indicate the coordinates of the barycentric position of the pixel included in the cell region.
N indicates the number of pixels included in the cell region.
A is the actual length corresponding to one pixel of the image. For example, when the target image is 1 pixel = 4 μm, A = 4.

長さパラメータは、コロニーに含まれる間葉系幹細胞の個数に対する、長軸が所定の長さ以下の間葉系幹細胞の個数として算出される。上記所定の長さは、例えば、60マイクロメートルである。上述したとおり、細胞の長さが短いものの割合が高いとその後の細胞の増殖度合いが高い。本願の発明者らは、長軸の長さが60マイクロメートル以下のものの割合が高い場合、将来細胞が所望の量まで増殖している可能性が高いことを見出した。図4(a)に示した例では、コロニーA内に間葉系幹細胞が11個含まれ、そのうち、長軸の長さが60マイクロメートル以下の細胞が8個であるため、長さパラメータは8/11=0.727と算出される。なお、細胞の長軸の長さは、上記の方法以外にも既知の細胞の長軸計測技術を用いて計測することができる。   The length parameter is calculated as the number of mesenchymal stem cells whose major axis is equal to or less than a predetermined length with respect to the number of mesenchymal stem cells contained in the colony. The predetermined length is, for example, 60 micrometers. As described above, if the proportion of cells having a short cell length is high, the degree of subsequent cell proliferation is high. The inventors of the present application have found that when the ratio of the length of the long axis is 60 micrometers or less is high, it is highly likely that cells will grow to a desired amount in the future. In the example shown in FIG. 4 (a), 11 mesenchymal stem cells are included in the colony A, of which 8 cells have a long axis length of 60 micrometers or less, so the length parameter is It is calculated as 8/11 = 0.727. In addition, the length of the long axis of a cell can be measured using a known long axis measurement technique of a cell other than the above method.

図4(b)は、コロニーの実際の画像を示した図である。図4(b)において、複数の画像のそれぞれは、左から順に、位相差画像、位相差画像にフィルタ処理を施した画像、2値化画像を示す。それぞれの画像において白線で囲まれた領域がコロニーAを示す。図4(b)に示された例では、コロニーA内に間葉系幹細胞が24個含まれ、そのうち、長軸の長さが60マイクロメートル以下の細胞が9個であるため、長さパラメータは9/24=0.375と算出される。したがって、図4(b)に示されたコロニーは、図4(a)に示した例よりも、長さパラメータが小さく、将来細胞の増殖度合いが低いコロニーであることがわかる。   FIG. 4B is a diagram showing an actual image of the colony. In FIG. 4B, each of the plurality of images indicates a phase difference image, an image obtained by filtering the phase difference image, and a binarized image in order from the left. A region surrounded by a white line in each image indicates a colony A. In the example shown in FIG. 4 (b), since 24 mesenchymal stem cells are included in the colony A, of which 9 cells have a long axis length of 60 micrometers or less, the length parameter Is calculated as 9/24 = 0.375. Therefore, it can be seen that the colony shown in FIG. 4 (b) is a colony having a smaller length parameter and a low degree of future cell growth than the example shown in FIG. 4 (a).

(2)密度パラメータ
図5は、細胞の平均的な密度が異なるコロニーを複数示す図である。図5に示すように、培養途中の細胞の密度は、均一でなく、まちまちである。本願の発明者らは、増殖中の細胞群は、細胞の密度と増殖率とに相関があることを見出した。したがって、発明者らは細胞の密度を培養状態の評価指標として求めることにより、増殖率を精度よく予測できると考えた。本実施形態では、一つの細胞の周辺にどれぐらいの数の細胞(周辺細胞)が位置するかを密度の基準とする。このようにすると、コロニー全体の大きさと関係なく密度パラメータの値が定まるため、細胞の密集度合いを適切に反映し、細胞の増殖度合いを予測するのに良好な指標となる。
(2) Density parameter FIG. 5 is a diagram showing a plurality of colonies having different average densities of cells. As shown in FIG. 5, the density of the cells in the middle of the culture is not uniform but varies. The inventors of the present application have found that the growing cell group has a correlation between the cell density and the proliferation rate. Therefore, the inventors thought that the growth rate can be accurately predicted by obtaining the cell density as an evaluation index of the culture state. In the present embodiment, how many cells (peripheral cells) are located around one cell is used as a reference for density. In this way, since the value of the density parameter is determined regardless of the size of the entire colony, it is a good index for predicting the degree of cell proliferation by appropriately reflecting the degree of cell density.

図6は、周辺細胞の数え方を説明するための図である。周辺細胞の数を決定するには、まず、一つの細胞を選択した後、その細胞を中心としたサークルを描く。当該サークルの半径は、例えば、細胞の長軸の長さの代表値(最大値、平均値または中間値等)の半分よりも大きく、コロニー全体の大きさよりも小さい値とする。そして、当該サークル内に一部でも含まれる細胞の数をカウントし、周辺細胞の数として決定する。   FIG. 6 is a diagram for explaining how to count neighboring cells. To determine the number of surrounding cells, first select one cell and then draw a circle centered on that cell. The radius of the circle is, for example, a value that is larger than half of the representative value (maximum value, average value, intermediate value, etc.) of the length of the long axis of the cell and smaller than the size of the entire colony. Then, the number of cells that are partly included in the circle is counted and determined as the number of surrounding cells.

図7は、密度パラメータを算出する方法を説明するための図である。密度パラメータは、以下の手順で算出する。まず、コロニー内の一つの細胞を選択する。当該細胞を中心にして所定の範囲にある細胞の数(周辺細胞の数)をカウントする。上記カウントを全ての細胞に対して繰り返せば、コロニーに含まれる一つ一つの細胞に対して周辺細胞の数が決定される。決定した周辺細胞の数をコロニー全体で平均した値をコロニーの密度パラメータとする。   FIG. 7 is a diagram for explaining a method of calculating the density parameter. The density parameter is calculated by the following procedure. First, one cell in the colony is selected. The number of cells (number of surrounding cells) in a predetermined range centering on the cell is counted. If the above count is repeated for all cells, the number of surrounding cells is determined for each cell contained in the colony. A value obtained by averaging the determined number of surrounding cells over the entire colony is defined as a colony density parameter.

上記のように判別式を決定すると、それ以降は第1時点における細胞の形態情報さえ得られれば、第2時点における細胞の増殖度合いを予測することができる。以下に、細胞の増殖度合いを予測できる増殖予測装置を説明する。   Once the discriminant is determined as described above, the degree of cell proliferation at the second time point can be predicted as long as the cell shape information at the first time point is obtained. Below, the proliferation prediction apparatus which can estimate the proliferation degree of a cell is demonstrated.

<実施例1>
[増殖予測装置の構成]
図8は、実施例1の増殖予測装置1の構成を概略的に示す図である。増殖予測装置1は、記録部2と制御部3と表示部4と顕微鏡5とを備える。顕微鏡5は、例えば、撮影部6を有する倒立顕微鏡であり、培養中の細胞を撮影して画像を制御部3へ送信することができる。また、顕微鏡5が有するステージは、増殖予測装置1からの指示信号によって制御されることができ、撮影部6は複数の位置から培養中の細胞を撮影することができる。
<Example 1>
[Configuration of growth prediction device]
FIG. 8 is a diagram schematically illustrating a configuration of the growth prediction apparatus 1 according to the first embodiment. The growth prediction device 1 includes a recording unit 2, a control unit 3, a display unit 4, and a microscope 5. The microscope 5 is, for example, an inverted microscope having the photographing unit 6, and can photograph cells in culture and transmit an image to the control unit 3. In addition, the stage of the microscope 5 can be controlled by an instruction signal from the growth prediction device 1, and the imaging unit 6 can image cells in culture from a plurality of positions.

記録部2は、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)およびSSD(Solid State Drive)を備える。RAMには、例えば、計算途中の数値および細胞の形態情報が一時的に記録される。ROMには、例えば、制御部3が実行するプログラムが記録される。SSDには、例えば、培養中の細胞の撮影画像および将来の細胞の増殖度合いに関する予測結果が記録される。また、SSDには、予め決定しておいた判別式が記録されている。   The recording unit 2 includes, for example, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and an SSD (Solid State Drive). For example, numerical values in the middle of calculation and cell shape information are temporarily recorded in the RAM. For example, a program executed by the control unit 3 is recorded in the ROM. In the SSD, for example, a captured image of cells in culture and a prediction result regarding the degree of future cell growth are recorded. In addition, a discriminant determined in advance is recorded in the SSD.

制御部3は、記録部2に記録されているプログラムを実行することによって、取得部31、算出部32および予測部33として機能する。   The control unit 3 functions as an acquisition unit 31, a calculation unit 32, and a prediction unit 33 by executing a program recorded in the recording unit 2.

取得部31は、培養している細胞の画像を顕微鏡5から取得する。取得部31は、例えば、培養を開始してから第1時点に至るまで細胞の画像を取得し続ける。取得部31は、取得した細胞に関する画像を記録部2に記録して、算出部32に通知する。なお、取得部31は取得した画像を表示部4に表示することもできる。即ち、ユーザは顕微鏡に設置された培養中の細胞の画像を表示部4にて確認することができる。   The acquisition unit 31 acquires an image of the cultured cell from the microscope 5. For example, the acquisition unit 31 continues to acquire cell images from the start of culture until the first time point. The acquisition unit 31 records the acquired image related to the cell in the recording unit 2 and notifies the calculation unit 32 of the image. The acquisition unit 31 can also display the acquired image on the display unit 4. That is, the user can confirm on the display unit 4 an image of cells in culture placed on the microscope.

算出部32は、取得部31が取得した画像を用いて、各細胞にコロニーIDを付与する。また、算出部32は、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標をコロニーごとに算出する。上記第1時点は、例えば、培養を開始して96時間経過してから24時間以内の何れかの時点である。実施例1に係る増殖予測装置1では、算出部32は各コロニーの長さパラメータを指標として決定する。算出部32は、算出した当該指標を記録部2に記録し、予測部33に通知する。   The calculation unit 32 gives a colony ID to each cell using the image acquired by the acquisition unit 31. Moreover, the calculation part 32 calculates the parameter | index for predicting the future proliferation state of a mesenchymal stem cell for every colony based on the culture state of the mesenchymal stem cell of a 1st time point. The first time point is, for example, any time point within 24 hours after 96 hours from the start of culture. In the growth prediction device 1 according to the first embodiment, the calculation unit 32 determines the length parameter of each colony as an index. The calculation unit 32 records the calculated index in the recording unit 2 and notifies the prediction unit 33 of it.

予測部33は、算出部32が算出した指標と細胞の個数と予め決定しておいた判別式とに基づいて、上記第1時点よりも後の第2時点の間葉系幹細胞の増殖状態をコロニーごとに予測する。上記第2時点は、例えば、培養を開始して336時間経過してから24時間以内の何れかの時点である。実施例1に係る増殖予測装置1では、予測部33は、各コロニーの細胞の個数と長さパラメータとに基づいて、将来の細胞の増殖度合いをコロニーごとに予測する。予測部33は、予測した結果を表示部4に表示することができる。   The prediction unit 33 determines the proliferation state of the mesenchymal stem cells at the second time point after the first time point based on the index calculated by the calculation unit 32, the number of cells, and the predetermined discriminant. Predict for each colony. The second time point is, for example, any time point within 24 hours after 336 hours have elapsed since the start of culture. In the growth prediction device 1 according to the first embodiment, the prediction unit 33 predicts the degree of future cell growth for each colony based on the number of cells of each colony and the length parameter. The prediction unit 33 can display the predicted result on the display unit 4.

[増殖予測装置が実行する処理のフロー]
図9は、実施例1の増殖予測装置1が実行する処理のフローを示すフローチャートである。処理のフローの各ステップにおける増殖予測装置1の動作は以下のとおりである。
[Flow of processing executed by the growth prediction device]
FIG. 9 is a flowchart illustrating a flow of processing executed by the proliferation prediction device 1 according to the first embodiment. The operation of the growth prediction apparatus 1 in each step of the processing flow is as follows.

(S901)
取得部31が培養している細胞の画像を顕微鏡5から取得し続け、算出部32が各細胞にコロニーIDを付与する。
(S901)
The acquisition unit 31 continues to acquire images of cells being cultured from the microscope 5, and the calculation unit 32 assigns a colony ID to each cell.

(S902)
算出部32が、取得部31が第1時点において取得した画像を用いて、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標をコロニーごとに算出する。また、算出部32が第1時点における各コロニーに含まれる細胞の個数をカウントする。
(S902)
An index for the calculation unit 32 to predict the future proliferation state of the mesenchymal stem cells based on the culture state of the mesenchymal stem cells at the first time point using the image acquired by the acquisition unit 31 at the first time point. For each colony. In addition, the calculation unit 32 counts the number of cells included in each colony at the first time point.

(S903)
予測部33が、算出部32が算出した指標と細胞の個数と予め決定しておいた判別式とに基づいて、上記第1時点よりも後の第2時点の間葉系幹細胞の増殖状態をコロニーごとに予測する。
(S903)
Based on the index calculated by the calculation unit 32, the number of cells, and a predetermined discriminant, the prediction unit 33 determines the proliferation state of the mesenchymal stem cells at the second time point after the first time point. Predict for each colony.

上記の構成を有する実施例1の増殖予測装置1は、第1時点の細胞の形態情報に基づいて、第1時点よりも後の第2時点の細胞の増殖度合いを予測することができる。それ故、所望の量まで細胞の増殖が見込まれない培養ディッシュについては廃棄し、再度細胞の培養を開始するなど、これまでよりも効率的な工程管理が可能となる。また、一つの時点における細胞の形態情報に基づいて将来の細胞の増殖度合いを予測するため、連続的に細胞の培養状態を観察する場合と異なり、細胞の成長に悪影響を及ぼしにくい。   The proliferation predicting apparatus 1 according to the first embodiment having the above-described configuration can predict the degree of cell proliferation at the second time point after the first time point based on the cell shape information at the first time point. Therefore, it is possible to manage the process more efficiently than before, such as discarding a culture dish in which cell growth is not expected to a desired amount and starting cell culture again. In addition, since the degree of future cell proliferation is predicted based on the cell shape information at one time point, unlike the case where the cell culture state is continuously observed, the cell growth is unlikely to be adversely affected.

<実施例2>
実施例1に係る増殖予測装置1では、算出部32は各コロニーの長さパラメータを決定し、予測部33は、各コロニーの細胞の個数と長さパラメータとに基づいて、将来の細胞の増殖度合いを予測した。これに対して、実施例2に係る増殖予測装置1では、算出部32は各コロニーの密度パラメータを決定し、予測部33は、各コロニーの細胞の個数と密度パラメータとに基づいて、将来の細胞の増殖度合いを予測する。
<Example 2>
In the growth prediction device 1 according to the first embodiment, the calculation unit 32 determines the length parameter of each colony, and the prediction unit 33 determines the future cell growth based on the number of cells and the length parameter of each colony. The degree was predicted. On the other hand, in the growth prediction device 1 according to Example 2, the calculation unit 32 determines the density parameter of each colony, and the prediction unit 33 determines the future based on the number of cells and the density parameter of each colony. Predict the degree of cell growth.

上記の構成を有する実施例2の増殖予測装置1は、実施例1の増殖予測装置1と同様に、第1時点の細胞の形態情報に基づいて、第1時点よりも後の第2時点の細胞の増殖度合いを予測することができる。   The growth prediction device 1 of the second embodiment having the above-described configuration is similar to the growth prediction device 1 of the first embodiment, based on the cell shape information at the first time point, at the second time point after the first time point. The degree of cell proliferation can be predicted.

<実施例3>
実施例1および2の説明において、増殖予測装置1は、予め決定された判別式を用いて将来の細胞の増殖度合いを決定した。増殖予測装置1は、判別式を決定する判別式決定部をさらに有してもよい。判別式決定部は、例えば、[判別式]の欄で説明したのと同様の手順で判別式を決定する。
<Example 3>
In the description of Examples 1 and 2, the proliferation predicting apparatus 1 determines the degree of future cell proliferation using a predetermined discriminant. The growth prediction device 1 may further include a discriminant determination unit that determines a discriminant. The discriminant determination unit determines the discriminant by, for example, the same procedure as described in the “discriminant” column.

<実験例>
本開示の予測手法を支持する実験例を以下に記述する。
実験では、人口膝関節置換術時に採取した滑膜組織を培養することとした。まず、滑膜組織をcollagenase処理し、得られた1000個の有核細胞を6 well plateに播種した。滑膜組織を6 well plateに3時間かけて接着させ、増殖培地(αMEM, 10%FBS, 1% Antibiotic)を交換し、タイムラプス顕微鏡を用いて経過を観察した。タイムラプス顕微鏡においては、6時間ごとに14日間継続的に滑膜組織の培養状態を撮影し続け、計50万枚の画像を得た。
<Experimental example>
Experimental examples supporting the prediction method of the present disclosure are described below.
In the experiment, the synovial tissue collected at the time of artificial knee joint replacement was cultured. First, the synovial tissue was treated with collagenase, and 1000 nucleated cells obtained were seeded on a 6-well plate. The synovial tissue was adhered to a 6-well plate over 3 hours, the growth medium (αMEM, 10% FBS, 1% Antibiotic) was replaced, and the progress was observed using a time-lapse microscope. In the time lapse microscope, the culture state of the synovial tissue was continuously photographed every 6 hours for 14 days, and a total of 500,000 images were obtained.

上記画像に基づいて、滑膜幹細胞を播種した後、5日目の位相差像を解析し、播種した後15日目の細胞の増殖性を予測する技術の検討を行った。培養を開始後5日目の画像を利用して、4個以上の細胞を有する細胞群をコロニーとして定義した。ここで利用したコロニーの決定方法については後に変形例として説明する。コロニーとして判別できた583コロニーに対して、細胞の個数および密度パラメータを解析した。   Based on the above image, after seeding synovial stem cells, a phase contrast image on day 5 was analyzed, and a technique for predicting cell proliferation on day 15 after seeding was examined. A group of cells having 4 or more cells was defined as a colony using an image on the fifth day after the start of culture. The colony determination method used here will be described later as a modified example. The number of cells and the density parameter were analyzed for 583 colonies that could be identified as colonies.

培養開始後5日目の細胞数と密度パラメータとを二次元プロットしたグラフに、培養開始後15日目の細胞の個数情報を反映し、コロニーの集合を線形判別法により二つのグループ(高密度群および低密度群)に分類した。高密度群に分類されたコロニーのうち、培養開始後15日目に細胞の個数が500個以上であったコロニーは全体の71%(=60/84)であった。また、低密度群に分類されたコロニーのうち、培養開始後15日目に細胞の個数が500個未満であったコロニーは全体の75%(=376/499)であった。   The number of cells on the 15th day after the start of the culture is reflected in a graph in which the number of cells and the density parameter on the 5th day after the start of the culture are plotted two-dimensionally. Group and low density group). Among the colonies classified into the high density group, the number of the colonies having 500 or more cells on the 15th day after the start of the culture was 71% (= 60/84) of the whole. In addition, among the colonies classified into the low density group, 75% (= 376/499) of the colonies had less than 500 cells on the 15th day after the start of the culture.

上記のとおり、培養開始後5日目の細胞の個数と密度パラメータとは、培養開始後15日目の細胞の増殖度合いを予測するための指標として機能することが理解できる。   As described above, it can be understood that the number of cells and the density parameter on the fifth day after the start of the culture function as an index for predicting the degree of cell proliferation on the 15th day after the start of the culture.

<変形例1>
上記の説明では、同一の間葉系幹細胞を起源とする間葉系幹細胞の集合を一つのコロニーとして定義した。このコロニーの定義の場合、培養開始後から細胞の分裂をトラッキングし続ける必要がある。以下に、単一時点における画像に基づいてコロニーを定義する方法を説明する。
<Modification 1>
In the above description, a set of mesenchymal stem cells originating from the same mesenchymal stem cell is defined as one colony. In the case of this colony definition, it is necessary to keep track of cell division after the start of culture. Below, the method to define a colony based on the image in a single time is demonstrated.

まず、画像に写った一つの細胞を選択し、当該細胞から所定の範囲内に含まれる細胞に同一のコロニーIDを付与する。上記所定の範囲内に4つ以上の細胞が存在しない場合は、コロニーを形成していない孤立した細胞として扱う。既にコロニーIDを付与されたかまたはコロニーIDを付与しないことが確定した細胞を除いた残りの全ての細胞に対して上記操作を繰り返す。このようにして、単一の時点における画像に基づいてコロニーを定義することができる。   First, one cell shown in the image is selected, and the same colony ID is assigned to a cell included in a predetermined range from the cell. When four or more cells do not exist within the predetermined range, they are treated as isolated cells that do not form colonies. The above operation is repeated for all the remaining cells except for cells that have already been given a colony ID or have been confirmed not to give a colony ID. In this way, colonies can be defined based on images at a single point in time.

<変形例2>
上記の説明では、第1時点の細胞の個数と長さパラメータと第2時点の細胞の個数との組み合わせの集合、または、第1時点の細胞の個数と密度パラメータと第2時点の細胞の個数との組み合わせの集合を用いて、判別式を決定した。
<Modification 2>
In the above description, a set of combinations of the number of cells at the first time point, the length parameter, and the number of cells at the second time point, or the number of cells at the first time point, the density parameter, and the number of cells at the second time point. The discriminant was determined using a set of combinations with.

判別式は、別のパラメータの組み合わせに基づいて決定してもよい。例えば、判別式は、第1時点の細胞の個数と、長さパラメータと、密度パラメータと、第2時点の細胞の個数と、に基づいて決定されてもよい。その場合、増殖予測装置1は、細胞の増殖度合いを、第1時点の第1時点の細胞の個数と、長さパラメータと、密度パラメータと、当該判別式と、に基づいて予測する。   The discriminant may be determined based on another combination of parameters. For example, the discriminant may be determined based on the number of cells at the first time point, the length parameter, the density parameter, and the number of cells at the second time point. In that case, the growth prediction device 1 predicts the degree of cell growth based on the number of cells at the first time point of the first time point, the length parameter, the density parameter, and the discriminant.

1…増殖予測装置、2…記録部、3…制御部、31…取得部、32…算出部、33…予測部、4…表示部、5…顕微鏡、6…撮影部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Growth prediction apparatus, 2 ... Recording part, 3 ... Control part, 31 ... Acquisition part, 32 ... Calculation part, 33 ... Prediction part, 4 ... Display part, 5 ... Microscope, 6 ... Imaging | photography part

Claims (11)

第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、前記間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標を算出する算出ステップと、
前記指標と判別式とに基づいて、前記第1時点よりも後の第2時点の前記間葉系幹細胞の増殖状態を予測する予測ステップと、
を含む増殖予測方法。
Based on the culture state of the mesenchymal stem cells at the first time point, a calculation step for calculating an index for predicting the future proliferation state of the mesenchymal stem cells;
A predicting step of predicting a proliferation state of the mesenchymal stem cells at a second time point after the first time point based on the index and the discriminant;
A method for predicting proliferation, comprising:
前記指標は、前記間葉系幹細胞の細胞群であるコロニーごとに前記間葉系幹細胞の形態情報に基づいて算出される、
請求項1に記載の増殖予測方法。
The index is calculated based on morphological information of the mesenchymal stem cells for each colony that is a cell group of the mesenchymal stem cells,
The growth prediction method according to claim 1.
前記形態情報は、前記間葉系幹細胞の長さを表す長さパラメータである、
請求項2に記載の増殖予測方法。
The morphological information is a length parameter that represents the length of the mesenchymal stem cells.
The growth prediction method according to claim 2.
前記長さパラメータは、前記コロニーに含まれる前記間葉系幹細胞の個数に対する、長軸が所定の長さ以下の前記間葉系幹細胞の個数として算出される、
請求項3に記載の増殖予測方法。
The length parameter is calculated as the number of mesenchymal stem cells whose major axis is a predetermined length or less with respect to the number of mesenchymal stem cells contained in the colony.
The growth prediction method according to claim 3.
前記所定の長さは、60マイクロメートルである、
請求項4に記載の増殖予測方法。
The predetermined length is 60 micrometers;
The growth prediction method according to claim 4.
前記コロニーは、同一の前記間葉系幹細胞を起源とする間葉系幹細胞の集合である、
請求項2に記載の増殖予測方法。
The colony is a collection of mesenchymal stem cells originating from the same mesenchymal stem cell.
The growth prediction method according to claim 2.
前記指標は、前記間葉系幹細胞の密度を表す密度パラメータに基づいて算出される、
請求項2に記載の増殖予測方法。
The index is calculated based on a density parameter representing the density of the mesenchymal stem cells.
The growth prediction method according to claim 2.
前記判別式は、培養を開始して96時間経過してから24時間以内の前記間葉系幹細胞の形態情報と前記培養を開始して336時間経過してから24時間以内の前記間葉系幹細胞の個数情報とに基づいて算出される、
請求項1に記載の増殖予測方法。
The discriminant includes the morphological information of the mesenchymal stem cells within 24 hours after 96 hours from the start of culturing, and the mesenchymal stem cells within 24 hours after the 336 hours from the start of culturing. Calculated based on the number information of
The growth prediction method according to claim 1.
前記第1時点は、培養を開始して96時間経過してから24時間以内の何れかの時点であり、
前記第2時点は、培養を開始して336時間経過してから24時間以内の何れかの時点である、
請求項1に記載の増殖予測方法。
The first time point is any time point within 24 hours after 96 hours from the start of culture,
The second time point is any time point within 24 hours from the start of culturing for 336 hours.
The growth prediction method according to claim 1.
培養している細胞の画像を取得する取得部と、
前記画像に写った、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、前記間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標を算出する算出部と、
前記指標と判別式とに基づいて、前記第1時点よりも後の第2時点の前記間葉系幹細胞の増殖状態を予測する予測部と、
を備える増殖予測装置。
An acquisition unit for acquiring an image of cells in culture;
Based on the culture state of the mesenchymal stem cells at the first time point shown in the image, a calculation unit that calculates an index for predicting the future proliferation state of the mesenchymal stem cells;
Based on the index and the discriminant, a prediction unit that predicts the proliferation state of the mesenchymal stem cells at a second time point after the first time point;
A growth prediction apparatus comprising:
培養している細胞の画像を取得する取得ステップと、
前記画像に写った、第1時点の間葉系幹細胞の培養状態に基づいて、前記間葉系幹細胞の将来の増殖状態を予測するための指標を算出する算出ステップと、
前記指標と判別式とに基づいて、前記第1時点よりも後の第2時点の前記間葉系幹細胞の増殖状態を予測する予測ステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
An acquisition step of acquiring an image of the cultured cells;
A calculation step for calculating an index for predicting a future proliferation state of the mesenchymal stem cells based on the cultured state of the mesenchymal stem cells at the first time point shown in the image;
A predicting step of predicting a proliferation state of the mesenchymal stem cells at a second time point after the first time point based on the index and the discriminant;
A program that causes a computer to execute.
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