JP5058483B2 - Long-term or continuous detection method for biological samples - Google Patents

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Description

本発明は、細胞や組織等の生体試料中における生物学的活性をその活性を極力損なわないようにして長期間ないし連続的に検出する方法に関する。本発明は、その方法により実行される自動化装置のためのソフトウェアも包含する。   The present invention relates to a method for detecting a biological activity in a biological sample such as a cell or tissue for a long period or continuously without losing the activity as much as possible. The invention also includes software for an automated device executed by the method.

生物学分野や医学分野の研究において、細胞等の生体試料の生物学的活性をレポータアッセイにより検出する技術が広く利用されてきた。レポータアッセイを用いると、視覚的に調べることが不可能な様様な生物学的活性を可視化することができる。従来の臨床的な検査は、生体試料から調べたい生体関連物質(核酸、血液、ホルモン、タンパク質等)のみを種々の分離方法により単離して、その単離した生体関連物質の量や活性を試薬と反応させていた。しかし、生命体においては、多様な生体関連物質同士の相互作用こそが真の生物学的活性を示すものである。近年、医療用薬剤を研究または開発する場合、生きた生体試料中での生物学的活性に対して最も効果的に作用する薬剤が決定的条件となっている。生きた生体試料を対象としたレポータアッセイには、生体試料と調べたい生体関連物質とを画像化して、生体試料内外におぇる動的変化を経時的に観察する必要性が高まってきている。   In research in the fields of biology and medicine, techniques for detecting the biological activity of biological samples such as cells by reporter assays have been widely used. Reporter assays can be used to visualize biological activities that cannot be visually examined. In conventional clinical tests, only biological substances (nucleic acid, blood, hormones, proteins, etc.) to be examined from biological samples are isolated by various separation methods, and the amount and activity of the isolated biological substances are determined as reagents. And reacted. However, in living organisms, the interaction between various biological materials shows true biological activity. In recent years, when researching or developing medical drugs, drugs that most effectively act on biological activity in living biological samples have become critical conditions. In reporter assays for living biological samples, there is a growing need to image biological samples and biological substances to be examined and observe dynamic changes in and out of biological samples over time. .

具体的には、レポーター物質としての発光(生物発光、化学発光)や蛍光を用いる観察を利用する研究分野では、試料内のタンパク質分子の動的な機能発現を捉えるためにタイムラプスや動画撮像が求められている。現状では、蛍光試料を対象として撮像した画像による動的変化の観察(例えば、蛍光を利用したタンパク質1分子の動画観察)が行われている。蛍光試料の撮像の場合、励起光を照射し続けることで蛍光試料から発せられる光量が時間の経過とともに減少するという性質があるため、定量的な評価に利用できる安定した画像を経時的に撮ることが困難であったが、しかし、鮮明な、つまり、空間分解能の高い画像を短い露出時間で撮ることができた。一方、発光試料を対象とした画像による動的変化の経時的観察においては、発光試料からの発光が極めて小さいので、発光試料の観察には、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラを用いて行われていた。発光試料の撮像の場合、励起光を照射する必要がないため、定量的な評価に利用できる安定した画像を経時的に撮ることができた。 Specifically, in research fields that utilize observation using luminescence (bioluminescence, chemiluminescence) or fluorescence as a reporter substance, time-lapse or video imaging is required to capture the dynamic functional expression of protein molecules in a sample. It has been. At present, dynamic changes are observed using an image picked up from a fluorescent sample (for example, observation of a moving image of one protein molecule using fluorescence). In the case of imaging a fluorescent sample, the amount of light emitted from the fluorescent sample decreases with the lapse of time by continuing to irradiate excitation light, so that a stable image that can be used for quantitative evaluation can be taken over time. However, it was possible to take a clear, high spatial resolution image with a short exposure time. On the other hand, in the time-dependent observation of dynamic changes by images for a luminescent sample, the luminescence from the luminescent sample is extremely small, so a CCD camera equipped with an image intensifier was used to observe the luminescent sample. It was done. In the case of imaging of a luminescent sample, it was not necessary to irradiate excitation light, so that stable images that could be used for quantitative evaluation could be taken over time.

これまで、発光試料の観察においては、発光試料からの発光量の測定が行われていた。例えば、ルシフェラーゼ遺伝子が導入された細胞の観察では、ルシフェラーゼ遺伝子の発現の強さ(具体的には発現量)を調べるために、ルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量の測定が行われていた。そして、ルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量の測定は、まず細胞を溶解した細胞溶解液とルシフェリンやATPやマグネシウムなどを含む基質溶液とを反応させ、ついで基質溶液と反応させた細胞溶解液からの発光量を光電子増倍管を用いたルミノメーターで定量する、という手順で行われていた。つまり、発光量は細胞を溶解した後に測定されていた。これにより、ある時点でのルシフェラーゼ遺伝子の発現量を細胞全体の平均値として測定することができた。ここで、ルシフェラーゼ遺伝子などの発光遺伝子をレポーター遺伝子として細胞に導入する方法には例えばリン酸カルシウム法やリポフェクチン法やエレクトロポーション法などがあり、各方法は目的や細胞の種類の違いに応じて使い分けられている。また、ルシフェラーゼ遺伝子がレポーター遺伝子として導入された細胞においてルシフェラーゼ遺伝子の発現の強さをルシフェラーゼ活性に因る細胞からの発光量を指標として調べる際、細胞に導入するルシフェラーゼ遺伝子の上流や下流に目的のDNA断片を繋ぐことで当該DNA断片がルシフェラーゼ遺伝子の転写に及ぼす影響を調べることができ、また、細胞に導入するルシフェラーゼ遺伝子の転写に影響を及ぼすと思われる転写因子などの遺伝子を発現ベクターに繋いでルシフェラーゼ遺伝子と共発現させることで当該遺伝子の遺伝子産物がルシフェラーゼ遺伝子の発現に及ぼす影響を調べることができる。 Until now, in the observation of a luminescent sample, the amount of luminescence from the luminescent sample has been measured. For example, in the observation of a cell into which a luciferase gene has been introduced, the amount of luminescence from the cell due to the luciferase activity was measured in order to investigate the intensity of the luciferase gene expression (specifically, the expression level). . The amount of luminescence from the cells due to luciferase activity is measured by first reacting a cell lysate in which cells are lysed with a substrate solution containing luciferin, ATP, magnesium, etc., and then reacting with the substrate solution. The amount of luminescence from was quantified with a luminometer using a photomultiplier tube. That is, the amount of luminescence was measured after cell lysis. Thereby, the expression level of the luciferase gene at a certain time point could be measured as an average value of the whole cell. Here, methods for introducing a luminescent gene such as a luciferase gene into a cell as a reporter gene include, for example, a calcium phosphate method, a lipofectin method, an electroporation method, and the like, and each method is properly used depending on the purpose and the type of cell. Yes. In addition, when investigating the intensity of luciferase gene expression in cells transfected with a luciferase gene as a reporter gene using the amount of luminescence from the cell due to luciferase activity as an indicator, the target luciferase gene is introduced upstream or downstream of the luciferase gene introduced into the cell. By linking DNA fragments, it is possible to examine the effect of the DNA fragment on the transcription of the luciferase gene. In addition, genes such as transcription factors that are thought to affect the transcription of the luciferase gene to be introduced into cells are linked to the expression vector. By co-expressing with the luciferase gene, the effect of the gene product of the gene on the expression of the luciferase gene can be examined.

また、時間経過に沿って発光遺伝子の発現量を捉えるには生きた細胞からの発光量を経時的に測定する必要がある。そして、生きた細胞からの発光量の経時的測定は、まず細胞を培養するインキュベーターにルミノメーターの機能を付け、ついで培養している全細胞集団からの発光量をルミノメーターで一定時間ごとに定量する、という手順で行われていた。これにより、一定の周期性をもった発現リズムなどを測定することができ、よって、細胞全体における発光遺伝子の発現量の経時的な変化を捉えることができた。一方、発光遺伝子の発現が一過性である場合には、個々の細胞での発現量に大きなばらつきがある。例えば、HeLa細胞などのクローン化した培養細胞であっても、細胞膜表面のレセプターを介した薬剤の応答が個々の細胞でばらつくことがある。すなわち、細胞全体としての応答は検出されなくとも数個の細胞は応答している場合がある。このことから、発光遺伝子の発現が一過性である場合には、細胞全体からではなく個々の細胞から発光量を経時的に測定することが重要である。そして、顕微鏡を用いた生きた個々の細胞からの発光量の経時的測定は、各細胞の発光が極めて弱いので、液体窒素温度レベルの冷却CCDカメラで長時間露光したり、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラとフォトンカウンティング装置とを用いたりして行われていた。これにより、生きた個々の細胞における発光遺伝子の発現量の経時的な変化を捉えることができた。 In addition, in order to capture the expression level of the luminescent gene over time, it is necessary to measure the amount of luminescence from living cells over time. In order to measure the amount of luminescence from living cells over time, first add the function of a luminometer to the incubator that cultivates the cells, and then quantitate the amount of luminescence from the whole cell population cultured at regular intervals with the luminometer. The procedure was to do. As a result, it was possible to measure an expression rhythm with a certain periodicity, and thus, it was possible to capture changes over time in the expression level of the luminescent gene in the entire cell. On the other hand, when the expression of the luminescent gene is transient, the expression level in individual cells varies greatly. For example, even in the case of cloned cultured cells such as HeLa cells, the response of drugs via receptors on the cell membrane surface may vary among individual cells. That is, several cells may be responding even if the response as a whole cell is not detected. For this reason, when the expression of the luminescent gene is transient, it is important to measure the amount of luminescence from individual cells over time rather than from the whole cell . The time-dependent measurement of the amount of light emitted from living individual cells using a microscope shows that the light emitted from each cell is extremely weak, so it can be exposed for a long time with a cooled CCD camera at a liquid nitrogen temperature level, or an image intensifier. Or a photon counting device. As a result, it was possible to capture changes over time in the expression level of the luminescent gene in individual living cells.

しかしながら、微弱な発光の発光試料を撮像する場合、発光試料からの発光量が極めて少ないため、どうしても肉眼では見ることが出来ず、CCDのような蓄積型の撮像手段を用いて光量を蓄積しなければ画像生成することができない、という制約が有る。しかも、単一の細胞ないし組織を構成する細胞群において、細胞1個当りから発生する微弱光は、あまりに弱過ぎるので、鮮明な画像を撮るのに必要な露出時間が長くなる、という問題点があった。即ち、撮像の時間間隔は単位時間あたりの光量に制約されるため、微弱な発光の発光試料を撮像する場合、鮮明な画像を長い時間間隔で、例えば60分間隔で、経時的に撮ることができても、10〜30分程度の短い露光時間、ひいては1〜5分の露光でリアルタイムに撮像することはできなかった、という問題点があった。特に生細胞を長時間(例えば、50分以上)露光すると、培養容器等の支持体上でさえ細胞自身が動いて鮮明な画像を形成できない場合がある。一般に、画像を用いた解析を行なうためには、正確な輪郭を認識できなければならない。従って、画像が不鮮明なときは解析結果が不正確である可能性が有る。 However, when imaging a weakly luminescent sample, the amount of light emitted from the luminescent sample is extremely small, so it cannot be viewed with the naked eye, and the amount of light must be accumulated using a storage-type imaging means such as a CCD. Therefore, there is a restriction that an image cannot be generated. Moreover, in the cell group constituting a single cell or tissue, the weak light generated from each cell is too weak, so that the exposure time required for taking a clear image becomes long. there were. That is , since the imaging time interval is limited by the amount of light per unit time, when imaging a luminescent sample with weak light emission, a clear image can be taken over time at a long time interval, for example, at an interval of 60 minutes. Even if it was possible, there was a problem that imaging could not be performed in real time with a short exposure time of about 10 to 30 minutes , and thus with an exposure of 1 to 5 minutes . In particular, when living cells are exposed for a long time (for example, 50 minutes or longer), the cells themselves may move even on a support such as a culture vessel and a clear image may not be formed. Generally, in order to perform an analysis using an image, it is necessary to recognize an accurate contour. Therefore, the analysis result may be inaccurate when the image is unclear.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、微弱光を発する細胞を多数含むような生体試料でも、時間差が生じないように撮像することができる生体試料検出装置を提供することを目的とする。

The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a biological sample detection device capable of capturing an image so as not to cause a time difference even with a biological sample including many cells that emit faint light. With the goal.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる請求項1に記載の生体試料検出装置は、高開口数(NA)の対物レンズと、生体試料を生存および遮光環境に維持する試料保持部と、前記対物レンズと連携して生体試料における所望の現象ないし活性に応じた時間で撮像データを取得する撮像手段とを備えたことを特徴とする。ここで、前記撮像手段が、インターバル条件設定手段をさらに具備し、生体試料に関する複数の画像を異なる時間において複数取得するのが好ましい。本発明は、上記装置を用いる検出方法も包含する。ここで、前記方法においては、微弱光を発生する細胞を少なくとも含んでいることにより、細胞を含む画像解析も可能になる。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the biological sample detection device according to claim 1 according to the present invention maintains a high numerical aperture (NA) objective lens and a biological sample in a living and light-shielding environment. And a sample holding unit, and imaging means for acquiring imaging data in a time corresponding to a desired phenomenon or activity in the biological sample in cooperation with the objective lens. Here, it is preferable that the imaging unit further includes an interval condition setting unit, and acquires a plurality of images related to the biological sample at different times. The present invention also includes a detection method using the above apparatus. Here, in the said method, the image analysis containing a cell is also attained by including the cell which generate | occur | produces weak light at least.

なお、上記の装置および方法を具体化した発光試料撮像方法は、発光試料を撮像する発光試料撮像方法において、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上である対物レンズを用いることを特徴とする。また、本発明は発光細胞撮像方法に具体化することができ、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像する発光細胞撮像方法において、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上である対物レンズを用いることを特徴とする。   Note that a luminescent sample imaging method that embodies the above-described apparatus and method is a luminescent sample imaging method for imaging a luminescent sample, which is expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) of (NA ÷ β) 2 An objective lens having a power value of 0.01 or more, preferably 0.039 or more is used. In addition, the present invention can be embodied in a luminescent cell imaging method, and is expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) in a luminescent cell imaging method for imaging a luminescent cell into which a luciferase gene has been introduced (NA). An objective lens having a square value of ÷ β) of 0.01 or more, preferably 0.039 or more is used.

また、本発明は対物レンズに関するものであり、本発明にかかる請求項9に記載の対物レンズは、発光試料を撮像する発光試料撮像方法で用いる対物レンズにおいて、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上であることを特徴とする。   Further, the present invention relates to an objective lens, and the objective lens according to claim 9 according to the present invention is an objective lens used in a luminescent sample imaging method for imaging a luminescent sample, wherein the numerical aperture (NA) and the projection magnification ( The square value of (NA ÷ β) represented by β) is 0.01 or more, preferably 0.039 or more.

また、本発明は対物レンズに関するものであり、本発明にかかる請求項16に記載の対物レンズは、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像する発光細胞撮像方法で用いる対物レンズにおいて、当該対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上であることを特徴とする。   The present invention also relates to an objective lens, and the objective lens according to claim 16 according to the present invention is an objective lens used in a luminescent cell imaging method for imaging luminescent cells into which a luciferase gene has been introduced. A square value of (NA ÷ β) represented by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) is 0.01 or more, preferably 0.039 or more.

また、本発明は対物レンズに関するものであり、本発明にかかる請求項17に記載の対物レンズは、発光試料を撮像する発光試料撮像方法で用いる対物レンズにおいて、当該対物レンズおよび/または当該対物レンズを包装する包装容器に、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値を表記したことを特徴とする。   In addition, the present invention relates to an objective lens, and the objective lens according to claim 17 according to the present invention is an objective lens used in a luminescent sample imaging method for imaging a luminescent sample. A square value of (NA ÷ β) represented by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) is described on a packaging container for packaging the above.

本発明にかかる発光試料撮像方法では、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.01以上、好ましくは0.039以上である対物レンズを用いる。これにより、発光量の少ない発光試料(例えば、発光タンパク質(例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など)でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる、という効果を奏する。   In the luminescent sample imaging method according to the present invention, the square value of (NA ÷ β) represented by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.01 or more, preferably 0.01 or more, preferably An objective lens that is 0.039 or more is used. As a result, a luminescent sample (for example, a luminescent protein (for example, a luminescent protein expressed from an introduced gene (for example, luciferase gene)), a luminescent cell, or a collection of luminescent cells, Even in the case of sex tissue samples and luminescent individuals (such as animals and organs), a clear image can be taken with a short exposure time and in real time.

また、本発明にかかる発光細胞撮像方法では、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上である対物レンズを用いるので、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像対象として、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる、という効果を奏する。   In the luminescent cell imaging method according to the present invention, the square value of (NA ÷ β) represented by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.01 or more, preferably 0.039 or more. Since an objective lens is used, it is possible to take a luminescent cell into which a luciferase gene has been introduced as an imaging target, and to take a clear image with a short exposure time and in real time.

また、本発明にかかる対物レンズは、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上であるので、発光量の少ない発光試料(例えば、発光タンパク質(例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など)でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる、という効果を奏する。具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像対象として、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる、という効果を奏する。   In the objective lens according to the present invention, the square value of (NA ÷ β) expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) is 0.01 or more, preferably 0.039 or more. Luminescent samples with low luminescence (eg, luminescent proteins (eg, luminescent proteins expressed from introduced genes (eg, luciferase genes)), luminescent cells or aggregates of luminescent cells, Even in the case of a tissue sample or a luminescent individual (such as an animal or an organ), a clear image can be taken with a short exposure time and in real time. Specifically, there is an effect that a luminescent cell into which a luciferase gene is introduced can be imaged and a clear image can be taken with a short exposure time and in real time.

また、本発明にかかる対物レンズは、従来の対物レンズと比較して、開口数が大きいことと、倍率が小さいことの両方を備えているので、本発明にかかる対物レンズを用いれば広範囲を分解能よく撮像することができる。これにより、例えば移動する発光試料や広い範囲に分布する発光試料を撮像対象とすることができる。また、本発明にかかる対物レンズは、当該対物レンズおよび/または当該対物レンズを包装する包装容器(パッケージ)に、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値(例えば0.01以上、好ましくは0.039以上)を表記した。これにより、例えば発光画像観察を行う者は、表記された(NA÷β)の2乗の値を確認すれば、発光試料を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するのに適した対物レンズを容易に選択することができる、という効果を奏する。   In addition, the objective lens according to the present invention has both a large numerical aperture and a small magnification as compared with the conventional objective lens. Therefore, if the objective lens according to the present invention is used, a wide range of resolution can be achieved. It can capture well. Thereby, for example, a moving luminescent sample or a luminescent sample distributed over a wide range can be an imaging target. In addition, the objective lens according to the present invention is expressed by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) (NA ÷ β) on the objective lens and / or a packaging container (package) for packaging the objective lens. A square value (for example, 0.01 or more, preferably 0.039 or more) was expressed. Thus, for example, if a person who observes a luminescent image confirms the square value of (NA ÷ β), an objective lens suitable for imaging a luminescent sample with a short exposure time and in real time can be obtained. There is an effect that it can be easily selected.

以下に、本発明にかかる発光試料撮像方法、発光細胞撮像方法および対物レンズの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of a luminescent sample imaging method, a luminescent cell imaging method, and an objective lens according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

第1の実施形態
本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置の構成について図1を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態の装置に関する構成の一例を示す図である。図1に示すように、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置は、撮像対象であるサンプル1を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するためのものであり、対物レンズ2と集光レンズ3とCCDカメラ4とモニタ5とで構成されている。なお、当該装置は図示の如くズームレンズ6をさらに備えてもよい。
First Embodiment A configuration of an apparatus for carrying out a luminescent sample imaging method according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration related to an apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, an apparatus for carrying out a luminescent sample imaging method according to the present invention is for imaging a sample 1 to be imaged with a short exposure time, and in real time. The condenser lens 3, the CCD camera 4, and the monitor 5 are included. The apparatus may further include a zoom lens 6 as shown.

サンプル1は、発光試料であり、例えば、発光タンパク質(例えば導入された遺伝子(ルシフェラーゼ遺伝子など)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞や、発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の臓器や、発光性の個体(動物など)などである。また、サンプル1は、具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞でもよい。対物レンズ2は、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上のものである。集光レンズ3は、対物レンズ2を介して到達したサンプル1からの発光を集める。CCDカメラ4は、0℃程度の冷却CCDカメラであり、対物レンズ2や集光レンズ3を介してサンプル1を撮像する。モニタ5はCCDカメラ4で撮像した画像を出力する。   Sample 1 is a luminescent sample, for example, a luminescent protein (for example, a luminescent protein expressed from an introduced gene (such as a luciferase gene)), a luminescent cell, an aggregate of luminescent cells, or a luminescent property. Tissue samples, luminescent organs, and luminescent individuals (animals, etc.). Sample 1 may specifically be a luminescent cell into which a luciferase gene has been introduced. The objective lens 2 has a square value of (NA ÷ β) expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) of 0.01 or more, preferably 0.039 or more. The condenser lens 3 collects light emitted from the sample 1 that has reached through the objective lens 2. The CCD camera 4 is a cooled CCD camera at about 0 ° C. and images the sample 1 through the objective lens 2 and the condenser lens 3. The monitor 5 outputs an image captured by the CCD camera 4.

そして、対物レンズ2や対物レンズ2の包装容器(パッケージ)には、(NA/β)の2乗の値を表記する。ここで、(NA/β)の2乗の値を表記した対物レンズの一例について図2を参照して説明する。図2は、(NA/β)の2乗の値を表記した対物レンズ2の一例を示す図である。従来の対物レンズには、レンズ種類(例えば“PlanApo”)、倍率/NA油侵(例えば“100×/1.40oil”)および無限遠/カバーガラス厚(例えば“∞/0.17”)が表記されていた。しかし、本発明にかかる対物レンズ(対物レンズ2)には、レンズ種類(例えば“PlanApo”)、倍率/NA油侵(例えば“100×/1.40oil”)、無限遠/カバーガラス厚(例えば“∞/0.17”)の他に、さらに射出開口角(例えば、“(NA/β)の2乗:0.05”)が表記されている。   Then, the square of (NA / β) is written on the objective lens 2 and the packaging container (package) of the objective lens 2. Here, an example of an objective lens in which a square value of (NA / β) is described will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the objective lens 2 in which a square value of (NA / β) is expressed. Conventional objective lenses include lens type (eg “PlanApo”), magnification / NA oil attack (eg “100 × / 1.40 oil”) and infinity / cover glass thickness (eg “∞ / 0.17”). It was written. However, the objective lens according to the present invention (objective lens 2) includes a lens type (for example, “PlanApo”), magnification / NA oil immersion (for example, “100 × / 1.40 oil”), infinity / cover glass thickness (for example, In addition to “∞ / 0.17”), an injection opening angle (for example, “(NA / β) squared: 0.05”) is also written.

以上、説明したように、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置において、対物レンズ2は、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上である。これにより、発光量の少ない発光試料(例えば、発光タンパク質(例えば、導入された遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子)から発現された発光タンパク質)や、発光性の細胞または発光性の細胞の集合体や、発光性の組織試料や、発光性の個体(例えば動物や臓器など)など)でも、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる。具体的には、ルシフェラーゼ遺伝子を導入した発光細胞を撮像対象として、鮮明な画像を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮ることができる。また、対物レンズ2は、従来の対物レンズと比較して、開口数が大きく且つ倍率が小さいので、対物レンズ2を用いれば広範囲を分解能よく撮像することができる。これにより、例えば動きのある発光試料や移動する発光試料や広い範囲に分布する発光試料を撮像対象とすることができる。また、対物レンズ2は、当該対物レンズ2および/または当該対物レンズ2を包装する包装容器(パッケージ)に、開口数(NA)および投影倍率(β)で表される(NA÷β)の2乗の値(例えば0.01以上、好ましくは0.039以上)を表記した。これにより、例えば発光画像観察を行う者は、表記された(NA÷β)の2乗の値を確認すれば、発光試料を短い露出時間で、ひいてはリアルタイムに撮像するのに適した対物レンズを容易に選択することができる。   As described above, in the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention, the objective lens 2 is represented by 2 (NA ÷ β) represented by the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β). The power value is 0.01 or more, preferably 0.039 or more. As a result, a luminescent sample (for example, a luminescent protein (for example, a luminescent protein expressed from an introduced gene (for example, luciferase gene)), a luminescent cell, or a collection of luminescent cells, A clear image can be taken with a short exposure time and even in real time even with a sex tissue sample or a luminescent individual (such as an animal or an organ). Specifically, a luminescent cell into which a luciferase gene is introduced can be imaged, and a clear image can be taken with a short exposure time and in real time. In addition, since the objective lens 2 has a larger numerical aperture and a lower magnification as compared with a conventional objective lens, a wide range can be imaged with high resolution by using the objective lens 2. Thereby, for example, a moving luminescent sample, a moving luminescent sample, or a luminescent sample distributed over a wide range can be set as an imaging target. In addition, the objective lens 2 is expressed by a numerical aperture (NA) and a projection magnification (β) of 2 (NA ÷ β) on the objective lens 2 and / or a packaging container (package) that wraps the objective lens 2. A power value (for example, 0.01 or more, preferably 0.039 or more) was expressed. Thus, for example, if a person who observes a luminescent image confirms the square value of (NA ÷ β), an objective lens suitable for imaging a luminescent sample with a short exposure time and in real time can be obtained. Easy to choose.

従来、ルシフェラーゼ遺伝子を用いたレポーターアッセイにおいては、細胞を溶解した後に発光量を測定するため、ある時点での発現量しか捉えることができず、しかも細胞全体の平均値としての計測になってしまう。また、培養しながらの計測においては、細胞コロニーの経時的な発現量の変化を捉えることはできるが、個々の細胞での発現量の変化を捉えることはできない。そして、個々の細胞の発光を顕微鏡で観察するためには、生きた細胞からの発光量が極めて弱いため、液体窒素温度レベルの冷却CCDカメラで長時間露光したり、イメージ・インテンシファイアを装着したCCDカメラでフォトンカウンティングをしたりしなければならない。そのため、発光検出のカメラは高価で大掛かりなものになってしまう。しかし、レポーター遺伝子産物としてのルシフェラーゼ活性を示す個々の細胞の発光を顕微鏡によって観察する際、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、イメージ・インテンシファイアを装着することなく、0℃程度の冷却CCDカメラを用いて定量的な画像を取得することができる。すなわち、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、生きた状態で個々の細胞の発光を0℃程度の冷却CCDカメラによって観察することができるので、イメージ・インテンシファイアやフォトンカウンティングのための装置が不要である。つまり、低コストで発光試料の撮像を行うことができる。また、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、個々の生きた細胞の発光を、培養しながら経時的に観察することができ、さらにリアルタイムに観察することもできる。また、本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置を利用すれば、同じ細胞について、異なった条件での薬剤や刺激の応答をモニタすることができる。   Conventional reporter assays using the luciferase gene measure the amount of luminescence after lysing the cells, so only the expression level at a certain point in time can be captured, and the average value of the entire cell is measured. . Further, in measurement while culturing, changes in the expression level of cell colonies over time can be caught, but changes in the expression level in individual cells cannot be caught. In order to observe the luminescence of individual cells with a microscope, the amount of luminescence from living cells is extremely weak, so it can be exposed for a long time with a cooled CCD camera at the liquid nitrogen temperature level, or an image intensifier is attached. You have to do photon counting with a CCD camera. Therefore, the camera for detecting light emission is expensive and large. However, when observing the luminescence of individual cells exhibiting luciferase activity as a reporter gene product with a microscope, an image intensifier is attached if the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention is used. The quantitative image can be acquired using a cooled CCD camera at about 0 ° C. That is, if the apparatus for carrying out the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, the luminescence of individual cells can be observed with a cooled CCD camera at about 0 ° C. in an alive state. No fire or photon counting device is required. That is, the luminescent sample can be imaged at low cost. In addition, if the apparatus for performing the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, the luminescence of individual living cells can be observed over time while being cultured, and can also be observed in real time. . Moreover, if the apparatus for performing the luminescent sample imaging method according to the present invention is used, it is possible to monitor the response of drugs and stimuli under different conditions for the same cell.

ここで、本発明にかかる発光試料撮像方法、発光細胞撮像方法および対物レンズの理解を容易にするために、従来の対物レンズおよびそれを用いた発光画像観察について簡単に説明する。
一般に、顕微鏡観察における空間分解能εは、下記数式1で表される。
ε=0.61×λ÷NA ・・・(数式1)
(数式1において、λは光の波長であり、NAは開口数である。)
また、観察範囲の直径dは、下記数式2で表される。
d=D÷M ・・・(数式2)
(数式2において、Dは視野数であり、Mは倍率である。なお、視野数は一般に22から26である。)
従来、顕微鏡用対物レンズの焦点距離は国際規格で45mmとされていた。そして、最近では、焦点距離を60mmとする対物レンズが使われはじめている。この焦点距離を前提にしてNAが大きい、つまり空間分解能が高いレンズを設計すると作動距離(WD)は一般には0.5mm程度であり、また長WD設計のものでも8mm程度であった。このような対物レンズを用いた場合、観察範囲は0.5mm径程度である。
Here, in order to facilitate understanding of the luminescent sample imaging method, the luminescent cell imaging method and the objective lens according to the present invention, a conventional objective lens and luminescent image observation using the objective lens will be briefly described.
In general, the spatial resolution ε in microscopic observation is expressed by the following mathematical formula 1.
ε = 0.61 × λ ÷ NA (Formula 1)
(In Equation 1, λ is the wavelength of light and NA is the numerical aperture.)
Further, the diameter d of the observation range is expressed by the following mathematical formula 2.
d = D ÷ M (Formula 2)
(In Equation 2, D is the number of fields of view and M is the magnification. The number of fields of view is generally 22 to 26.)
Conventionally, the focal length of an objective lens for a microscope has been set to 45 mm according to international standards. Recently, an objective lens having a focal length of 60 mm has been used. If a lens with a large NA, that is, a high spatial resolution is designed on the assumption of this focal length, the working distance (WD) is generally about 0.5 mm, and even a long WD design is about 8 mm. When such an objective lens is used, the observation range is about 0.5 mm in diameter.

しかし、ディッシュやガラズボトムディッシュに分散した細胞群や組織、個体の観察を行う場合、観察範囲が1から数cmに及ぶことがある。このような範囲を分解能よく観察したいときには、低倍率でありながらNAを大きい値で維持しなければならない。換言すると、NAはレンズ半径と焦点距離との比であるので、NAが大きいまま広い範囲を観察できる対物レンズは、低倍である必要がある。そして、結果的に、このような対物レンズは大口径となる。なお、大口径の対物レンズの製作では、一般的に光学材料の物性の均一性やコーティングの均一性において、また、レンズ形状においても高い精度が求められる。   However, when observing a cell group, tissue, or individual dispersed in a dish or glass bottom dish, the observation range may range from 1 to several centimeters. When it is desired to observe such a range with high resolution, the NA must be maintained at a large value while the magnification is low. In other words, since NA is the ratio of the lens radius to the focal length, an objective lens that can observe a wide range with a large NA needs to be low magnification. As a result, such an objective lens has a large aperture. In manufacturing a large-diameter objective lens, generally high accuracy is required in terms of uniformity of physical properties and coating uniformity of an optical material and lens shape.

また、顕微鏡観察の場合、光学系の透過率や対物レンズの開口数やCCDカメラのチップ面での投影倍率やCCDカメラの性能などが像の明るさに大きく影響してくる。そして、像の明るさは、開口数(NA)を投影倍率(β)で割った値の2乗、すなわち(NA/β)の2乗で評価される。ここで、図3に示すように、対物レンズには、一般に、入射開口角NAと射出開口角NA'との間に下記数式3の関係があり、NA'2が観察者の目やCCDカメラなどに届く明るさを示す値である。
NA'=NA÷β ・・・(数式3)
(数式3において、NAは入射開口角(開口数)であり、NA'は射出開口角であり、βは投影倍率である。)
一般の対物レンズにおいて、NA'は高々0.04であり、NA'2は0.0016である。また、現在市販されている一般的な顕微鏡の対物レンズにおける像の明るさ(NA/β)の2乗の値を調査したところ、図4に示すように、0.0005から0.002の範囲であった。
In the case of microscopic observation, the light transmittance of the optical system, the numerical aperture of the objective lens, the projection magnification on the chip surface of the CCD camera, the performance of the CCD camera, etc. greatly affect the brightness of the image. The brightness of the image is evaluated by the square of the value obtained by dividing the numerical aperture (NA) by the projection magnification (β), that is, the square of (NA / β). Here, as shown in FIG. 3, the objective lens generally has a relationship of the following Equation 3 between the incident aperture angle NA and the exit aperture angle NA ′, where NA ′ 2 is the observer's eyes or CCD camera. It is a value indicating the brightness that reaches.
NA ′ = NA ÷ β (Formula 3)
(In Equation 3, NA is the incident aperture angle (numerical aperture), NA ′ is the exit aperture angle, and β is the projection magnification.)
In a general objective lens, NA ′ is at most 0.04, and NA ′ 2 is 0.0016. Further, when the square value of the image brightness (NA / β) in an objective lens of a general microscope currently on the market is examined, as shown in FIG. 4, the range is from 0.0005 to 0.002. Met.

ところが、図4に示す現在市販されている対物レンズを装着した顕微鏡を用いて、例えば細胞内でルシフェラーゼ遺伝子を発現させ発光している細胞を観察しても、当該細胞からの発光を目視で観察することができないし、さらに0℃程度に冷却したCCDカメラを用いて撮像した発光画像を観察しても細胞からの発光を確認することができない。なお、発光試料を観察する場合には、蛍光観察に必要な励起光の投影は不要である。例えば、落射蛍光観察では、対物レンズは、励起光投影レンズと蛍光を集光して画像を形成するレンズとの両方の機能を満たしている。そこで、光量の少ない発光を画像で観察するためには、大きなNAと小さいβの特性を有する対物レンズが必要である。そして、結果的に、当該対物レンズは大口径となる傾向がある。なお、このような対物レンズでは、励起光投影の機能を考慮することなく機能を単純化して設計、製造しやすくすることが求められる。   However, using a microscope equipped with a commercially available objective lens shown in FIG. 4, for example, even when observing a luminescent cell expressing a luciferase gene in a cell, the luminescence from the cell is visually observed. In addition, even if a light emission image taken using a CCD camera cooled to about 0 ° C. is observed, light emission from the cells cannot be confirmed. When observing a luminescent sample, it is not necessary to project excitation light necessary for fluorescence observation. For example, in epifluorescence observation, the objective lens satisfies both functions of an excitation light projection lens and a lens that collects fluorescence to form an image. Therefore, in order to observe light emission with a small amount of light with an image, an objective lens having large NA and small β characteristics is required. As a result, the objective lens tends to have a large aperture. Note that such an objective lens is required to be easily designed and manufactured by simplifying the function without considering the function of projecting the excitation light.

また、発光や蛍光観察を利用する研究分野では、試料内のタンパク質分子の動的な機能発現を捉えるためにタイムラプスや動画撮像が求められている。最近では、蛍光を利用したタンパク質1分子の動画観察が行われている。これらの撮像では単位時間の撮像フレーム数が多いほど画像1フレームあたりの露出時間は短くなる。このような観察においては、明るい光学系、特に、明るい対物レンズが必要となる。しかし、蛍光に比べて発光タンパク質の光量は少ないので、1フレームの撮像に、例えば20分の露出時間を要することが多い。このような露出時間でタイムラプス観察を行うには動的な変化が非常に遅い試料に限られる。例えば、約1時間に一度分裂する細胞では、その周期内の変化を観察することはできない。従って、シグナル・ノイズ比を高く維持しながら少ない光量を効率よく画像化するために、光学系の明るさを向上することは重要である。 In the research field using luminescence and fluorescence observation, time-lapse and moving image capturing are required to capture the dynamic functional expression of protein molecules in a sample. Recently, video observation of one molecule of protein using fluorescence has been performed. In these imaging operations, the exposure time per image frame becomes shorter as the number of imaging frames per unit time increases. Such observation requires a bright optical system, particularly a bright objective lens. However, since the amount of photoprotein is less than that of fluorescence, it often takes an exposure time of, for example, 20 minutes to image one frame. In order to perform time- lapse observation with such an exposure time, a dynamic change is limited to a very slow sample. For example, in cells that divide once every hour, changes within that cycle cannot be observed. Therefore, it is important to improve the brightness of the optical system in order to efficiently image a small amount of light while maintaining a high signal-to-noise ratio.

以上の経緯を踏まえて製作された本発明の対物レンズは、一般に市販されている対物レンズ(例えば図4参照)に比べて、大きなNAと小さいβの特性を有している。即ち、後述するように、0℃〜5℃の弱低温の冷却型CCDを用いた場合であって、(NA/β)の2乗の値が0.01〜0.09の範囲で個々の細胞の発光タンパク質による発光画像を5分以内で生成でき且つ個々の細胞についての発光量の計測も可能であった。これに対して、同様の条件で、(NA/β)の2乗の値が0.007以下の場合には肉眼ないし画像解析ソフトウェアによる認識可能な発光画像を生成出来なかった。よって、本発明に発光画像を生成可能な対物レンズの(NA/β)の2乗の値(またはNA'2)は従来使用されていた範囲よりも有意に大きな値である。つまり、本発明の対物レンズは従来使用されて来た条件とは異なる条件において明るい対物レンズである、と言うことができる。これにより、本発明の対物レンズのような明るい対物レンズを用いれば、光量の少ない発光試料からの発光を画像で観察することができる。また、より暗い像を観察するために、開口数の大きい本発明の対物レンズを実体顕微鏡に装着することで、イメージ・インテンシファイアを装着することなく、0℃程度に冷却したCCDカメラでも、細胞の発光を画像で観察することができる。また、液体窒素冷却を用いるCCDカメラで感度を上げる方法があるが、この場合CCDカメラが非常に高価に、大規模になる。しかし、本発明の対物レンズを用いれば、ペルチェ冷却によるCCDカメラでも、細胞の発光を画像で観察することができる。 The objective lens of the present invention manufactured based on the above circumstances has characteristics of large NA and small β as compared with a commercially available objective lens (see, for example, FIG. 4). That is, as will be described later, when a low-temperature cooled CCD of 0 ° C. to 5 ° C. is used, each square value of (NA / β) is in the range of 0.01 to 0.09. Luminescence images of cells by photoproteins could be generated within 5 minutes, and the amount of luminescence for individual cells could be measured. On the other hand, under the same conditions, when the square value of (NA / β) was 0.007 or less, a luminescent image that could be recognized by the naked eye or image analysis software could not be generated. Therefore, the square value (or NA′2) of (NA / β) of the objective lens capable of generating a luminescent image in the present invention is a value significantly larger than the range conventionally used. In other words, it can be said that the objective lens of the present invention is a bright objective lens under conditions different from those conventionally used . Thereby, if a bright objective lens like the objective lens of this invention is used, the light emission from the light emission sample with little light quantity can be observed with an image. In order to observe a darker image, a CCD camera cooled to about 0 ° C. without mounting an image intensifier by mounting the objective lens of the present invention having a large numerical aperture on a stereomicroscope, Cell luminescence can be observed with images. In addition, there is a method of increasing the sensitivity with a CCD camera using liquid nitrogen cooling. In this case, the CCD camera becomes very expensive and large-scale. However, if the objective lens of the present invention is used, the light emission of the cells can be observed as an image even with a CCD camera using Peltier cooling.

また、本発明の対物レンズは、5cmから10cm程度の大口径である。これにより、従来では撮像対象となり得なかった揺れ、変形、分裂、移動等の動きの有る発光試料や広い範囲に分布する発光試料などを撮像対象とすることができる。本発明によれば、例えば、細胞を含む培養試料(組織または細胞群)において、1cm角相当、好ましくは2cm〜5cm角相当以上の視野範囲を観察できるので、種々の重要な組織ないし器官(例えば、脳、視交叉上核、膵臓、腫瘍組織、線虫など)の全体もしくは大部分を適宜薄切片等で広視野で観察および解析できる点で好ましい。なお、上記の説明において、液体窒素のような極低温の冷却CCDを本発明に適用することを排除するものではない。本発明によれば、極低温の冷却CCDでも得られなかった高速な撮像を、対物レンズを含む受光前の光学的構成だけで実現するようにしたからである。従って、本発明の方法および装置に対して、極低温の冷却CCDを組合せることによって、高感度化が図れ、S/N比が増すので、画質を向上させるようにすることが出来る。 The objective lens of the present invention has a large aperture of about 5 cm to 10 cm. As a result, a luminescent sample having movements such as shaking, deformation, splitting, and movement, which could not be an imaging target in the past, or a luminescent sample distributed over a wide range can be set as an imaging target. According to the present invention, for example, in a culture sample (a tissue or a group of cells) containing cells, a visual field range equivalent to 1 cm square, preferably 2 cm to 5 cm square or more can be observed, so that various important tissues or organs (for example, The brain, suprachiasmatic nucleus, pancreas, tumor tissue, nematode, etc.) or all of them are preferable in that they can be observed and analyzed in a wide field of view with thin sections and the like as appropriate. In the above description, application of a cryogenic cooling CCD such as liquid nitrogen to the present invention is not excluded. This is because, according to the present invention, high-speed imaging that cannot be obtained even with a cryogenic cooled CCD is realized only by the optical configuration before light reception including the objective lens. Therefore, by combining the method and apparatus of the present invention with a cryogenic cooling CCD, high sensitivity can be achieved and the S / N ratio can be increased, so that the image quality can be improved.

第2の実施形態
つぎに、第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置によって実際に撮像した画像を図5−1〜図5−4に示す。図5−1〜図5−4に示す画像は、ヒト由来のHeLa細胞にルシフェラーゼ遺伝子「pGL3-control vector(プロメガ社製)」を導入し、1日培養した後、ハンクス平衡塩類溶液で洗浄し、1mMのルシフェリンを含むハンクス塩類溶液に置換して作製した標本を撮像した画像である。
Second Embodiment Next, images actually captured by the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment are shown in FIGS. The images shown in FIGS. 5-1 to 5-4 show that the luciferase gene “pGL3-control vector (manufactured by Promega)” was introduced into human-derived HeLa cells, cultured for one day, and then washed with Hanks balanced salt solution. It is the image which imaged the sample produced by substituting with the Hanks salt solution containing 1 mM luciferin.

対物レンズ2および結像用の集光レンズ3として用いたレンズは、それぞれ「Oil、40倍、NA1.0」および「5倍、NA0.13」の仕様である市販の顕微鏡用対物レンズであり、結像光学系の倍率Mgに対応する総合倍率は8倍である。使用したCCDカメラ4は、0℃冷却の天体観測用クールドCCDカメラ(SBIG社製)であり、CCD素子は2/3インチ型、画素数765×510、画素サイズ9μm角である。 The lenses used as the objective lens 2 and the condenser lens 3 for image formation are commercially available objective lenses for microscopes having specifications of “Oil, 40 times, NA 1.0” and “5 times, NA 0.13”, respectively. The total magnification corresponding to the magnification Mg of the imaging optical system is 8 times. The CCD camera 4 used is a cooled CCD camera for astronomical observation cooled by 0 ° C. (manufactured by SBIG). The CCD element is a 2/3 inch type, the number of pixels is 765 × 510, and the pixel size is 9 μm square.

図5−1は、標本の明視野像を撮像した画像、図5−2および図5−3は、標本の自己発光による像を撮像した画像であって、それぞれ1分間および5分間露光して撮像した画像である。図5−4は、図5−1および図5−3に示す2つの画像を重ね合わせて表示した画像である。
図5−2に示すように、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置によれば、0℃冷却の比較的高温の冷却CCDであっても、フォトンカウンティングすることなく、1分間という短い露光時間で、ルシフェラーゼ遺伝子が発する微弱光を撮像できる。また、図7−3に示すように、露光時間を5分間にすることで、より微弱な光を発するルシフェラーゼ遺伝子を撮像することができる。さらに、図5−1に示すように、標本の明視野像を撮像することが可能であり、図5−4に示すように、明視野像と自己発光による像とを重ね合わせることによって、発光するルシフェラーゼ遺伝子の標本内の位置を観測することができるとともに、発光するルシフェラーゼ遺伝子を含む細胞を特定することができる。なお、非特許文献1(David K. Welsh, Seung-Hee Yoo, Andrew C. Liu, Joseph S. Takahashi, and Steve A. Kay: "Bioluminescence Imaging of Individual Fibroblasts Reveals Persistent, Independently Phased Circadian Rhythms of Clock Gene Expression," Current Biology, Vol. 14 (2004) 2289-2295.)では、この文献中のFigure 2. に示されるように、標本がモザイク状に撮像され、発光する細胞を特定することは非常に困難であった。
FIG. 5A is an image obtained by capturing a bright field image of the specimen, and FIGS. 5B and 5C are images obtained by capturing images of the specimen by self-emission, which are exposed for 1 minute and 5 minutes, respectively. This is a captured image. FIG. 5-4 is an image obtained by superimposing and displaying the two images shown in FIGS.
As shown in FIG. 5B, according to the feeble light sample imaging unit and the feeble light sample imaging device according to the second embodiment, even with a relatively high temperature cooled CCD cooled at 0 ° C., photon counting is performed. Without a short exposure time of 1 minute, the weak light emitted by the luciferase gene can be imaged. Further, as shown in FIG. 7-3, by setting the exposure time to 5 minutes, it is possible to image a luciferase gene that emits weaker light. Furthermore, as shown in FIG. 5-1, it is possible to capture a bright field image of a specimen. As shown in FIG. 5-4, light emission is achieved by superimposing a bright field image and a self-luminous image. In addition to observing the position of the luciferase gene in the specimen, cells containing the luciferase gene that emit light can be identified. Non-Patent Document 1 (David K. Welsh, Seung-Hee Yoo, Andrew C. Liu, Joseph S. Takahashi, and Steve A. Kay: "Bioluminescence Imaging of Individual Fibroblasts Reveals Persistent, Independently Phased Circadian Rhythms of Clock Gene Expression , "Current Biology, Vol. 14 (2004) 2289-2295.), As shown in Figure 2 of this document, it is very difficult to identify the cells in which the specimen is imaged in a mosaic pattern and emit light. Met.

さらに、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置によって行った実験結果の別の一例として、単一細胞での経時的なレポーターアッセイの例を説明する。   Furthermore, an example of a reporter assay over time with a single cell will be described as another example of experimental results performed by the weak light specimen imaging unit and the weak light specimen imaging device according to the second embodiment.

このレポーターアッセイでは、まず、テトラサイクリン・リプレッサー(TetR)を恒常的に発現させるベクター「pcDNA6/TR(インビトロジェン社製)」と、テトラサイクリン・オペレータ(TetO2)をもつ発現ベクター「pcDNA4/TO(インビトロジェン社製)」にルシフェラーゼ遺伝子をつなげたプラスミドとをHeLa細胞に共発現させて標本を作製する。この状態では、図6−1に示すように、TetRホモダイマーがTetO2領域に結合しているため、ルシフェラーゼ遺伝子の転写は抑制される。つぎに、図6−2に示すように、培養液中にテトラサイクリンを添加してTetRホモダイマーに結合させ、TetRホモダイマーの立体構造を変化させることによって、TetO2からTetRホモダイマーを分離させ、ルシフェラーゼ遺伝子の転写を誘導する。なお、培養液は10mMのHEPESを含むD−MEM培地であり、1mMのルシフェリンを含む。   In this reporter assay, first, a vector “pcDNA6 / TR (manufactured by Invitrogen)” that constantly expresses tetracycline repressor (TetR) and an expression vector “pcDNA4 / TO (Invitrogen) having a tetracycline operator (TetO2)” are used. And a luciferase gene-linked plasmid are co-expressed in HeLa cells to prepare a specimen. In this state, as shown in FIG. 6A, since the TetR homodimer is bound to the TetO2 region, transcription of the luciferase gene is suppressed. Next, as shown in FIG. 6-2, tetracycline is added to the culture solution to bind to the TetR homodimer, and by changing the three-dimensional structure of the TetR homodimer, the TetR homodimer is separated from TetO2, and the transcription of the luciferase gene is performed. To induce. The culture solution is a D-MEM medium containing 10 mM HEPES and contains 1 mM luciferin.

対物レンズ2および結像用の集光レンズ3として用いたレンズは、それぞれ「Oil、20倍、NA0.8」および「5倍、NA0.13」の仕様である市販の顕微鏡用対物レンズであり、倍率Mgに対応する総合倍率は4倍である。使用したCCDカメラ4は、5℃冷却の顕微鏡用デジタルカメラ「DP30BW(オリンパス社製)」であり、CCD素子は、2/3インチ型、画素数1360×1024、画素サイズ6μm角である。   The lenses used as the objective lens 2 and the condenser lens 3 for image formation are commercially available objective lenses for microscopes having specifications of “Oil, 20 times, NA 0.8” and “5 times, NA 0.13”, respectively. The total magnification corresponding to the magnification Mg is 4 times. The CCD camera 4 used was a digital camera “DP30BW (manufactured by Olympus)” cooled at 5 ° C., and the CCD element was a 2/3 inch type, the number of pixels was 1360 × 1024, and the pixel size was 6 μm square.

図7−1は、テトラサイクリンを添加する前の標本の明視野像を撮像した画像である。図7−2は、テトラサイクリンを添加してから9時間後の標本の自己発光による像を1分間露光して撮像した画像である。図7−3は、図7−1および図7−2に示す2つの画像を重ね合わせた画像であって、一部を拡大表示した画像である。なお、これらの観察は、室温(25℃)で行われている。標本がインキュベーター内に載置される場合、あるいは、撮像ユニットまたは撮像装置の一部もしくは全部もインキュベーター内に収納される場合では、37℃の環境で観察が可能である。   FIG. 7-1 is an image obtained by capturing a bright-field image of the specimen before adding tetracycline. FIG. 7-2 is an image obtained by exposing an image by self-emission of a specimen 9 hours after the addition of tetracycline for 1 minute. FIG. 7C is an image obtained by superimposing the two images shown in FIGS. 7A and 7B, and is an image partially enlarged. These observations are performed at room temperature (25 ° C.). When the specimen is placed in the incubator, or when part or all of the imaging unit or imaging apparatus is also stored in the incubator, observation can be performed in an environment of 37 ° C.

図7−2に示すように、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置によれば、5℃冷却の冷却CCDによって、フォトンカウンティングすることなく、1分間という短い露光時間で、ルシフェラーゼ遺伝子が発する微弱光を撮像できる。   As shown in FIG. 7-2, according to the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment, the cooling CCD cooled at 5 ° C. has a short time of 1 minute without photon counting. The weak light emitted by the luciferase gene can be imaged with the exposure time.

また、図7−3に示すように、明視野像と自己発光による像とを重ね合わせることによって、発光するルシフェラーゼ遺伝子の位置を鮮明な画像で観測することができるとともに、このルシフェラーゼ遺伝子を含む細胞を容易に特定することができる。 Further, as shown in FIG. 7-3, by superimposing the bright-field image and the self-luminous image, the position of the luciferase gene that emits light can be observed with a clear image, and the cell containing this luciferase gene Can be easily identified.

図8は、図7−3に示した領域ROI−1,ROI−2について、ルシフェラーゼ遺伝子の発光強度の経時変化を測定した結果を示す図である。図8は、テトラサイクリンを添加した2時間後から発光が捉えられ,6〜7時間後でプラトーに達したことを示している。このように、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置によれば、発光するルシフェラーゼ遺伝子の位置を特定して時系列に追跡し、発光現象の経時変化を測定することができる。   FIG. 8 is a diagram showing the results of measuring the change over time in the luminescence intensity of the luciferase gene in the regions ROI-1 and ROI-2 shown in FIG. 7-3. FIG. 8 shows that luminescence was captured 2 hours after the addition of tetracycline and reached a plateau 6-7 hours later. As described above, according to the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment, the position of the luciferase gene that emits light is identified and tracked in time series, and the temporal change of the luminescence phenomenon is measured. can do.

ところで、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置では、対物レンズ2と結像用の集光レンズ3とからなる結像光学系を無限遠補正系とすることにより、対物レンズ2と結像用レンズ3との間に各種光学素子を配置して、サンプル1を様々な方法で観察することができる。   By the way, in the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment, the imaging optical system including the objective lens 2 and the focusing lens 3 for imaging is an infinity correction system. Thus, various optical elements are arranged between the objective lens 2 and the imaging lens 3, and the sample 1 can be observed by various methods.

図9は、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置に、落射蛍光装置を備えた場合の一部構成を示す模式図である。この落射蛍光装置は、図9に示すように、蛍光ユニットとしての蛍光キューブ24、蛍光用投光管25および励起光源26を備える。蛍光キューブ24は、標本1を励起するための励起光を選択的に透過させる励起光透過フィルターとしての励起フィルター21と、励起光によって励起された標本1から発せられる蛍光を選択的に透過させる蛍光透過フィルターとしての吸収フィルター22と、励起光を反射し蛍光を透過させるダイクロイックミラー23とを一体に備える。蛍光用投光管25は、集光レンズ25a、明るさ絞り作りレンズ25b、投光レンズ25c、明るさ絞りASおよび視野絞りFSを同軸に備える。   FIG. 9 is a schematic diagram showing a partial configuration in the case where the weak light sample imaging apparatus according to the second embodiment is provided with an epi-illumination apparatus. As shown in FIG. 9, the epifluorescent apparatus includes a fluorescent cube 24 as a fluorescent unit, a fluorescent light projecting tube 25, and an excitation light source 26. The fluorescence cube 24 is an excitation filter 21 as an excitation light transmission filter that selectively transmits excitation light for exciting the specimen 1 and fluorescence that selectively transmits fluorescence emitted from the specimen 1 excited by the excitation light. An absorption filter 22 as a transmission filter and a dichroic mirror 23 that reflects excitation light and transmits fluorescence are integrally provided. The fluorescent light projecting tube 25 includes a condensing lens 25a, a brightness stop making lens 25b, a light projecting lens 25c, a brightness stop AS, and a field stop FS coaxially.

励起光源26は、励起光を発する光源であり、水銀ランプ、キセノンランプ、レーザー等によって実現される。蛍光照射手段としての励起光源26および蛍光用投光管25は、ダイクロイックミラー23によって励起光を反射させ標本1に照射する。励起フィルター21は、励起光源26から発せられた光の中から励起光を抽出するバンドパスフィルターであり、吸収フィルター22は、所定のカットオフ波長を有するロングウェーブパスフィルターである。蛍光キューブ24は、対物レンズ60と結像レンズ70との間の光軸OA2上に挿脱可能に配置される。なお、蛍光キューブ24とともに、励起光および蛍光の少なくとも一方に対する光学特性が異なる複数の交換用蛍光キューブを一体に保持し、保持した蛍光キューブのうち1つの蛍光キューブを選択的に対物レンズ6と結像レンズ7との間に配置する蛍光キューブ切替装置を備えるようにしてもよい。   The excitation light source 26 is a light source that emits excitation light, and is realized by a mercury lamp, a xenon lamp, a laser, or the like. The excitation light source 26 and the fluorescent light projecting tube 25 as the fluorescence irradiation means reflect the excitation light by the dichroic mirror 23 and irradiate the specimen 1. The excitation filter 21 is a band pass filter that extracts excitation light from the light emitted from the excitation light source 26, and the absorption filter 22 is a long wave pass filter having a predetermined cutoff wavelength. The fluorescent cube 24 is detachably disposed on the optical axis OA2 between the objective lens 60 and the imaging lens 70. In addition, together with the fluorescent cube 24, a plurality of replacement fluorescent cubes having different optical characteristics with respect to at least one of excitation light and fluorescence are integrally held, and one fluorescent cube among the held fluorescent cubes is selectively connected to the objective lens 6. A fluorescent cube switching device disposed between the image lens 7 and the image lens 7 may be provided.

図9に示すように、落射蛍光装置を付加することによって、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置では、標本1の蛍光像を撮像することができる。また、この微弱光標本撮像ユニットによれば、微弱な蛍光を観測することができるため、落射蛍光レーザースキャニングコンフォーカル顕微鏡を利用する場合のように強力な励起光を標本に照射する必要がなく、標本の損傷を軽減させることができる。さらに、強力な励起光源用レーザー、ガルバノミラー等のスキャニング装置、コンフォーカル光学系、フォトマルチプライヤー、画像作成用処理装置などが不要となる。   As shown in FIG. 9, by adding an epi-fluorescence device, the weak light sample imaging device according to the second embodiment can capture a fluorescent image of the sample 1. In addition, according to this faint light specimen imaging unit, it is possible to observe faint fluorescence, so there is no need to irradiate the specimen with powerful excitation light as in the case of using an epifluorescence laser scanning confocal microscope, Specimen damage can be reduced. Furthermore, a powerful excitation light source laser, a scanning device such as a galvanometer mirror, a confocal optical system, a photomultiplier, a processing device for image creation, and the like are not required.

また、図9に示した微弱光標本撮像装置は、DNAチップリーダーとして利用することができる。DNAチップとは、ガラスやポリスチレンなどの樹脂基板上に、多種類のDNA断片や合成オリゴヌクレオチドを約0.3mmの径で約0.6mm間隔に数百個塗りつけたものであり、遺伝子の発現や特定遺伝子の存在などを調べるために用いるものである。通常、このDNAチップから発せられる蛍光は、微弱なものである。本発明の微弱光撮像装置を用いれば、従来の遺伝学的ないし免疫学的物質を固相化した微小なバイオチップへの固相化量を大幅に減らしてもリアルタイムな検出が可能となる可能性がある点で優れている。 Further, the weak light specimen imaging device shown in FIG. 9 can be used as a DNA chip reader. A DNA chip is a resin substrate such as glass or polystyrene that is coated with several hundreds of DNA fragments and synthetic oligonucleotides with a diameter of about 0.3 mm at intervals of about 0.6 mm. It is used to check the existence of specific genes. Usually, the fluorescence emitted from this DNA chip is weak. If the weak light imaging apparatus of the present invention is used, real-time detection is possible even if the amount of solid phase immobilization on a microbiochip in which a conventional genetic or immunological substance is solid phased is greatly reduced. Excellent in terms of

一般的なDNAチップリーダーは、レーザー照射のコンフォーカル光学系と高速移動スキャニングステージとの組み合わせであり、この装置での測光は、スポット励起光照射点の発光量の和であるため、スキャニング幅が変わると、その都度測定光量も変化することになり、絶対光量を測定することができない。図9に示した微弱光標本撮像装置を利用すると、たとえば、0.5mm径の視野を有する対物レンズに対して、0.6mmステップでDNAチップを保持するステージを移動させ、停止する毎に測光することによって絶対光量を測定することができる。   A general DNA chip reader is a combination of a laser irradiation confocal optical system and a high-speed scanning stage, and the photometry in this apparatus is the sum of the amount of light emitted from the spot excitation light irradiation point. When it changes, the measured light quantity also changes each time, and the absolute light quantity cannot be measured. When the weak light specimen imaging device shown in FIG. 9 is used, for example, the stage holding the DNA chip is moved in a 0.6 mm step with respect to an objective lens having a field of view of 0.5 mm, and photometry is performed every time it is stopped. By doing so, the absolute light quantity can be measured.

図10は、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置に、分光測光用のフィルターユニットを備えた場合の一部構成を示す模式図である。図10に示すように、分光測光用のフィルターユニット31は、穴部31a,31bにそれぞれ波長抽出フィルター32,33を有し、対物レンズ6と結像レンズ7との間に配置される。フィルターユニット31は、光軸OA2に略直交した面内でスライド式に移動可能に配置され、波長抽出フィルター32,33および空穴31cの1つを選択的に光軸OA2上に配設する。なお、フィルターユニット31は、ターレット式に移動可能としてもよく、さらに多くの波長抽出フィルターを保持するようにしてもよい。   FIG. 10 is a schematic diagram showing a partial configuration in the case where the feeble light sample imaging device according to the second embodiment is provided with a spectrophotometric filter unit. As shown in FIG. 10, the spectrophotometric filter unit 31 has wavelength extraction filters 32 and 33 in the holes 31 a and 31 b, respectively, and is disposed between the objective lens 6 and the imaging lens 7. The filter unit 31 is slidably disposed in a plane substantially orthogonal to the optical axis OA2, and one of the wavelength extraction filters 32 and 33 and the air holes 31c is selectively disposed on the optical axis OA2. The filter unit 31 may be movable in a turret manner, and may hold more wavelength extraction filters.

フィルターユニット31を利用して、たとえば、2色の光を発する多色ルシフェラーゼを標本1として分光測光を行う場合、波長抽出フィルター32は、650nm以上の長波長の光を透過させるロングウェーブパスフィルターとし、波長抽出フィルター33は、550nm以下の短波長の光を透過させるショートウェーブパスフィルターとするとよい。ここで、多色ルシフェラーゼの発光特性は、図11に示す分光特性曲線35G,35Rで表され、波長抽出フィルター32,33の透過率特性は、それぞれ図11に示す透過率曲線32LP,33SPで表される。   For example, when performing spectrophotometry using a multicolor luciferase that emits two colors of light as a specimen 1 using the filter unit 31, the wavelength extraction filter 32 is a long wave pass filter that transmits light having a long wavelength of 650 nm or more. The wavelength extraction filter 33 is preferably a short wave path filter that transmits light having a short wavelength of 550 nm or less. Here, the emission characteristics of multicolor luciferase are represented by spectral characteristic curves 35G and 35R shown in FIG. 11, and the transmittance characteristics of the wavelength extraction filters 32 and 33 are represented by transmittance curves 32LP and 33SP shown in FIG. 11, respectively. Is done.

この場合、図10のフィルターユニット31によって波長抽出フィルター32を光軸OA2上に配設することによって、多色ルシフェラーゼから発せられる赤色光を測光することができ、波長抽出フィルター33を光軸OA2上に配設することによって、多色ルシフェラーゼから発せられる緑色光を測光することができる。また、空穴31cを光軸OA2上に配設して、標本1の明視野像を観察することができる。なお、波長抽出フィルター32を配設した場合、分光特性曲線35G,35Rがクロスオーバーした波長域の一部が測光されるが、この光量は微量のため無視できる。   In this case, by arranging the wavelength extraction filter 32 on the optical axis OA2 by the filter unit 31 of FIG. 10, the red light emitted from the multicolor luciferase can be measured, and the wavelength extraction filter 33 is arranged on the optical axis OA2. By disposing in this way, the green light emitted from the multicolor luciferase can be measured. Further, the bright field image of the specimen 1 can be observed by arranging the air holes 31c on the optical axis OA2. When the wavelength extraction filter 32 is provided, a part of the wavelength region where the spectral characteristic curves 35G and 35R cross over is measured, but this light amount is negligible and can be ignored.

また、図12に示すように、標本1から発せられる微弱光を検出するためのカメラC1と、標本1の明視野像を撮像するためのカメラC2とをスライダー等によって切り替えられるようにして、標本1の明視野像をカラー撮像できるようにしてもよい。カメラC2は、たとえば、CCD34a〜34cを有する3板式のカラーCCDカメラであり、各CCD34a〜34cは、CCD3よりも画素が小さく高精細なCCDとするとよい。また、カメラC2は、高精細なモノクロCCDを備えるモノクロCCDカメラとしてもよい。   Further, as shown in FIG. 12, the camera C1 for detecting the faint light emitted from the sample 1 and the camera C2 for capturing the bright field image of the sample 1 can be switched by a slider or the like. One bright field image may be captured in color. The camera C2 is, for example, a three-plate color CCD camera having CCDs 34a to 34c, and each CCD 34a to 34c is preferably a high-definition CCD having smaller pixels than the CCD 3. The camera C2 may be a monochrome CCD camera having a high-definition monochrome CCD.

図12は、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置に、カメラC1とともに分光測光用のカメラC3を備えた場合の一部構成を示す模式図である。図12に示すように、この微弱光標本撮像装置は、対物レンズ6と結像レンズ7との間に波長抽出フィルター32,33およびダイクロイックミラー35を一体に有した分光キューブ36を備えるとともに、標本1から発しダイクロイックミラー35で反射した微弱光を開口数NAiでテレセントリックに結像する結像用レンズ37と、カメラC1と同様の特性を有するカメラC3とを備える。ここで、ダイクロイックミラー35は、図11に示した特性曲線35G,35Rの交点に対応する約600nmの波長を透過および反射の反転波長とし、この反転波長以上の波長を透過するとともに反転波長より短い波長を反射する。   FIG. 12 is a schematic diagram showing a partial configuration when the feeble light sample imaging apparatus according to the second embodiment includes a camera C3 for spectrophotometry together with the camera C1. As shown in FIG. 12, this weak light specimen imaging device includes a spectral cube 36 integrally having wavelength extraction filters 32 and 33 and a dichroic mirror 35 between an objective lens 6 and an imaging lens 7, and a specimen. 1 includes an imaging lens 37 for telecentric imaging of weak light emitted from 1 and reflected by a dichroic mirror 35 with a numerical aperture NAi, and a camera C3 having the same characteristics as the camera C1. Here, the dichroic mirror 35 uses a wavelength of about 600 nm corresponding to the intersection of the characteristic curves 35G and 35R shown in FIG. 11 as an inversion wavelength of transmission and reflection, transmits a wavelength longer than the inversion wavelength, and is shorter than the inversion wavelength. Reflects wavelength.

図12に示す微弱光標本撮像装置では、たとえば、図11の特性曲線35G,35Rに示した発光特性を有する多色ルシフェラーゼを標本1として観察すると、カメラC1によって多色ルシフェラーゼから発せられる赤色光を測光することができるとともに、カメラC3によって多色ルシフェラーゼから発せられる緑色光を同時に測光することができる。なお、カメラC1,C3および結像レンズ7,37の特性の個体差に起因する撮像倍率等の差は、あらかじめキャリブレーションして取り除くことが望ましい。   In the weak light sample imaging apparatus shown in FIG. 12, for example, when the multicolor luciferase having the light emission characteristics shown in the characteristic curves 35G and 35R in FIG. 11 is observed as the sample 1, red light emitted from the multicolor luciferase is emitted by the camera C1. In addition to being able to measure light, the camera C3 can simultaneously measure green light emitted from multicolor luciferase. It should be noted that it is desirable to calibrate and remove differences in imaging magnification and the like due to individual differences in the characteristics of the cameras C1 and C3 and the imaging lenses 7 and 37 in advance.

なお、分光キューブ36は、対物レンズ60と結像用レンズ70との間の光軸OA2上に挿脱可能に配置するとよい。また、分光キューブ36とともに、分光特性等の光学特性が異なる複数の交換用分光キューブを一体に保持し、このうち1つの分光キューブを選択的に対物レンズ60と結像用レンズ70との間に配置する分光キューブ切替装置を備えるようにしてもよい。さらに、分光キューブ切替装置は、ダイクロイックミラーおよび波長抽出フィルターを個別に交換できるようにしてもよい。   The spectral cube 36 is preferably detachably disposed on the optical axis OA2 between the objective lens 60 and the imaging lens 70. Further, together with the spectral cube 36, a plurality of replacement spectral cubes having different optical characteristics such as spectral characteristics are integrally held, and one of the spectral cubes is selectively interposed between the objective lens 60 and the imaging lens 70. A spectral cube switching device may be provided. Further, the spectroscopic cube switching device may be configured such that the dichroic mirror and the wavelength extraction filter can be individually replaced.

図13は、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置に、カメラC1とともに明視野像観察用のカメラC4を備えた場合の一部構成を示す模式図である。図13に示すように、この微弱光標本撮像装置は、ミラー38、結像用レンズ37、カメラC4および吸収フィルター22を備える。吸収フィルター22は、スライダー等の切替装置39によって、ミラー38と結像用レンズ70との間の光軸OA2上に挿脱可能に配置される。ミラー38は、図示しない挿脱手段によって、対物レンズ60と結像用レンズ70との間の光軸OA2上に挿脱可能に配置され、光軸OA2上に配置された場合、標本1からの光を結像レンズ37に向けて反射する。なお、標本1は、ミラー38が光軸OA2上に配置された場合、照明ファイバー15によって明視野照明される。   FIG. 13 is a schematic diagram showing a partial configuration in the case where the feeble light sample imaging apparatus according to the second embodiment includes a camera C4 for observation of a bright field image together with the camera C1. As shown in FIG. 13, the weak light sample imaging device includes a mirror 38, an imaging lens 37, a camera C <b> 4, and an absorption filter 22. The absorption filter 22 is detachably disposed on the optical axis OA2 between the mirror 38 and the imaging lens 70 by a switching device 39 such as a slider. The mirror 38 is detachably disposed on the optical axis OA2 between the objective lens 60 and the imaging lens 70 by insertion / removal means (not shown), and when the mirror 38 is disposed on the optical axis OA2, The light is reflected toward the imaging lens 37. The specimen 1 is bright-field illuminated by the illumination fiber 15 when the mirror 38 is disposed on the optical axis OA2.

カメラC4は、たとえば、CCD3よりも画素が小さく高精細なCCDを有したモノクロCCDカメラであり、ミラー38が光軸OA2上に配置された場合、標本1の明視野像を撮像する。一方、ミラー38が光軸OA2上に配置されない場合には、カメラC1が標本1の自己発光による像を撮像する。このとき、吸収フィルター22および切替装置39を図10に示したフィルターユニット31に替えて、標本1からの微弱光を分光測光するようにしてもよい。なお、カメラC4は、3板式のカラーCCDとしてもよい。   The camera C4 is, for example, a monochrome CCD camera having a high-definition CCD with smaller pixels than the CCD 3, and takes a bright field image of the sample 1 when the mirror 38 is disposed on the optical axis OA2. On the other hand, when the mirror 38 is not disposed on the optical axis OA2, the camera C1 captures an image of the sample 1 by self-emission. At this time, the absorption filter 22 and the switching device 39 may be replaced with the filter unit 31 shown in FIG. 10, and the faint light from the sample 1 may be spectrophotometrically measured. The camera C4 may be a three-plate color CCD.

一般に、CCDカメラ4として用いる高感度のクールドCCDカメラは、筐体が大きく、たとえば図10に示すようなカメラの交換は困難であるが、図13に示す微弱光標本撮像装置では、ミラー38を光軸OA2上に挿脱することによって、使用するカメラを容易に切り替えることが可能であり、標本1の明視野像および自己発光による像の撮像を容易に切り替えることができる。   In general, a high-sensitivity cooled CCD camera used as the CCD camera 4 has a large housing and, for example, it is difficult to replace the camera as shown in FIG. 10, but the weak light sample imaging apparatus shown in FIG. By inserting / removing on / from the optical axis OA2, it is possible to easily switch the camera to be used, and it is possible to easily switch between the bright field image of the sample 1 and the self-light-emitting image.

このように、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置では、対物レンズ2(または60)と結像用レンズ3(または70)とからなる結像光学系を無限遠補正系としているため、対物レンズ2(または60)と結像用レンズ3(または70)との間に各種光学素子を配置して、この微弱光標本撮像装置を多機能化することができる。   As described above, in the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment, the imaging optical system including the objective lens 2 (or 60) and the imaging lens 3 (or 70) is provided. Since the infinity correction system is employed, various optical elements are arranged between the objective lens 2 (or 60) and the imaging lens 3 (or 70) to make this weak light sample imaging device multifunctional. it can.

一方、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置は、たとえば図14に示すように、外部からの光を遮断するチャンバー等の遮光装置内に配置することによって、外部の光の影響を受けることなく精度よく安定して微弱光を検出することができ、標本1の自己発光による像を鮮明に撮像することができる。ここで、図14に示す遮光装置は、ベース41、囲い42および蓋43によって暗室を形成し、この暗室内でベース41上に微弱光標本撮像装置を備えている。この遮光装置では、ノブ45を持ち上げることによってヒンジ部44を中心に蓋43を開扉し、標本1を交換することができる。   On the other hand, the feeble light sample imaging device according to the second embodiment is arranged in a light shielding device such as a chamber that blocks light from the outside as shown in FIG. The weak light can be detected accurately and stably without being received, and an image of the specimen 1 by self-emission can be clearly captured. Here, the light shielding device shown in FIG. 14 forms a dark room by the base 41, the enclosure 42, and the lid 43, and includes a weak light sample imaging device on the base 41 in the dark room. In this shading device, the specimen 1 can be exchanged by lifting the knob 45 to open the lid 43 around the hinge portion 44.

また、図14に示すように、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置を遮光装置内に配設した場合、キーボード、マウス等の入力装置47を有したコンピュータ等の制御装置46によって、この微弱光標本撮像装置を遮光装置の外部から遠隔操作および自動制御できるようにするとよく、特に、標本1に対する焦点合わせおよび位置合わせ動作、カメラC1等の撮像動作、照明ファイバー15による照明光の調光などを自動制御できるようにするとよい。   As shown in FIG. 14, when the weak light sample imaging device according to the second embodiment is arranged in the light shielding device, the control device 46 such as a computer having an input device 47 such as a keyboard and a mouse is used. It is preferable that the weak light sample imaging device can be remotely operated and automatically controlled from the outside of the light shielding device, and in particular, focusing and positioning operations with respect to the sample 1, imaging operations of the camera C1, etc., illumination light by the illumination fiber 15 It is desirable to be able to automatically control dimming.

ここで、標本1に対する位置合わせとは、対物レンズ60および結像用レンズ70からなる結像光学系、カメラC1および標本1を保持する試料台13の少なくとも1つを光軸OA2に略直交する方向に移動させて、対物レンズ60の視野内に標本1を配設する処理である。なお、このような位置合わせ処理を利用して、結像用レンズ70が形成したエアリーディスクのうち着目するエアリーディスク毎に、エアリーディスクの中心とCCDの画素の中心とが合致するように処理してもよい。この場合、たとえば、エアリーディスクと画素とを相対的に2次元的に操作して、この画素に対応する出力が最大となる位置を検出するようにすればよい。   Here, the alignment with respect to the specimen 1 means that at least one of the imaging optical system including the objective lens 60 and the imaging lens 70, the camera C1, and the sample stage 13 holding the specimen 1 is substantially orthogonal to the optical axis OA2. In this process, the specimen 1 is disposed in the field of view of the objective lens 60 by moving in the direction. By using such an alignment process, the center of the Airy disk and the center of the CCD pixel are matched for each Airy disk of interest among the Airy disks formed by the imaging lens 70. May be. In this case, for example, the position where the output corresponding to the pixel is maximized may be detected by relatively operating the Airy disk and the pixel two-dimensionally.

また、制御装置46は、図14に示すように、表示装置48を備え、標本1の明視野像と自己発光による像とに対応する画像を重ね合わせて表示できるようにするとよい。さらに、制御装置46は、これらの画像を保存するメモリー等の記憶部を備えるとよい。   Further, as shown in FIG. 14, the control device 46 may include a display device 48 so that images corresponding to the bright field image of the sample 1 and the self-luminous image can be superimposed and displayed. Furthermore, the control device 46 may include a storage unit such as a memory for storing these images.

一方、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像装置は、試料台13に替えて、たとえば図15に示すように、シャーレ51、区画52および透明板53からなる収容手段としての密閉容器を備え、シャーレ51上に標本1を保持するようにしてもよい。ここで、この密閉容器は、図示しない空調装置によって生成される定温低湿のCO2を容器内に給気する給気パイプ54と、容器内のCO2を排気する排気パイプ55とを備え、容器内の温度、湿度、気圧およびCO2濃度の少なくとも1つを調整できるようにしている。なお、CO2を給排気する替わりに、この密閉容器の内部にヒートシート等を設けて電気的に容器内の温度調整等を行うようにしてもよい。   On the other hand, in the weak light specimen imaging apparatus according to the second embodiment, instead of the sample stage 13, for example, as shown in FIG. The specimen 1 may be held on the petri dish 51. Here, this sealed container includes an air supply pipe 54 for supplying constant temperature and low humidity CO2 generated by an air conditioner (not shown) into the container, and an exhaust pipe 55 for exhausting CO2 in the container. At least one of temperature, humidity, atmospheric pressure and CO2 concentration can be adjusted. Instead of supplying and exhausting CO2, a heat sheet or the like may be provided inside the sealed container to electrically adjust the temperature in the container.

ここで、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置に適用して好適な各部構成を系統的に図16に示す。図16に示すように、対物レンズ60には、「Oil,40倍,NA1.4,f5mm」の仕様である対物レンズ601を中心に、「20倍,NA0.8,f10mm」の仕様である対物レンズ602と、標本1の全体を観察できる「5倍,NA0.15,f40mm」の仕様である対物レンズ603を用いるとよい。これらの対物レンズ601〜603には、一般に市販されている瞳位置が互いにほぼ等しい顕微鏡用対物レンズを使用することができる。また、観察視野を大きくとれる「Oil,20倍,NA1.4,f10mm」の仕様である対物レンズ60を使用してもよい。ただし、この場合、対物レンズ60の射出瞳径が28mmに拡大し、対物レンズ60とともに結像用レンズ70やこれらのレンズ間に配置する光学素子の径が拡大し、一般の顕微鏡で使用される光学ユニット、光学素子等は使用できなくなる。なお、対物レンズ6に開口径が可変の可変開口絞りを備え、結像用レンズ70の開口数NAiを微調整できるようにするとよい。   Here, FIG. 16 systematically shows the configuration of each part suitable for application to the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment. As shown in FIG. 16, the objective lens 60 has a specification of “20 times, NA 0.8, f10 mm” centering on the objective lens 601 which is a specification of “Oil, 40 times, NA 1.4, f5 mm”. It is preferable to use the objective lens 602 and the objective lens 603 having a specification of “5 times, NA 0.15, f40 mm” that can observe the entire specimen 1. As these objective lenses 601 to 603, microscope objective lenses that are generally commercially available and whose pupil positions are substantially equal to each other can be used. In addition, an objective lens 60 having a specification of “Oil, 20 ×, NA 1.4, f10 mm” that allows a large observation field of view may be used. However, in this case, the exit pupil diameter of the objective lens 60 is enlarged to 28 mm, and the diameter of the imaging lens 70 and the optical element disposed between these lenses is enlarged together with the objective lens 60, and is used in a general microscope. Optical units, optical elements, etc. cannot be used. The objective lens 6 may be provided with a variable aperture stop with a variable aperture so that the numerical aperture NAi of the imaging lens 70 can be finely adjusted.

結像用レンズ70には、図16に示すように、「NA0.3,f25mm(40倍対物レンズ使用時の総合倍率5倍、実視野0.75mm、視野数3.75)」の仕様である結像レンズ701、「NA0.2,f35mm(40倍対物レンズ使用時の総合倍率7倍、実視野0.75mm、視野数5.25)」の仕様である結像レンズ702、「NA0.1,f70mm(40倍対物レンズ使用時の総合倍率14倍、実視野0.75mm、視野数10.3)」の仕様である結像用レンズ703、「NA0.15,f50mm(40倍対物レンズ使用時の総合倍率10倍)」の仕様である結像用レンズ704等を用いるとよい。また、明視野観察用に「NA0.03,f100mm(5倍対物レンズ使用時の総合倍率2.5倍、実視野6mm、視野数15)」の仕様である結像レンズ705を使用するとよい。なお、CCD3に2/3インチ型CCDを用いて画像を撮像すると、結像レンズ7が視野数10.3では画像の4隅にわずかなケラレが発生し、視野数が10.3より小さいと画像が丸くなり、視野数が10.3より大きいとケラレのない画像が撮像できる。また、「Oil,20倍,NA1.4,f10mm」の仕様である対物レンズ6を使用した場合、結像レンズ7として「NA0.2,f70mm」の仕様のレンズを使用すると、「総合倍率7倍、実視野1.5mm、視野数15」となる。   As shown in FIG. 16, the imaging lens 70 has a specification of “NA 0.3, f25 mm (total magnification 5 times when using a 40 × objective lens, real field of view 0.75 mm, number of fields 3.75)”. An imaging lens 701 having specifications of “NA 0.2, f35 mm (total magnification 7 times when using 40 × objective lens, real field of view 0.75 mm, field number 5.25)”, “NA 0. 1, f70 mm (image magnification 703 when using 40 × objective lens, real field of view 0.75 mm, number of fields 10.3) ”imaging lens 703,“ NA 0.15, f50 mm (40 × objective lens) It is preferable to use an imaging lens 704 or the like having a specification of “total magnification 10 times when used)”. For bright field observation, an imaging lens 705 having a specification of “NA 0.03, f100 mm (total magnification 2.5 times when using a 5 × objective lens, real field of view 6 mm, number of fields 15)” may be used. When an image is picked up using a 2/3 inch CCD as the CCD 3, if the imaging lens 7 has a field number of 10.3, slight vignetting occurs at the four corners of the image, and the field number is less than 10.3. If the image becomes round and the number of fields of view is greater than 10.3, an image without vignetting can be captured. Further, when the objective lens 6 having the specification of “Oil, 20 ×, NA 1.4, f10 mm” is used, if the lens having the specification of “NA 0.2, f70 mm” is used as the imaging lens 7, “total magnification 7 Double, 1.5 mm real field of view, 15 "field of view.

対物レンズ60と結像用レンズ70との間に配置する中間鏡筒には、図9に示した蛍光キューブ24等を備える落射蛍光装置、図10に示したフィルターユニット31、図12に示した分光キューブ36等を備える分光ユニット、および図13に示したミラー38等を備えるミラー切換明視野撮像ユニットをそれぞれ用いるとよい。   The intermediate lens barrel disposed between the objective lens 60 and the imaging lens 70 includes an epi-fluorescent device including the fluorescent cube 24 shown in FIG. 9, the filter unit 31 shown in FIG. 10, and FIG. 12. A spectroscopic unit including the spectroscopic cube 36 and the like, and a mirror switching bright field imaging unit including the mirror 38 and the like illustrated in FIG.

標本1の像を撮像するカメラには、微弱光である標本1の自己発光による像を撮像するカメラとして、高感度のクールドモノクロCCDカメラであるカメラC1,C3を用い、標本1の明視野像を撮像するカメラとして、3板式のカラーCCDカメラであるカメラC2または高精細なモノクロCCDカメラであるカメラC4を用いるとよい。なお、カメラC1,C3の画素の大きさは、6〜9μm角程度として、結像レンズ7によって形成されるエアリーディスクの大きさに合わせて選択するとよい。   The camera that captures the image of the specimen 1 uses the cameras C1 and C3, which are high-sensitivity cooled monochrome CCD cameras, as the camera that captures the self-luminous image of the specimen 1 that is weak light. A camera C2 that is a three-plate color CCD camera or a camera C4 that is a high-definition monochrome CCD camera may be used. The size of the pixels of the cameras C1 and C3 is preferably set to about 6 to 9 μm square according to the size of the Airy disk formed by the imaging lens 7.

標本1を照明する照明手段には、白色光源等から照明光を導光する照明ファイバー15の他に、図16に示すように、白色LEDと単レンズとを組み合わせてクリティカル照明を実現する照明装置や、コンデンサーレンズを用いたケーラー照明装置である顕微鏡用UCDなどを用いてもよい。また、微分干渉観察や位相差観察を行う照明装置を備えてもよい。ただし、この場合、専用のリングストップ、プリズム、対物レンズ等を備える必要がある。   As the illumination means for illuminating the specimen 1, in addition to the illumination fiber 15 that guides illumination light from a white light source or the like, as shown in FIG. 16, an illumination device that realizes critical illumination by combining a white LED and a single lens. Alternatively, a microscope UCD that is a Koehler illumination device using a condenser lens may be used. Moreover, you may provide the illuminating device which performs differential interference observation and phase difference observation. However, in this case, it is necessary to provide a dedicated ring stop, prism, objective lens, and the like.

なお、この第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットおよび微弱光標本撮像装置は、ここまで倒立型として説明してきたが、正立型としてもよい。正立型にする場合の利点は、試料容器への接地を良好にするためのメンブレンを用いた組織切片の観察において、メンブレンが邪魔にならない上方からの観察を行い易くする点に有る。組織切片においては、好適には1層に近い薄さにスライスされた細胞層を有する生体組織を用いて、長期間培養しながら発光画像を長期間かつ連続的に撮像できることは極めて重要な技術といえる。このような組織切片の例として、小脳、視交叉上核のような中枢系組織や膵臓、臓器腫瘍といった各種器官系組織が挙げられる。線虫のような光透過性を有する小動物ないし昆虫類であれば、スライスせずに観察することも可能となる。本発明は、広視野を有する光学系をも提供するので、かかる運動能力を維持した生体試料を無毒な発光画像によって長期間観察できる利点は大きい。 In addition, although the weak light sample imaging unit and the weak light sample imaging device according to the second embodiment have been described as the inverted type so far, they may be the upright type. The advantage of the upright type is that it makes it easy to perform observation from above without disturbing the membrane in the observation of the tissue section using the membrane for improving the grounding to the sample container. For tissue sections, it is extremely important to be able to capture luminescent images for a long period of time while culturing for a long period of time, preferably using a living tissue having a cell layer sliced to a thickness close to one layer. I can say that. Examples of such tissue sections include central system tissues such as the cerebellum and suprachiasmatic nucleus, and various organ system tissues such as pancreas and organ tumors. Small animals or insects having light transmissivity such as nematodes can be observed without slicing. Since the present invention also provides an optical system having a wide field of view, there is a great advantage that a biological sample maintaining such exercise ability can be observed for a long period of time with a non-toxic luminescent image.

また、上述した実施の形態1および第2の実施形態にかかる微弱光標本撮像ユニットでは、撮像手段としてCCDを用いるようにしたが、これに限定されず、CMOS等の撮像素子であって、0℃程度の冷却CCDと同等の撮像感度を有する撮像素子であってもよい。   In the weak light sample imaging unit according to the first and second embodiments described above, the CCD is used as the imaging unit. It may be an image sensor having an imaging sensitivity equivalent to that of a cooled CCD at about ° C.

本実施例1では、ルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光を画像で観察することができるような対物レンズの(NA/β)の2乗の条件を検討した。   In Example 1, the condition of the square of the objective lens (NA / β) was examined so that the luminescence of the HeLa cell into which the luciferase gene was introduced could be observed with an image.

本実施例1における撮像対象(上述した実施の形態におけるサンプル1)は、ホタルルシフェラーゼ遺伝子“pGL3 control vector”(プロメガ社(会社名))をトランスフェクションしたHeLa細胞である。なお、当該HeLa細胞の発光画像観察にあたり、HeLa細胞を、トランスフェクション後1日培養してハンクス平衡塩類溶液で洗浄した後、1mMのルシフェリンを含むハンクス平衡塩類溶液に置換した。本実施例1で用いた対物レンズ(上述した実施の形態における対物レンズ2)の開口数(NA)および投影倍率(β)の条件は図17に示す通りである。図17は、実施例1で用いる対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)の条件を示した図である。図17に示すように、対物レンズのNAは0.074から0.4の値であり、対物レンズのβは0.27から1.5の値である。本実施例1で用いたCCDカメラ(上述した実施の形態におけるCCDカメラ4)は0℃の冷却CCDカメラであり、当該CCDカメラの画素数は765×510、画素サイズは9μm×9μm、チップの面積は6.89×4.59(mm2)、量子効率は550nmで55%の仕様である。なお、本実施例1において、HeLa細胞の撮像は、用いる装置(例えば図1参照)全体を暗幕で覆った状態で行われた。   The imaging target (Sample 1 in the above-described embodiment) in Example 1 is a HeLa cell transfected with a firefly luciferase gene “pGL3 control vector” (Promega (company name)). In observing the luminescence image of the HeLa cells, the HeLa cells were cultured for 1 day after transfection, washed with Hanks balanced salt solution, and then replaced with Hank's balanced salt solution containing 1 mM luciferin. The conditions of the numerical aperture (NA) and projection magnification (β) of the objective lens (objective lens 2 in the above-described embodiment) used in Example 1 are as shown in FIG. FIG. 17 is a diagram showing conditions for the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) of the objective lens used in Example 1. As shown in FIG. 17, the NA of the objective lens is a value from 0.074 to 0.4, and β of the objective lens is a value from 0.27 to 1.5. The CCD camera used in Example 1 (CCD camera 4 in the above-described embodiment) is a cooled CCD camera at 0 ° C. The number of pixels of the CCD camera is 765 × 510, the pixel size is 9 μm × 9 μm, and the chip The area is 6.89 × 4.59 (mm 2), and the quantum efficiency is 550 nm and 55%. In Example 1, the imaging of HeLa cells was performed in a state where the entire device to be used (see, for example, FIG. 1) was covered with a dark screen.

本実施例1では、図17に示すように、検討した全ての(NA/β)の2乗の条件で発光画像観察が可能であることが示された。これにより、(NA/β)の2乗が0.071以上の対物レンズを用いれば、ルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光画像観察が可能であることが示された。   In Example 1, as shown in FIG. 17, it was shown that the emission image can be observed under the condition of all the (NA / β) squares studied. As a result, it was shown that when an objective lens having a square of (NA / β) of 0.071 or more is used, it is possible to observe a luminescence image of a HeLa cell into which a luciferase gene is introduced.

本実施例2では、ルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光を画像で観察することができるような対物レンズの(NA/β)の2乗の条件を、異なる露出時間で検討した。   In this Example 2, the condition of the square of the objective lens (NA / β) so that the light emission of the HeLa cell into which the luciferase gene was introduced can be observed with an image was examined with different exposure times.

本実施例2における撮像対象は上述した実施例1と同じである。また、本実施例2で用いた対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)の条件は、図18に示す通りである。図18は、実施例2で用いる対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)の条件を示した図である。なお、本実施例2で用いた対物レンズは、上述した実施例1における図17に記載の“0.4X”、“0.83X”および“1.5X”に対応するものである。また、本実施例2で用いたCCDカメラは上述した実施例1と同じである。そして、露出時間は、図18に示すように、1分間または5分間である。なお、上述した実施例1と同様、本実施例2においても、HeLa細胞の発光画像撮像は、用いる装置全体を暗幕で覆った状態で行われた。   The imaging target in the second embodiment is the same as that in the first embodiment described above. The conditions of the numerical aperture (NA) and projection magnification (β) of the objective lens used in Example 2 are as shown in FIG. FIG. 18 is a diagram showing conditions for the numerical aperture (NA) and the projection magnification (β) of the objective lens used in Example 2. Note that the objective lens used in Example 2 corresponds to “0.4X”, “0.83X”, and “1.5X” described in FIG. 17 in Example 1 described above. The CCD camera used in the second embodiment is the same as that in the first embodiment. The exposure time is 1 minute or 5 minutes as shown in FIG. Note that, as in Example 1 described above, in Example 2 as well, HeLa cell luminescence image capturing was performed with the entire apparatus to be used covered with a black curtain.

本実施例2では、図19に示すように、“0.4X”の対物レンズを用いて5分間の露出時間で撮った画像A、“0.83X”の対物レンズを用いて5分間の露出時間で撮った画像B、“1.5X”の対物レンズを用いて5分間の露出時間で撮った画像Cおよび“1.5X”の対物レンズを用いて1分間の露出時間で撮った画像Dの全ての画像において、発光画像観察が可能である。これにより、(NA/β)の2乗が0.071以上の対物レンズを用いる場合、露出時間が1分間でも、ルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光画像観察が可能であることが示された。   In Example 2, as shown in FIG. 19, an image A taken with an exposure time of 5 minutes using an objective lens of “0.4X” and an exposure of 5 minutes using an objective lens of “0.83X”. Image B taken with time, Image C taken with an exposure time of 5 minutes using an objective lens of "1.5X" and Image D taken with an exposure time of 1 minute using an objective lens of "1.5X" It is possible to observe the emission image in all the images. As a result, it was shown that when an objective lens having a square of (NA / β) of 0.071 or more is used, it is possible to observe a luminescence image of a HeLa cell introduced with a luciferase gene even with an exposure time of 1 minute. .

本実施例3では、ルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光を画像で観察することができるような対物レンズの(NA/β)の2乗の条件を、投影倍率(β)を固定して検討した。   In this Example 3, the condition of the square of the objective lens (NA / β) that allows the image of the luminescence of the HeLa cell introduced with the luciferase gene to be observed with a fixed projection magnification (β) was examined. did.

本実施例3における撮像対象は上述した実施例1または実施例2と同じである。また、本実施例3で用いた物レンズの開口数(NA)の条件は、図20に示す通りである。図20は、実施例3で用いる対物レンズの開口数(NA)の条件を示した図である。図20に示すように、開口数(NA)の値は0.248から0.055である。なお、図20に示す対物レンズ(A〜F)の投影倍率(β)の値は、すべて0.83である。よって、対物レンズの(NA/β)の2乗の値は、0.089から0.004まで変動する。また、本実施例3で用いたCCDカメラは上述した実施例1または実施例2と同じである。そして、露出時間は1分間である。なお、上述した実施例1および実施例2と同様、本実施例3においても、HeLa細胞の撮像は、用いる装置全体を暗幕で覆った状態で行われた。   The imaging target in the third embodiment is the same as that in the first or second embodiment described above. Further, the condition of the numerical aperture (NA) of the object lens used in Example 3 is as shown in FIG. FIG. 20 is a diagram showing conditions for the numerical aperture (NA) of the objective lens used in Example 3. As shown in FIG. 20, the numerical aperture (NA) is 0.248 to 0.055. Note that the values of the projection magnification (β) of the objective lenses (A to F) shown in FIG. 20 are all 0.83. Therefore, the square value of (NA / β) of the objective lens varies from 0.089 to 0.004. The CCD camera used in the third embodiment is the same as that in the first or second embodiment. The exposure time is 1 minute. Note that, similarly to Example 1 and Example 2 described above, in this Example 3 as well, the imaging of HeLa cells was performed with the entire apparatus to be used covered with a dark screen.

本実施例3では、図21に示すように、NAが0.248の対物レンズ(図20の対物レンズA)で撮った画像A、NAが0.207の対物レンズ(図20の対物レンズB)で撮った画像BおよびNAが0.164の対物レンズ(図20の対物レンズC)で撮った画像Cについては、容易にHeLa細胞の発光を確認することができた。一方、NAが0.121の対物レンズ(図20の対物レンズD)で撮った画像D、NAが0.083の対物レンズ(図20の対物レンズE)で撮った画像EおよびNAが0.055の対物レンズ(図20の対物レンズF)で撮った画像Fについては、発光の確認が困難であった。図21から分かるように、投影倍率(β)の値が0.83の対物レンズを用い、露出時間が1分間である場合、(NA/β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上であればルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光画像観察が可能であることが示された。   In Example 3, as shown in FIG. 21, an image A taken with an objective lens having NA of 0.248 (objective lens A in FIG. 20), an objective lens having NA of 0.207 (objective lens B in FIG. 20). ) And the image C taken with an objective lens having an NA of 0.164 (objective lens C in FIG. 20), the emission of HeLa cells could be easily confirmed. On the other hand, an image D taken with an objective lens having an NA of 0.121 (objective lens D in FIG. 20), an image E taken with an objective lens having an NA of 0.083 (objective lens E in FIG. 20), and NA of 0. Regarding the image F taken with the 055 objective lens (objective lens F in FIG. 20), it was difficult to confirm the light emission. As can be seen from FIG. 21, when an objective lens having a projection magnification (β) value of 0.83 is used and the exposure time is 1 minute, the square value of (NA / β) is preferably 0.01 or more. Was 0.039 or more, it was shown that luminescence image observation of HeLa cells into which the luciferase gene was introduced was possible.

ここで、実施例3で用いる対物レンズの(NA/β)の2乗の値と図21に示す画像Aの丸で囲んだ領域の平均発光強度との関係を示す図22から、HeLa細胞の発光画像観察ができるような対物レンズの(NA/β)の2乗の条件を検討した。図22は、実施例3で用いる対物レンズの(NA/β)の2乗の値と図21に示す画像Aの丸で囲んだ領域の平均発光強度との関係を示した図である。ここで、図22において、相対発光強度とは、測定した発光強度の最大値を1として他の測定した発光強度を規格化したものである。測定した発光強度の数値範囲(約0.6から1.0の相対発光強度の数値範囲)における半値を、HeLa細胞の発光を観察することができるような対物レンズの(NA/β)の2乗の条件(下限値)とすると、本実施例3において当該半値を与える(NA/β)の2乗の値は0.05であった。これにより、投影倍率(β)の値が0.83の対物レンズを用い、露出時間が1分間である場合、(NA/β)の2乗の値が0.01以上、好ましくは0.039以上であればルシフェラーゼ遺伝子を導入したHeLa細胞の発光画像観察することが可能であることが示された。   Here, from FIG. 22 which shows the relationship between the square value of (NA / β) of the objective lens used in Example 3 and the average emission intensity of the circled region of the image A shown in FIG. The condition of the square of (NA / β) of the objective lens that enables observation of the luminescent image was examined. FIG. 22 is a diagram showing the relationship between the square value of (NA / β) of the objective lens used in Example 3 and the average light emission intensity in the circled region of the image A shown in FIG. Here, in FIG. 22, the relative emission intensity is a standardization of other measured emission intensities, with the maximum value of the measured emission intensity being 1. The half value in the numerical range of the measured luminescence intensity (the numerical range of the relative luminescence intensity of about 0.6 to 1.0) is 2 (NA / β) of the objective lens that can observe the luminescence of the HeLa cell. Assuming the power condition (lower limit), the square value of (NA / β) giving the half value in Example 3 was 0.05. Thus, when an objective lens having a projection magnification (β) value of 0.83 is used and the exposure time is 1 minute, the square value of (NA / β) is 0.01 or more, preferably 0.039. As described above, it was shown that it is possible to observe a luminescence image of a HeLa cell introduced with a luciferase gene.

産業上の利用可能性について
以上のように、本発明にかかる発光試料撮像方法、発光細胞撮像方法および対物レンズは、例えば、ルシフェラーゼなどの発光遺伝子をレポーター遺伝子とし、遺伝子発現を制御するプロモーターやエンハンサーの解析や、転写因子などのエフェクター遺伝子や様々な薬剤の効果などを調べるレポーターアッセイにおいて、好適に用いることができる。
Industrial Applicability As described above, the luminescent sample imaging method, the luminescent cell imaging method and the objective lens according to the present invention use, for example, a luminescent gene such as luciferase as a reporter gene and a promoter or enhancer that controls gene expression. And reporter assays for examining the effects of effectors such as transcription factors and various drugs.

次に、本発明の主旨に基づいて適用可能な範囲を述べる。
画像分析用の細胞および試料の例
本発明のシステムおよび方法は、基板の種類に応じて各種多様なかたちで提供される各種の任意の細胞を画像化するよう容易に適合させることができる。例えば、細胞は、細菌、原生動物、菌類の原核細胞、または真核細胞とすることができ、かつ、鳥類、爬虫類、両生類、植物、または哺乳類(例えば、霊長類(例えば、ヒト)、齧歯類(例えば、マウス、ラット)、ウサギ、有蹄類(例えば、ウシ、ヒツジ、ブタ等)など)に由来する細胞とすることもできる。細胞は、一次細胞、正常および癌化した株化細胞、遺伝子改変細胞、ならびに培養細胞とすることができる。これらの細胞には、自発的に誘導された各種の株化細胞、または個々の株化細胞から所望の生育特性または応答特性について選択された各種の株化細胞が含まれ、腫瘍の種類としては類似しているものの異なった患者または部位から誘導した複数の株化細胞が含まれている。細胞の培養は、通常、保湿した92〜95%の空気/5〜8%のCO2の雰囲気を含むインキュベーター中例えば37℃において、滅菌環境にて行う。細胞の培養は、成分未特定のウシ胎児血清のような生物学的流体を含有する栄養混合物中で行うことも、成分がすべて既知の無血清培地中で行うこともできる。
Next, the applicable range based on the gist of the present invention will be described.
Examples of Cells and Samples for Image Analysis The systems and methods of the present invention can be readily adapted to image any of a variety of cells provided in a variety of different ways depending on the type of substrate. For example, the cell can be a bacterial, protozoan, fungal prokaryotic cell, or eukaryotic cell, and is a bird, reptile, amphibian, plant, or mammal (e.g., primate (e.g., human), rodent It can also be a cell derived from a species (eg, mouse, rat), rabbit, ungulate (eg, cow, sheep, pig, etc.). The cells can be primary cells, normal and cancerous cell lines, genetically modified cells, and cultured cells. These cells include various cell lines that are induced spontaneously, or various cell lines that have been selected from the individual cell lines for the desired growth or response characteristics. Multiple cell lines derived from similar but different patients or sites are included. The cells are usually cultured in a sterilized environment at, for example, 37 ° C. in an incubator containing a moisturized atmosphere of 92 to 95% air / 5 to 8% CO 2 . Culturing of the cells can be performed in a nutrient mixture containing a biological fluid such as fetal bovine serum with unspecified components or in a serum-free medium in which all components are known.

特に関心対象のものは、神経細胞および神経前駆細胞の画像化である。画像化を行う細胞は、遺伝的に改変した細胞(例えば、組換え細胞)とすることもできる。特に関心対象のものは、生細胞の画像化であるが、本発明は、態様によっては、細胞膜浸透化または固定細胞の画像化も意図する。細胞は、通常細胞の維持および/または生育を目的とした培養液を含む試料中で画像化される。   Of particular interest is the imaging of neural cells and neural progenitor cells. The cell to be imaged can be a genetically modified cell (eg, a recombinant cell). Of particular interest is live cell imaging, although the present invention also contemplates cell membrane permeabilization or fixed cell imaging in some embodiments. The cells are usually imaged in a sample containing a culture medium intended for cell maintenance and / or growth.

本発明の多くの態様、特に、同一の細胞視野、および/または細胞視野中の同じ個別の細胞に戻る工程を含む態様において、細胞は基板表面に十分固定化され、例えば、基板または(例えば、細胞に対して付着性の物質でコーティングすることによって)処理した基板に付着させ、基板の操作を行っても細胞が基板に対して相対的に移動することのないようにしておく。例えば、細胞は、基板、例えば、(例えばウェル中の)組織培養用プラスチックに直接付着させ、細胞の位置が基板に対して相対的に固定されて基板に対する細胞の位置が移動することなく基板の操作を行えるようにしておく。こうすると、同一の細胞視野に正確に戻ることも、細胞視野中の同じ個別の細胞に正確に戻ることも可能となる。   In many embodiments of the invention, particularly those embodiments that include returning to the same cell field and / or the same individual cells in the cell field, the cells are well immobilized on the substrate surface, e.g., the substrate or (e.g., ( It is attached to the treated substrate (by coating with a substance that adheres to the cells) so that the cells do not move relative to the substrate when the substrate is manipulated. For example, cells are directly attached to a substrate, eg, tissue culture plastic (eg, in a well), and the cell position is fixed relative to the substrate so that the cell position relative to the substrate does not move. Be ready to operate. In this way, it is possible to return accurately to the same cell field, or return to the same individual cell in the cell field.

本発明は一般に単一細胞レベルの画像化を意図しており、特に生きた細胞の画像化を意図する。細胞は基板表面に孤立した単一細胞として分散していてもよく、(例えば、単層の場合のように)他の細胞と接触していてもよく、または(例えば、組織切片の場合のように)薄層を形成していてもよい。画像化を行う細胞は、均質な細胞集団であっても、異質な細胞集団(例えば、混合細胞培養物)であってもよい。このように、本発明は、単一細胞の画像化、および細胞集団の画像化を可能とするものであり、この細胞集団は、場合によっては複数の異なった細胞を含んでいてもよい。   The present invention is generally intended for single cell level imaging, and in particular for live cell imaging. The cells may be dispersed as isolated single cells on the substrate surface, may be in contact with other cells (e.g., as in a monolayer), or (e.g., as in a tissue section). In addition, a thin layer may be formed. The cells to be imaged may be a homogeneous cell population or a heterogeneous cell population (eg, a mixed cell culture). Thus, the present invention allows for single cell imaging and cell population imaging, which may optionally include a plurality of different cells.

細胞の画像化は、検出可能なマーカー、例えば蛍光ラベルを利用して行っても、それらを利用せずに行ってもよい。こうした検出可能なマーカーや検出可能なマーカーを細胞と共に利用する方法は当技術分野で周知である。検出可能なマーカーとしては、フルオロフォア(または蛍光)(本明細書では、例としてあげるものであって、これらに限定されるものではない)、化学発光体、また他の適当な検出可能標識、例えば、FRET(蛍光共鳴エネルギー転移)およびBRET(生物発光共鳴エネルギー転移)検出系で使用する標識が挙げられる。   Cell imaging may be performed with or without a detectable marker, such as a fluorescent label. Such detectable markers and methods of utilizing detectable markers with cells are well known in the art. Detectable markers include fluorophores (or fluorescence) (herein by way of example and not limitation), chemiluminescent bodies, and other suitable detectable labels, Examples include labels used in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer) and BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) detection systems.

本発明のシステムおよび方法は、細胞集団および個々の細胞の画像化、特に、細胞の生存度(例えば、細胞の生存率や細胞の健康)、細胞の生理学的性質(シナプスの生理学的性質)、シグナル伝達、オルガネラの位置および機能、タンパク質の位置および機能(相互作用およびターンオーバーを含む)、酵素活性、レセプターの発現および位置、細胞表面の変化、細胞構造、分化、細胞分裂などを観察するための経時的な画像化を可能とする。例えば、一つの態様において、本発明のシステムおよび方法を、タンパク質の発現(例えば、ハンティントン舞踏病におけるハンティンギン(huntingin)の役割)および、タンパク質のレベル変化もしくは凝集が細胞死を引き起こしているのか、またはそれらは細胞死の症状(例えば、細胞による、細胞死を防止するための試みであって、細胞死自体の原因で
はない)なのかを判断する際に使用する。特に関心対象のものは、培養中における神経細胞の神経変性についての研究である。
The systems and methods of the present invention can be used to image cell populations and individual cells, particularly cell viability (e.g., cell viability and cell health), cell physiological properties (synaptic physiological properties), To observe signal transduction, organelle location and function, protein location and function (including interactions and turnover), enzyme activity, receptor expression and location, cell surface changes, cell structure, differentiation, cell division, etc. It is possible to perform imaging over time. For example, in one embodiment, the systems and methods of the present invention may be used to determine whether protein expression (e.g., the role of huntingin in Huntington's disease) and protein level changes or aggregation cause cell death. Or they are used to determine if they are symptoms of cell death (eg, an attempt by a cell to prevent cell death, not the cause of cell death itself). Of particular interest is the study of neuronal degeneration of neurons in culture.

本発明のシステムおよび方法は、単一細胞または細胞の集団をリアルタイムで所望の時間例えば、比較的に短い時間をおいて画像化することを可能とする。例えば、24ウェルの基板で、各ウェルが、CCDによって撮影する互いに接する光学視野を13個含む場合、このウェルは、約10分で画像化することができる。別の事例においては、細胞の画像化に要する時間は、カバーする全面積、CCDの解像度、および焦点合わせのルーチンとして何を選ぶかに応じて決まる。いすれの場合でも、本発明でのデータ取得は、秒単位(例えば、本実施例では平均で1視野あたりわずか約1〜3秒)ですみ、焦点を合わせおよび次の位置までの移動にかかる時間を考慮すると、実際の画像化に要する時間はより少なくなる。焦点合わせの工程を完了するのに最大約10〜15秒を要するのに対し、視野の像を取り込むのに要する時間は、約50ms〜1秒であり、視野間の移動に要する時間は無視することができる。したがって、さらに別の視野の画像化を行っても、消費時間の観点からは、焦点を合わせ直さない限りは実質的に問題になることはない。   The systems and methods of the present invention allow single cells or populations of cells to be imaged in real time at a desired time, such as a relatively short time. For example, if a 24-well substrate contains 13 optical fields in contact with each other imaged by a CCD, the wells can be imaged in about 10 minutes. In another case, the time required for cell imaging depends on the total area covered, the resolution of the CCD, and what is chosen as the focusing routine. In either case, data acquisition with the present invention is in units of seconds (e.g., only about 1 to 3 seconds per field on average in this example), focusing and moving to the next position Considering the time, the actual imaging takes less time. While it takes up to about 10-15 seconds to complete the focusing process, the time taken to capture the image of the field of view is about 50 ms to 1 second, neglecting the time required to move between fields of view. be able to. Therefore, even if another field of view is imaged, from the viewpoint of consumption time, there is substantially no problem unless refocusing is performed.

細胞の画像化、例えば隣接したウェルに位置する細胞の画像化を迅速に行うことができ、さらに、比較的短い時間をおいて(同じ個別の細胞を含む同一の細胞視野に戻ることによって)再度画像化を行うことができるので、従来の方法では各画像の取得に要する時間の長さなどの事由ゆえに到底行いえなかったような観察を行うことが可能となった。本発明では、細胞現象、例えば、細胞の機能、細胞の生存、集団中の個々の細胞の運命を、上述したように比較的短い時間をおいて追跡することもできる。こうしたことは、特定の時点で撮影された画像しか得られず、進行する現象(例えば、変性)について得られる情報の量に制限があり、ひたすら時間が必要とされた従来の免疫細胞化学研究とは対照的である(例えば、神経変性についての研究で300,000個の細胞を分析するには通常約6週間を要していたが、本発明を用いるとこの同じ分析を半分にもはるかに満たない時間で完了させることができる)。本発明の諸側面を用いると、免疫細胞化学的な分析や顕微鏡を用いた分析を手動で行う場合に通常丸6日かかるような作業を、顕微鏡およびコンピュータの処理時間で1時間で終えることができる。   Rapid imaging of cells, eg cells located in adjacent wells, can be performed again in a relatively short time (by returning to the same cell field containing the same individual cells) Since imaging can be performed, it has become possible to perform observations that could not be performed by the conventional method due to reasons such as the length of time required to acquire each image. In the present invention, cellular phenomena such as cell function, cell survival, and fate of individual cells in a population can also be traced over a relatively short period of time as described above. This is a result of traditional immunocytochemistry studies where only images taken at a specific time are available, and the amount of information obtained about a progressive phenomenon (e.g., denaturation) is limited, requiring time. (E.g., a study on neurodegeneration typically required about 6 weeks to analyze 300,000 cells, but using the present invention, this same analysis is much less than half) Can be completed in time). Using aspects of the present invention, when an immunocytochemical analysis or an analysis using a microscope is performed manually, an operation that normally takes 6 days can be completed in 1 hour in the processing time of a microscope and a computer. it can.

また、本発明のシステムおよび方法では、基板をシステムから取り出し、その後再度システムに載置して、同じ細胞集団、および細胞集団中の個々の細胞を正確に特定できるので、単一細胞および選択された細胞集団の長期(例えば、数時間〜数日から数週間またはそれ以上といった期間)にわたる分析も可能となっている。   Also, in the system and method of the present invention, a single cell and a selected cell can be selected because the substrate can be removed from the system and then placed back on the system to accurately identify the same cell population and individual cells in the cell population. Analysis over long periods of cell populations (eg, periods of hours to days to weeks or more) is also possible.

本発明のシステムおよび方法では、複数の生物学的変数(例えば、細胞機能のパラメータまたは変数)を、ほぼ、またはまったく同時に、(定性的または定量的に)測定することもできる。例えば、細胞を、位相差および蛍光の両方を用いて画像化することにより、細胞の形態や分子の諸現象の変化についての情報を得ることができる。別の態様において、細胞は、複数の検出可能なマーカー(例えば複数の蛍光マーカー)を使用して画像化することができる。   In the systems and methods of the present invention, a plurality of biological variables (eg, parameters or variables of cell function) can also be measured (qualitatively or quantitatively) at about or exactly the same time. For example, information about changes in cell morphology and molecular phenomena can be obtained by imaging cells using both phase difference and fluorescence. In another embodiment, the cells can be imaged using multiple detectable markers (eg, multiple fluorescent markers).

本発明のシステムおよび方法は、同じ細胞または細胞集団の画像を順次得ることにより従来のシステムに付随していたユーザーごとの偏りや変異を防止する。また、本発明は光や激しい操作に対して感受性を有する細胞を画像化する際に使用することができ、具体的には画像を得るに際の光源への暴露が比較的少なくてすみ、細胞を載置した基板を比較的細かく動かすだけでよい。   The system and method of the present invention prevents per-user bias and variation associated with conventional systems by sequentially acquiring images of the same cell or cell population. In addition, the present invention can be used for imaging cells that are sensitive to light and intense manipulation. Specifically, the exposure to a light source for obtaining an image is relatively small, and the cells It is only necessary to move the substrate on which is placed relatively finely.

キット
本発明では、本発明で使用するためのキットも提供する。こうしたキットは、上述の機能を実現、あるいは実施するための指示書とプログラムを含む、コンピュータによる読み取りが可能な媒体を少なくとも含むことが好ましい。指示書は、普通の顕微鏡または細胞スキャナーをプログラミングして上述のように機能させるためのソフトウェアのインストールまたはセットアップの指示を含むものとすることができる。指示書は、顕微鏡を所望の通りに作動させるための指示も含むものとすることができる。指示書は、両方のタイプの情報を含むものとすることが好ましい。
Kits The present invention also provides kits for use in the present invention. Such a kit preferably includes at least a computer-readable medium including instructions and a program for realizing or implementing the above-described functions. The instructions may include instructions for installing or setting up software to program a normal microscope or cell scanner to function as described above. The instructions may also include instructions for operating the microscope as desired. The instructions preferably include both types of information.

ソフトウェアおよび指示書をキットとして提供することにはいくつかの意味がある。この組み合わせは、既存の顕微鏡をアップグレードする手段としてパッケージングし、販売することができる。完全なプログラムまたはその一部(好ましくは、少なくとも本発明の方法を定義するコードを単独またはすでに入手可能なコードと組み合わせて含むもの)を、アップグレード・パッチとして提供することができる。また、この組み合わせはソフトウェアが顕微鏡に予め搭載された新規な顕微鏡に付随するかたちで提供することもでき、この場合、指示書は参照用マニュアル(またはその一部)の役目を果たし、かつ予め搭載してあるユーティリティのバックアップ・コピーであるコンピュータによる読み取りが可能な媒体の役目も果たす。   Providing software and instructions as a kit has several implications. This combination can be packaged and sold as a means to upgrade an existing microscope. A complete program or part thereof (preferably including at least the code defining the method of the present invention alone or in combination with code already available) can be provided as an upgrade patch. This combination can also be provided in the form that the software accompanies a new microscope pre-installed in the microscope, in which case the instructions serve as a reference manual (or part thereof) and are pre-installed It also serves as a computer-readable medium that is a backup copy of a utility.

指示書は、通常適当な記録媒体に記録しておく。例えば、指示書は紙またはプラスチックなどのような基材に印刷することができる。この場合、指示書はキットの添付文書として提供することも、キットの容器またはその部品のラベルとして(すなわち、梱包材また内部梱包材に付随させて)提供することもできる。別の態様において、指示書は、プログラムが搭載されているのと同一の媒体も含め、CD-ROM、ディスケットなどのコンピュータによる読み取りが可能な適当な記憶媒体上の電子記憶データファイルとして提供する。   The instructions are usually recorded on a suitable recording medium. For example, the instructions can be printed on a substrate such as paper or plastic. In this case, the instructions can be provided as an attachment to the kit or as a label on the kit container or part thereof (ie, associated with the packaging or internal packaging). In another embodiment, the instruction is provided as an electronic storage data file on a suitable storage medium that can be read by a computer such as a CD-ROM or a diskette, including the same medium on which the program is mounted.

さらに別の態様において、指示書自体はキットには含ませず、遠隔ソースからインターネットなどを通じて指示書を入手する手段をキットに同梱しておく。この態様の例としては、指示書を閲覧、および/または指示書をダウンロードすることのできるウェブ・アドレスを同梱したキットがある。逆に、例えばウェブ・アドレスを提供することによって、本発明のプログラムを遠隔ソースから入手する手段を提供することもできる。さらに、指示書とソフトウェアの両方を、インターネットやワールドワイドウェブのような遠隔ソースから入手またはダウンロードするかたちのキットとすることもできる。当然ながら、アクセス・セキュリティまたはIDプロトコールを使用して、アクセスを、本発明を使用する権利を有する者に限定することもできる。指示書の場合と同様に、指示書および/またはプログラムを入手する手段についても、通常、適当な記録媒体に記録しておく。   In yet another embodiment, the instruction itself is not included in the kit, and a means for obtaining the instruction from a remote source through the Internet or the like is included in the kit. An example of this embodiment is a kit that includes a web address where instructions can be viewed and / or downloaded. Conversely, a means of obtaining the program of the present invention from a remote source can be provided, for example, by providing a web address. In addition, both instructions and software can be kits that are obtained or downloaded from remote sources such as the Internet or the World Wide Web. Of course, access security or ID protocols may be used to limit access to those who have the right to use the present invention. As in the case of the instruction sheet, the means for obtaining the instruction sheet and / or the program is usually recorded on an appropriate recording medium.

本発明の画像化システムおよび方法の適用事例
本発明の画像化システムおよび方法は、多種多様な細胞を用いた各種の設定において有用である。本発明のシステムおよび方法では、組織培養中で細胞または細胞集団を任意の所望の期間、例えば、2時間、5時間、12時間、24時間、2日、4日、6日、7日、数週間、および/または関心対象の細胞の寿命に至るまでの期間にわたって追跡することも可能である。細胞をはじめとする生体試料の画像化は、上記に対応する一定の時間をおいて行うことも、他の態様で行うこともできる。以下はそうした画像化の例であるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、以下の画像化の例では、本発明の特定の利点や特徴を強調する。
Application Examples of Imaging System and Method of the Present Invention The imaging system and method of the present invention are useful in various settings using a wide variety of cells. In the systems and methods of the present invention, cells or cell populations in tissue culture can be any desired period of time, e.g., 2 hours, 5 hours, 12 hours, 24 hours, 2 days, 4 days, 6 days, 7 days, numbers. It is also possible to follow over a period of weeks and / or to the lifetime of the cells of interest. Imaging of biological samples including cells can be performed at a certain time corresponding to the above, or can be performed in another manner . The following are examples of such imaging, but the invention is not limited thereto, and the following imaging examples highlight certain advantages and features of the invention.

光毒性を防止または低減するための細胞の画像化
光毒性は、生きた試料の画像化を行う上で常に重要な制限要因となっており、光毒性は、入射光の強度、照射時間、波長と直接関連している。本発明のシステムおよび方法を使用して、利用可能な信号を検出するために必要な入射光の量を低減する。徐々に進行するプロセスを調べる場合、同一細胞試料を繰り返し照射せねばならないので、光毒性は特に問題になる。本発明では、光毒性をいくつかの方法によって有意に低減する。低強度の白色光を極めて短時間照射することによって顕微鏡の焦点を合わせ、その後、より強度の光を照射することによって高解像度の蛍光画像を取得することができる。自動化を行わない場合、焦点は、通常高強度の蛍光を連続照射することによって合わせることになる。顕微鏡の焦点を合わせ、その後画像を取得するのに要する時間を考慮すると、細胞は、光毒性を有する高強度の光に、自動化を行った場合と比べると一桁程度も長時間にわたって照射されうることになる。
Cell imaging to prevent or reduce phototoxicity Phototoxicity has always been an important limiting factor in imaging live samples, and phototoxicity is the intensity of incident light, irradiation time, wavelength. Directly related to The system and method of the present invention is used to reduce the amount of incident light required to detect available signals. Phototoxicity is a particular problem when investigating a process that progresses gradually, since the same cell sample must be repeatedly irradiated. In the present invention, phototoxicity is significantly reduced by several methods. By irradiating low intensity white light for a very short time, the microscope is focused, and then by irradiating more intense light, a high resolution fluorescent image can be obtained. Without automation, focusing will usually be achieved by continuous illumination of high intensity fluorescence. Considering the time it takes to focus the microscope and then acquire an image, the cells can be exposed to high-intensity light with phototoxicity for an order of magnitude longer than when automated. It will be.

また、1度焦点を合わせた後、焦点を合わせなおすことなく複数の隣接した蛍光画像を取得する本発明の方法も光毒性を低減するうえで有利である。このアプローチは、細胞の視野の大半が画像の生成に必要な光のみを有意な光として受け取るので、蛍光画像を取得するうえで最適化された方法であるといえる。最後に、自動化によって高強度の光の照射時間が実質的に低減するので、光褪色も生じにくくなる。発せられる蛍光が明るいので、高解像度の画像を生成するのに必要な励起時間もさらに低減する。   In addition, the method of the present invention that acquires a plurality of adjacent fluorescent images without focusing again after focusing once is also advantageous in reducing phototoxicity. This approach can be said to be an optimized method for acquiring fluorescent images because most of the cell's field of view receives only the light necessary to generate the image as significant light. Finally, since the irradiation time of high-intensity light is substantially reduced by automation, light fading is less likely to occur. Since the emitted fluorescence is bright, the excitation time required to produce a high resolution image is further reduced.

刺激による遺伝子発現の光学イメージング
本発明は例えば、下記のように実施することが出来る。
細胞の定数(例えば、該物質を細胞に接触させる刺激により発現が誘導される遺伝子のプロモーター領域(好ましくは、c-fos遺伝子のプロモーター領域)に発現可能に連結されたレポーター遺伝子(好ましくは蛍もしくはウミシイタケなどに由来するルシフェラーゼ)を前記の遺伝子導入方法を用いて細胞に導入する。得られた前記の遺伝子導入された細胞の定数(例えば、1〜1x109個、好ましくは1x103〜1x106個)を所望の細胞培養が可能な器具(例えば、シャーレ、多数のウェルを有するマルチプレートなど)を用いて所望の栄養培地(例えば、D-MEM培地など)中で培養する。この定数の細胞からなる試料を、あらかじめ細胞にとって最適な温度(例えば、25〜37℃、好ましくは35〜37℃)に保温し、試料の乾燥を防ぐため水を注入して保湿した発光顕微鏡の培養装置部に設置し、該発光顕微鏡の試料観察部にある対物レンズを通してデジタルカメラで発光イメージを記録する。前記の試料に、細胞に接触させて刺激を行なうための物質(例えば、化合物)を所望の濃度(例えば、1pM〜1M、好ましくは100nM〜1mM)で加えて、所望の時間間隔(例えば5分間〜5時間、好ましくは10分間〜1時間)で発光イメージを記録する。記録した画像を市販の画像解析ソフトウェア(例えば、MetaMorph;ユニバーサルイメージング社製など)を用いて画像内の所望の領域における輝度値を取得する。さらに、発光イメージと同視野において明視野イメージも撮像して記録する構成を有する場合には、画像解析ソフトウェアが発光イメージと明視野イメージを重ね合わせる機能を有することにより、意外に速く動いた細胞等(組織全体、特定細胞群、個々の細胞、細胞の一部の領域など)のよる不鮮明な発光画像についても、明視野画像による鮮明な画像を利用して細胞等の認識を正確に行なえるため解析の信頼性も安定に維持できる利点がある。このように、本発明による撮像方法および装置を用いた画像解析を行なうための画像解析用ソフトウェアは、少なくとも発光画像において個々の細胞等(組織全体、特定細胞群、個々の細胞、細胞の一部の領域など)を形状や大きさ等のパラメータによる輪郭情報により識別するような認識機能と、認識した細胞等から発生する発光量を計測する計測機能とを有し、好ましくは、撮像装置を制御するコンピュータや操作者による入力手段(キーボード、マウス、テンキー、タッチパネル等)からの要求に応じて計測結果を出力する機能を有する。計測結果は、認識した細胞等の画像情報と対応付けて出力するのが、さらに好ましい。出力の形式は、発光量に応じた擬似画像、数値であり得、多数の細胞を解析する場合には、正規分布、ヒストグラム、折れ線グラフ、棒グラフ等のグラフィック表現でもよい。また、同じ細胞等に関する時系列の解析結果を出力する場合には、経過時間順に発光量を並べた点分布や、時間順に線で繋げた波形パターンでもよい。波形パターンは、特に時計遺伝子のような周期性を示す発光データに適している。必要に応じて、画像解析用のソフトウェアは、出力後のグラフや波形パターンを単独ないし、他の細胞等との相関を解析するように構成されてもよい。さらに、ディスプレイ上に出力した解析結果について興味有る部分を上記入力手段を通じて指定した時に対応する細胞等の画像をディスプレイ上に表示するリコール機能を具備するのが好ましい。このリコール機能は、指定された細胞等に関して撮像した全期間ないし特定期間における動画情報を上映する上映モードを有するのがさらに好ましい。
Optical imaging of gene expression by stimulation The present invention can be carried out, for example, as follows.
A reporter gene (preferably a firefly or a reporter gene) operably linked to a cell constant (for example, a promoter region of a gene whose expression is induced by stimulation with which the substance is brought into contact with the cell (preferably a promoter region of the c-fos gene) A luciferase derived from Renilla, etc. is introduced into a cell using the above-described gene introduction method, and constants (for example, 1 to 1 × 10 9 cells, preferably 1 × 10 3 to 1 × 10 6 cells) of the obtained cells into which the gene has been introduced are obtained. ) Is cultured in a desired nutrient medium (eg, D-MEM medium) using an apparatus capable of culturing the desired cell (eg, petri dish, multi-plate having a large number of wells, etc.) In advance, keep the sample at a temperature optimal for the cells (for example, 25 to 37 ° C, preferably 35 to 37 ° C), and inject water to prevent the sample from drying. A luminescence image is recorded by a digital camera through an objective lens in a sample observation section of the luminescence microscope, and a substance for stimulating the sample by contacting the cell (for example, , Compound) at a desired concentration (eg, 1 pM to 1 M, preferably 100 nM to 1 mM), and recording a luminescent image at a desired time interval (eg, 5 minutes to 5 hours, preferably 10 minutes to 1 hour). The recorded image is acquired using a commercially available image analysis software (for example, MetaMorph; manufactured by Universal Imaging Co., Ltd.) to obtain the luminance value in a desired area in the image, and also the bright field image is captured in the same field of view as the luminescent image. If the image analysis software has a function to superimpose the light emission image and the bright field image , Recognize cells by using clear images of bright-field images even for unclear luminescent images of fast-moving cells (whole tissue, specific cells, individual cells, partial areas of cells, etc.) In this way, the image analysis software for performing image analysis using the imaging method and apparatus according to the present invention has individual advantages in at least a luminescent image. A recognition function that identifies cells (whole tissue, specific cell groups, individual cells, partial areas of cells, etc.) by contour information based on parameters such as shape and size, and luminescence generated from recognized cells A measurement function for measuring the amount, preferably from a computer that controls the imaging device or an input means (keyboard, mouse, numeric keypad, touch panel, etc.) by the operator. And outputting the measurement result according to. More preferably, the measurement result is output in association with the image information of the recognized cell or the like. The output format may be a pseudo image or a numerical value corresponding to the amount of luminescence, and in the case of analyzing a large number of cells, it may be a graphic expression such as a normal distribution, a histogram, a line graph, or a bar graph. Further, when outputting time-series analysis results regarding the same cells or the like, a point distribution in which light emission amounts are arranged in order of elapsed time or a waveform pattern connected by lines in time order may be used. The waveform pattern is particularly suitable for light emission data exhibiting periodicity such as a clock gene. If necessary, the image analysis software may be configured to analyze the correlation with other cells or the like, independently of the output graph or waveform pattern. Furthermore, it is preferable to have a recall function for displaying on the display an image of a cell or the like corresponding to a portion of interest in the analysis result output on the display when it is designated through the input means. It is further preferable that the recall function has a screening mode in which moving image information is displayed for the entire period or a specific period in which the designated cells are imaged.

生細胞の長時間にわたる画像化
生細胞は、大抵組織培養用プラスチック上で培養される。生細胞を調べる場合、特に、生細胞を徐々に進行するプロセスにおいて調べる場合には、生細胞(例えば神経細胞)の健康を、調べているプロセスをカバーするのに十分な期間にわたって維持する必要がある。理想的には、細胞がもともと生育していたのと同じ培養皿で一定時間をおいて細胞の画像化を行うと細胞の健康が保たれ、かく乱の程度も最小限ですむ。組織培養皿中の細胞を、滅菌条件下で倒立顕微鏡を使用して画像化することは可能であるが、倒立顕微鏡の場合、細胞が生育している基板(例えば、ガラスまたはプラスチック)を通して画像化を行うことになる。ガラスと比較すると、組織培養用プラスチックは波長によっては(例えば紫外線)透過性に劣り、光の散乱を生じ、画像分解能が低減してしまう。しかし、神経細胞をはじめとする多くの細胞は、ポリリジンおよびラミニンで基板をコーティングして細胞の付着および分化を促した場合でも、ガラスと比べて組織培養用プラスチックで生育させた場合の方が長期にわたって生存し、健康な外観を示す。したがって、本発明の目標は、透過させるのがプラスチックであるかガラスであるかを問わずに高品質の画像が得られるような光学系を備えたシステムを提供することにある。
Long live imaging of living cells Live cells are often cultured on tissue culture plastic. When examining live cells, especially when examining live cells in a progressive process, it is necessary to maintain the health of the live cells (eg, nerve cells) for a period of time sufficient to cover the process being examined. is there. Ideally, imaging cells over a period of time in the same culture dish where the cells were originally grown will maintain cell health and minimize disruption. It is possible to image cells in tissue culture dishes using an inverted microscope under sterile conditions, but in the case of an inverted microscope, image through the substrate on which the cells are grown (e.g. glass or plastic). Will do. Compared to glass, tissue culture plastics are inferior in transparency (for example, ultraviolet rays) depending on the wavelength, cause light scattering, and reduce image resolution. However, many cells, including nerve cells, are longer when grown on tissue culture plastic than glass, even when the substrate is coated with polylysine and laminin to promote cell attachment and differentiation. Survive over and show a healthy appearance. Accordingly, an object of the present invention is to provide a system including an optical system that can obtain a high-quality image regardless of whether plastic or glass is transmitted.

ガラスまたはプラスチックを通して画像を自動的に取得する場合、使用が可能な対物レンズについても重要な影響が及ぶ。すなわち、液浸レンズは通常非液浸(空気)対物レンズよりおおくの光を集光するが、液浸レンズは浸漬溶媒を必要とし、自動画像化の場合にはこの溶媒を供給することは現実的ではない。非液浸レンズを使用して各種の組成および厚さを有する基板を通して焦点を合わせる作業も問題が多い。これらの基板の屈折率は製品ごとに異なり、発せられた蛍光が対物レンズに集光されるまでの間通過する空気の屈折率とも異なっている。異なった屈折率の物質を通して画像化を行うと色収差および球面収差が生じ、この収差によってレンズの開口数が増大する。収差は、20倍で顕在化し、40倍で実質的となり、60倍でほぼ克服不能となる。最後に、試料によっては、培養脳切片のように組織培養皿の底面から比較的離れて存在するものもあり、焦点面を自動的に判断するアルゴリズムを用いてZ軸に沿った各種の平面から画像を取得する必要がある。このような場合、光学的なコンボリューション機能を本発明の発光撮像データに対して適用することが好ましい。光学的なコンボリューション機能を採用することにより、切片に限らず、生体組織や小型の生物(昆虫、動物、植物など)にも3次元的な画像を提供し得る。なお、焦点距離が極めて長い対物レンズを使用すると離れた対象物に焦点を合わせることが可能となり、自動焦点合わせの間に対物レンズと組織培養プレートとが衝突することを防止することができる。 When images are automatically acquired through glass or plastic, there is a significant impact on the objectives that can be used. In other words, an immersion lens usually collects more light than a non-immersion (air) objective lens, but an immersion lens requires an immersion solvent, and in the case of automatic imaging, supplying this solvent is a reality. Not right. The task of focusing through substrates having various compositions and thicknesses using non-immersion lenses is also problematic. The refractive index of these substrates differs from product to product, and is different from the refractive index of air that passes until the emitted fluorescence is collected on the objective lens. Imaging through materials of different refractive indices results in chromatic and spherical aberration, which increases the numerical aperture of the lens. Aberrations become apparent at 20 times, become substantial at 40 times, and become almost impossible to overcome at 60 times. Finally, some specimens, such as cultured brain slices, are located relatively far from the bottom of the tissue culture dish and can be viewed from various planes along the Z axis using an algorithm that automatically determines the focal plane. Need to get an image. In such a case, it is preferable to apply the optical convolution function to the light emission imaging data of the present invention. By adopting the optical convolution function, a three-dimensional image can be provided not only for a section but also for a living tissue or a small living organism (insect, animal, plant, etc.). Note that when an objective lens having an extremely long focal length is used, it is possible to focus on a distant object, and it is possible to prevent the objective lens and the tissue culture plate from colliding during automatic focusing.

高処理スクリーニング・アッセイ法
本発明のシステムおよび方法は、高処理スクリーニング・アッセイ法を行ううえで特に有用である。こうしたアッセイ法の例としては、細胞の所望の応答(例えば、細胞死の調節、レセプターの内部移行、信号伝達経路の活性の調節(上昇または低下)、転写活性の調節、など)を惹起する物質の同定、およびこれまで知られていない、または調べられていない機能を有する核酸の分析(例えば、関心対象のコード配列を標的細胞に導入し、細胞中で発現させて行うような分析)があるが、これらに限定されるものではない。応答が観察される細胞を、本明細書では「標的細胞」と称するが、これは、細胞の種類について限定を行うための用語ではなく、むしろ物質によってその細胞が影響を受けることを示唆するための用語である。
High throughput screening assays The systems and methods of the present invention are particularly useful in performing high throughput screening assays. Examples of such assays include substances that elicit the desired cellular response (eg, regulation of cell death, receptor internalization, regulation of signal transduction pathway activity (increase or decrease), regulation of transcriptional activity, etc.) And analysis of nucleic acids with previously unknown or unexamined functions (e.g., analysis in which a coding sequence of interest is introduced into a target cell and expressed in the cell) However, it is not limited to these. A cell in which a response is observed is referred to herein as a “target cell”, but this is not a term for limiting the cell type, but rather suggests that the substance is affected by the substance. Is the term.

一般に、本発明のシステムおよび方法を用いると、生細胞中での物質の効果を、所望の時間間隔を置いて、しかも同じ細胞について分析することができる。ここで、細胞は均一な細胞集団または混合細胞集団とすることができる。本発明のアッセイ法は、物質によって改変された細胞が培養中で他の細胞に与える効果、例えば、核酸物質の標的細胞中での発現が、同一ウェル中の標的細胞や他の細胞に与える影響についても調べることができる
。例えば、本発明のアッセイ法は、物質によって改変された細胞が、その物質によって直接的には改変されていない細胞に及ぼす「傍観者(bystander)効果」を検出する際に使用することができ、ここで、後者の細胞は、物質によって改変された細胞と物理的に接触していても接触していなくてもよい。この文脈において、本発明のアッセイ法は例えばコードまたは物質によって誘導された分泌タンパク質または細胞表面タンパク質について調べる際に使用することができる。
In general, using the systems and methods of the present invention, the effects of substances in living cells can be analyzed for the same cells at desired time intervals. Here, the cells can be a homogeneous cell population or a mixed cell population. The assay method of the present invention has an effect that a cell modified by a substance gives to other cells in culture, for example, the influence that expression of a nucleic acid substance in a target cell has on a target cell or other cells in the same well. You can also find out about. For example, the assay of the present invention can be used in detecting a “bystander effect” in which cells modified by a substance have an effect on cells that are not directly modified by the substance, Here, the latter cells may or may not be in physical contact with the cells modified by the substance. In this context, the assay methods of the invention can be used, for example, in examining secreted proteins or cell surface proteins induced by a code or substance.

スクリーニング・アッセイ法における複数の変数の検出
本発明の画像化システムおよび方法は単一試料中の複数の変数についてのデータを得るのに使用することができるので、例えば1種以上の生物学的変数を検出することができ、かつ本発明のシステムを使用することによって得られた画像同士を比較することによって例えばある時間にわたって検出されたそうした生物学的変数の変化を検出することもできる。
Detection of multiple variables in a screening assay The imaging system and method of the present invention can be used to obtain data for multiple variables in a single sample, for example, one or more biological variables Can also be detected, and changes in such biological variables detected over time, for example, can also be detected by comparing images obtained by using the system of the present invention.

例として、本発明のシステムは、生物学的材料の経時的変化、例えば材料が特定の物質と接触することによって生じた変化(例えばある物質の濃度の上昇、別の物質の添加等によって生じた変化)、環境条件の変化(例えば、温度、浸透圧等の調節)によって生じた変化を分析する際に使用することができる。生物学的材料の変化は、例えば、核酸については、検出可能なプローブによる特定の核酸配列へのアクセス可能性、スーパーコイルまたは二重鎖の程度等とすることができる。タンパク質については、変化はタンパク質の折り畳みの程度、プローブの結合部位へのアクセス(例えば、検出可能な抗体または他のタンパク質結合物質)などとすることができる。   By way of example, the system of the present invention may be caused by changes in biological material over time, such as changes caused by the contact of a material with a particular substance (e.g., increased concentration of one substance, addition of another substance, etc. Change) and changes caused by changes in environmental conditions (for example, adjustment of temperature, osmotic pressure, etc.) can be used. The change in biological material can be, for example, for nucleic acids, the accessibility of a particular nucleic acid sequence by a detectable probe, the degree of supercoil or duplex, etc. For proteins, the change can be the degree of protein folding, access to the binding site of the probe (eg, a detectable antibody or other protein binding agent), and the like.

例えば、細胞の集団または単一の細胞における細胞に関する変数(例えば、細胞についての1以上の変数、2以上の変数など)については、スクリーニング・アッセイ法を行って単一細胞の複数の細胞変数について調べることができ、これらの細胞変数は必要に応じて各種の時間をおいて調べることができる。一般に、細胞変数は検出が可能な、特に十分に正確な検出が可能な、好ましくは、本発明の高処理アッセイ法に適した方法で検出が可能な、生物学的活性、細胞成分、または細胞生成物とすることができる。細胞変数の例としては、細胞の健康(例えば、トリパンブルーまたは臭化エチジウムのような染料に対する細胞膜の透過性によって検出される生死の別、アポトーシスの誘導、など);細胞表面のレセプターの状態(例えば、レセプターの結合、活性化、再利用など);遺伝子転写レベル(例えば、レポーター遺伝子(例えば、GFP融合タンパク質)で検出されるレベル);細胞分化(例えば、細胞構造の形成(例えば、神経細胞での樹状突起の形成)、細胞分化抗原の存在の有無などによって検出される状態);トランスフェクションの状態(すなわち、標的細胞中での分析に使用する組換えポリヌクレオチドの存在の有無)などがある。本明細書で「細胞変数」に言及する際は何らかの限定を意図しているものではなく、説明上の都合と内容の明確さと期すためにのみ言及するものである。   For example, for a population of cells or variables related to cells in a single cell (e.g., one or more variables for a cell, two or more variables, etc.), a screening assay can be performed for multiple cell variables of a single cell. These cellular variables can be examined at various times as needed. In general, cellular variables can be detected, particularly biologically active, cellular components, or cells that can be detected with sufficient accuracy, preferably in a manner suitable for the high-throughput assay of the present invention. It can be a product. Examples of cell variables include cell health (eg, life-and-death distinction detected by permeability of cell membranes to dyes such as trypan blue or ethidium bromide, induction of apoptosis, etc.); status of cell surface receptors ( For example, receptor binding, activation, reuse, etc .; gene transcription level (eg, level detected with a reporter gene (eg, GFP fusion protein)); cell differentiation (eg, formation of cell structure (eg, neuronal cell) Dendrites formation), status detected by the presence or absence of cell differentiation antigen); transfection status (i.e. presence or absence of recombinant polynucleotide used for analysis in target cells), etc. There is. References to “cellular variables” herein are not intended to be limiting in any way, but are only for convenience of explanation and clarity of content.

変数の大半は、定量的な読み取り結果を提供するが、準定量的または定性的な結果も場合によっては許容される。読み取り結果は単一の判定結果を含むものとすることも、平均、中央値、または分散などを含むものとすることもできる。各パラメータについてのある範囲のパラメータ読み取り値は、特徴的には同じアッセイ法の組み合わせを複数回行うことよって得られ、通常同じアッセイ法の組み合わせを少なくとも約2回行うことによって値を得る。値にはばらつきが生じることが予測され、各セットの試験変数についての値の範囲は標準的な統計学的方法を単一の値を得る際に使用される一般的な統計学的方法と共に使用することによって得られる。   Most of the variables provide quantitative reading results, but semi-quantitative or qualitative results are sometimes acceptable. The read result may include a single determination result, or may include an average, median, or variance. A range of parameter readings for each parameter is characteristically obtained by performing the same assay combination multiple times, usually by obtaining at least about twice the same assay combination. Values are expected to vary, and the range of values for each set of test variables uses standard statistical methods together with common statistical methods used in obtaining a single value It is obtained by doing.

分析を行う細胞パラメータは一般に以下の規準、すなわちアッセイ法を組み合わせることによってシミュレートしている生理学的状態を調節するかどうか;利用が可能かつインビトロで当該パラメータを調節することが知られている因子によって、インビボでその当該パラメータが(例えば、対照として)調節されるのと類似したかたちで調節されるかどうか;検出が可能な程度に確実で、他の分析対象細胞変数との識別が可能であるような応答を伴うかどうか;および、場合によっては、特に薬剤のスクリーニング・アッセイ法においてパラメータの変化が細胞死に至るような毒性を示唆するものであるかどうか、によって選択する。なお、細胞パラメータは、必ずしもこれらの全ての規準を満たす必要はない。   Whether the cellular parameter to be analyzed generally modulates the physiological condition being simulated by combining the following criteria: assay; factors available and known to regulate the parameter in vitro Whether the parameter is regulated in vivo in a manner similar to that regulated (eg, as a control); is assured as detectable and distinguishable from other analyte cell variables It is selected depending on whether there is such a response; and in some cases, whether the change in parameters is indicative of toxicity that leads to cell death, especially in drug screening assays. Note that the cell parameters do not necessarily have to meet all these criteria.

複数のパラメータを評価する場合には、検出の際に区別が可能なマーカーを使用して異なった変数を検出することができる。例えば、スクリーニング・アッセイ法がポリヌクレオチドによってコードされた遺伝子産物の影響の評価を含む場合、1種のマーカーを使用して対象構築物でトランスフェクトされた細胞を同定し(例えば、関心対象のポリヌクレオチドを含む構築物中にコードされた検出可能なマーカーの利用、または関心対象の構築物と共に同時トランスフェクションされた構築物上に存在する検出可能なマーカーの利用による、関心対象の構築物におけるトランスフェクトされた細胞の同定)、第二のマーカーを使用して遺伝子産物の発現を検出し(例えば、そのポリヌクレオチドによってコードされた遺伝子産物から生成された融合タンパク質の提供する検出可能なマーカー中の遺伝子産物の検出)、第三の検出可能なマーカーを使用して遺伝子産物の標的細胞に対する影響を評価することができる(例えば、細胞の生存度を評価する場合には、候補ポリヌクレオチドの遺伝子産物によって調節されていることが想定されているプロモーターの制御下にあるレポーター遺伝子の発現によって、または候補ポリヌクレオチドの遺伝子産物によって調節されている因子によって、など)。また、細胞の形態の変化(例えば、細胞の分化や細胞構造(例えば樹状突起)の形成)についての情報を位相差画像から得ることもでき、この場合、位相差画像を例えば細胞ごとに所定の選択した時間をおいて取得した蛍光画像と重ね合わせて比較することができる。   When evaluating multiple parameters, different variables can be detected using markers that can be distinguished during detection. For example, if the screening assay involves an assessment of the effect of the gene product encoded by the polynucleotide, one marker is used to identify cells that have been transfected with the construct of interest (eg, the polynucleotide of interest Of a transfected cell in a construct of interest by use of a detectable marker encoded in the construct comprising or use of a detectable marker present on a construct co-transfected with the construct of interest Identification) and using a second marker to detect expression of the gene product (e.g., detection of the gene product in a detectable marker provided by a fusion protein generated from the gene product encoded by the polynucleotide) Target gene products using a third detectable marker The effect on the cell can be assessed (e.g., when assessing cell viability, expression of a reporter gene under the control of a promoter that is assumed to be regulated by the gene product of the candidate polynucleotide) Or by factors that are regulated by the gene product of the candidate polynucleotide). It is also possible to obtain information about changes in cell morphology (e.g., cell differentiation and cell structure (e.g., dendrite) formation) from a phase contrast image. And can be compared with the fluorescence image acquired at the selected time.

スクリーニング・アッセイ法により標的細胞上のレセプターの活性を調節する物質を同定する別の例において、第一マーカーを使用して物質のレセプターに対する結合を検出し、その一方で第二マーカーを使用してレポーター遺伝子の転写による活性化を検出することができる。本発明で使用する場合には、「検出可能なマーカー」は所定の波長で励起すると検出可能なシグナルを発するような分子を包含する。態様によっては、分子が細胞の異なった区画に位置していると、異なった波長で励起および/または発光するというかたちで同じ分子が複数の異なったマーカーの役目を果たす場合もある(例えば、細胞表面に存在している場合には細胞内の酸性の区画に存在している場合とは異なる波長で発光する分子の場合)。   In another example of identifying a substance that modulates the activity of a receptor on a target cell by a screening assay, a first marker is used to detect binding of the substance to the receptor, while a second marker is used. Activation by transcription of the reporter gene can be detected. As used herein, “detectable marker” includes molecules that emit a detectable signal when excited at a predetermined wavelength. In some embodiments, the same molecule may serve as multiple different markers (e.g., cells may excite and / or emit at different wavelengths when the molecules are located in different compartments of the cell). When present on the surface, the molecule emits light at a wavelength different from that of the acidic compartment in the cell).

選択したマーカーの存在の有無を定量的に調べる際には各種の方法を利用することができる。ほぼ全種類の生体分子、構造、細胞を標識しうる蛍光部分が容易に入手可能である。免疫蛍光部分は、特定のタンパク質のみならず、特定のコンホメーション、切断生成物、リン酸化のような特定部位の修飾とも結合させることができる。個々のペプチドおよびタンパク質は、例えば、細胞中で緑色蛍光タンパク質のキメラとして発現させることによって、自己蛍光を発するように操作することができる(総説については、Jonesら(1999) Trends Biotechnol 17(12):477-81)を参照のこと)。   Various methods can be used to quantitatively examine the presence or absence of the selected marker. Fluorescent moieties that can label almost all types of biomolecules, structures, and cells are readily available. Immunofluorescent moieties can be linked not only to specific proteins, but also to specific conformations, cleavage products, specific site modifications such as phosphorylation. Individual peptides and proteins can be engineered to emit autofluorescence, for example, by expressing them as chimeras of green fluorescent protein in cells (for review see Jones et al. (1999) Trends Biotechnol 17 (12) : 477-81)).

蛍光技術は、現在では数多くの有用な染料が市販される段階まで成熟してきている。蛍光染料は数多くの供給元から入手することができ、例えば、Sigma Chemical Company(ミズーリ州、セントルイス)、およびMolecular Probes(「Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals」、第7版、Molecular Probes、Eugene OR)から購入できる。他にも、生物学的活性や環境の変化、例えば、pH、カルシウム濃度、電位、他のプローブとの近接性などについてレポートするよう設計された蛍光センサーがある。重要な方法としては、カルシウム流動法、ヌクレオチド組み込み法、定量的PAGE(プロテオミクス)などが挙げられる。   Fluorescence technology has now matured to the point where many useful dyes are commercially available. Fluorescent dyes are available from a number of suppliers, such as Sigma Chemical Company (St. Louis, MO), and Molecular Probes ("Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals", 7th Edition, Molecular Probes, Eugene OR) Can be purchased from Other fluorescent sensors are designed to report on biological activity and environmental changes, such as pH, calcium concentration, potential, proximity to other probes, and the like. Important methods include calcium flow, nucleotide incorporation, quantitative PAGE (proteomics) and the like.

同一アッセイ法で複数の蛍光標識を使用し、細胞を個々に定性的または定量的に検出して、複数の細胞応答を同時に検出および/または測定することを可能とすることもできる。蛍光の独特の特性を利用すべく数多くの定量的技術が開発されており、そうした技術としては、例えば、直接蛍光測定法、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)、蛍光偏光法または異方性法(FP)、時間分解蛍光法(TRF)、蛍光寿命測定法(FLM)、蛍光相関分光法(FCS)、蛍光退色回復法(FPR)が挙げられる(「Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals」、第7版、Molecular Probes、Eugene OR)。特に関心対象のものは、生細胞に適用可能であり、かつ場合によっては所望の時間をおいて使用することのできる(例えば、何時間または何日かの間隔をおいて撮影された画像同士の比較が可能な)標識技術である。これらの蛍光を用いたアッセイ法を、本発明のために光励起が不要な発光を用いたアッセイ法に適用できるように適宜の工程ないし装置の変更(または改良)を行なうことができる。 Multiple fluorescent labels may be used in the same assay, allowing cells to be detected qualitatively or quantitatively individually to allow simultaneous detection and / or measurement of multiple cellular responses. Numerous quantitative techniques have been developed to take advantage of the unique properties of fluorescence, such as direct fluorescence measurement, fluorescence resonance energy transfer (FRET), fluorescence polarization or anisotropy (FP), Examples include time-resolved fluorescence (TRF), fluorescence lifetime measurement (FLM), fluorescence correlation spectroscopy (FCS), and fluorescence fading recovery (FPR) (`` Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals '', 7th edition, Molecular Probes, Eugene OR). Of particular interest are those that can be applied to live cells and in some cases can be used at a desired time (e.g., between images taken at intervals of hours or days). It is a labeling technology that can be compared. Appropriate steps or apparatus changes (or improvements) can be made so that these fluorescence-based assay methods can be applied to assay methods using luminescence that do not require photoexcitation for the present invention.

候補物質
この「候補物質」という場合の「物質」という用語は、生細胞と接触させて生細胞に対する影響を評価することのできる任意の対象分子のことを称する。本発明は、ハイスループットな性能を有しているため、異なったウェル(例えば、マルチウェル・プレートの異なったウェルで)で異なった物質濃度の複数の評価混合物を並行して処理して、観察された効果の濃度依存性を調べることができる。通常、こうした濃度の1つがネガティブ・コントロール、すなわちゼロ濃度または検出濃度未満の濃度となるようにする。
Candidate substance
The term “substance” when referring to this “candidate substance” refers to any target molecule that can be contacted with a living cell to evaluate the effect on the living cell. Since the present invention has high throughput performance, multiple evaluation mixtures of different substance concentrations are processed in parallel in different wells (e.g., in different wells of a multi-well plate) for observation. The concentration dependence of the effect produced can be examined. Usually, one of these concentrations will be a negative control, i.e. a zero concentration or a concentration below the detection concentration.

本明細書で使用する場合、候補物質は数多くの化学的分類群、例えば核酸(例えば、DNA、RNA、アンチセンス・ポリヌクレオチドなど)、ポリペプチド(例えば、タンパク質、ペプチドなど)、有機分子(例えば、分子量が50ダルトンより大きく、約2,500ダルトン未満の小型の有機化合物)、リボザイムなどを包含するが、それらに限定されるものではない。候補物質は、タンパク質との構造的な相互作用、特に水素結合に必要な官能基を含むことができ、通常少なくとも1つのアミン、カルボニル、ヒドロキシル、またはカルボキシル基、好ましくは少なくとも2つの化学的官能基を含むことができる。候補物質は、上記の官能基1つ以上で置換された環状炭素構造もしくは複素環構造および/または芳香族もしくはポリ芳香族構造を有することも多い。上述したように、候補物質は、生体分子、例えばポリヌクレオチド、ペプチド、糖類、脂肪酸、ステロイド、プリン、ピリミジン、それらの誘導体、構造類似物質、またはそれらの組み合わせとすることができるが、これらに限定されるものではない。   As used herein, a candidate substance can be a number of chemical taxa, such as nucleic acids (e.g., DNA, RNA, antisense polynucleotides, etc.), polypeptides (e.g., proteins, peptides, etc.), organic molecules (e.g., Small organic compounds having a molecular weight of greater than 50 daltons and less than about 2,500 daltons), ribozymes and the like, but are not limited thereto. Candidate substances can contain functional groups necessary for structural interactions with proteins, especially hydrogen bonds, usually at least one amine, carbonyl, hydroxyl, or carboxyl group, preferably at least two chemical functional groups Can be included. Candidate substances often have a cyclic carbon or heterocyclic structure and / or an aromatic or polyaromatic structure substituted with one or more of the above functional groups. As described above, candidate substances can be, but are not limited to, biomolecules such as polynucleotides, peptides, saccharides, fatty acids, steroids, purines, pyrimidines, derivatives thereof, structural analogs, or combinations thereof. Is not to be done.

候補物質は、合成化合物または天然化合物のライブラリーをはじめとする多種多様なソースから得ることができる。例えば、多種多様な有機化合物および生体分子のランダムなおよび指向的な合成を行うために、ランダム化したオリゴヌクレオチドおよびオリゴペプチドの発現をはじめとして数多くの手段を用いることができる。あるいは、細菌、菌類、植物、動物の抽出物という天然化合物のライブラリーも入手可能であり、または容易に作製可能である。さらに、天然または合成のライブラリーおよび化合物は、通常の化学的、物理的、生化学的手段で容易に改変することができ、コンビナトリアルライブラリーの生成に使用することができる。公知の薬理物質に、アシル化、アルキル化、エステル化、アミド化などの指向的またはランダムな化学修飾を行って、構造類似物を生成することもできる。   Candidate substances can be obtained from a wide variety of sources including libraries of synthetic or natural compounds. For example, numerous means can be used, including the expression of randomized oligonucleotides and oligopeptides, to perform random and directed synthesis of a wide variety of organic compounds and biomolecules. Alternatively, libraries of natural compounds such as bacterial, fungal, plant, and animal extracts are available or can be readily generated. Furthermore, natural or synthetic libraries and compounds can be readily modified by conventional chemical, physical, and biochemical means and used to generate combinatorial libraries. Known pharmacological substances can also be subjected to directed or random chemical modifications such as acylation, alkylation, esterification, amidation to produce structural analogs.

候補物質としてのポリヌクレオチド
候補物質がポリヌクレオチドである場合、分子は任意の長さのポリマーの形態とすることができ、リボヌクレオチドとすることも、デオキシヌクレオチドとすることもできる。このように、「ポリヌクレオチド」は、一本鎖、二本鎖、または複数本鎖のDNAもしくはRNA、ゲノムDNA、cDNA、DNA-RNAハイブリッド、または、プリン塩基およびピリミジン塩基、もしくは他の天然の化学的もしくは生化学的に修飾された、非天然の、もしくは変性ヌ
クレオチド塩基を含むポリマーを包含するが、これらに限定されるものではない。ポリヌクレオチドが遺伝子産物をコードしている場合は、ポリヌクレオチドはイントロンおよびエクソン配列を含むものとすることもできる。
When the candidate polynucleotide is a polynucleotide, the molecule can be in the form of a polymer of any length and can be a ribonucleotide or a deoxynucleotide. Thus, a “polynucleotide” is a single-stranded, double-stranded, or multiple-stranded DNA or RNA, genomic DNA, cDNA, DNA-RNA hybrid, or purine and pyrimidine base, or other natural This includes, but is not limited to, a polymer containing a chemically or biochemically modified, non-natural or modified nucleotide base. If the polynucleotide encodes a gene product, the polynucleotide may also include intron and exon sequences.

ポリヌクレオチドの骨格は、(RNAまたはDNAで通常見られるような)糖およびリン酸基を含むものとすることも、修飾または置換糖またはリン酸基を含むものとすることもできる。また、ポリヌクレオチドの骨格は、合成サブユニット、例えば、ホスホアミダイトのポリマーを含むものとすることもでき、したがって、オリゴデオキシヌクレオシドホスホアミダイト、またはホスホアミダイト-ホスホジエステルオリゴマー混合物とすることもできる。例えば、アンチセンスオリゴヌクレオチドは、細胞内での安定性と結合親和性を高めるために、未変性のホスホジエステル構造を化学的に修飾したポリヌクレオチドである。骨格の化学的性質の変化として有用なものとしては、ホスホロチオエート、非架橋酸素が双方とも硫黄で置換されたホスホロジチオエート、ホスホロアミダイト、アルキルホスホトリエステル、およびボラノホスフェートが挙げられる。アキラルなリン酸誘導体としては、3'-O'-5'-S-ホスホロチオエート、3'-S-5'-O-ホスホロチオエート、3'-CH2-5'-O-ホスホネート、3'-NH-5'-O-ホスホロアミデートが挙げられる。ペプチド核酸の場合は、リボースホスホジエステル骨格全体がペプチド結合で置換されている。糖による修飾を使用して安定性および親和性を高めることも行われている(例えば、モルホリノオリゴヌクレオチド類似物質)。天然のα-アノマーに対して塩基が反転しているデオキシリボースのβ-アノマーを使用することもできる。リボース糖の2'-OHが、2'-O-メチルまたは2'-O-アルキル糖となるように変化させて、親和性を犠牲にすることなく耐分解性を付与することもできる。 The backbone of the polynucleotide can contain sugar and phosphate groups (as commonly found in RNA or DNA), or can contain modified or substituted sugars or phosphate groups. The backbone of the polynucleotide can also include synthetic subunits, such as polymers of phosphoamidites, and can therefore be oligodeoxynucleoside phosphoramidites, or phosphoamidite-phosphodiester oligomer mixtures. For example, antisense oligonucleotides are polynucleotides that are chemically modified native phosphodiester structures in order to increase intracellular stability and binding affinity. Useful skeletal chemistry changes include phosphorothioates, phosphorodithioates in which both non-bridging oxygens are replaced with sulfur, phosphoramidites, alkylphosphotriesters, and boranophosphates. Achiral phosphate derivatives include 3'-O'-5'-S-phosphorothioate, 3'-S-5'-O-phosphorothioate, 3'-CH 2 -5'-O-phosphonate, 3'-NH -5'-O-phosphoramidate. In the case of peptide nucleic acids, the entire ribose phosphodiester backbone is replaced with peptide bonds. Modifications with sugars have also been used to increase stability and affinity (eg, morpholino oligonucleotide analogs). It is also possible to use a deoxyribose β-anomer whose base is inverted with respect to the natural α-anomer. The 2'-OH of the ribose sugar can be changed to become a 2'-O-methyl or 2'-O-alkyl sugar to impart degradation resistance without sacrificing affinity.

ポリヌクレオチドは、修飾ヌクレオチド、例えばメチル化ヌクレオチドおよびヌクレオチド類似物質、ウラシル、他の糖、ならびに結合基、例えばフルオロビオースおよびチオエート、ヌクレオチドの分枝を含むものとすることもできる。塩基配列の間には非ヌクレオチド成分が介在していてもよい。ポリヌクレオチドは、重合後に例えば標識成分と結合させることによって修飾またはさらなる修飾を行って、分子を検出しやすくすることもできる。さらに別の修飾としては、キャップ、1個以上の天然に生じるヌクレオチドの類似物質による置換、およびポリヌクレオチドをタンパク質、金属イオン、標識成分、他のポリヌクレオチド、または基板(例えば、ビーズ)に結合させる手段の導入があるが、これらに限定されるものではない。   A polynucleotide may also comprise modified nucleotides, such as methylated nucleotides and nucleotide analogs, uracil, other sugars, and linking groups, such as fluorobiose and thioate, nucleotide branches. Non-nucleotide components may intervene between the base sequences. A polynucleotide can also be modified or further modified after polymerization, such as by conjugation with a labeling component, to facilitate detection of the molecule. Still other modifications include caps, substitution of one or more naturally occurring nucleotides with analogs, and attachment of the polynucleotide to a protein, metal ion, labeling component, other polynucleotide, or substrate (e.g., a bead). Although there is introduction of means, it is not limited to these.

以下で詳述する一つの態様において、本発明のアッセイ法でポリヌクレオチドをスクリーニングし、このポリヌクレオチドによってコードされた遺伝子産物の影響を評価する。この態様において、ポリヌクレオチドを発現に適した構築物の一部として提供することができる。この態様において、ポリヌクレオチドを修飾することによって、遺伝子産物をコードするポリヌクレオチドのオープンリーディングフレームにプロモーター要素を機能的に結合させ、標的細胞中での遺伝子産物の発現を促すことができる。   In one embodiment described in detail below, a polynucleotide is screened with the assay of the present invention and the effect of the gene product encoded by the polynucleotide is assessed. In this embodiment, the polynucleotide can be provided as part of a construct suitable for expression. In this embodiment, by modifying the polynucleotide, a promoter element can be operably linked to the open reading frame of the polynucleotide encoding the gene product to facilitate expression of the gene product in the target cell.

候補物質としてのポリペプチド
態様によっては、候補物質は「ポリペプチド」または「タンパク質」である。これらの用語は互換的に使用するものであり、任意の長さの重合体形態アミノ酸のことを称する。例としては、遺伝的にコードされたアミノ酸および遺伝的にコードされていないアミノ酸、化学的もしくは生化学的に修飾された(例えば、翻訳後修飾、例えばグリコシル化された)アミノ酸、または変性アミノ酸、重合体ポリペプチド、ならびに修飾ペプチド骨格を備えたポリペプチドが挙げられる。候補物質としてスクリーニングすることのできる「ポリペプチド」としては、エフュージョン(effusion)タンパク質で、異種アミノ酸配列を有するもの、異種および同種リーダー配列と融合させたもの、N末端メチオニン残基を有するかまたは有さないもの、免疫的に標識したタンパク質などがある。ポリペプチドの修飾は、例えば、基材(例えば、ビーズ)への付着を促すために行うこともできる。ポリペプチドが細胞内に取り込まれない場合には、ポリペプチドは例えばマイクロインジェクションによって標的細胞に導入することができる。しかし、こうした方法はマイクロインジェクション操作が高処理スクリーニング・アッセイ法への使用に適していないので望ましくない可能性もある。
Depending on the polypeptide embodiment as a candidate substance, the candidate substance is a “polypeptide” or “protein”. These terms are used interchangeably and refer to polymer form amino acids of any length. Examples include genetically encoded amino acids and non-genetically encoded amino acids, chemically or biochemically modified (e.g., post-translationally modified, e.g., glycosylated), or modified amino acids, Examples include polymeric polypeptides, as well as polypeptides with modified peptide backbones. “Polypeptides” that can be screened as candidate substances include effusion proteins with heterologous amino acid sequences, fused with heterologous and homologous leader sequences, with or without an N-terminal methionine residue. And non-immunologically labeled proteins. Polypeptide modifications can also be made, for example, to promote attachment to a substrate (eg, beads). If the polypeptide is not taken up into the cell, the polypeptide can be introduced into the target cell, for example by microinjection. However, such methods may be undesirable because microinjection procedures are not suitable for use in high throughput screening assays.

スクリーニング・アッセイ法に使用する細胞
本発明のスクリーニング・アッセイ法に使用するのに適した細胞としては、上述したものが挙げられる。態様によっては、標的遺伝子産物を発現する組換え細胞のアッセイ、およびアッセイ法を、例えば標的遺伝子産物への結合、標的遺伝子産物の発現の調節、または標的遺伝子産物の生物学的活性の調節によって標的遺伝子産物と相互作用を生じる候補物質の検出に適したものとすることが特に関心対象である。本明細書で使用する場合、「標的遺伝子産物」は、候補物質のスクリーニングの中心となるタンパク質をはじめとする各種の遺伝子産物のことを称するが、それらに限定されるものではない。例えば、標的遺伝子産物をレセプターとし、アッセイ法を、レセプターの活性を調節する物質の同定に適合させることができる。
Cells for use in screening assays Suitable cells for use in the screening assays of the present invention include those described above. In some embodiments, assays for recombinant cells expressing a target gene product and assay methods are targeted, for example, by binding to the target gene product, modulating the expression of the target gene product, or modulating the biological activity of the target gene product. Of particular interest is making it suitable for the detection of candidate substances that interact with gene products. As used herein, “target gene product” refers to various gene products including proteins that are the center of screening for candidate substances, but is not limited thereto. For example, the target gene product can be a receptor and the assay can be adapted to identify substances that modulate the activity of the receptor.

一般的なアッセイ方法
何を目的としてスクリーニング・アッセイ法を行うかに関わらず、アッセイ法の工程において、物質と細胞とを接触させることになり、この工程では、遺伝物質のような場合、物質を細胞内に導入し、細胞の1以上の変数について検出を行うことになる。物質に対応した細胞パラメータの読み取り値の変化を測定し、できれば標準化し、このパラメータを照合用の読み取り値と比較することによって評価する。照合用の読み取り結果、各種因子の存在下および不在下で得られた基礎読み取り値、他の物質(公知の経路の公知の阻害物質を含んでも含まなくてもよい)を用いることによって得られた読み取り値、などを用いることができる。分析対象物質としては、対象となる細胞の対象の細胞パラメータを直接または間接的に調節する能力を備えた任意の生物学的活性を有する分子を挙げることができる。
Regardless of the purpose of the screening assay method, the general assay method In the assay process, the substance is brought into contact with the cell. Introduce into the cell and detect one or more variables of the cell. Changes in cellular parameter readings corresponding to the substance are measured, normalized if possible, and evaluated by comparing this parameter with a matching reading. Reading results for verification, basic readings obtained in the presence and absence of various factors, obtained by using other substances (which may or may not contain known inhibitors of known pathways) Readings, etc. can be used. Analytes can include any biologically active molecule that has the ability to directly or indirectly modulate the cellular parameters of interest of the cells of interest.

物質は細胞に溶液のかたちで、または易溶性の形態で培養中の細胞の培養液に加えるのが好都合である。物質はフロースルーシステムに間歇的もしくは連続したストリームのかたちで加えることも、または添加時以外は静的な溶液に、化合物を一度にまたは少量ずつまとめて加えることもできる。フロースルーシステムの一例では2種の流体を使用し、一方は生理学的に中性の溶液、他方は同じ溶液で試験化合物を加えたものとする。第一の流体を細胞上に通過させ、その後第二の流体を通過させる。溶液を1種のみ使用する方法において、試験化合物を細胞の周囲の特定量の培養液にまとめて加える。培養液の成分の全体的濃度が、試験化合物の添加によって、またはフロースルー法における2種の溶液の間で有意に変動するようなことがあってはならない。   The substance is conveniently added in the form of a solution to the cells or in a readily soluble form to the culture medium of the cells being cultured. The substance can be added to the flow-through system in an intermittent or continuous stream, or the compound can be added to the static solution at once or in batches, except during the addition. One example of a flow-through system uses two fluids, one with a physiologically neutral solution and the other with the test compound added in the same solution. A first fluid is passed over the cell followed by a second fluid. In a method that uses only one solution, the test compound is added to a specific volume of culture medium surrounding the cells. The overall concentration of the components of the culture medium should not vary significantly between the addition of the test compound or between the two solutions in the flow-through method.

態様によっては、物質の組成は全体の組成に有意な影響を及ぼしうるうな追加の成分、例えば防腐剤などを含有しない。この場合、物質の組成は試験対象物質および生理学的に許容される担体、例えば、水、細胞培養液などから本質的に構成される。他の態様において、スクリーニング・アッセイ法において別の物質を含有させることができ、こうした物質としては、例えば、物質の結合パートナーへの静的な結合を可能とするための物質、非特異的な相互作用またはバックグラウンドでの相互作用を低減するための物質が挙げられる。こうした物質については、当然ながら生細胞のスクリーニングと適合するものを選択する必要がある。   In some embodiments, the composition of the material does not contain additional components such as preservatives that can significantly affect the overall composition. In this case, the composition of the substance consists essentially of the substance to be tested and a physiologically acceptable carrier, such as water, cell culture medium and the like. In other embodiments, another substance can be included in the screening assay, such as a substance that allows static binding of the substance to its binding partner, non-specific mutual Examples include substances for reducing the action or background interaction. Of course, it is necessary to select such substances that are compatible with the screening of living cells.

上述したように、異なる物質濃度を用いた複数のアッセイ法を並行して実施して、各種の濃度に対応する示差的な応答を得ることができる。当技術分野で公知のように、物質の有効濃度を決定する際には、通常、1:10、または他の対数尺度を用いた希釈によって得られたある範囲の濃度を使用する。この濃度は、必要に応じて、二度目の一連の希釈を行うことによってさらに精緻化することができる。通常、これらの濃度の1つがネガティブ・コントロールの役目を果たし、このネガティブ・コントロールはゼロ濃度、または物質の検出レベル未満、または表現型の検出が可能な変化が得られない物質濃度以下の濃度とする。   As described above, multiple assays using different substance concentrations can be performed in parallel to obtain differential responses corresponding to various concentrations. As known in the art, a range of concentrations obtained by dilution with 1:10 or other logarithmic scale is usually used in determining the effective concentration of a substance. This concentration can be further refined if necessary by performing a second series of dilutions. Typically, one of these concentrations serves as a negative control, which has a zero concentration, or a concentration that is below the substance detection level or below the substance concentration at which no phenotypic change can be detected. To do.

本発明のシステムおよび方法の各種の側面や特徴を利用したアッセイ法の例を以下に示すが、本発明はそれらに限定されるものではない。   Examples of assay methods utilizing various aspects and features of the system and method of the present invention are shown below, but the present invention is not limited thereto.

薬剤スクリーニング・アッセイ法
本発明の画像化システムおよび方法は、多岐にわたるアッセイ様式に適合させて、候補物質が標的細胞に対して及ぼす所望の生物学的効果(例えば、対象細胞パラメータの調節)に関してスクリーニングを行うことができ、この生物学的効果は、物質を薬剤として使用する際に意味を持つようなものとすることができる。例えば、各種の物質を、細胞分化、細胞死(例えば、アポトーシスの調節)、シグナル伝達(例えば、G結合タンパク質レセプターでのシグナル伝達、GTP結合、第二メッセンジャー系の検出など)、イオンチャネルの活性(例えば、流入を、例えばカルシウム・画像化を使用して評価することによって)、転写(例えばレポーター遺伝子アッセイ法を使用して、例えば標的遺伝子産物の発現に影響を及ぼす物質を同定する)などの調節について調べることができる。特に関心対象のものは、生細胞と共に使用することのできるアッセイ法である。
Drug Screening Assays The imaging systems and methods of the present invention are adapted for a wide variety of assay formats and screened for the desired biological effect of a candidate substance on target cells (eg, modulation of target cell parameters). This biological effect can be meaningful when the substance is used as a medicament. For example, various substances can be used for cell differentiation, cell death (for example, regulation of apoptosis), signal transduction (for example, signal transduction at the G-binding protein receptor, GTP binding, detection of the second messenger system, etc.), ion channel activity (E.g., assessing influx using, e.g., calcium imaging), transcription (e.g., using a reporter gene assay to identify substances that affect expression of the target gene product, etc.), etc. You can find out about regulation. Of particular interest are assays that can be used with living cells.

一つの態様において、スクリーニング・アッセイ法は細胞中における候補物質の結合パートナーに対する結合を検出する結合アッセイ法、例えばレセプターに対してアゴニストまたはアンタゴニスト・リガンドとして作用する物質を同定するためのスクリーニングとすることができる。特定の態様において、アッセイ法は、例えば公知のレセプター・リガンド(例えば、公知のアゴニストまたはアンタゴニスト)の活性の阻害について候補物質を評価する、拮抗結合アッセイ法とすることもできる。この後者の態様において、公知のリガンドを検出可能となるよう標識し、例えば公知のリガンドの活性の低下または結合にともなって、その公知のリガンドの検出可能な標識も低減するようにしておくことができる。   In one embodiment, the screening assay is a binding assay that detects binding of a candidate substance to a binding partner in a cell, eg, a screening to identify substances that act as agonists or antagonist ligands to a receptor. Can do. In certain embodiments, the assay can also be an antagonistic binding assay that evaluates candidate substances for inhibition of the activity of, for example, a known receptor ligand (eg, a known agonist or antagonist). In this latter embodiment, the known ligand is labeled so that it can be detected, and the detectable label of the known ligand is reduced, for example, as the activity of the known ligand decreases or binds. it can.

候補物質を標的細胞と共にインキュベートする際、培養は任意の適当な温度で行うことができ、通常は、4〜40℃で培養することができる。インキュベーション時間は活性が最適となるように選択するが、迅速でハイスループットなスクリーニングを進行させるうえで最適な時間を選ぶこともできる。インキュベーション時間は通常0.1〜1時間で十分であるが、態様によっては、細胞をこの培養時間〜もっと長い適当な時間をおいてから調べることが望ましい場合もある。   When incubating the candidate substance with the target cells, the culture can be performed at any appropriate temperature, and usually at 4 to 40 ° C. The incubation time is selected to optimize the activity, but it is also possible to select the optimal time for proceeding with rapid and high-throughput screening. An incubation time of 0.1 to 1 hour is usually sufficient, but in some embodiments it may be desirable to examine the cells after an appropriate period of time from this incubation time.

機能的遺伝分析
一つの態様において、本発明の画像化システムおよび方法はハイスループットな機能的遺伝スクリーニング・アッセイ法を実現するために使用される。こうしたアッセイ法では、一般に(例えば、組換え遺伝子の安定した導入もしくは過渡的な導入、またはアンチセンス技術によって)遺伝的に改変した細胞を調べ、遺伝的改変を行った結果標的細胞において生物学的機能の獲得または喪失が生じたかどうかについて評価する。こうしたアッセイ法は、(例えば、遺伝子治療またはアンチセンス治療で)薬剤として有用である可能性のある物質の同定だけでなく、例えば機能の獲得または喪失を利用した対象遺伝子の同定、および機能が未知の遺伝子の分析にも有用である。
Functional Genetic Analysis In one embodiment, the imaging systems and methods of the present invention are used to implement a high-throughput functional genetic screening assay. Such assays generally involve examining genetically modified cells (for example, by stable or transient introduction of recombinant genes, or antisense technology), and the genetic modification results in biological expression in the target cell. Evaluate whether gain or loss of function has occurred. Such assays not only identify substances that may be useful as drugs (e.g., in gene therapy or antisense therapy), but also identify, for example, target genes using gain or loss of function and unknown function. It is also useful for the analysis of genes.

遺伝子改変細胞を作製する方法は当技術分野で公知である。例えば、Ausubelら編、「Current Protocols in Molecular Biology」 John Wiley & Sons, New York, N.Y., 2000を参照されたい。機能遺伝分析は、態様によっては候補物質が例えば対象とする遺伝子産物(例えば、ペプチド、タンパク質、またはアンチセンスRNA)をコード、およびアンチセンス分子として作用等をする可能性のあるポリヌクレオチドであるような薬剤スクリーニング・アッセイ法の役割も果たすことができる。「遺伝物質」の具体例については後述する。この遺伝子改変は、相同組換えの結果標的遺伝子の発現が(例えば検出不能なレベルまで)低減するような欠失を生じるノックアウトとすることも、細胞に通常は存在しない遺伝配列を安定的に導入するノックインとすることもできる。   Methods for producing genetically modified cells are known in the art. See, for example, Ausubel et al., “Current Protocols in Molecular Biology” John Wiley & Sons, New York, N.Y., 2000. In functional genetic analysis, in some embodiments, the candidate substance is a polynucleotide that encodes a gene product of interest (e.g., a peptide, protein, or antisense RNA) and may act as an antisense molecule, etc. It can also play a role in various drug screening assays. Specific examples of “genetic material” will be described later. This genetic modification can result in a knockout that results in a deletion that reduces the expression of the target gene as a result of homologous recombination (eg, to an undetectable level), or stably introduces genetic sequences that are not normally present in the cell. You can also knock in.

本発明では、部位特異的な組換え、アンチセンス、またはドミナントネガティブな変異体の発現をはじめとする各種の方法を使用してノックアウト体を作製することができる。ノックアウト体は、遺伝子ターゲティングの場合には内在遺伝子の対立遺伝子の一方または両方の機能を部分的または完全に喪失している。標的遺伝子産物の発現は、分析対象の細胞中において検出不能またはわずかであることが好ましく、そのためには、コード配列への破断部分の導入、例えば、1つ以上の停止コドンの挿入、DNA断片の挿入等、コード配列の欠失、コード配列の停止コドンへの置換等を行えばよい。場合によっては、導入した配列は最終的にゲノムから除去され、未変性の配列には変化が残らないこともある。   In the present invention, a knockout body can be prepared using various methods including the expression of site-specific recombination, antisense, or dominant negative mutants. In the case of gene targeting, the knockout body partially or completely loses the function of one or both of the alleles of the endogenous gene. The expression of the target gene product is preferably undetectable or negligible in the cell to be analyzed, for this purpose the introduction of a break into the coding sequence, for example the insertion of one or more stop codons, the DNA fragment What is necessary is just to perform deletion of a coding sequence, substitution to the stop codon of a coding sequence, etc. by insertion. In some cases, the introduced sequence is eventually removed from the genome, leaving the native sequence unchanged.

機能遺伝分析のための細胞の改変
一般に、機能遺伝分析では、核酸を導入することによって細胞を操作して(例えば組換えタンパク質の発現、およびアンチセンスを媒介させた発現の阻害などによって)遺伝子産物の機能の付加または喪失がどのような効果を及ぼすのかについてスクリーニングを行う。こうした物質を本発明では便宜上「遺伝物質」と称するが、この「遺伝物質」は特に限定されるものではない。遺伝物質を導入すると、通常細胞の全体的な核酸組成が変化する。DNAのような遺伝物質を用いることによって通常は配列の染色体への組み込みにより、細胞ゲノムの変化を実験的に生じさせることができる。外来の配列が組み込まれずに、エピソーム物質として保持される場合には、遺伝的変化は一過性の場合もある。アンチセンス・オリゴヌクレオチドのような遺伝物質は、mRNAの転写または翻訳を妨害することによって、細胞の遺伝子型を変化させることなくタンパク質の発現に影響を及ぼすことができる。一般に、遺伝物質の影響は、細胞における1種以上の遺伝子産物の発現を増大または減少させるというものである。
Modification of cells for functional genetic analysis In general, functional genetic analysis involves the manipulation of cells by introducing nucleic acids (e.g., by expression of recombinant proteins and inhibition of expression mediated by antisense), etc. Screening for the effect of adding or losing the function of. Such a substance is referred to as “genetic material” for convenience in the present invention, but this “genetic material” is not particularly limited. The introduction of genetic material usually changes the overall nucleic acid composition of the cell. By using genetic material such as DNA, changes in the cell genome can be experimentally produced, usually by integrating the sequence into the chromosome. If the foreign sequence is not integrated and retained as episomal material, the genetic change may be transient. Genetic material, such as antisense oligonucleotides, can affect protein expression without altering cellular genotype by interfering with transcription or translation of mRNA. In general, the effect of genetic material is that it increases or decreases the expression of one or more gene products in a cell.

ポリペプチドをコードする発現ベクターの導入は、その配列が欠失している細胞においてコード産物を発現、または産物を過剰に発現(例えば、内在的な遺伝子のみの場合よりも高いレベルに発現)させるために利用することができる。構成的または誘導性の各種のプロモーターを使用することができる。これらのコード配列は、全長cDNAまたはゲノム・クローン、それらに由来する断片、または天然の配列を他のコード配列の機能または構造ドメインと組み合わせたキメラを含むものとすることができる。あるいは、導入する遺伝物質は、アンチセンス配列をコードするもの、アンチセンス・オリゴヌクレオチド、ドミナントネガティブな変異、天然配列のドミナントまたは構成的な活性な変異をコードするもの、改変調節配列などとすることができる。   The introduction of an expression vector encoding the polypeptide causes the encoded product to be expressed in cells lacking that sequence, or the product is overexpressed (e.g., expressed at a higher level than with endogenous genes alone). Can be used for. A variety of constitutive or inducible promoters can be used. These coding sequences can include full-length cDNA or genomic clones, fragments derived therefrom, or chimeras that combine native sequences with functional or structural domains of other coding sequences. Alternatively, the genetic material to be introduced should be one that encodes an antisense sequence, an antisense oligonucleotide, a dominant negative mutation, one that encodes a dominant or constitutively active mutation of a natural sequence, a modified regulatory sequence, etc. Can do.

宿主細胞種由来の配列を有する遺伝物質に加えて、他の遺伝物質として関心対象のものとしては、例えば病原体から得た配列を有する遺伝物質、例えばウイルス、細菌、原虫の遺伝子のコード領域であり、特にヒトをはじめとする宿主の細胞の機能に遺伝子が影響を及ぼす部分を挙げることができる。対応する同種配列が存在する場合または存在しない場合に、他種由来を配列を導入してもよい。   In addition to genetic material having a sequence derived from the host cell species, other genetic material of interest is, for example, the coding region of genetic material having a sequence obtained from a pathogen, such as a virus, bacteria, or protozoan gene. In particular, a part in which a gene affects the function of a cell of a host such as a human can be mentioned. A sequence derived from another species may be introduced when the corresponding homologous sequence is present or absent.

遺伝子配列、例えばヒト、他の哺乳動物、ヒトの病原体の配列のソースとして、数多くの公的リソースを利用することができる。ヒトゲノムの相当部分は配列が決定されており、公的データベース、例えばGenbankを通じてアクセスすることができる。リソースとしては、単一(uni)遺伝子のセットおよびゲノム配列も利用することができる。例えば、Dunhamら(1999) Nature: 402 489-495、またはDeloukasら(1998) Science 282: 744-746を参照されたい。多くのヒトの遺伝子配列に対応するcDNAクローンが、イメージ・コンソーシアム(IMAGE consortium)で利用可能である。国際的なイメージ・コンソーシアム・ラボラトリーズ(IMAGE Consortium laboratories)は、世界規模での利用に備えてcDNAクローンを開発し、アレイとしている。こうしたクローンは、例えばミズーリ州セントルイスのゲノム・システムズ社(Genome Systems Inc.)から市販されている。DNA配列情報に基づいてPCRを行うことによって配列をクローニングする方法も、当技術分野では公知である。   Numerous public resources are available as a source of gene sequences, eg, human, other mammalian, human pathogen sequences. A substantial portion of the human genome has been sequenced and can be accessed through public databases such as Genbank. Resources can also utilize a set of unigenes and genomic sequences. See, for example, Dunham et al. (1999) Nature: 402 489-495, or Delukas et al. (1998) Science 282: 744-746. CDNA clones corresponding to many human gene sequences are available at the IMAGE consortium. An international IMAGE Consortium laboratories has developed and cloned cDNA clones for global use. Such clones are commercially available from, for example, Genome Systems Inc., St. Louis, Missouri. Methods for cloning sequences by performing PCR based on DNA sequence information are also known in the art.

一つの態様において、遺伝物質は相補的配列の発現を低減させるように作用するアンチセンス配列とする。アンチセンス核酸は、RNAと特異的に結合してRNA-DNAまたはRNA-RNAハイブリッドを形成し、DNAの複製、逆転写、またはメッセンジャーRNAによる翻訳を阻害するよう設計する。アンチセンス分子は、例えば、翻訳の際の利用可能なmRNAの量の低減、RNAse Hの活性化、または立体障害をはじめとする各種の機構によって遺伝子の発現を阻害する。選択した核酸配列に基づくアンチセンス核酸は対応する遺伝子の発現を妨害することができる。アンチセンス核酸は、アンチセンス鎖を転写鎖として含むアンチセンス構築物からの転写によって細胞中で生成させることができる。   In one embodiment, the genetic material is an antisense sequence that acts to reduce the expression of complementary sequences. Antisense nucleic acids are designed to specifically bind to RNA to form RNA-DNA or RNA-RNA hybrids and inhibit DNA replication, reverse transcription, or translation by messenger RNA. Antisense molecules inhibit gene expression by various mechanisms including, for example, reducing the amount of mRNA available for translation, activation of RNAse H, or steric hindrance. Antisense nucleic acids based on the selected nucleic acid sequence can interfere with the expression of the corresponding gene. Antisense nucleic acids can be generated in cells by transcription from an antisense construct that includes the antisense strand as the transcription strand.

アンチセンス物質は、アンチセンス・オリゴヌクレオチド(ODN)、特に未変性核酸由来の化学修飾を有する合成ODN、またはRNAのようなアンチセンス分子を発現する核酸構築物とすることができる。アンチセンス分子は1種を投与することも、組み合わせて投与することもでき、組み合わせて投与する場合には、投与アンチセンス分子は複数の異なった配列を含むものとすることができる。   The antisense substance can be an antisense oligonucleotide (ODN), in particular a synthetic ODN having a chemical modification derived from a native nucleic acid, or a nucleic acid construct that expresses an antisense molecule such as RNA. Antisense molecules can be administered alone or in combination, and when administered in combination, the administered antisense molecules can comprise multiple different sequences.

一般に、内在的センス鎖mRNA配列の特定の1つまたは複数の特定の領域をアンチセンス配列による相補的対合用に選択する。オリゴヌクレオチド用に特定の配列を選択する際には経験的な手法を使用することができ、この場合、いくつかの候補配列を標的遺伝子の発現の阻害に関して調べる。配列を組み合わせて使用することもでき、その場合には、mRNA配列のいくつかの領域をアンチセンスによる相補的対合用に選択する。   In general, a specific region or regions of the endogenous sense strand mRNA sequence is selected for complementary pairing with an antisense sequence. Empirical techniques can be used in selecting a particular sequence for an oligonucleotide, in which case several candidate sequences are examined for inhibition of target gene expression. Combinations of sequences can also be used, in which case several regions of the mRNA sequence are selected for complementary pairing by antisense.

ドミナントネガティブな変異を細胞の機能の喪失が生じているかどうかについてスクリーニングして、例えばタンパク質機能の分析を容易にすることもできる。これらはいくつかの異なった機構、例えば基質結合ドメインの変異、触媒ドメインの変異、タンパク質結合ドメインの変異(例えば、マルチマーの形成、エフェクター、またはタンパク質結合ドメインの活性化)、細胞局在化ドメインの変異などによって作用する可能性がある。ドミナントネガティブな変異の作製のために、一般的な戦略を使用することができる(例えば、Herskowitz (1987) Nature 329:219、および上掲の参照文献を参照のこと)。   Dominant negative mutations can be screened for loss of cellular function to facilitate analysis of protein function, for example. These include several different mechanisms such as substrate binding domain mutations, catalytic domain mutations, protein binding domain mutations (e.g. multimer formation, effectors, or protein binding domain activation), cell localization domain mutations It may be affected by mutations. For the creation of dominant negative mutations, general strategies can be used (see, eg, Herskowitz (1987) Nature 329: 219, and references cited above).

当業者に周知の方法を使用してコード配列と適当な転写および翻訳制御シグナルとを含む発現ベクターを構築し、細胞に導入された外来遺伝子の発現を増大させることができる。こうした方法としては、例えば、インビトロでの組換えDNA技術、合成技術、およびインビボの遺伝子組換えを挙げることができる。また、遺伝子産物の配列をコードしうるRNAを、例えば合成システムで化学的に合成することもできる。例えば、OligonucleotideSynthesis」, 1984, Gait, M. J.編, IRL Press, Oxfordに記載された技術を参照されたい。   Methods which are well known to those skilled in the art can be used to construct expression vectors containing coding sequences and appropriate transcriptional and translational control signals to increase the expression of foreign genes introduced into the cell. Such methods can include, for example, in vitro recombinant DNA techniques, synthetic techniques, and in vivo genetic recombination. Moreover, RNA that can encode the sequence of the gene product can also be chemically synthesized, for example, using a synthesis system. See, for example, the technique described in “Oligonucleotide Synthesis”, 1984, Gait, M. J., IRL Press, Oxford.

遺伝子コード配列を発現させる際、各種の宿主-発現ベクター系を利用することができる。発現構築物は、哺乳動物細胞のゲノムに由来するプロモーター(例えばメタロチオネイン・プロモーター、伸長因子プロモーター、アクチン・プロモーターなど)、哺乳動物ウイルス由来のプロモーター(例えばアデノウイルス後期プロモーター、ワクシニアウイルス7.5Kプロモーター、SV40後期プロモーター、サイトメガロウイルスなど)を含むことができる。哺乳動物の宿主細胞において、数多くのウイルス・ベースの発現系、例えばレトロウイルス、レンチウイルス、アデノウイルス、ヘルペスウイルスなどをベースとした発現系を使用することができる。   Various host-expression vector systems can be utilized to express the gene coding sequence. Expression constructs include promoters derived from the genome of mammalian cells (eg, metallothionein promoter, elongation factor promoter, actin promoter, etc.), promoters derived from mammalian viruses (eg, adenovirus late promoter, vaccinia virus 7.5K promoter, SV40 late) Promoter, cytomegalovirus, etc.). In mammalian host cells, a number of viral-based expression systems can be used, such as expression systems based on retroviruses, lentiviruses, adenoviruses, herpesviruses, and the like.

遺伝子全体、すなわちこの遺伝子の開始コドンおよび隣接した配列を含む遺伝子全体を適当な発現ベクターに挿入する場合、標的細胞で発現させるためにさらに翻訳制御シグナルが必要になることはない。しかし、遺伝子コード配列の一部のみを挿入する場合には、おそらくはATG開始コドンを含む外来の翻訳制御シグナルを用いる必要がある可能性がある。さらに、開始コドンは所望のコード配列のリーディングフレームと一致させて、挿入物全体が確実に翻訳されるようにする必要がある。これらの外来の翻訳制御シグナルおよび開始コドンは、天然および合成の双方を含め、各種の起源のものとすることができる。発現効率は、適当な転写エンハンサー因子、転写ターミネータなどを含ませることによって上昇させることができる(Bittnerら, 1987, Methods in Enzymol. 153:516-544を参照のこと)。   If the entire gene, ie the entire gene including the start codon of this gene and adjacent sequences, is inserted into a suitable expression vector, no additional translational control signals are required for expression in the target cell. However, if only a part of the gene coding sequence is inserted, it may be necessary to use an exogenous translational control signal, possibly including the ATG start codon. In addition, the start codon must match the reading frame of the desired coding sequence to ensure that the entire insert is translated. These exogenous translational control signals and initiation codons can be of a variety of origins, both natural and synthetic. Expression efficiency can be increased by including appropriate transcription enhancer factors, transcription terminators, etc. (see Bittner et al., 1987, Methods in Enzymol. 153: 516-544).

トランスフェクションを高い効率(例えば、細胞の約80〜100%)で行いうる技術を使用すれば、選択性のマーカーを使用してトランスフェクトした細胞を同定する必要性を回避できる。こうした技術としては、アデノウイルスによる感染(例えば、Wrighton、1996, J. Exp. Med. 183: 1013; Soares, J. Immunol., 1998、161: 4572; Spiecker, 2000, J. Immunol 164: 3316; およびWeber, 1999, Blood 93: 3685を参照のこと)、およびレンチウイルスによる感染(例えば、国際特許出願第000600号または第9851810号)が挙げられる。他の重要なベクターとしてはレンチウイルス・ベクターが挙げられる。例として、Barry ら (2000) Hum Gene Ther 11(2):323-32;およびWangら (2000) Gene Ther 7(3):196-200を参照されたい。   Using techniques that can perform transfection with high efficiency (eg, about 80-100% of the cells) avoids the need to identify transfected cells using selectable markers. Such techniques include infection with adenovirus (e.g., Wrighton, 1996, J. Exp. Med. 183: 1013; Soares, J. Immunol., 1998, 161: 4572; Spiecker, 2000, J. Immunol 164: 3316; And Weber, 1999, Blood 93: 3685), and infection with lentiviruses (eg, International Patent Application No. 000600 or 9851810). Other important vectors include lentiviral vectors. See, for example, Barry et al. (2000) Hum Gene Ther 11 (2): 323-32; and Wang et al. (2000) Gene Ther 7 (3): 196-200.

態様によっては、例えばトランスフェクト細胞の非トランスフェクト細胞に対する影響について調べようとする場合や、または複数のトランスフェクト細胞から検出される信号のために単一細胞の正確な画像化が困難である場合のように、トランスフェクション効率が低いことが望ましい場合もある。低トランスフェクション効率は、トランスフェクトした細胞の約25%、20%、10%、または5%未満、場合によっては約1%未満であってもよい。本発明の画像化システムおよび方法を使用すると、迅速な同定および、同じ細胞の再同定を行うことができるので、遺伝物質の標的細胞に対する影響を評価するにあたってトランスフェクション効率は重要ではない。   In some embodiments, for example, when trying to examine the effects of transfected cells on non-transfected cells, or when it is difficult to accurately image a single cell due to signals detected from multiple transfected cells In some cases, it may be desirable to have low transfection efficiency. The low transfection efficiency may be less than about 25%, 20%, 10%, or 5%, and in some cases less than about 1% of the transfected cells. Since the imaging system and method of the present invention can be used for rapid identification and re-identification of the same cells, transfection efficiency is not critical in assessing the effect of genetic material on target cells.

以下の変形例は、当業者に対して本発明の利用のしかたについて完全に開示および記載するために挙げたものであって、本発明者が発明であるとみなす範囲がこれらの実施例によって限定を意図するものではなく、かつこれらの実施例は、以下の実験が行った実験の全てであるか、または以下の実験のみが行われたことを示すものでもない。使用した数字(例えば、長さ、量、温度など)についてはなるべく正確を期したが、いくつかの実験誤差や偏りが包含されている可能性を排除するものではない。特記しないかぎり、部は重量部、分子量は重量平均分子量、温度は摂氏、圧力は大気圧または大気圧付近である。   The following modifications are given for the complete disclosure and description of how to use the present invention to those skilled in the art, and the scope of what the present inventors regard as the invention is limited by these examples. And these examples are not all of the experiments performed below, nor do they indicate that only the following experiments were performed. The numbers used (eg, length, quantity, temperature, etc.) have been made as accurate as possible, but this does not exclude the possibility of some experimental errors and bias being included. Unless indicated otherwise, parts are parts by weight, molecular weight is weight average molecular weight, temperature is in degrees Centigrade, and pressure is at or near atmospheric.

変形例1:対物レンズの開口数に関する変形例
開口数の低い対物レンズを併用するという変形例について述べる。開口数を下げると視野の深さが増し、Z軸方向の位置がより広い範囲に分布する対象物が画像内で焦点が合ったままとどまった。例えば、低倍率、低開口数の対物レンズ(例えば、4倍で、開口数が0.13の対物レンズ)の場合、24ウェル・プレートのウェルの中央で1回で焦点を合わせれば、さらに焦点を合わせ直さなくても、顕微鏡の隣接視野をはっきりと画像化する事ができる。この設定は、低倍率の各視野に数多くの細胞が含まれるため、ハイスループットな細胞の計数を行う場合に都合が良い。また、この設定では、焦点を合わせ直すことで時間を費やすことなく同一ウェル中の他の視野の像を取得することも可能となる利点が有る。
Modification 1: Modification concerning the numerical aperture of the objective lens
A modification in which an objective lens having a low numerical aperture is used together will be described. Lowering the numerical aperture increased the depth of field of view, and objects with a wider range in the Z-axis direction remained in focus in the image. For example, in the case of an objective lens with a low magnification and a low numerical aperture (for example, an objective lens with a magnification of 4 × and a numerical aperture of 0.13), it is possible to focus further by focusing once in the center of the well of a 24-well plate. Even without correction, the adjacent field of view of the microscope can be clearly imaged. This setting is convenient when high-throughput cell counting is performed because many fields are included in each field of view at a low magnification . In addition, this setting has an advantage that it is possible to acquire an image of another field of view in the same well without spending time by refocusing .

開口数が中程度から高めの対物レンズについては別の解決法を開発した。開口数を増やすと(例えば、10倍で開口数が0.30の対物レンズ、20倍で開口数が0.45の対物レンズ、40倍で開口数が0.60の対物レンズ)、視野の深さは、狭め、すなわち浅めとなり、ウェルの周縁部よりはウェルの中央に位置する細胞、例えば、神経細胞のz方向のわずかな位置の差が解像されるようになり、(焦点が、もともとウェルの中央に設定されていたと仮定すると)ウェルの中央に位置する神経細胞のみに、はっきり焦点が合うようになる。   For objective lenses with medium to high numerical aperture, another solution has been developed. Increasing the numerical aperture (e.g., 10x objective lens with 0.30 numerical aperture, 20x objective lens with 0.45 numerical aperture, 40x objective lens with 0.60 numerical aperture) reduces the depth of field, In other words, the difference in the position in the z-direction of cells located in the center of the well, for example, neurons, from the peripheral edge of the well is resolved, and the focal point is originally set at the center of the well. (Assuming they were), only the nerve cells located in the center of the well are clearly focused.

ウェル中の細胞のz方向の位置は、プレート・ホルダー中のマルチウェル・プレートの全体的な傾きによって、主に決定されることも見いだした。この傾きは、プレートをホルダーに載置する各回ごとに、わずかに、予測不能なかたちで変化するものの、プレートがホルダー中にとどまる画像化の各セッション1回についてみれば、プレートの位置はほぼ一定であった。そこで、自動焦点合わせを使用してホルダー中でのプレートの傾斜を経験則に基づいて測定し、次にこの測定値を使用して、ウェルの、すなわちウェル中のx-y方向の正確な位置に応じて、焦点の位置(z方向)を自動的に詳細に調整するプログラムを開発した。このプログラムを用いると、単一ウェル中、または4つの異なるウェルの中央に位置する、x-y方向の異なる4つの位置について、焦点面のz方向の詳細な位置を測定することができる。4つの異なる焦点位置についての正確なx、y、zの値を使用すると、xまたはy方向の変化に伴って生じる焦点面(z方向)の変化を計算することが可能となる。これらの値を自動焦点合わせプログラムに組み込み、各ウェルの中央の位置について焦点面を経験則に基づいて決定して、プログラムが自動的に、同一ウェル中の他のすべての視野についても、焦点位置を自動的に計算できるようにした。この方法によって、開口数の高いレンズを自動取得プログラムと共に使用できるようになり、ウェル全体について正確に焦点を合わせ、顕微鏡の各視野に焦点を合わせ直す場合に要する時間に比べればはるかに短時間で画像を取得できるようになった。   We have also found that the z-direction position of the cells in the well is mainly determined by the overall tilt of the multiwell plate in the plate holder. This tilt changes slightly and unpredictably each time the plate is placed in the holder, but the plate position remains nearly constant for each imaging session where the plate stays in the holder. Met. So, using autofocus, measure the tilt of the plate in the holder based on empirical rules, and then use this measurement to determine the exact position of the well, i.e. in the xy direction in the well A program that automatically adjusts the focus position (z direction) in detail has been developed. With this program, it is possible to measure the detailed position of the focal plane in the z direction for four different x-y positions located in a single well or in the middle of four different wells. Using exact x, y, z values for four different focal positions, it is possible to calculate the focal plane change (z direction) that occurs with changes in the x or y direction. These values are incorporated into the autofocus program and the focal plane is determined empirically for the center position of each well, and the program automatically determines the focus position for all other fields in the same well. Can be calculated automatically. This method allows a high numerical aperture lens to be used with an automatic acquisition program, which is much faster than the time required to accurately focus the entire well and refocus each microscope field of view. Images can now be acquired.

各種波長についての焦点合わせ
異なった波長の蛍光を使用して顕微鏡の同一視野の像を集めるべく試行している工程において、レンズは異なる波長の光を異なる量で屈折させるので、放出された蛍光の波長が異なると、その光によって形成される像の位置が厳密には同じ位置とならないのである。この差は小さいので開口数の低い対物レンズ(例えば、4倍で、開口数が0.13の対物レンズ)の場合には検出されることはなかった。しかし、開口数が増えるとこうした違いも解像されるようになる。したがって、蛍光を用いる方法または装置においては、励起発光フィルターを交換した場合には対物レンズを配置し直して、同じ顕微鏡の視野の焦点をはっきり合わせる必要があった。しかし、本発明の場合、異なる波長の発光を検出するために、対応する異なる波長の励起光を照射する必要が無いので、波長ごとに焦点を調節する必要は実質的に無くなった。
Focusing on different wavelengths In the process of trying to collect images of the same field of view of the microscope using different wavelengths of fluorescence, the lens refracts different wavelengths of light in different amounts, so If the wavelengths are different, the position of the image formed by the light is not exactly the same position. Since this difference is small, it was not detected in the case of an objective lens having a low numerical aperture (for example, an objective lens having a magnification of 4 and a numerical aperture of 0.13). However, as the numerical aperture increases, these differences are resolved. Therefore, in the method or apparatus using fluorescence, when the excitation emission filter is replaced, it is necessary to rearrange the objective lens to clearly focus the field of view of the same microscope. However, in the case of the present invention, there is no need to irradiate corresponding excitation light of different wavelengths in order to detect light emission of different wavelengths, so that it is substantially unnecessary to adjust the focus for each wavelength.

透過光を用いた自動焦点合わせによって決定された焦点面を、発光画像の位置を決定する際の基準としても用いることもできる。すなわち、透過光により得た焦点面をから相対的に固定された距離に位置させるようにすればよい。このとき、各種の発光成分について、基準焦点面に対する焦点面の位置を経験則に基づいて決定し、その後、コンピュータが発光検出用の光学フィルターを交換すると共に、適当な補償を自動的に導入するようなプログラムを実行することができる。 The focal plane determined by automatic focusing using transmitted light can also be used as a reference when determining the position of the luminescent image . In other words, the focal plane obtained by the transmitted light may be positioned at a relatively fixed distance . At this time, the position of the focal plane with respect to the reference focal plane is determined based on an empirical rule for various emission components , and then the computer replaces the optical filter for detecting the emission and automatically introduces appropriate compensation. Such a program can be executed.

変形例2:正確でハイスループットな画像の取得
取得プログラムを、プレートホルダーからプレートをはずさずに同じプレートに関して2回実施した場合には、得られる2枚の画像は、顕微鏡の視野がほとんど同一のものであった。しかし、画像化工程間にプレートを一度はずして載置し直した場合、画像の顕微鏡視野の内容は、部分的に重複しているのみであった。前者の場合には同一の顕微鏡視野が得られるのに対し、後者の場合には得られないことからは、ステージの動きが極めて精密であるのに対し、ホルダー内でのプレートの位置は変化しやすいことが示唆された。プレートホルダー内でプレートの位置を固定する試みは、実用的とはいいがたく、基本的に効果がなかった。
Variant 2: When the acquisition and acquisition program for accurate and high-throughput images is executed twice for the same plate without removing the plate from the plate holder, the two images obtained have almost the same field of view of the microscope. It was a thing. However, when the plate was removed once and placed between the imaging steps, the contents of the microscopic field of the image only partially overlapped. In the former case, the same microscopic field is obtained, but in the latter case, the stage movement is extremely precise, whereas the position of the plate in the holder changes. It was suggested that it was easy. Attempts to fix the position of the plate within the plate holder were not practical, and were basically ineffective.

この問題はむしろ、画像取得プログラムの動作をプレート自体の内部照合ポイントと関連づける単純なプログラムを開発することによって解決した。例えば、マルチウェル・プレートには、製造業者によっては、プレートの下側の各ウェルに隣接して文字や数字の記号がスタンピングされているものがある。こうしたスタンプの一つを本発明者らのプログラムの基準マークとして使用した。このプログラムでは、ステージをこの基準マークの位置が画像化されるように移動し、自動焦点合わせを行い、その後このマークの照合画像を取得する。取得プログラムの他のすべての点をこの照合マークと関連づける。プレートが次の画像化工程に備えてプレートホルダーに戻った際にプレートを配置し直し、基準マークの位置を前回の取得工程に合わせて戻し、その後取得プログラムを実施する。   Rather, this problem was solved by developing a simple program that associates the operation of the image acquisition program with the internal verification points of the plate itself. For example, some multi-well plates are stamped with letters and numeric symbols adjacent to each well below the plate, depending on the manufacturer. One such stamp was used as a reference mark in our program. In this program, the stage is moved so that the position of the reference mark is imaged, automatic focusing is performed, and then a collation image of the mark is acquired. Associate all other points of the acquisition program with this reference mark. When the plate returns to the plate holder in preparation for the next imaging step, the plate is repositioned, the reference mark position is returned to the previous acquisition step, and then the acquisition program is executed.

変形例3:個々の神経細胞の生存状態のモニタリング
顕微鏡の同じ視野に一定間隔をおいて定期的に正確に戻り、かつ個々の神経細胞の生存状態をモニターすることが可能となった結果、データ分析の自由度が増している。例えば、低倍率の対物レンズ使用して(この分析では、視野、すなわち画像内の細胞数が多いので、本明細書では「集団ベースの」分析と称する)、または高倍率を使用して(この分析では、視野、すなわち画像内の細胞数が少ないので、本明細書では「単一細胞ベースの」分析と称する)得たデータの分析結果に、十分に確立された手法であるカプラン-マイヤー分析を適用して、Aktの生存促進作用を定量化することができる。
Variant 3: Monitoring of the survival state of individual neurons As a result of being able to accurately return to the same visual field of the microscope at regular intervals at regular intervals and monitoring the survival state of individual neurons, data The degree of freedom of analysis is increasing. For example, using a low magnification objective lens (this analysis is referred to herein as a “population-based” analysis because of the large number of cells in the field of view, ie the image), or using high magnification (this In analysis, the field of view, i.e., the number of cells in the image, is referred to herein as a “single cell-based” analysis). Kaplan-Meier analysis is a well-established technique for analyzing the data obtained. Can be applied to quantify the survival promoting effect of Akt.

集団ベースの分析に使用する低倍率(4×)では、視野あたり、約50〜500個の神経細胞(例えば、1視野あたり、約100〜約400個、約150〜350個、または約300個の神経細胞)が観察された。単一細胞ベースの分析は神経細胞内の変化(例えば、封入体の形成、樹状突起の形状の変化など)についての空間解像が可能な倍率である高めの倍率(20×)で実施し、この倍率では視野あたり約10〜100個の神経細胞(1視野あたり約15〜約75個、約20〜50個、または約30個の神経細胞)を観察することができた。単一細胞ベースの分析はこの実施例では長期的に追跡した(すなわち、所定の選択した期間にわたって所定の選択した回数だけ画像を取得)3つのランダムな画像の全神経細胞を分析することによって実施した。カプラン-マイヤー分析(この分析は基本的に個々の対象についての長期分析である)を適用することは正当であり、これは各回とも顕微鏡の同じ視野に戻り、戻るまでの時間に消失した個々の神経細胞の数を「推測」しているからである。   At low magnification (4x) used for population-based analysis, about 50 to 500 neurons per field (e.g., about 100 to about 400, about 150 to 350, or about 300 per field) Of neurons) was observed. Single cell-based analysis is performed at a higher magnification (20x), which is the magnification that allows spatial resolution of changes in neurons (e.g., inclusion body formation, dendritic shape changes, etc.). At this magnification, about 10 to 100 neurons (about 15 to about 75, about 20 to 50, or about 30 neurons per field) could be observed. Single cell-based analysis was performed in this example by analyzing all neurons in three random images that were tracked over time (i.e., acquired a predetermined number of times over a predetermined selected period). did. It is justified to apply Kaplan-Meier analysis (this analysis is basically a long-term analysis for an individual subject), which returns to the same field of view of the microscope each time and disappears in the time to return. This is because it “guesses” the number of nerve cells.

自動化分析を、まず特定の視野を選択し、各測定間隔をおいて視野内の神経細胞の数をモニターするために使用した。これらの神経細胞は有糸分裂後であったので、特定の時点での視野内の神経細胞の数をその視野内の以前の神経細胞の数から差し引いて、介在期間のある時点で死滅した神経細胞の数を推定した。生存分析という目的上および便宜上、非観察期間中に死んだ神経細胞については、トランスフェクションを行ってから最初に画像から消滅するまでの時間を細胞死が生じた時間とした。   Automated analysis was used to first select a specific field and monitor the number of neurons in the field at each measurement interval. Since these neurons were post-mitotic, the number of neurons in the visual field at a particular point in time was subtracted from the number of previous neurons in that visual field to kill the neurons that died at some point in the intervening period. The number of cells was estimated. For the purposes of survival analysis and convenience, for neurons that died during the non-observation period, the time from the transfection to the first disappearance from the image was defined as the time at which cell death occurred.

本発明を特定の態様に言及しつつ記載したが、当業者であれば、本発明の真の精神と範
囲から逸脱することなく各種の変更を加え、かつ等価物を置換することができることを理
解するはずである。当業者であれば、本発明の真の精神と範囲から逸脱することなく各種
の変更を加え、かつ等価物を置換することができることを理解するはずである。また、多
くの改変を加えることによって、特定の状況、材料、物質の組成、方法、その方法の工程
を、本発明の目的、精神、範囲に適合させることができる。こうした改変は、いずれも本
明細書に添付した特許請求の範囲の範囲に含まれる。本発明の範囲は以下の特許請求の範
囲の文字どおりの範囲または公正な範囲によってのみ限定される。
Although the invention has been described with reference to particular embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications can be made and equivalents can be substituted without departing from the true spirit and scope of the invention. Should do. Those skilled in the art will appreciate that various modifications can be made and equivalents can be substituted without departing from the true spirit and scope of the invention. Many modifications can be made to adapt a particular situation, material, composition of matter, method, and process steps to the objective, spirit, and scope of the present invention. All such modifications are within the scope of the claims appended hereto. The scope of the invention is limited only by the literal or fair scope of the following claims.

さらに、発明者は、同一シャーレ内で培養された複数の細胞において、遺伝子発現の変動パターンが異なることも発見した。さらに、発明者が追究した光学的条件によれば、撮像装置の対物レンズを開口数(NA)/投影倍率(β)の2乗で表される光学的条件が0.071以上である場合に、1〜5分以内で画像化でき、画像解析も可能な細胞画像を提供できること突き止めた。これらの発光画像を蓄積型の撮像装置により顕微鏡観察する発光解析システムを発光顕微鏡と呼ぶこととする。発光顕微鏡は、好ましくは遮光のための開閉蓋(ないし開閉窓)を具備する遮光手段を有し、この遮光手段の開閉によって必要な生体試料をセットまたは交換するようになっている。目的に応じて、生体試料を収容する容器に対して化学的ないし物理学的刺激を行なう操作を手動ないし自動で行なうようにしてもよい。最良の一形態では、発光顕微鏡は公知または独自の培養装置を搭載いる。培養装置は、長期間のシステム内での解析を可能にするように、温度、湿度、pH、外気成分、培地成分、培養液成分を最適に維持する機能を備えている。 Furthermore, the inventor has also found that the variation pattern of gene expression is different among a plurality of cells cultured in the same petri dish. Further, according to the optical condition investigated by the inventor, when the optical condition expressed by the square of the numerical aperture (NA) / projection magnification (β) of the objective lens of the imaging apparatus is 0.071 or more. It was found that a cell image that can be imaged within 1 to 5 minutes and can be analyzed is provided. A light emission analysis system that observes these light emission images with a storage-type imaging device under a microscope is called a light emission microscope. The light emission microscope preferably has a light shielding means having an opening / closing lid (or an opening / closing window) for shielding light, and a necessary biological sample is set or exchanged by opening / closing the light shielding means. Depending on the purpose, an operation for chemically or physically stimulating a vessel containing a biological sample may be performed manually or automatically. In the best mode, the luminescence microscope is equipped with a known or unique culture device. The culture apparatus has a function of optimally maintaining the temperature, humidity, pH, outside air component, medium component, and culture solution component so as to enable analysis in the system for a long period of time.

発光試料の元となる生物学的材料は、例えば、真核動物、シアノバクテリア由来の細胞または組織が挙げられる。医学用途において、哺乳類、とくひヒトにおける検査すべき部位からバイオプシーにより切除した細胞を含む試料がとくに例示される。再生医療においては、少なくとも一部が人工的に改良ないし合成された生体試料であって、生物学的活性を良好に維持するかどうかを検査する目的に利用できる。他の一面において、本発明のアッセイ対象は、動物由来の細胞または生体組織に限らず、植物や昆虫由来の細胞または生体組織であったもよい。菌、ウイルスにおいては、従来のルミノメータでは実行されなかった容器内の部分ごとの解析が対象となり得る。ルミノメータではウエルまたはシャーレ等の容器内に無数の試料(例えば1ウェル当り100万個以上)を重積することで強大な発光量を迅速に得るようにしている。本発明では、肉眼では全く見えない個々の発光試料の画像を生成するので、個々の細胞が識別できる程度の密度で容器内に収容しても、個別の細胞ないし生体組織を解析できる。このような個別の解析は、発光している細胞だけを統計的に合計したり平均化する解析方法を含んでいる。これにより、細胞1個当りの正確な相互作用に関する評価が行なえる。また、多数の混在する発光試料において、同様の発光量ないし発光パターンを有する細胞群ないし組織領域を識別することが可能となる。   Examples of the biological material from which the luminescent sample is derived include cells or tissues derived from eukaryotes and cyanobacteria. In medical use, a sample containing cells excised by biopsy from a site to be examined in mammals, especially humans is particularly exemplified. In regenerative medicine, at least a part of an artificially modified or synthesized biological sample can be used for the purpose of examining whether biological activity is maintained well. In another aspect, the assay subject of the present invention is not limited to cells or biological tissues derived from animals, but may be cells or biological tissues derived from plants or insects. In the case of bacteria and viruses, the analysis of each part in the container that has not been performed by a conventional luminometer can be targeted. In a luminometer, an infinite number of samples (for example, 1 million or more per well) are stacked in a container such as a well or a petri dish to quickly obtain a strong light emission amount. In the present invention, since an image of each luminescent sample that cannot be seen with the naked eye is generated, individual cells or biological tissues can be analyzed even if they are contained in a container at a density that allows individual cells to be identified. Such individual analysis includes analysis methods in which only luminescent cells are statistically summed or averaged. Thereby, the evaluation regarding the exact interaction per cell can be performed. In addition, in a large number of mixed luminescent samples, it becomes possible to identify cell groups or tissue regions having the same luminescence amount or luminescence pattern.

第1の実施形態に関する用語の補足説明および変形例
サンプル1を収容する試料容器としては、シャーレ、スライドガラス、マイクロプレート、フローセルが挙げられる。ここで、容器底面は、光透過性の材料(ガラス、プラスチックなど)であるのは勿論のこと、2次元的データが得られやすいように、幅広(ないし扁平)な底面を有する容器であるのがさらに好ましい。複数の収容部分を一体化したウェルやキュベットにおいては、各収容部分の仕切り部分が遮光性の材料ないし染料で全面的に成形するのが好ましい。また、シャーレ等の上部開口を有する容器については、蒸発防止用のフタを覆い被せるのが好ましく、さらにフタの内面が反射防止用の被膜ないし染色を施すのがS/N比を向上させる上で好ましい。このような硬質のフタの代わりに、容器内の試料の上面にミネラルオイルのような液状のフタを配置するようにしてもよい。試料容器を載置するための試料ステージを、必要に応じて一般の顕微鏡装置のように、別の撮像用の視野に変更するために、X軸方向およびY軸方向に移動させるようにしてもよい。
Supplementary explanations of terms relating to the first embodiment and modified sample Sample containers containing the sample 1 include a petri dish, a slide glass, a microplate, and a flow cell. Here, the container bottom is a container having a wide (or flat) bottom so that two-dimensional data can be easily obtained as well as a light-transmitting material (glass, plastic, etc.). Is more preferable. In a well or cuvette in which a plurality of storage portions are integrated, it is preferable that the partition portion of each storage portion is formed entirely with a light-shielding material or dye. In addition, for containers having an upper opening such as a petri dish, it is preferable to cover the evaporation prevention lid, and the inner surface of the lid is coated with an antireflection coating or dyeing in order to improve the S / N ratio. preferable. Instead of such a hard lid, a liquid lid such as mineral oil may be arranged on the upper surface of the sample in the container. The sample stage on which the sample container is placed may be moved in the X-axis direction and the Y-axis direction in order to change to another field of view for imaging as required by a general microscope device. Good.

対物レンズ2は、サンプル1の下方に倒立形式で配置してもよい。対物レンズ2は、生きた発光試料を培養条件のような恒温環境で安定に機能するように適宜の加熱手段(ペルチェ素子、温風ヒーターなど)により加熱してもよい。対物レンズ2は、さらに、光軸方向であるZ軸方向に駆動(図では上下方向)するようにしてもよい。機構9が備えられており、対物レンズ15をZ軸(光軸方向)に沿って自動的に駆動する。対物レンズのZ軸駆動機構としては、ラックピニオン機構やフリクションローラー機構が例として挙げられる。   The objective lens 2 may be arranged in an inverted form below the sample 1. The objective lens 2 may be heated by appropriate heating means (such as a Peltier element or a warm air heater) so that the living luminescent sample functions stably in a constant temperature environment such as culture conditions. The objective lens 2 may be further driven in the Z-axis direction that is the optical axis direction (vertical direction in the figure). A mechanism 9 is provided to automatically drive the objective lens 15 along the Z-axis (optical axis direction). Examples of the Z-axis drive mechanism of the objective lens include a rack and pinion mechanism and a friction roller mechanism.

また、対物レンズ2は、所望の倍率に応じて適宜、油浸式にすることができる。また、どの倍率を選択するかは、評価(ないし解析)すべき試料のサイズに応じて任意に設定する。具体的には、細胞や組織を観察できる程度の低倍率(例えば5倍から20倍)や細胞内または細胞外の微小物質を観察できる程度の高倍率(例えば40倍〜100倍)であり得る。   Further, the objective lens 2 can be appropriately oil-immersed according to a desired magnification. Which magnification is selected is arbitrarily set according to the size of the sample to be evaluated (or analyzed). Specifically, the magnification can be low enough to observe cells and tissues (for example, 5 to 20 times) or high enough to observe minute substances inside or outside the cells (for example, 40 to 100 times). .

モニタ5は、発光試料の画像情報を動画で表示する構成を具備することにより、1以上の所望の細胞に関する活性の変化をリアルタイムな映像でもって観察するような解析方法を提供するのがこ好ましい。これにより、細胞単位または組織単位での発光の様子を臨場感有る映像でもって、時系列で観察することが可能となる。   The monitor 5 is preferably provided with an analysis method for observing a change in activity relating to one or more desired cells with a real-time image by providing a configuration in which image information of the luminescent sample is displayed as a moving image. . Thereby, it becomes possible to observe the state of light emission in the cell unit or the tissue unit in time series with a realistic image.

本発明において、時系列で観察するための方法および装置は、必要とする装置構成を制御したり連携するためのソフトウェアまたは該ソフトウェアを特徴づけるコンピュータプログラムの形態で提供されてもよい。また、本発明の方法または装置を装置と同一ないし別個に配置されたデータベースと電気的に接続することにより、画像容量ないし解析情報量に制限されることなく、高速で且つ信頼性と質の高い解析結果を提供することが可能になる。   In the present invention, the method and apparatus for observing in time series may be provided in the form of software for controlling or coordinating the required apparatus configuration or a computer program characterizing the software. In addition, by electrically connecting the method or apparatus of the present invention to a database arranged identically or separately from the apparatus, it is fast and reliable and high quality without being limited by image capacity or analysis information amount. Analysis results can be provided.

本発明においては、化学的励起試薬としての基質溶液による発光(冷光)を用いることにより、検出工程において励起光照射のための構成を不要にする。さらに顕微鏡を用いた観察において、肉眼で見えないような微弱光を発する発光試料に対して、高開口数の対物レンズを用いることにより、液体窒素を用いた極低温(例えば−30〜−60℃)の冷却を必要とするような大型且つ高コストな超冷却CCDを採用することなく、高速に画像化できるようにした。具体的には、高開口数(高NA)で且つ対象物を観察視野内に含むような投影倍率を有する対物レンズと、弱低温(例えば−5℃かそれ以上の高温)で、たかだか室温(ないし装置内温度)付近で、連続的に機能し得る撮像素子(CCD、CMOSなど)と、対象物を画像生成に適した位置に保持する保持手段と、これら対物レンズ、撮像素子、保持手段をハウジングして画像生成時の遮光を保障するための遮光手段とを主要な構成として具備する。CCDが小型で且つ弱低温で制御できる場合、トータルシステムとしてコンパクトであり、同じハウジング内に全ての構成要素を収容しても、机上で見下ろせるような高さに設計することも可能である。従って、本発明を具現化した装置は、非常に小型で低コストの商品となる。小型化することにより、装置内空間も小体積となるので装置内の生物学的環境(温度、湿度、エアー成分)の条件を培養や微量反応に適したレベルに調節し易くなり、さらなる低コストと高い信頼性を有するという利点もある。また、装置全体の高さを低くすることにより、発光試料の出し入れや収容済みの試料に対する薬剤の分注のような刺激処理を、装置の上部から適宜の開閉窓ないし開閉カバーを介して簡単に行なえる。 In the present invention, by using light emission (cold light) from a substrate solution as a chemical excitation reagent, a configuration for irradiation with excitation light is not required in the detection step. Furthermore, in observation using a microscope, a cryogenic temperature (for example, −30 to −60 ° C.) using liquid nitrogen is obtained by using an objective lens having a high numerical aperture for a luminescent sample that emits weak light that cannot be seen with the naked eye. It is possible to perform high-speed imaging without employing a large-sized and high-cost super-cooled CCD that requires cooling. Specifically, an objective lens having a high numerical aperture (high NA) and a projection magnification that includes an object in the observation field, and a low temperature (for example, a high temperature of −5 ° C. or higher) at room temperature ( Or an image sensor (CCD, CMOS, etc.) that can function continuously in the vicinity of the temperature within the apparatus), holding means for holding the object in a position suitable for image generation, and these objective lens, image sensor, and holding means. A light shielding means for ensuring light shielding at the time of image generation is provided as a main component. When the CCD is small and can be controlled at a low temperature, it is compact as a total system, and even if all the components are housed in the same housing, it can be designed to have a height that can be looked down on a desk. Therefore, an apparatus embodying the present invention is a very small and low cost product. By downsizing, the space inside the device also becomes small, so it becomes easier to adjust the conditions of the biological environment (temperature, humidity, air components) in the device to a level suitable for culturing and trace reactions, further reducing costs There is also an advantage of having high reliability. In addition, by reducing the overall height of the device, it is possible to easily perform stimulation processing such as taking in and out of luminescent samples and dispensing of chemicals to the stored samples from the top of the device through appropriate opening / closing windows or opening / closing covers. Yes.

他方、本発明は、光走査を行なわずに多数のピクセル(好ましくは多画素数)で画像生成する方法および装置を提供する。生成された画像の画像解析において、細胞を解析するような画像解析ソフトウエアも本発明の一部として、単独、ないし発光顕微鏡とのトータルシステムとして産業利用可能な製品を提供できる。   On the other hand, the present invention provides a method and apparatus for generating an image with a large number of pixels (preferably a large number of pixels) without performing optical scanning. In the image analysis of the generated image, image analysis software for analyzing cells can be provided as a part of the present invention, which can be used industrially as a single system or as a total system with a light emission microscope.

以下のハイスループット撮像装置に関する説明もまた、本発明として単独ないし、以上の説明に記載された発明との組合せとして含まれる。但し、下記に示す内容が共有出来る他の方法または装置については、以下の説明の範囲において、本発明の要旨に限定されず、分割可能な発明の記載を含んでいる。 The following description regarding the high-throughput imaging apparatus is also included as a single aspect of the present invention or in combination with the invention described in the above description. However, other methods or apparatuses that can share the following contents are not limited to the gist of the present invention within the scope of the following description, and include descriptions of dividable inventions.

ハイスループット撮像装置の技術分野について
本発明は1以上の生物学的試料に設定された多数の撮像領域をタイムラプスにより撮像する撮像装置に関し、特にハイスループットな撮像を可能するためのハイスループット撮像装置に関する。また、本発明は、このような撮像装置の機能を行わせるプログラムを含んでいるソフトウェアに関する。本発明は、生命体由来の細胞などの生物学的試料の生物学的活性を多数効率良く検査するような研究ないし臨床用途に適している。
Technical field of high-throughput imaging equipment
The present invention relates to an imaging apparatus that images a large number of imaging regions set in one or more biological samples by time lapse, and more particularly to a high-throughput imaging apparatus that enables high-throughput imaging. The present invention also relates to software including a program for performing the function of such an imaging apparatus. The present invention is suitable for research or clinical use in which many biological activities of biological samples such as cells derived from living organisms are efficiently examined.

ハイスループット撮像装置の背景技術について
生物は高度な複雑性を持つため、構造や機能を理解するのは容易なことではない。そのため、近年生命現象を再現できる最小単位である細胞、つまり培養細胞を用いた単純な実験系が用いられている。培養細胞を用いることで、ホルモンの応答などの解析が生体内の他要因による影響を受けることのない実験が可能となる。つまり遺伝子の導入や阻害により遺伝子の機能解析を行うことが可能となる。
Background art of high-throughput imaging devices Since organisms have a high degree of complexity, it is not easy to understand the structure and function. For this reason, in recent years, a simple experimental system using cells that are the smallest unit capable of reproducing life phenomena, that is, cultured cells, has been used. By using cultured cells, it is possible to conduct experiments in which the analysis of hormone responses and the like is not affected by other factors in the living body. In other words, it is possible to analyze the function of a gene by introducing or inhibiting the gene.

細胞を培養するためには、生体内を真似た環境を用いる必要がある。そのため温度は体温の37℃とし、また細胞間液を真似た培地が用いられる。培地にはアミノ酸などの栄養源の他に、PH調整のための炭酸バッファーが含まれる。炭酸バッファーは5%という高い分圧の炭酸ガスを含む空気の存在下で平衡状態になり、デッシュなどの開放系の培養に利用される。また培地から水分の蒸発を防ぐため、95〜100%の高湿度の環境が要求される。   In order to culture cells, it is necessary to use an environment that mimics the living body. Therefore, the temperature is set to 37 ° C., which is a body temperature, and a medium simulating an intercellular fluid is used. In addition to nutrient sources such as amino acids, the medium contains a carbonate buffer for pH adjustment. The carbonate buffer is in an equilibrium state in the presence of air containing carbon dioxide with a partial pressure as high as 5%, and is used for culture in an open system such as a dish. Moreover, in order to prevent water from evaporating from the culture medium, a high humidity environment of 95 to 100% is required.

細胞の培養には上記環境条件を備えた炭酸ガスインキュベータが用いられる。さらに、細胞の状態観察には位相差顕微鏡や微分干渉顕微鏡、GFPなどの発現観察には蛍光顕微鏡が用いられる。また、顕微鏡画像の撮影および表示にはCCDカメラとコントローラ(パソコン)が用いられ、これらを組合せた培養顕微鏡が提案されている(特許文献;特開2003−29164)。   A carbon dioxide incubator having the above environmental conditions is used for cell culture. Furthermore, a phase contrast microscope, a differential interference microscope, and a fluorescence microscope are used for expression observation of GFP for cell state observation. In addition, a CCD camera and a controller (personal computer) are used for taking and displaying a microscope image, and a culture microscope in which these are combined has been proposed (Patent Document: JP 2003-29164 A).

ハイスループット撮像装置に係る解決すべき課題について
培養している細胞を長時間または長期的に顕微鏡で観察する場合、タイムラプス観察方式で行われ時系列的に画像を取得している。タイムラプスとは一定間隔の時間で試料の撮影、画像の保存を行い、長時間かけて変化する細胞の状態を確認しやすくするために用いられる。例えば、始めに細胞1個を所要撮影時間(カメラの露出時間)で1回撮影し、その後1時間毎に1回ずつ撮影し続け24時間撮影すれば25枚の画像を取得できる。これらを撮影したあと連続的に再生すれば1時間ごとの細胞の変化を容易に確認することができる。撮影間隔を例えば30分、15分と短くすれば動きの速い細胞の観察も行える。
When observing cells cultured in a long-term or long-term with a microscope for problems to be solved related to the high-throughput imaging apparatus, images are acquired in a time series using a time-lapse observation method. Time lapse is used to make it easy to check the state of cells that change over a long period of time by taking a sample and storing an image at regular intervals. For example, if one cell is first photographed for the required photographing time (camera exposure time) and then taken once every hour for 24 hours, 25 images can be acquired. If these are photographed and then played back continuously, changes in cells every hour can be easily confirmed. If the imaging interval is shortened to 30 minutes or 15 minutes, for example, fast-moving cells can be observed.

また、細胞を複数箇所観察したい場合は、顕微鏡に付随する電動ステージを用い目的の場所に顕微鏡または試料を移動し観察を行っている。観察位置への移動はタイムラプスと同期して行っている。このような複数の観察位置を順次観察するタイムラプスを多点タイムラプスという。なお、上述した本発明の発光撮像方法および発光撮像装置によれば、独自に究明された明るい開口数の対物レンズを採用することによって、従来よりも顕著に短時間(例えば30分の1以下の所要時間)で発光画像を生成できるので、5〜20分単位、好適条件では5分未満、最短で約1分単位の微弱光画像による時系列評価が実現する。このことは、従来、肉眼で観察できるような輝度の蛍光画像に対して、肉眼で見えないような発光画像を代替ないし連携させることと可能とし、高速な反応ないし生体分子の動態の解析にも利用できるという画期的技術を提供するものである。発光画像を得るには、励起光を必要としないので、概日リズムのような光感受性試験は勿論のこと、生物材料への過度な刺激ないしダメージを無くして正確かつ長期安定な解析を実現する。再生医療においては、発光画像による解析により、何ら生物学的ダメージを受けていない生体材料を用いた治療、診断、創薬等の医学利用が可能であるという可能性を有する。   When it is desired to observe a plurality of cells, the microscope or sample is moved to a target location using an electric stage attached to the microscope. The movement to the observation position is performed in synchronization with the time lapse. Such a time lapse for sequentially observing a plurality of observation positions is called a multi-point time lapse. In addition, according to the light emission imaging method and the light emission imaging device of the present invention described above, by adopting an objective lens with a bright numerical aperture that has been uniquely investigated, a significantly shorter time (for example, 1/30 or less) than in the past. The time-series evaluation can be realized with a weak light image in units of 5 to 20 minutes, less than 5 minutes under suitable conditions, and about 1 minute at the shortest. This makes it possible to replace or link a luminescent image that cannot be seen with the naked eye to a fluorescent image with a luminance that can be observed with the naked eye, and also to analyze the dynamics of biomolecules at high speed. It provides a breakthrough technology that can be used. In order to obtain a luminescent image, no excitation light is required, so of course not only photosensitivity tests such as circadian rhythm, but also accurate and long-term analysis without excessive stimulation or damage to biological materials. . In regenerative medicine, there is a possibility that medical use such as treatment, diagnosis, drug discovery, etc. using a biomaterial that has not received any biological damage is possible by analysis using a luminescent image.

しかしながら、タイムラプスによる撮像を多数の細胞について行おうとすると、最初に撮像した細胞と最後に撮像した細胞とで少なからず有意な時間差が生じる場合がある。有意な時間差は、細胞同士の比較を行う場合にしばしば致命的である。また、任意に指定した複数の細胞について時間差が生じないように撮像する有効な方法は知られていない。従来は、複数の細胞について順次に撮像を行うように撮像間隔を手作業で変更し、誤動作したら停止して再トライするような対応しか知られていない。とくに、昨今のセルベースアッセイのように、多数の細胞を自動的に解析するシステムにおいては、タイムラプスによる画像を用いるとスループットが激減する可能性がある。 However, when imaging by time lapse is performed for a large number of cells, there is a case where there is a significant time difference between the first imaged cell and the last imaged cell. Significant time differences are often fatal when making cell-to-cell comparisons. In addition, an effective method for imaging so as not to cause a time difference between a plurality of arbitrarily designated cells is not known. Conventionally, there is only known a method of manually changing the imaging interval so that a plurality of cells are sequentially imaged, and stopping and retrying a malfunction. In particular, in a system that automatically analyzes a large number of cells, such as a recent cell-based assay, there is a possibility that the throughput may be drastically reduced by using time-lapse images.

以上のような実情に鑑みて本発明の方法および装置を、タイムラプスの撮影作業を効率的に行うように改良した応用例を以下に説明する。なお、以下に説明するハイスループット撮像装置およびそのためのソフトウェアは、本発明の主旨に基づき、さらなる特許性を有する優れた発明である。ここにおいて、以下に示す発明は、多数の撮像対象からのタイムラプスデータを同時期に得ることが可能なハイスループット撮像装置およびそのためのソフトウェアを提供することを目的とすることができる。   In view of the above circumstances, an application example in which the method and apparatus of the present invention are improved so as to efficiently perform time-lapse shooting work will be described below. Note that the high-throughput imaging apparatus and software therefor described below are excellent inventions having further patentability based on the gist of the present invention. Here, an object of the invention shown below can be to provide a high-throughput imaging apparatus capable of obtaining time-lapse data from a large number of imaging targets at the same time and software for the same.

課題を解決するためのハイスループット撮像装置の手段について
上記目的を達成するために本発明のハイスループット撮像装置は、複数の撮像領域に存在している生物学的試料を撮像して試料画像を取得するための画像取得手段と、前記画像取得手段を制御し、前記撮像領域ごとにタイムラプス・インターバル撮影を行うための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記試料画像の取得に必要な撮像時間と前記撮像領域の数に基づいてインターバル撮影の条件を設定するためのインターバル撮像条件設定手段を有していることを特徴としている。インターバル撮影の条件の一例として、生物学的試料の活性速度ないし反応速度に応じて、タイムラプス条件としての撮像時間を変更することも含まれる。本発明の発光撮像方法および装置によれば、1分〜20分の露光時間ないしそれ以上の時間から適当な露光時間を選択することができる。反応(ないし活性)速度が速い試料については画像解析可能なレベルの発光画像が得られる範囲で最小の露光時間を設定することができる。逆に、反応(ないし活性)速度が遅い試料については画像容量が余分にならない程度に長い露光時間を設定することができる。好ましくは、同一ないし異なる撮像視野において、複数段階の露光時間(例えば、1分、5分、10分、20分、30分の群から2以上の任意の組合せの段階)または連続的時間範囲(例えば、1〜30分の露光時間において、1〜3分単位の分割目盛または無段階で選ばれる任意の露光時間)を設定することによって、試料ごと、ないし試料中の領域(ないし部位)ごとの画像解析を実行できる。さらに、反応(ないし活性)の速度が異なる発光画像において、画像再生手段における再生速度を制御することによって擬似的に類似の速度による動画映像を提供でき、診断などの評価を簡単且つ効率良いものとし、試料ごとに非特異的なばらつきがあった場合にも正確に解析できるので最終的な評価結果を早く出せるという利点もある。また、試料ごとに画像解析可能なレベルの発光画像が得られる範囲で最小の露光時間を設定することができ、解析時間の短縮にも役立ち、スループットを高める。露光時間の選択は、自動でも手動でもよい。
In order to achieve the above object, the high-throughput imaging apparatus according to the present invention captures a biological sample existing in a plurality of imaging regions and obtains a sample image. An image acquisition unit for controlling the image acquisition unit, and a control unit for controlling the image acquisition unit and performing time-lapse interval imaging for each imaging region, and the control unit includes an imaging time required for acquiring the sample image And interval imaging condition setting means for setting an interval imaging condition based on the number of imaging areas. As an example of the conditions for interval imaging, changing the imaging time as the time-lapse condition according to the activity rate or reaction rate of the biological sample is also included. According to the light emission imaging method and apparatus of the present invention, an appropriate exposure time can be selected from an exposure time of 1 minute to 20 minutes or longer. For a sample with a fast reaction (or activity) speed, the minimum exposure time can be set within a range where a luminescent image at a level that allows image analysis is obtained. Conversely, for a sample with a slow reaction (or activity) rate, a long exposure time can be set to such an extent that the image capacity is not excessive. Preferably, in the same or different field of view, a plurality of exposure times (for example, any combination of two or more from the group of 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, 30 minutes) or continuous time ranges ( For example, in an exposure time of 1 to 30 minutes, by setting a division scale in units of 1 to 3 minutes or an arbitrary exposure time selected in a stepless manner, for each sample or for each region (or part) in the sample Perform image analysis. Furthermore, by controlling the playback speed of the image playback means for the luminescent images with different reaction (or activity) speeds, it is possible to provide a moving image with a pseudo-similar speed, making it easy and efficient to evaluate the diagnosis and the like. Also, there is an advantage that the final evaluation result can be obtained quickly because accurate analysis can be performed even when there is non-specific variation for each sample. In addition, a minimum exposure time can be set within a range where a light emission image at a level that allows image analysis can be obtained for each sample, which helps shorten analysis time and increases throughput. The exposure time may be selected automatically or manually.

また、本発明のハイスループット撮像装置は、複数の撮像領域に存在している生物学的試料を異なる画像関連情報を抽出する画像情報抽出手段により撮像して試料画像を取得するための画像取得手段と、前記画像取得手段を制御し、前記撮像領域ごとにタイムラプス・インターバル撮影を行うための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記試料画像の取得に必要な撮像時間と前記画像情報抽出手段の種類に基づいてインターバル撮影の条件を設定するためのインターバル撮像条件設定手段を有していることを特徴としている。このような構成においても、制御手段により設定された撮像条件によって撮像の作業が効率的に実行されるので、多数の撮像領域を短時間で撮像することが可能となる。 Further, the high-throughput imaging apparatus of the present invention is an image acquisition means for acquiring a sample image by imaging a biological sample existing in a plurality of imaging regions by an image information extraction means for extracting different image-related information. And control means for controlling the image acquisition means and performing time-lapse interval imaging for each imaging region, the control means including an imaging time required for acquiring the sample image and the image information extraction means It is characterized by having interval imaging condition setting means for setting the conditions for interval imaging based on the type of the above. Even in such a configuration, since the imaging operation is efficiently executed according to the imaging conditions set by the control means, it is possible to image a large number of imaging regions in a short time.

本発明において「生物学的試料」はあらゆる生命体を対象とすることができ、関心がある生物学的活性を維持可能な状態で適当な保持手段としての容器または生命体に保持することによって、撮像手段に対し撮像すべき撮像領域を提供することができる。ここで、容器は、所望の撮像手段により撮像が可能な状態で試料を保持するあらゆる収容体を含み、具体的にはウェル、シャーレ、スライドチャンバー、キュベットが挙げられる。また、生命体としては、植物、哺乳類、魚類、昆虫類、細菌、ウイルスが挙げられる。生命体が生命を維持している状態で、必要に応じて生命体の一部を撮像可能な状態に処置し、適宜の撮像手段により生命体の撮像領域にアクセスできる場合には、生物学的試料が生命体に保持されていることになる。生物学的試料としては、生命体に由来するあらゆる部分を含むが、好ましくは生物学的な細胞であり、さらに好ましくは発生学的な分裂または増殖が可能な有核細胞である。細胞が異なる機能に分離した複数の器官を構築している生命体については、関心ある生物学的活性を示している任意の器官であってよい。生物学的活性としては、生理学的、遺伝学的、免疫学的、生化学的、血液学的活性のうち1以上の活性であり得る。「複数の撮像領域」は、同一の保持手段に保持された1個以上の生物学的試料、または別々の保持手段にぞれぞれ保持された1種類以上の被撮像部位を意味する。 In the present invention, a “biological sample” can be any living organism, and can be held in a container or living organism as a suitable holding means in a state where the biological activity of interest can be maintained. An imaging region to be imaged can be provided to the imaging means. Here, the container includes any container that holds a sample in a state where imaging can be performed by a desired imaging unit, and specifically includes a well, a petri dish, a slide chamber, and a cuvette. Examples of living organisms include plants, mammals, fish, insects, bacteria, and viruses. When the life form is maintaining life, if necessary, it is necessary to treat a part of the life form so that it can be imaged. The sample is held by the living organism. A biological sample includes any part derived from a living organism, but is preferably a biological cell, more preferably a nucleated cell capable of developmental division or proliferation. For an organism that has built up multiple organs in which cells are separated into different functions, it may be any organ that exhibits the biological activity of interest. The biological activity can be one or more of physiological, genetic, immunological, biochemical, and hematological activities. The “plurality of imaging regions” means one or more biological samples held in the same holding means, or one or more types of imaging sites held in separate holding means.

ハイスループット撮像装置の効果について
以上のように本発明のハイスループット撮像装置は、制御手段により設定された撮像条件によって撮像の作業が効率的に実行されるので、多数の撮像領域を短時間で撮像することが可能となる。また、多数のタイムラプスデータを試料の数が非常に多い場合でも同時期に得ることができるので、生物学的活性に関する研究や臨床において大きく寄与する。
As described above, the high-throughput imaging apparatus according to the present invention efficiently performs the imaging operation according to the imaging conditions set by the control unit, and thus can capture a large number of imaging areas in a short time. It becomes possible to do. In addition, since a large amount of time-lapse data can be obtained at the same time even when the number of samples is very large, it greatly contributes to research and clinical studies on biological activity.

本発明の第一の実施例として、図23を参照して説明する。図23は本発明の装置の全体構成を示す概念図である。培養顕微鏡本体101は細胞を培養するインキュベータ室と細胞を観察する顕微鏡部分が一体となっている。培養顕微鏡本体101には内部にコントローラ102が内蔵されており、後述する各ユニットの制御を行っている。コントローラ102は培養顕微鏡のスペースをコンパクトにするため培養顕微鏡本体101内部に配置したが、コントローラの発熱による影響がある場合は本体の外部に配置してもよい。さらに、培養顕微鏡本体101は警告ブザー103と警告表示装置104を備えている。警告ブザー103は実験中に何か問題が発生した場合などに警告音を鳴らすことができる。また、警告表示装置104は警告ブザー103と同様に何か問題が発生した場合の警告表示や、作業指示などの表示が可能である。特に、警告表示装置104は操作パネルとしての機能を持つタッチパネル104aにしてあり、作業者が警告表示装置104に表示される指示にしたがい、タッチパネルに触れ操作を選択することができる。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 23 is a conceptual diagram showing the overall configuration of the apparatus of the present invention. In the culture microscope main body 101, an incubator chamber for culturing cells and a microscope portion for observing the cells are integrated. The culture microscope main body 101 incorporates a controller 102 to control each unit to be described later. The controller 102 is disposed inside the culture microscope main body 101 in order to make the space of the culture microscope compact. However, the controller 102 may be disposed outside the main body when there is an influence of heat generated by the controller. Furthermore, the culture microscope main body 101 includes a warning buzzer 103 and a warning display device 104. The warning buzzer 103 can beep when a problem occurs during the experiment. In addition, the warning display device 104 can display a warning when a problem occurs, a work instruction, and the like, like the warning buzzer 103. In particular, the warning display device 104 is a touch panel 104 a having a function as an operation panel, and an operator can select an operation by touching the touch panel in accordance with an instruction displayed on the warning display device 104.

コントローラ102にはフォーカスハンドル・ジョイスティック105が接続されており、フォーカスハンドルにて後述する顕微鏡部分のZ軸方向、即ち、試料にピントを合わせる方向とジョイスティックにてRステージ、θステージを移動させることができる。θステージは軸を中心に回転方向に移動、Rステージは前記θステージの中心軸と垂直な1つの軸の方向に移動可能な電動ステージである。これらは装置サイズをコンパクトにするため使用したが、一般的なXYステージでもよい。とくに、Rステージモータ30とθステージモータ31は、後述する本発明の装置のインターバル撮像条件設定手段により設定された条件に基づいて、コントローラ102を通じて駆動制御される。   A focus handle / joystick 105 is connected to the controller 102, and the R stage and the θ stage can be moved with the focus handle in the Z-axis direction of the microscope portion, which will be described later, that is, the direction to focus on the sample and the joystick. it can. The θ stage is an electric stage that can move in the direction of rotation about an axis, and the R stage can move in the direction of one axis perpendicular to the central axis of the θ stage. These are used to reduce the size of the apparatus, but a general XY stage may be used. In particular, the R stage motor 30 and the θ stage motor 31 are driven and controlled through the controller 102 based on conditions set by interval imaging condition setting means of the apparatus of the present invention described later.

培養顕微鏡本体101はインキュベータ室内に温度制御用のヒータ112を有し、ヒータ112をコントロールする温度コントローラ106が装備されている。   The culture microscope main body 101 has a heater 112 for temperature control in the incubator chamber, and a temperature controller 106 for controlling the heater 112 is provided.

コントローラ102および温度コントローラ106はコンピュータ109(図23ではパソコン)に、例えばRS−232Cなどのインターフェイスで接続されており、コンピュータ109から制御が可能になっている。また、インターフェイスとして必要な各手段(メモリ、演算回路、表示部、入力部等)も含んでいる。   The controller 102 and the temperature controller 106 are connected to a computer 109 (a personal computer in FIG. 23) through an interface such as RS-232C, and can be controlled from the computer 109. Each means necessary for an interface (memory, arithmetic circuit, display unit, input unit, etc.) is also included.

培養顕微鏡本体101のインキュベータ室内には外部に温度(37℃)、湿度(95〜100%)、炭酸ガス(二酸化炭素;5%)(各数値は一般的な値であり調整可能である)濃度を制御した混合エアーを蓄積してあるタンク107があり、電磁弁108の開閉により混合エアーを供給できる。本発明ではタンク107に混合エアーを入れているが、タンク107を炭酸ガスのみとし、湿度を維持するための不図示の水槽をインキュベータ室内に設置してもよい。またタンク107を37℃に維持しないで炭酸ガスをインキュベータ室に供給することも可能である。この電磁弁108はコンピュータ109により制御するようにしても良い。   Temperature (37 ° C.), humidity (95-100%), carbon dioxide (carbon dioxide; 5%) (each numerical value is a general value and can be adjusted) in the incubator chamber of the culture microscope body 101 There is a tank 107 in which mixed air is controlled, and the mixed air can be supplied by opening and closing the electromagnetic valve 108. In the present invention, mixed air is put into the tank 107, but the tank 107 may be made of only carbon dioxide, and a water tank (not shown) for maintaining humidity may be installed in the incubator chamber. Further, it is possible to supply carbon dioxide gas to the incubator chamber without maintaining the tank 107 at 37 ° C. This electromagnetic valve 108 may be controlled by a computer 109.

コンピュータ109はLAN、インターネット等のネットワーク110につながれており、さらに、ネットワーク110は遠隔地コンピュータ111に接続されており、ネットワーク110を介して遠隔地コンピュータ111(図23ではパソコン)からコンピュータ109を制御することができ、ついては培養顕微鏡本体1を遠隔地コンピュータ111からタイムラプス・インターバル撮像を監視したり、撮像データを大量に蓄積して検索可能なデータベースとして機能することが可能である。遠隔地コンピュータ111はユーザの利害関係者であってよいが、複雑多岐に亘るタイムラプス撮像の利用を順調に継続するために、システム運用を行う外部の専門業者との業務契約でまかなうのが好ましい。また、遠隔地コンピュータ111として、装置の現場(検査室、実験室等)以外の場所であれば、退室時、帰宅時、主張時、休暇時の任意の時刻において、主に監視を行う目的の携帯型の画像受信機であってもよい。携帯型の遠隔地コンピュータ111によれば、所望の画像を呼び出したり、警告時にブザー、ランプ、異常マーク等で異常を把握したりという即座の対応が可能となる。いずれにしても、装置本体と通信手段で接続する遠隔地コンピュータ111においては、適切な認証手段(例えば、暗証番号、担当者ID、電子鍵、バイオメトリックス(指紋、虹彩、静脈等))によるアクセス制限を行うのが好ましい。また、適切な認証が行われたアクセス者であれば、遠隔コンピュータ111を通じて、インターバル撮像条件を変更するようにリモート・コントロール出来るようにすることのがさらに好ましい。このように、遠隔地コンピュータ111は、装置の現場に行かなくとも、監視や一部の操作を可能にすることも出来るので、使用者の負担(例えば工数、経費、移動時間)を大幅に軽減する優れた利用システムを提供する。 The computer 109 is connected to a network 110 such as a LAN or the Internet. Further, the network 110 is connected to a remote computer 111, and the computer 109 is controlled from the remote computer 111 (a personal computer in FIG. 23) via the network 110. Accordingly, the culture microscope main body 1 can function as a database capable of monitoring time-lapse interval imaging from the remote computer 111 or storing a large amount of imaging data for retrieval. The remote computer 111 may be a stakeholder of the user, but it is preferable to cover it with a business contract with an external specialist who operates the system in order to continue the use of time-lapse imaging over a wide variety of complex. In addition, if the remote computer 111 is a place other than the site of the apparatus (examination room, laboratory, etc.), it is mainly intended for monitoring at any time of leaving the room, returning home, claiming, or vacation time. It may be a portable image receiver. According to the portable remote computer 111, it is possible to immediately respond to calling a desired image or grasping an abnormality with a buzzer, a lamp, an abnormality mark or the like at the time of warning. In any case, in the remote computer 111 connected to the apparatus main body by communication means, access by appropriate authentication means (for example, password, person ID, electronic key, biometrics (fingerprint, iris, vein, etc.)) It is preferable to limit. Further, it is more preferable that an access person who has been appropriately authenticated can be remotely controlled to change the interval imaging condition through the remote computer 111. In this way, the remote computer 111 can also enable monitoring and some operations without going to the site of the device, greatly reducing the burden on the user (eg, man-hours, expenses, travel time). Provide an excellent usage system.

図24は本発明の培養顕微鏡本体1の内部構成図である。インキュベータ室20はフタ22により外部から密閉され、その内部の培養環境の温度と湿度と炭酸ガス(CO2)濃度を一定に維持したり、また積極的に制御したりする。混合エアーはエアー配管24を介してタンク7から供給されている。不要なエアーは不図示の配管から廃棄される。フタ22はヒンジ23を軸に把手21により開閉可能である。フタ22が開いている場合、フタ開閉センサー28が作動し、コントローラ2に対しフタ22の開閉を知らせることができる。   FIG. 24 is an internal configuration diagram of the culture microscope main body 1 of the present invention. The incubator chamber 20 is sealed from the outside by a lid 22, and maintains the temperature, humidity, and carbon dioxide (CO2) concentration of the culture environment inside it, and actively controls them. The mixed air is supplied from the tank 7 via the air pipe 24. Unnecessary air is discarded from a pipe (not shown). The lid 22 can be opened and closed by a handle 21 around a hinge 23. When the lid 22 is open, the lid open / close sensor 28 operates to notify the controller 2 of the opening / closing of the lid 22.

ヒータ12はインキュベータ室20内部に設置され、不図示の温度センサーにより定められた温度、例えば37℃以下になったことを検出した場合、自動的に動作し温度を維持することができる。図24にはヒータ12を1個しか記載していないが、フタ22やベース55全体に取り付けインキュベータ室内の温度ムラが小さくするようにしてもよい。 The heater 12 is installed in the incubator chamber 20 and can automatically operate and maintain the temperature when it detects that the temperature is not higher than 37 ° C., for example, by a temperature sensor (not shown). Although only one heater 12 is shown in FIG. 24, the temperature unevenness in the incubator chamber may be reduced by being attached to the entire lid 22 and base 55.

円形トレイ26は複数の試料設置穴52を有し、これらに複数の試料容器25が設置できる。試料容器25は円形トレイ26に対し上方向に取出すことが可能である。反対に試料容器25を円形トレイ26に設置すると試料容器25の底面が円形トレイ26の試料設置穴52のリング状突起51に接触し下に落ちないようになっている。さらに、試料容器25は円形トレイ26に対し位置決め可能で設置できるようになっている。試料容器25の底面は透明のガラスまたは樹脂でできており、対物レンズ33から観察可能である。   The circular tray 26 has a plurality of sample installation holes 52, in which a plurality of sample containers 25 can be installed. The sample container 25 can be taken out upward with respect to the circular tray 26. On the other hand, when the sample container 25 is installed on the circular tray 26, the bottom surface of the sample container 25 contacts the ring-shaped protrusion 51 of the sample installation hole 52 of the circular tray 26 so that it does not fall down. Further, the sample container 25 can be positioned with respect to the circular tray 26 and can be installed. The bottom surface of the sample container 25 is made of transparent glass or resin and can be observed from the objective lens 33.

また、試料容器フタ57は培地交換で試料をインキュベータ室20から外に出し、試料が冷えた状態でインキュベータ室20に入れたときに試料容器25についているフタが結露する可能性がある。結露した場合は試料容器フタ57と交換できるように予備として保管するスペースを設けてある。試料容器フタ57は培地交換中もインキュベータ室20内にあるため冷えることはない。さらに、試料容器25は例えばガラスのような透明で観察可能な底面部材93と上面部材91に例えば金属のように熱容量の大きい部材90、92からできており、底面部材93と部材92は接着により固定され、上面部材91は部材90と接着されている。部材92と部材90は着脱可能になっている。このような構造にすることで、上面部材91と底面部材93の結露を防止している。   In addition, the sample container lid 57 may cause condensation when the sample is taken out of the incubator chamber 20 by exchanging the medium and placed in the incubator chamber 20 with the sample cooled. A space for storing as a spare is provided so that the sample container lid 57 can be replaced when the condensation occurs. Since the sample container lid 57 is in the incubator chamber 20 even during medium exchange, it does not cool. Further, the sample container 25 is made of a transparent and observable bottom member 93 such as glass and a top member 91 having members 90 and 92 having a large heat capacity such as metal, and the bottom member 93 and the member 92 are bonded together. The upper surface member 91 is bonded to the member 90. The member 92 and the member 90 are detachable. With such a structure, dew condensation between the top member 91 and the bottom member 93 is prevented.

円形トレイ26は回転ベース34から脱着可能で、円形トレイ26を外した場合、円形トレイ脱着センサー27が作動し、コントローラ2へ円形トレイ26が外れていることを知らせることができる。円形トレイ脱着センサー27は図24では押しボタン式を記載しているが、円形トレイ26の脱着を検知できるセンサーならどのようなものでもよい。   The circular tray 26 can be detached from the rotating base 34. When the circular tray 26 is removed, the circular tray attachment / detachment sensor 27 is activated to notify the controller 2 that the circular tray 26 has been removed. The circular tray attachment / detachment sensor 27 is shown as a push button type in FIG. 24, but any sensor that can detect attachment / detachment of the circular tray 26 may be used.

回転ベース34はθ回転軸35に取り付けられており、θステージモーター31の回転により円形トレイ26を図示した図26の矢印方向に1トレイずつ間欠的に回転停止させることができる。この円形トレイ26の回転と停止からなる回転周期は、後述する本発明の装置のインターバル撮像条件設定手段により設定された条件に基づいて、コントローラ2を通じて駆動制御される。回転周期の変形例として、円形トレイ26に配置した同一円周上の全ての試料容器25の個数より1トレイ分だけ多いか又は少ない回転距離で停止するような回転停止の周期を行うことによって、見かけ上は1試料容器ずつ間欠的に進むような停止でありながら、間欠的移動するごとに殆ど全ての試料容器25を毎回1周させることも可能となり、この各周回移動において、個々の試料容器25に関する培養状態の良否などの監視を行うことも可能となる。 The rotation base 34 is attached to a θ rotation shaft 35, and the rotation of the θ stage motor 31 can intermittently stop the rotation of the circular tray 26 one tray at a time in the direction of the arrow in FIG. The rotation period composed of the rotation and stop of the circular tray 26 is driven and controlled through the controller 2 based on the conditions set by the interval imaging condition setting means of the apparatus of the present invention described later. As a variation of the rotation cycle, by performing a rotation stop cycle that stops at a rotation distance that is one tray more or less than the number of all sample containers 25 arranged on the same circumference on the circular tray 26, Although it appears to stop intermittently by one sample container, it is possible to make almost all the sample containers 25 one turn each time they move intermittently. It is also possible to monitor the quality of the culture state relating to 25.

Rステージモーター30によりリードネジ38が回転し、ナット53に取り付けられている直線移動ベース36が左右に移動する。直線移動ベース36には直線ガイド54があり直線方向のみ移動可能になっている。θ回転軸35は直線移動ベース36に対し回転可能に取り付けられており、直線移動ベース36が左右に移動すると回転ベース34も左右に移動させることができる。これにより、試料をRθ極座標系で移動できるステージを実現できる。   The lead screw 38 is rotated by the R stage motor 30, and the linear movement base 36 attached to the nut 53 moves to the left and right. The linear movement base 36 has a linear guide 54 that can move only in the linear direction. The θ rotation shaft 35 is rotatably attached to the linear movement base 36. When the linear movement base 36 moves to the left and right, the rotation base 34 can also move to the left and right. Thereby, the stage which can move a sample by a R (theta) polar coordinate system is realizable.

ベース55はインキュベータ室20とモータ室58とを分けており、インキュベータ室20高湿のエアーがモータ室58に進入しないように各部が密閉されている。まず回転ベース34とベース55の間には平面状のシート50を挟んであり滑動可能になっている。   The base 55 separates the incubator chamber 20 and the motor chamber 58, and each part is sealed so that high-humidity air does not enter the motor chamber 58. First, a planar sheet 50 is sandwiched between the rotating base 34 and the base 55 so as to be slidable.

蛇腹56は対物レンズ33がインキュベータ室20内に露出している部分を囲むように取り付けてあり、対物レンズ先端部分とベースに端面を接着等で固定し密閉されている。これによりベース55と対物レンズ33の隙間からモータ室58に高湿のエアーが入らないようにしている。   The bellows 56 is attached so as to surround a portion where the objective lens 33 is exposed in the incubator chamber 20, and is sealed with an end face fixed to the front end portion of the objective lens and the base by bonding or the like. This prevents high-humidity air from entering the motor chamber 58 through the gap between the base 55 and the objective lens 33.

対物レンズ33はZステージモーター32がリードネジ39を回すことにより上下させることができる。対物レンズ33が上下することで試料にピントを合わせることができる。対物レンズ33が上下しても蛇腹56はゴムなどのやわらかい樹脂でできているため伸び縮みすることができ、密閉は維持される。   The objective lens 33 can be moved up and down by the Z stage motor 32 turning the lead screw 39. The objective lens 33 moves up and down to focus on the sample. Even if the objective lens 33 is moved up and down, the bellows 56 is made of a soft resin such as rubber, so that it can be expanded and contracted, and hermeticity is maintained.

顕微鏡室59は温度変化による光学系部材の膨張がない程度に温度を維持するようになっている。温度維持には不図示のヒータ等が用いられる。   The microscope chamber 59 is designed to maintain the temperature to such an extent that the optical system member does not expand due to a temperature change. A heater or the like (not shown) is used for maintaining the temperature.

顕微鏡室にはコントローラ2が設置されており、各ユニットへの配線がされ接続されている。LED照明41は蛍光観察用の照明で蛍光キューブ42を介して通過窓40、対物レンズ33を経由して試料を照明する。試料からの光は対物レンズ33、通過窓40、蛍光キューブ42を介して、倍率変更レンズ43を通過しミラー44で光路を90度曲げてCCDカメラ45に入射される。ミラー44はCCDカメラ45の設置スペースを確保するために付けたもので、CCDカメラ45の設置スペースがあれば光路を折り曲げる必要は無い。   A controller 2 is installed in the microscope room, and wiring is connected to each unit. The LED illumination 41 is illumination for fluorescence observation, and illuminates the sample via the fluorescent cube 42 and the passing window 40 and the objective lens 33. Light from the sample passes through the objective lens 33, the passing window 40, and the fluorescent cube 42, passes through the magnification changing lens 43, and is incident on the CCD camera 45 with the optical path bent by 90 degrees. The mirror 44 is provided to secure the installation space for the CCD camera 45. If there is an installation space for the CCD camera 45, there is no need to bend the optical path.

LED照明41の代わりに不図示の水銀ランプ等、光ファイバーを用いて光源として用いることも可能である。水銀ランプの場合、LED照明41のように高速で点灯消灯ができないため、シャッターを取り付けて光の入射をオン/オフする必要がある。これらもコントローラ2から制御可能である。なお、倍率変更レンズ43を介さずにCCDカメラ45に入射する場合もある。つまり、倍率変更レンズ43は対物レンズ33からCCDカメラ45に延びる光路上に適宜挿脱されてよい。   Instead of the LED illumination 41, an optical fiber such as a mercury lamp (not shown) can be used as a light source. In the case of a mercury lamp, since it cannot be turned on and off at high speed like the LED illumination 41, it is necessary to attach a shutter to turn on / off the incidence of light. These can also be controlled from the controller 2. In some cases, the light enters the CCD camera 45 without passing through the magnification changing lens 43. That is, the magnification changing lens 43 may be appropriately inserted into and removed from the optical path extending from the objective lens 33 to the CCD camera 45.

蛍光キューブ42は軸48を中心に回転可能になっており、波長の異なる蛍光キューブに切換えることができる。回転はキューブターレットモータ47の駆動により電動で行える。これらもコントローラ2から制御可能である。   The fluorescent cube 42 is rotatable around an axis 48, and can be switched to fluorescent cubes having different wavelengths. The rotation can be performed electrically by driving a cube turret motor 47. These can also be controlled from the controller 2.

倍率変更レンズ43は軸49を中心に回転可能になっており、倍率の異なるレンズに切換えることができる。回転はレンズターレットモータ46の駆動により電動で行える。これらもコントローラ2から制御可能である。この倍率変更レンズ43は、ズーム機能を内臓した1個のズームレンズであってもよい。また、必要に応じ、所望の倍率等の仕様のレンズに交換するだけの構成でもよい。   The magnification changing lens 43 is rotatable around an axis 49, and can be switched to a lens having a different magnification. The rotation can be performed electrically by driving the lens turret motor 46. These can also be controlled from the controller 2. The magnification changing lens 43 may be a single zoom lens with a built-in zoom function. Moreover, the structure which only replaces | exchanges for the lens of specifications, such as desired magnification, as needed may be sufficient.

図25は図23、図24に記載したユニットで電気的方法などにより制御可能なユニットをブロック図に示したものである。図23と図24で説明した各ユニットについての説明は省略するが、各ユニットはコントローラ102に接続されコンピュータ(パソコン)109のユーザインターフェイスから観察者が制御可能になっている。CCDカメラ45は冷却CCDを用いた高感度タイプが用いられ直接コンピュータ109に接続されている。ヒータ112は温度コントローラ106を介してコンピュータ109に接続されているが温度コントローラ106の機能がコントローラ102にあればコントローラ102を介してヒータ112を制御してもよい。   FIG. 25 is a block diagram showing units that can be controlled by an electrical method or the like in the units shown in FIGS. Although the description of each unit described in FIGS. 23 and 24 is omitted, each unit is connected to the controller 102 and can be controlled by the observer from the user interface of the computer (personal computer) 109. The CCD camera 45 is a high sensitivity type using a cooled CCD and is directly connected to the computer 109. The heater 112 is connected to the computer 109 via the temperature controller 106, but if the controller 102 has the function of the temperature controller 106, the heater 112 may be controlled via the controller 102.

図25の特徴的な構成としては、装置本体101内部の機能を外部より制御する外部制御系60において、セッティングされた各試料容器25に関する撮像条件を設定するインターバル撮像条件設定手段70がコンピュータ109を介してコントローラ102に接続している点である。また、コントローラ102が撮像手段としてのCCDカメラ45の撮像動作についても駆動制御するべく接続している点も特徴の一つである。これにより、コンピュータ109に付随する入力手段や表示手段のような各種インターフェイスを含む外部制御系60と、インターバル撮像条件設定手段70と、内部制御系としてのコントローラ102と、撮像手段としてのCCDカメラ45と、各試料容器25を保持する円形トレイ26のための各種モータ30、31とを連携可能にしている。   As a characteristic configuration of FIG. 25, in the external control system 60 that controls the function inside the apparatus main body 101 from the outside, the interval imaging condition setting means 70 that sets the imaging condition for each set sample container 25 uses the computer 109. It is connected to the controller 102 via this. Another feature is that the controller 102 is connected so as to drive and control the imaging operation of the CCD camera 45 as the imaging means. Thus, the external control system 60 including various interfaces such as input means and display means attached to the computer 109, the interval imaging condition setting means 70, the controller 102 as the internal control system, and the CCD camera 45 as the imaging means. And various motors 30 and 31 for the circular tray 26 holding each sample container 25 can be linked.

ここで、インターバル撮像条件設定手段70による設定内容について説明する。このインターバル撮像条件設定手段70は、次に示すようにあらゆる場面での想定に対応した装置を提供する。
装置1:複数の撮像領域に存在している生物学的試料を撮像して試料画像を取得するための画像取得手段と、前記画像取得手段を制御し、前記撮像領域ごとにタイムラプス・インターバル撮影を行うための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記試料画像の取得に必要な撮像時間と前記撮像領域の数に基づいて前記撮像領域ごとのインターバル撮影の条件を設定するためのインターバル撮像条件設定手段を有していることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置2:装置1に記載の装置において、前記インターバル撮影の条件は、複数の撮像領域を複数回切り換えて撮像する設定を有していることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置3:装置2に記載の装置において、前記画像取得手段から送出される画像信号を撮像領域ごとに積算して画像を生成することを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置4:装置1に記載の装置において、前記インターバル撮影の条件は、撮像に必要な時間以外に別種の処理を行うための余剰時間を含んでいることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置5:装置4に記載の装置において、前記撮像領域を前記画像取得手段による撮像可能な光環境に維持するために外部との遮光を行う遮光手段と、前記遮光手段による光環境を一時的に解除して前記画像取得手段による撮像以外の処理を行うための処理手段とを備えたことを特徴とするハイスループット撮像装置。
Here, the setting contents by the interval imaging condition setting means 70 will be described. The interval imaging condition setting means 70 provides a device that can cope with assumptions in every scene as shown below.
Apparatus 1: Image acquisition means for acquiring an image of a biological sample existing in a plurality of imaging areas and controlling the image acquisition means, and time lapse interval imaging for each imaging area Control means for performing an interval imaging condition for setting an interval imaging condition for each imaging area based on an imaging time required to acquire the sample image and the number of imaging areas A high-throughput imaging apparatus comprising a setting unit.
Apparatus 2: The high-throughput imaging apparatus according to the apparatus described in the apparatus 1, wherein the interval imaging condition has a setting for switching a plurality of imaging areas a plurality of times to perform imaging.
Apparatus 3: The high-throughput imaging apparatus according to the apparatus described in the apparatus 2, wherein the image signals sent from the image acquisition unit are integrated for each imaging region to generate an image.
Apparatus 4: The high-throughput imaging apparatus according to the apparatus described in the apparatus 1, wherein the interval shooting condition includes a surplus time for performing another type of processing in addition to the time required for imaging.
Apparatus 5: In the apparatus according to the apparatus 4, in order to maintain the imaging region in an optical environment that can be imaged by the image acquisition unit, a light shielding unit that shields light from the outside and a light environment by the light shielding unit are temporarily A high-throughput imaging apparatus comprising: processing means for canceling and performing processing other than imaging by the image acquisition means.

装置6:装置1から5のいずれかに記載の装置において、前記複数の撮像領域に対して前記画像取得手段を相対的に移動する移動手段を備えることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置7:装置6に記載の装置において、複数の生物学的試料を円形トレイの円周に沿って順次配置するとともに、この円形トレイを前記制御手段の撮像条件に応じて回転および停止可能としたことを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置8:装置7に記載の装置において、前記円形トレイの回転周期を複数の撮像領域を通過してから停止する構成としたことを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置9:装置8に記載の装置において、前記円形トレイの回転周期が、1回転±1個の撮像領域分の長距離回転モードを有していることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置10:装置9に記載の装置において、前記長距離回転モードの長距離回転中に前記円形トレイ上の全ての撮像領域に関する別種の参考情報を取得する参考情報取得手段を備えたことを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置11:装置1〜4のいずれかに記載の装置において、前記画像取得手段は撮像時の撮像倍率を変更可能な撮像倍率変更手段を有し、前記撮像倍率変更手段による撮像倍率に応じてインターバル撮像条件を設定することを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置12:装置1〜4のいずれかに記載の装置において、前記画像取得手段は撮像領域から得られる光信号を受光する受光素子を備え、受光素子の受光能力に応じてインターバル撮像条件を設定することを特徴とするハイスループット撮像装置。
Apparatus 6: The high-throughput imaging apparatus according to any one of the apparatuses 1 to 5, further comprising a moving unit that moves the image acquisition unit relative to the plurality of imaging regions.
Device 7: In the device described in the device 6, a plurality of biological samples are sequentially arranged along the circumference of the circular tray, and the circular tray can be rotated and stopped according to the imaging conditions of the control means. A high-throughput imaging apparatus.
Apparatus 8: The high-throughput imaging apparatus according to the apparatus described in the apparatus 7, wherein the rotation period of the circular tray is stopped after passing through a plurality of imaging regions.
Apparatus 9: The apparatus according to the apparatus 8, wherein the rotation period of the circular tray has a long-distance rotation mode corresponding to an imaging area of 1 rotation ± 1.
Device 10: The device according to Device 9, further comprising reference information acquisition means for acquiring different types of reference information regarding all imaging regions on the circular tray during long-distance rotation in the long-distance rotation mode. High-throughput imaging device.
Apparatus 11: In the apparatus according to any one of the apparatuses 1 to 4, the image acquisition unit includes an imaging magnification changing unit capable of changing an imaging magnification at the time of imaging, and an interval according to an imaging magnification by the imaging magnification changing unit. A high-throughput imaging apparatus characterized by setting imaging conditions.
Apparatus 12: In the apparatus according to any one of the apparatuses 1 to 4, the image acquisition unit includes a light receiving element that receives an optical signal obtained from the imaging region, and sets an interval imaging condition according to the light receiving capability of the light receiving element. A high-throughput imaging apparatus.

装置13:複数の撮像領域に存在している生物学的試料を異なる画像関連情報を抽出する画像情報抽出手段により撮像して試料画像を取得するための画像取得手段と、前記画像取得手段を制御し、前記撮像領域ごとにタイムラプス・インターバル撮影を行うための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記試料画像の取得に必要な撮像時間と前記画像情報抽出手段の種類に基づいて前記撮像領域ごとのインターバル撮影の条件を設定するためのインターバル撮像条件設定手段を有していることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置14:装置13に記載の装置において、前記画像情報抽出手段が、同一の撮像領域に対して同時または連続的に異なる画像関連情報を抽出することを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置15:装置14に記載の装置において、前記画像情報抽出手段が抽出した異なる画像関連情報を撮像領域上の試料に対応付けて合成する画像合成手段を有することを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置16:装置13〜16のいずれかに記載の装置において、前記画像情報抽出手段が、透過光、蛍光、生物発光、化学発光、ラマン分光、赤外線の2組以上の組合せであることを特徴とするハイスループット撮像装置。
装置17:装置1〜16のいずれかに記載の装置において、前記生物学的試料中の細胞を継続して培養するための培養手段を備え、前記制御手段が復すの撮像領域に存在する細胞に関する各培養期間中の撮像時期に応じてインターバル撮像条件を設定することを特徴とするハイスループット撮像装置。
Apparatus 13: An image acquisition means for acquiring an image of a biological sample existing in a plurality of imaging regions by an image information extraction means for extracting different image related information, and controlling the image acquisition means And control means for performing time-lapse / interval imaging for each imaging area, wherein the control means is based on the imaging time required to acquire the sample image and the type of the image information extraction means. A high-throughput imaging apparatus comprising interval imaging condition setting means for setting conditions for interval imaging for each.
Apparatus 14: The high-throughput imaging apparatus according to the apparatus described in the apparatus 13, wherein the image information extraction unit extracts different pieces of image related information simultaneously or continuously with respect to the same imaging area.
Apparatus 15: The high-throughput imaging apparatus according to the apparatus described in the apparatus 14, further comprising image synthesis means for synthesizing different image related information extracted by the image information extraction means in association with a sample on an imaging region.
Device 16: The device according to any one of the devices 13 to 16, wherein the image information extraction means is a combination of two or more sets of transmitted light, fluorescence, bioluminescence, chemiluminescence, Raman spectroscopy, and infrared rays. High-throughput imaging device.
Apparatus 17: The apparatus according to any one of the apparatuses 1 to 16, further comprising a culture means for continuously culturing cells in the biological sample, and the cells existing in the imaging region to which the control means returns A high-throughput imaging apparatus, characterized in that interval imaging conditions are set according to imaging timing during each culture period.

図26は円形トレイの上面図である。円形トレイ26には試料容器25を入れる試料設置穴52がθ回転軸35の軸を中心とした円周上に均等の間隔に振り分けられている。各試料設置穴52にセットされた試料容器25に関する試料情報は、コンピュータ109に内臓のメモリに記憶され、タイムラプスのインターバル撮像条件の設定時に呼び出され、撮像条件を決定して、コントローラ102による撮像が実行される。決定した撮像条件に関する情報は、コントローラ102を介してコンピュータ9に通知され、試料情報と対応付けてコンピュータ9のメモリに記憶されるとともに、適宜、ユーザインターフェイスに表示することが可能である。   FIG. 26 is a top view of the circular tray. In the circular tray 26, the sample setting holes 52 into which the sample containers 25 are placed are distributed at equal intervals on the circumference around the axis of the θ rotation shaft 35. The sample information regarding the sample container 25 set in each sample installation hole 52 is stored in a built-in memory in the computer 109, and is called when setting the time-lapse interval imaging condition, and the imaging condition is determined and the image is captured by the controller 102. Executed. Information on the determined imaging condition is notified to the computer 9 via the controller 102, stored in the memory of the computer 9 in association with the sample information, and can be displayed on the user interface as appropriate.

コンピュータ9のユーザインターフェイスには、円形トレイ26の試料容器25の個別IDが付与されており、このIDを通じて撮像装置および円形トレイの動作が対応するようにプログラミングされている。ユーザインターフェイスの入力手段(オプティカルマウス、キーボード、タッチパネル、電子ペン等)は、ユーザが前記IDごとに選択した情報に基づいた撮像条件を設定するようにコンピュータ9を促がす。ここにおいて、図27のフローチャートに示すように、観察準備状態となって、GUI表示される(S1)とともに、ステージ原点出しが実行される(S2)。ここで、ユーザが観察したい試料容器を入力可能となり入力待ち(S3)になった後、好ましくはStage/RθとStage/Zにある各方向矢印ボタンを押し試料容器内の細胞画像をライブイメージウィンドとして表示させながら、タイムラプス撮像を希望する細胞を探して、入力手段により表示画面上で位置を選択する。即ち、この例においては、最初に、上述したような明視野画像および/または発光画像を表示した上で所望の細胞、細胞群、組織領域、ひいては細胞中の特定部位を指定するようになっている。好ましくは、任意の撮像時期において、タイムラプス撮像の途中でも、現在の撮像結果ないし解析結果を表示できるようにするのが好ましい。このためには、タイムラプス撮像の継続中に得られた発光画像を逐次解析するようにして、迅速な結果出しを行うような制御を実行するのがさらに好ましい。 The user interface of the computer 9 is given an individual ID of the sample container 25 of the circular tray 26, and is programmed so that the operations of the imaging device and the circular tray correspond to each other through this ID. The user interface input means (optical mouse, keyboard, touch panel, electronic pen, etc.) prompts the computer 9 to set imaging conditions based on information selected by the user for each ID. Here, as shown in the flowchart of FIG. 27, the observation preparation state is set, a GUI is displayed (S1), and the stage origin search is executed (S2). Here, after the user can input the sample container to be observed and waits for input (S3), preferably press the direction arrow buttons in Stage / Rθ and Stage / Z to display the cell image in the sample container in the live image window. As shown in FIG. 4, a cell for which time-lapse imaging is desired is searched, and the position is selected on the display screen by the input means. That is, in this example, first, a bright field image and / or a luminescent image as described above is displayed, and then a desired cell, a cell group, a tissue region, and a specific site in the cell are designated. Yes. Preferably, it is preferable to display the current imaging result or analysis result at any imaging time, even during the time-lapse imaging. For this purpose, it is more preferable to execute control so as to obtain a quick result by sequentially analyzing the light emission images obtained during the time-lapse imaging.

次に、選択した観察位置に関する観察条件の待ち状態となり(S4)、ユーザが所望の観察条件を入力する(S5)する。入力においては、例えば要求に沿った観察条件(例えば、使用する試薬の種類や実験条件に応じて微弱発光の波長や、検出感度、明視野観察における明るさ等)を上記と同様に入力する。また、図のように蛍光測定を併用する例においては、例えばLED-G(緑色)、LED-B(青色)のどちらを使うか選択したり、LED照明41の明るさを決定する。また、Cubeにて選択した波長に対応する蛍光キューブを選択したり、Lensにて番号のボタンに対応する倍率変更レンズを決定する。さらに、Camera ControlにてCCDカメラの露出時間やAEを実行するかどうかなどカメラの撮影条件を決定、Image File Nameにて撮影後の画像を保存するファイル名の決定、Time-lapseにてタイムラプスのインターバル時間、実験期間の設定をなど観察条件として必要なパラメータを全て設定する。ここでタイムラプスのインターバル時間とは、多点タイムラプス(1点のみの場合も含む)を行う場合の1回目の多点を撮影するための電動ステージ移動時間、撮影時間及び制御時間と、前記多点の2回目を撮影開始する直前までの待機時間を合計したものである。   Next, the observation condition related to the selected observation position is waited (S4), and the user inputs a desired observation condition (S5). In the input, for example, observation conditions that meet the requirements (for example, the wavelength of weak emission, detection sensitivity, brightness in bright field observation, etc. depending on the type of reagent used and experimental conditions) are input in the same manner as described above. Moreover, in the example which uses fluorescence measurement together as shown in the figure, for example, it is selected whether to use LED-G (green) or LED-B (blue), or the brightness of the LED illumination 41 is determined. In addition, the fluorescent cube corresponding to the wavelength selected by Cube is selected, or the magnification changing lens corresponding to the numbered button is determined by Lens. In addition, the camera shooting conditions such as the exposure time of the CCD camera and whether or not to execute AE are determined with Camera Control, the file name for saving the captured image is determined with Image File Name, and the time lapse is determined with Time-lapse. All necessary parameters are set as observation conditions, such as setting the interval time and experiment period. Here, the time lapse interval time refers to the electric stage moving time, photographing time and control time for photographing the first multi-point when performing multi-point time lapse (including the case of only one point), the multi-point The total waiting time until immediately before the second shooting is started.

次に、入力された撮影条件を記憶(S6)すると、例えばタイムラプスのインターバル時間に対して、ステージの移動時間やカメラの露出時間の合計時間が長い場合、正しくタイムラプス・インターバル撮像を行うことができないため、コンピュータがタイムラプスのインターバル時間の再設定や撮像時間の再設定を行って、所望の数の撮像領域を漏れなく撮像できるようにすることができる。例えば、自動調整ボタンをクリックすることで、ステージの移動時間、カメラの露出時間の合計時間よりも多少長くした時間を自動的に算出しタイムラプスのインターバル時間として設定することができる。または、待機時間をゼロに近づけることで、連続性のあるタイムラプス撮像に切り換えるようにしてもよい。こうして、特定の観察位置における設定が終了すると(S7)、観察準備が終了して、撮像が開始できる状態となる。なお、入力した条件の記憶を中止して入力をやり直したい場合や別の観察位置についての設定を行いたい場合は、S3に戻って、入力を繰返すこととなる。
以上のように、この例に示した多点タイムラプスによれば、所望の観察対象のそれぞれに対して、ハイスループットで且つ適切な撮像条件で漏れなく自動観察できる。
Next, when the inputted shooting conditions are stored (S6), for example, when the total time of the stage movement time and the camera exposure time is longer than the time lapse interval time, time lapse interval imaging cannot be performed correctly. Therefore, the computer can reset the interval time of the time lapse and reset the imaging time so that a desired number of imaging areas can be imaged without omission. For example, when an automatic adjustment button is clicked, a time slightly longer than the total time of stage movement time and camera exposure time can be automatically calculated and set as the time lapse interval time. Alternatively, the time may be switched to continuous time-lapse imaging by bringing the standby time close to zero. Thus, when the setting at the specific observation position is completed (S7), the preparation for observation is completed, and imaging can be started. If it is desired to cancel the storage of the input condition and input again, or to set another observation position, the process returns to S3 and the input is repeated.
As described above, according to the multipoint time lapse shown in this example, it is possible to automatically observe each desired observation target with high throughput and appropriate imaging conditions without omission.

以上、上記の例では、蛍光顕微鏡をも兼用した例で説明したが、本発明は発光画像を専用に撮像してもよく、その場合には、励起光を照射する必要が無いので、照射光学系を除去することができる。蛍光標識した細胞等の観察を発光標識した細胞等の画像と同時に又は別々に観察するようにしてもよい。発光標識の例としては、顕微鏡下でも肉眼では見えないような微弱光を発する生物発光(または化学発光)が挙げられる。   As described above, in the above example, the example using the fluorescence microscope has been described. However, the present invention may capture the emission image exclusively, and in that case, it is not necessary to irradiate the excitation light. The system can be removed. Observation of fluorescently labeled cells or the like may be performed simultaneously or separately with images of luminescently labeled cells or the like. Examples of luminescent labels include bioluminescence (or chemiluminescence) that emits faint light that cannot be seen with the naked eye even under a microscope.

生物発光(または化学発光)の例として、特定の関心ある遺伝子領域のプロモーターの下流に連結したレポーター遺伝子としてルシフェラーゼ遺伝子を含むDNAが導入された細胞または組織が挙げられる。ルシフェラーゼをレポーターとして発現させた細胞または組織を用いることにより、所望の発現部位におけるルシフェラーゼ活性を検出することによって、転写の経時的変化を実時間で検出することが可能である。    Examples of bioluminescence (or chemiluminescence) include cells or tissues into which DNA containing a luciferase gene is introduced as a reporter gene linked downstream of a promoter of a gene region of interest. By using a cell or tissue in which luciferase is expressed as a reporter, it is possible to detect changes in transcription over time by detecting luciferase activity at a desired expression site.

好ましい態様は、導入した発光遺伝子が末梢組織中でリズムを有するように発現される脊椎動物由来の細胞または組織である。末梢組織には、肝臓、肺、および骨格筋が含まれるが、これらに限定されることはない。これらの末梢組織は、7〜12時間の位相差でもって概日リズムを刻んでいることが報告されている。概日リズムの遅延パターンを示したことは、多器官から構成される複雑な哺乳動物の生物リズムの正常な協調性を反映したものと考えられる。   A preferred embodiment is a vertebrate cell or tissue in which the introduced luminescent gene is expressed in a rhythm in peripheral tissues. Peripheral tissues include, but are not limited to, liver, lung, and skeletal muscle. These peripheral tissues are reported to have a circadian rhythm with a phase difference of 7-12 hours. The delay pattern of circadian rhythm is thought to reflect the normal coordination of the biological rhythm of complex mammals composed of multiple organs.

これによれば、本発明により解析した情報が、概日リズムと関係のある時差ぼけまたは睡眠障害の機序を解明するため、ならびに概日リズム障害の治療に有用な化合物のスクリーニングおよび試験を目的として用いる哺乳動物モデルを開発するために有用であるといえる。   According to this, the information analyzed according to the present invention is intended to elucidate the mechanism of jet lag or sleep disorder related to circadian rhythm, and to screen and test compounds useful for the treatment of circadian rhythm disorder. It can be said that it is useful for developing a mammal model to be used as

また、レポーター遺伝子を発現する本発明のDNAを含む形質転換体またはトランスジェニック哺乳動物を用ると、種々の試験またはスクリーニングを行うことができる。さまざまな任意の条件下でこれらの組織または細胞におけるレポーター遺伝子の発現を検出することにより、レポーター遺伝子の発現を調節する刺激もしくは化合物の効果を評価すること、またはこれらをスクリーニングすることが可能である。刺激には温度、光、運動、および他のショックが含まれる。使用する化合物に制限はない。本発明は特に、本発明の形質転換体またはトランスジェニック哺乳動物に導入された時計遺伝子(例えばPeriod 1)のプロモーターによって誘導される発現を改変する化合物を、その形質転換体またはトランスジェニック哺乳動物を用いて試験またはスクリーニングする方法に適用可能である。   Moreover, various tests or screenings can be performed by using a transformant or a transgenic mammal containing the DNA of the present invention that expresses a reporter gene. By detecting reporter gene expression in these tissues or cells under a variety of arbitrary conditions, it is possible to assess or screen for the effects of stimuli or compounds that modulate reporter gene expression . Stimulation includes temperature, light, exercise, and other shocks. There are no restrictions on the compounds used. In particular, the present invention relates to a compound that modifies the expression induced by the promoter of a clock gene (for example, Period 1) introduced into the transformant or transgenic mammal of the present invention, and the transformant or transgenic mammal. It is applicable to the method of using or testing.

本発明の試験またはスクリーニングの方法としては、以下の方法が挙げられる。
方法(1):本発明の形質転換体における導入遺伝子の発現を改変する活性を有する化合物を試験またはスクリーニングする方法であって、(a)前記形質転換体を前記化合物で処理する段階;および(b)処理した形質転換体における前記導入遺伝子の発現を測定する段階、を含む方法。
方法(2):本発明の哺乳動物における導入遺伝子の発現を改変する活性を有する化合物を試験またはスクリーニングする方法であって、(a)前記哺乳動物を前記化合物で処理する段階;および(b)処理した哺乳動物における前記導入遺伝子の発現を測定する段階、を含む方法。
Examples of the test or screening method of the present invention include the following methods.
Method (1): A method for testing or screening a compound having an activity of altering the expression of a transgene in the transformant of the present invention, comprising: (a) treating the transformant with the compound; b) measuring the expression of the transgene in the treated transformant.
Method (2): A method for testing or screening a compound having an activity of altering transgene expression in a mammal of the present invention, comprising: (a) treating the mammal with the compound; and (b) Measuring the expression of the transgene in the treated mammal.

本発明の方法は、Period 1遺伝子の発現を調節する化合物をスクリーニングするために有用である。本方法はまた、概日リズム障害に対する医薬品をスクリーニングするためにも有用である。従って、上記の方法(1)、(2)に加えて、以下に挙げるスクリーニング法も本発明によって可能となる。
方法(3): 概日リズム睡眠障害の治療に有用な医薬品の試験またはスクリーニングの方法であって、(a)本発明の形質転換体またはトランスジェニック非ヒト哺乳動物をその医薬品で処置する段階;および (b)処置した形質転換体または哺乳動物におけるレポーター遺伝子の発現を測定する段階、を含む方法。
The method of the present invention is useful for screening compounds that modulate the expression of Period 1 gene. The method is also useful for screening pharmaceuticals for circadian rhythm disorders. Therefore, in addition to the above methods (1) and (2), the following screening methods are also possible according to the present invention.
Method (3): A method for testing or screening a pharmaceutical agent useful for the treatment of circadian rhythm sleep disorder, wherein (a) treating the transformant or transgenic non-human mammal of the present invention with the pharmaceutical agent; And (b) measuring the expression of a reporter gene in the treated transformant or mammal.

本発明の試験またはスクリーニングの方法に使用する化合物に特に制限はない。その例には、無機化合物、有機化合物、ペプチド、蛋白質、天然または合成性の低分子化合物、天然または合成性の高分子化合物、組織または細胞の抽出物、微生物の培養上清、植物または海洋生物に由来する天然成分などが含まれるが、これらに限定されることはない。遺伝子ライブラリーまたはcDNA発現ライブラリーなどの発現産物を使用してもよい。化合物による処置の方法に特に制限はない。インビトロでの処置は、例えば化合物を培養液に添加して細胞を化合物と接触させたり、微量注入またはトランスフェクション試薬を用いて化合物を細胞内に導入することなどにより実施しうる。インビボでの治療の方法には、動脈内注射、静脈内注射、皮下注射、または腹腔内注射;経口投与、経腸投与、筋肉内投与、または鼻腔内投与;眼への投与;注射もしくはカテーテルを介した脳内投与、脳室内投与、または末梢器官内投与などの、当業者に公知の方法が含まれる。化合物は適宜組成物として投与する。例えば、それを水、生理食塩水、緩衝液、塩、安定剤、保存剤、懸濁剤などと混合することができる。   There is no particular limitation on the compound used in the test or screening method of the present invention. Examples include inorganic compounds, organic compounds, peptides, proteins, natural or synthetic low molecular compounds, natural or synthetic high molecular compounds, tissue or cell extracts, microbial culture supernatants, plants or marine organisms. Natural ingredients derived from, etc. are included, but are not limited thereto. Expression products such as gene libraries or cDNA expression libraries may be used. There is no particular limitation on the method of treatment with the compound. In vitro treatment may be performed, for example, by adding the compound to the culture medium and contacting the cell with the compound, or introducing the compound into the cell using a microinjection or transfection reagent. Methods of treatment in vivo include intraarterial injection, intravenous injection, subcutaneous injection, or intraperitoneal injection; oral administration, enteral administration, intramuscular administration, or intranasal administration; ocular administration; injection or catheterization. Methods known to those skilled in the art, such as intracerebral administration, intraventricular administration, or peripheral organ administration, are included. The compound is suitably administered as a composition. For example, it can be mixed with water, saline, buffers, salts, stabilizers, preservatives, suspending agents and the like.

レポーター遺伝子の発現は、哺乳動物または細胞が生きたまま測定することもでき、細胞を可溶化した後に測定することもできる。例えば、生組織におけるルシフェラーゼ遺伝子の発現を測定するために、実施例に示すように光電子増倍管により、または本明細書に参照として組み入れられるヤマザキ(Yamazaki, S.)ら(Science、2000、288、682〜685)に記載された他の類似の検出器により、生物発光を連続的に測定することが可能である。可溶化した組織または細胞におけるルシフェラーゼ活性は、例えば、ルシフェラーゼレポーター二重アッセイ系(Dual-Luciferase Reporter Assay System)(Promega)などを使用して測定することができる。レポーター遺伝子の発現は、時間的または空間的に測定することができる。発現リズムの位相、振幅、および/または周期を検出することによって発現を分析することもできる。本発明の方法により、化合物の即時的または長期的な効果(位相変化を含む)の評価が可能となる。化合物の投与によってこれらの発現が改変されれば、その化合物はPeriod 1遺伝子の発現を調節する薬剤候補となる。このような化合物は、睡眠障害を含むさまざまな概日リズム障害に対する医薬品として適用されることが期待される。例えば、レポーター遺伝子の発現の振動をリセットまたは開始する薬剤は、ペースメーカの位相を後退または前進させると期待される。したがって、これらの薬剤は脱同調した発現パターンを正常な同調に導くために使用することができる。本発明によってスクリーニングされる医薬品は、薬剤の治療効果を評価するために、概日リズム障害モデルとなるように誘導した本発明のトランスジェニック哺乳動物に投与される。   Reporter gene expression can be measured while the mammal or cell is alive, or can be measured after solubilizing the cell. For example, to measure the expression of a luciferase gene in living tissue, Yamazaki, S. et al. (Science, 2000, 288) incorporated by reference as described herein with reference to photomultiplier tubes. 682-685), it is possible to measure bioluminescence continuously. The luciferase activity in solubilized tissue or cells can be measured using, for example, a Luciferase Reporter Assay System (Promega). Reporter gene expression can be measured temporally or spatially. Expression can also be analyzed by detecting the phase, amplitude, and / or period of the expression rhythm. The method of the present invention makes it possible to evaluate the immediate or long-term effects (including phase changes) of a compound. If these expressions are altered by administration of a compound, the compound becomes a drug candidate that regulates the expression of the Period 1 gene. Such compounds are expected to be applied as pharmaceuticals against various circadian rhythm disorders including sleep disorders. For example, an agent that resets or initiates a reporter gene expression oscillation would be expected to reverse or advance the pacemaker phase. Thus, these agents can be used to direct a desynchronized expression pattern to normal synchronization. The pharmaceutical product screened by the present invention is administered to the transgenic mammal of the present invention induced to become a circadian rhythm disorder model in order to evaluate the therapeutic effect of the drug.

トランスジェニック哺乳動物における遺伝子の発現を検出する場合、測定する器官に特に制限はなく、これには視床下部の視交叉上核(SCN)を含む中枢神経系(CNS)および末梢神経系(PNS)、ならびに肝臓、肺、および骨格筋を非制限的に含む他の末梢組織が含まれる。本発明で開示する系は、SCNおよび末梢組織におけるPeriod 1発現の位相関係および同調機構を評価するために有用である。ここで、本発明による発光顕微鏡により得られる微弱光画像を、さらに異なる所望の経過時間ごとの微弱光画像を連続的ないし断続的に取得するようにする場合には、1以上の同一の細胞に関する時間ごとの光強度を網羅的に解析した解析データに基づいて、例えば時間遺伝子の活性パターンや薬剤等による細胞内物質の応答パターンを網羅的に評価することができるようになる。また、前記認識した細胞のうち所定の光強度ないし光分布を示さない細胞については網羅的評価を行わないことにより、解析すべきでない細胞を除外して正確な評価を実施できるようになる。また、前記画像解析した全ての細胞の光強度を合計値または平均値を算出することにより、個々の細胞の評価の他に解析した細胞全体の評価も実施できるようになる。また、前記画像解析した2以上の細胞の光強度および/または光強度パターンに応じて同一または異なる細胞グループに分類することにより、解析したパターンごとに活性を評価できるようになる。場合によっては、パターンが異なる細胞ごとに活性度ないし活性変化の詳細を調べることができるようになる。本発明によれば、時計遺伝子の発現パターンの周期の波形形状(振幅長、周期幅など)や波形強度(発現量、活性速度など)といった変動パラメータに関して、多様な組合せでもって解析を行うことができる。時計遺伝子の波形解析の結果は、診断、治療、生育(ないし生物学的発生)等の研究用途や産業上(医学、農産など)用途に重要な情報をもたらすので、本発明の果たす役割は大きい。 When detecting gene expression in transgenic mammals, there are no particular restrictions on the organs to be measured, including the central nervous system (CNS), including the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN), and the peripheral nervous system (PNS) And other peripheral tissues including but not limited to liver, lung, and skeletal muscle. The system disclosed in the present invention is useful for assessing the phase relationship and synchronization mechanism of Period 1 expression in SCN and peripheral tissues. Here, when the weak light image obtained by the light emission microscope according to the present invention is further continuously or intermittently obtained at different desired elapsed times, it relates to one or more identical cells. Based on the analysis data obtained by comprehensively analyzing the light intensity for each time, for example, the activity pattern of the time gene and the response pattern of the intracellular substance due to the drug can be comprehensively evaluated. In addition, the cells that do not exhibit a predetermined light intensity or light distribution among the recognized cells are not subjected to exhaustive evaluation, so that accurate evaluation can be performed excluding cells that should not be analyzed. Further, by calculating the total value or the average value of the light intensities of all the cells subjected to the image analysis, it becomes possible to perform the evaluation of the analyzed whole cells in addition to the evaluation of the individual cells. Further, by classifying the cells into the same or different cell groups according to the light intensity and / or light intensity pattern of two or more cells subjected to the image analysis, the activity can be evaluated for each analyzed pattern. In some cases, it becomes possible to examine details of activity or activity change for each cell having a different pattern. According to the present invention, it is possible to perform analysis with various combinations of fluctuation parameters such as waveform shape ( amplitude length, period width, etc.) and waveform intensity ( expression amount, activation rate, etc.) of the expression pattern of a clock gene. it can. The results of the clock gene waveform analysis provide important information for research use such as diagnosis, treatment, growth (or biological development), and industrial (medicine, agricultural, etc.) applications. .

また、本発明の装置は、多数の細胞を含む生物学的試料を画像取得可能な状態に保持する保持手段と、前記生物学的試料から発する微弱な光学的データを蓄積して画像解析可能な画像情報を取得する微弱光画像取得手段と、前記微弱光画像を形態的に解析して個々の細胞を認識するとともに認識した細胞に関する微弱光の光強度を網羅的に評価するための画像解析手段とを備えたことを特徴とする。ここで、前記保持手段が、複数のウェルを一体化したプレートをアドレス化可能に保持する構成を有することにより、複数のウェル間の評価を同一視野内または所定の順番で行うようになるので、異なる試料または異なる薬剤等による活性評価の結果を比較したり相関させることができるようになる。こ場合、前記保持手段が複数の独立した容器をアドレス化可能に保持する構成としてもよく、画像取得手段の視野に限定されず、多数の容器についての評価を行えるようになる。また、画像取得した時刻に応じた評価を行うように制御する制御手段を有することにより、経過時間ごとの同一細胞に関する解析、特定の活性を示した異なる時間同士の細胞(同一または異なる細胞)の比較解析といった多様な時間解析ができるようになる。また、前記画像解析した結果を画像情報と関連付けて表示する表示手段をさらに有することにより、解析結果の中から画像として見たい結果に対応する画像を表示できるよになる。また、前記表示手段が所望の画像情報を動画表示する構成を有することにより、1以上の所望の細胞に関する活性の変化をリアルタイムな映像でもって観察することができるようになる。動画表示としては、同一細胞に関する時間ごとの微弱光画像を画像処理により重ね合わせて臨場感を向上させるようにするとさらに好ましい。また、同一細胞に関する時系列の複数画像を駒送りで並列(ないし一部ずらしただけでもよい)表示するようにして、時間ごとの画像を全貌できるようにしてもよい。   The apparatus of the present invention can hold a biological sample containing a large number of cells in a state in which an image can be acquired, and can store weak optical data emitted from the biological sample and analyze the image. Weak light image acquisition means for acquiring image information, and image analysis means for comprehensively evaluating the light intensity of the weak light related to the recognized cells while morphologically analyzing the weak light image to recognize individual cells It is characterized by comprising. Here, since the holding means has a configuration in which a plate in which a plurality of wells are integrated is held so as to be addressable, evaluation between the plurality of wells is performed in the same field of view or in a predetermined order. It becomes possible to compare and correlate the results of activity evaluation with different samples or different drugs. In this case, the holding unit may be configured to hold a plurality of independent containers in an addressable manner, and is not limited to the field of view of the image acquisition unit, and can evaluate a large number of containers. In addition, by having a control unit that controls to perform evaluation according to the time of image acquisition, analysis of the same cell for each elapsed time, cells of different times (identical or different cells) exhibiting a specific activity Various time analysis such as comparative analysis can be performed. Further, by further including display means for displaying the image analysis result in association with image information, it is possible to display an image corresponding to the result desired to be viewed as an image from the analysis result. In addition, since the display means has a configuration in which desired image information is displayed as a moving image, a change in activity relating to one or more desired cells can be observed with a real-time image. As a moving image display, it is more preferable to enhance the sense of reality by superimposing weak light images of the same cell for each time by image processing. Further, a plurality of time-series images related to the same cell may be displayed in parallel (or just partially shifted) by frame advance so that the entire image for each time can be displayed.

本発明の系は、Period 1の発現を調節すると推定される多くの因子を同定するために使用され得る。概日リズムと関係のある新規なインビボ因子および遺伝子が本発明の系を用いて同定されれば、これらの因子および遺伝子の発現のインビボでの振動を評価することができる。それにより、SCNおよび末梢組織の振動位相を制御する因子を単離することが可能である。これらは概日リズムに関与する新規な遺伝子および蛋白質であると考えられ、これらを標的として用いることにより、新規薬剤のスクリーニングが可能になると考えられる。このようなスクリーニングはインビボおよびインビトロのどちらでも行える。   The system of the present invention can be used to identify a number of factors presumed to modulate Period 1 expression. Once new in vivo factors and genes related to circadian rhythm are identified using the system of the present invention, the in vivo oscillations of expression of these factors and genes can be assessed. Thereby, it is possible to isolate factors that control the vibration phase of SCN and peripheral tissues. These are considered to be novel genes and proteins involved in circadian rhythm, and by using these as targets, it is considered that screening for new drugs becomes possible. Such screening can be done both in vivo and in vitro.

具体的には、本発明のトランスジェニック哺乳動物を用いるインビボでのスクリーニング方法は以下の段階を含む方法(4)により達成される。
方法(4):(a)概日リズムが既に決定されているトランスジェニック哺乳動物に化合物を投与する段階;(b)トランスジェニック哺乳動物におけるレポーター遺伝子の発現レベルを定期的に検出し、発現リズムを検証する段階; (c)化合物の投与後のレポーター遺伝子の発現リズムを投与前のものと比較する段階;および(d)発現リズムの位相、周期、または振幅を改変する化合物を選択する段階。
Specifically, the in vivo screening method using the transgenic mammal of the present invention is achieved by the method (4) including the following steps.
Method (4): (a) administering a compound to a transgenic mammal whose circadian rhythm has already been determined; (b) periodically detecting the expression level of the reporter gene in the transgenic mammal, and expressing the rhythm (C) comparing the expression rhythm of the reporter gene after administration of the compound with that before administration; and (d) selecting a compound that alters the phase, period, or amplitude of the expression rhythm.

レポーター遺伝子の発現リズムは、生きた動物の体内でのレポーター遺伝子の発現リズムを検出する方法;切り出した組織を培養することによって発現の変動を連続的に観察する方法;または動物組織の抽出物を定期的に調製して、各時点での発現レベルを検出する方法によって検出可能である。例えば、適した方法(例えば、静脈内注射、腹腔内投与、脳室内投与など)により、適切なタイミングでトランスジェニック動物にルシフェリンを投与する。続いてこの動物を麻酔し、CCDカメラによってルシフェラーゼ発光を計測することにより、レポーター遺伝子の発現部位および発現レベルを決定する。個々の動物の発現リズムを確認するために、この測定を数時間毎に数回ずつ行う(Sweeney TJら、「生きた動物における腫瘍細胞クリアランスの可視化(Visualizing the kinetics of tumor-cell clearance in living animals)」、PNAS、1999、96、12044〜12049;およびContag PRら、「生きた哺乳動物における生物発光標識(Bioluminescent indicators in living mammals)」、Nature Medicine、1998、4、245〜247を参照のこと)。   The expression rhythm of the reporter gene can be determined by a method of detecting the expression rhythm of the reporter gene in the living animal body; a method of continuously observing expression fluctuations by culturing the excised tissue; or an extract of animal tissue It can be detected by a method that is prepared periodically and detects the expression level at each time point. For example, luciferin is administered to a transgenic animal at an appropriate timing by a suitable method (eg, intravenous injection, intraperitoneal administration, intraventricular administration, etc.). Subsequently, the animal is anesthetized, and the luciferase luminescence is measured by a CCD camera to determine the expression site and expression level of the reporter gene. This measurement is performed several times every few hours to confirm the expression rhythm of individual animals (Sweeney TJ et al., “Visualizing the kinetics of tumor-cell clearance in living animals ) ", PNAS, 1999, 96, 12044-12049; and Contag PR et al.," Bioluminescent indicators in living mammals ", Nature Medicine, 1998, 4, 245-247. ).

前記の通り、インビトロでも本発明を用いて新規薬剤のスクリーニングを行うことができる。このようなインビトロスクリーニング法は以下の段階を含む方法(5)により達成できる。
方法(5): (a)本発明の形質転換体、または本発明のトランスジェニック哺乳動物に由来する組織もしくは細胞を培養する段階; (b)形質転換体または組織もしくは細胞を適切な期間にわたって化合物で処理し、さらに培養を続ける段階; (c)レポーター遺伝子の発現レベルを定期的に検出する段階;および(d)(b)の処理後にレポーター遺伝子の発現リズム(位相、周期、および振幅)を改変する化合物を選択する段階。
As described above, a novel drug can be screened in vitro using the present invention. Such an in vitro screening method can be achieved by the method (5) including the following steps.
Method (5): (a) culturing a tissue or cell derived from the transformant of the present invention or the transgenic mammal of the present invention; (b) compound of the transformant or tissue or cell over an appropriate period of time; (C) a step of periodically detecting the expression level of the reporter gene; and (d) the expression rhythm (phase, cycle, and amplitude) of the reporter gene after the treatment of (b). Selecting a compound to be modified.

本明細書において、本発明の撮像すべき組織または細胞は、初代培養物または樹立細胞系の細胞であってもよい。本明細書で用いる組織、細胞などに制限はないが、脊椎動物におけるSCN、視床下辺縁細胞、末梢神経などが好ましい。化合物による処理は、例えば、化合物を添加しておいた溶媒中に組織、細胞などを一定期間、浸漬することによって行ってもよい。レポーター遺伝子の発現リズムの変化を測定する場合には、発現リズムがあらかじめ決定された同一の組織もしくは細胞、または化合物による処理を受けていない対照組織または細胞を用いた比較を行ってもよい。   As used herein, the tissue or cell to be imaged of the present invention may be a primary culture or an established cell line cell. Although there is no restriction | limiting in the tissue, cell, etc. which are used by this specification, SCN in a vertebrate, a hypothalamic marginal cell, a peripheral nerve, etc. are preferable. The treatment with the compound may be performed, for example, by immersing tissues, cells, and the like for a certain period in a solvent to which the compound has been added. When measuring the change in the expression rhythm of the reporter gene, comparison may be performed using the same tissue or cell in which the expression rhythm has been determined in advance, or a control tissue or cell that has not been treated with the compound.

上記のインビボおよびインビトロのスクリーニング方法において、光刺激などの刺激処理を、化合物の投与または処理とともに行ってもよい。   In the in vivo and in vitro screening methods described above, stimulation treatment such as light stimulation may be performed together with administration or treatment of the compound.

本発明の試験またはスクリーニングの方法により同定された化合物は、所望の概日リズム疾患または障害に対する医薬品として用いることができる。これらの薬剤は、適宜薬学的に許容される担体、溶質、および溶媒と組み合わせることによって医薬組成物として製剤化することができる。本薬剤は、時差症候群、交代制勤務による睡眠障害、睡眠相後退症候群、および不規則性睡眠覚醒障害などの疾患または障害に対して適用することができる。   A compound identified by the test or screening method of the present invention can be used as a pharmaceutical agent for a desired circadian rhythm disease or disorder. These agents can be formulated as pharmaceutical compositions by appropriately combining with pharmaceutically acceptable carriers, solutes and solvents. The drug can be applied to diseases or disorders such as jet lag syndrome, sleep disorder due to shift work, sleep phase regression syndrome, and irregular sleep-wake disorder.

本発明のスクリーニング法によって単離された化合物を医薬品として用いる場合には、それを患者に直接的に投与することもでき、またはそれを公知の医薬品製剤法によって医薬組成物の形態に製剤化することもできる。例えば、それを薬学的に許容される担体または媒体、具体的には滅菌水、生理食塩水、植物油、乳化剤、懸濁剤などと適宜組み合わせた後に投与することができる。本発明の医薬組成物は、水溶液、錠剤、カプセル、トローチ、バッカル錠、エリキシル、懸濁液、シロップ、点鼻液、吸入液などの形態でありうる。化合物の含有量は適宜決
定してよい。これらは例えば、通常は動脈内注射、静脈内注射、皮下注射、または経口投与によって患者に投与することができ、このような方法は当業者に公知である。投与量は患者の体重、年齢、投与方法、および症状により変動するが、当業者であれば投与量を適宜選択することができる。一般に、投与量は薬剤の有効血中濃度および代謝時間により異なるが、1日当たりの維持用量は約0.001mg/kg〜1g/kg、好ましくは、0.01mg/kg〜100mg/kg、より好ましくは0.1mg/kg〜10mg/kgであると考えられる。投与は1日当たり1回から複数回であってもよい。化合物がDNAによってコードされうる場合には、遺伝子治療を行うためにDNAを遺伝子治療用ベクターに組み入れることが可能である。
When the compound isolated by the screening method of the present invention is used as a pharmaceutical, it can be directly administered to a patient, or it can be formulated into a pharmaceutical composition by a known pharmaceutical formulation method. You can also For example, it can be administered after appropriately combining it with a pharmaceutically acceptable carrier or vehicle, specifically, sterilized water, physiological saline, vegetable oil, emulsifier, suspending agent and the like. The pharmaceutical composition of the present invention may be in the form of an aqueous solution, tablet, capsule, troche, buccal tablet, elixir, suspension, syrup, nasal solution, inhalation solution and the like. The content of the compound may be determined as appropriate. These can be administered to a patient, for example, usually by intraarterial injection, intravenous injection, subcutaneous injection, or oral administration, and such methods are known to those skilled in the art. The dose varies depending on the patient's weight, age, administration method, and symptoms, but those skilled in the art can appropriately select the dose. In general, the dosage varies depending on the effective blood concentration of the drug and the metabolic time, but the daily maintenance dose is about 0.001 mg / kg to 1 g / kg, preferably 0.01 mg / kg to 100 mg / kg, more preferably Is considered to be 0.1 mg / kg to 10 mg / kg. Administration may be from once to multiple times per day. If the compound can be encoded by DNA, the DNA can be incorporated into a gene therapy vector for gene therapy.

また、本発明によれば、次のような撮像装置のためのソフトウェアの発明も包含する。
ソフトウェア1:上述した装置1〜17のいずれかに記載の装置において、設定したインターバル撮像条件によるインターバル撮像が実行されるように、前記制御手段および前記画像取得手段を機能させるためのプログラムを有することを特徴とするハイスループット撮像装置のためのソフトウェア。
In addition, according to the present invention, the following software invention for an imaging apparatus is also included.
Software 1: In the apparatus according to any one of the apparatuses 1 to 17 described above, a program for causing the control unit and the image acquisition unit to function so as to execute interval imaging according to a set interval imaging condition. Software for high-throughput imaging devices.

本発明にかかる発光試料撮像方法を実施するための装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the apparatus for enforcing the luminescent sample imaging method concerning this invention. (NA/β)の2乗の値を表記した対物レンズ2の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the objective lens 2 which described the value of the square of (NA / (beta)). 対物レンズを簡略に示した図である。It is the figure which showed the objective lens simply. 現在市販されている一般的な顕微鏡の対物レンズによる像の明るさ(NA/β)の2乗の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the square of the brightness (NA / (beta)) of the image by the objective lens of the common microscope marketed now. 図1に示した微弱光撮像装置によって標本の明視野像を撮像した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which imaged the bright field image of the sample with the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置によって標本の自己発光による像を1分間露光して撮像した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which exposed and imaged the image by the self-light-emission of the sample for 1 minute with the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置によって標本の自己発光による像を5分間露光して撮像した画像を示す図である。It is a figure which shows the image imaged by exposing the image by the self-light-emission of the sample for 5 minutes with the weak light imaging device shown in FIG. 図5−1および図5−3に示した画像を重ね合わせて表示した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which accumulated and displayed the image shown to FIGS. 5-1 and FIGS. 5-3. 図1に示した微弱光撮像装置による実験の標本の作成方法を説明する図である。It is a figure explaining the preparation method of the sample of the experiment by the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置による実験の標本の作成方法を説明する図である。It is a figure explaining the preparation method of the sample of the experiment by the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置によって標本の明視野像を撮像した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which imaged the bright field image of the sample with the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置によって標本の自己発光による像を1分間露光して撮像した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which exposed and imaged the image by the self-light-emission of the sample for 1 minute with the weak light imaging device shown in FIG. 図7−1および図7−2に示した画像を重ね合わせて拡大表示した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which overlapped and displayed the image shown to FIGS. 7-1 and FIG. 図7−3に示した画像のうち所定の2つの領域に対応する標本からの発光強度の経時変化を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the time-dependent change of the emitted light intensity from the sample corresponding to predetermined two area | regions among the images shown to FIGS. 7-3. 図1に示した微弱光撮像装置に落射蛍光装置を付加した場合の一部構成を示す図である。It is a figure which shows a partial structure at the time of adding an epifluorescence apparatus to the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置にフィルターユニットを付加した場合の一部構成を示す図である。It is a figure which shows a partial structure at the time of adding a filter unit to the feeble light imaging device shown in FIG. 多色ルシフェラーゼ遺伝子の発光特性および図10に示した波長抽出フィルターの透過率特性を示す図である。It is a figure which shows the light emission characteristic of a polychromatic luciferase gene, and the transmittance | permeability characteristic of the wavelength extraction filter shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置に分光ユニットを付加した場合の一部構成を示す図である。It is a figure which shows a partial structure at the time of adding a spectroscopic unit to the weak light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光撮像装置にミラー切換明視野撮像ユニットを付加した場合の一部構成を示す図である。It is a figure which shows a partial structure at the time of adding a mirror switching bright field imaging unit to the feeble light imaging device shown in FIG. 図1に示した微弱光標本撮像装置を遮光装置内に配置して外部から自動制御を行う場合の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in the case of arrange | positioning the weak light sample imaging device shown in FIG. 1 in a light-shielding device, and performing automatic control from the outside. 図1に示したサンプル1を内部に保持し環境条件が可変な収容器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the container which hold | maintains the sample 1 shown in FIG. 1 inside, and an environmental condition is variable. 図1に示した微弱光撮像装置(ないし微弱光撮像ユニット)に適用可能な各部構成を系統的に示す図である。It is a figure which shows systematically each part structure applicable to the feeble light imaging device (or feeble light imaging unit) shown in FIG. 実施例1で用いる対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)の条件を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing conditions for the numerical aperture (NA) and projection magnification (β) of the objective lens used in Example 1. 実施例2で用いる対物レンズの開口数(NA)および投影倍率(β)の条件を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing conditions for the numerical aperture (NA) and projection magnification (β) of the objective lens used in Example 2. 実施例2において撮像したHeLa細胞の発光画像を示す図である。It is a figure which shows the light emission image of the HeLa cell imaged in Example 2. FIG. 実施例3で用いる対物レンズの開口数(NA)の条件を示した図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a numerical aperture (NA) condition of an objective lens used in Example 3. 実施例3において撮像したHeLa細胞の発光画像を示す図である。It is a figure which shows the light emission image of the HeLa cell imaged in Example 3. FIG. 実施例3で用いた対物レンズの(NA/β)の2乗の値と図21に示す発光画像の発光強度との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the square value of the (NA / (beta)) of the objective lens used in Example 3, and the light emission intensity of the light emission image shown in FIG. 本発明の応用例としてのハイスループットな撮像装置に関する全体構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the whole structure regarding the high-throughput imaging device as an application example of this invention. 本発明に適用可能な培養装置と顕微鏡装置を一体化した本発明の撮像装置の内部構成図である。It is an internal block diagram of the imaging device of this invention which integrated the culture apparatus and microscope apparatus which can be applied to this invention. ハイスループットな撮像装置における電気的に制御可能なユニットをブロック図に示したものである。An electrically controllable unit in a high-throughput imaging apparatus is shown in a block diagram. ハイスループットな撮像装置において試料容器を保持する移動可能な円形トレイの上面図(平面図)を示す図である。It is a figure which shows the upper side figure (plan view) of the movable circular tray which hold | maintains a sample container in a high-throughput imaging device. ハイスループットな撮像装置における操作ステップを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation step in a high-throughput imaging device.

符号の説明Explanation of symbols

1:サンプル
2:対物レンズ
3:集光レンズ
4:CCDカメラ
5:モニタ
101:培養顕微鏡本体
102:コントローラ
103:警告ブザー
104:警告表示装置
104a:タッチパネル
105:フォーカスハンドル・ジョイスティック
106:温度コントローラ
107:タンク
108:電磁弁
109:コンピュータ
110:ネットワーク
111:遠隔地コンピュータ
112:ヒータ
20:インキュベータ室
21:トッテ
22:フタ
23:ヒンジ
24:エアー配管
25:試料容器
26:円形トレイ
27:円形トレイ脱着センサー
28:フタ開閉センサー
29:ゴム
30:Rステージモーター
31:θステージモーター
32:Zステージモーター
33:対物レンズ
34:回転ベース
35:θ回転軸
36:直線移動ベース
38:リードネジ
39:リードネジ
40:通過窓
41:LED照明
42:蛍光キューブ
43:倍率変更レンズ
44:ミラー
45:CCDカメラ
46:レンズターレットモータ
47:キューブターレットモータ
48:軸
49:軸
50:シート
51:リング状突起
52:試料取り付け穴
53:ナット
54:直線ガイド
55:ベース
56:蛇腹
57:試料容器フタ
58:モータ室
59:顕微鏡室
60;外部制御系
70;インターバル撮像条件設定手段
1: Sample 2: Objective lens 3: Condensing lens 4: CCD camera 5: Monitor 101: Culture microscope main body 102: Controller 103: Warning buzzer 104: Warning display device 104a: Touch panel 105: Focus handle / joystick 106: Temperature controller 107 : Tank 108: Solenoid valve 109: Computer 110: Network 111: Remote computer 112: Heater 20: Incubator room 21: Totte 22: Lid 23: Hinge 24: Air piping 25: Sample container 26: Circular tray 27: Detachment of circular tray Sensor 28: Lid opening / closing sensor 29: Rubber 30: R stage motor 31: θ stage motor 32: Z stage motor 33: Objective lens 34: Rotation base 35: θ rotation axis 36: Linear movement base 8: Lead screw 39: Lead screw 40: Passing window 41: LED illumination 42: Fluorescent cube 43: Magnification changing lens 44: Mirror 45: CCD camera 46: Lens turret motor 47: Cube turret motor 48: Shaft 49: Shaft 50: Sheet 51 : Ring-shaped protrusion 52: Sample mounting hole 53: Nut 54: Linear guide 55: Base 56: Bellows 57: Sample container lid 58: Motor chamber 59: Microscope chamber 60; External control system 70; Interval imaging condition setting means

Claims (4)

微弱光を発生する細胞を少なくとも含んでいる生体試料を生存および遮光環境に維持する試料保持部と、
複数の撮像領域に存在している前記生体試料を撮像して試料画像を取得するための画像取得手段と、
前記画像取得手段を制御し、前記撮像領域ごとに多点タイムラプス・インターバル撮影を行うための制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記試料画像の取得に必要な撮像時間と前記撮像領域の数に基づいて、前記多点タイムラプス・インターバル撮影におけるインターバル時間または前記撮像時間の再設定を行うことにより、前記撮像領域ごとのインターバル撮影の条件を設定するためのインターバル撮像条件設定手段を有していることを特徴とする生体試料検出装置。
A sample holder that maintains a living sample in a living and light-shielded environment, including at least cells that generate faint light;
Image acquisition means for imaging the biological sample present in a plurality of imaging regions and acquiring a sample image;
Control means for controlling the image acquisition means, and performing multi-point time lapse interval shooting for each imaging region,
The control means performs the resetting of the interval time or the imaging time in the multi-point time-lapse interval imaging based on the imaging time required for acquiring the sample image and the number of the imaging regions, thereby A biological sample detection apparatus comprising interval imaging condition setting means for setting conditions for interval imaging for each.
請求項1に記載の装置において、
前記複数の撮像領域に対して前記画像取得手段を相対的に移動する移動手段を備え
前記インターバル時間は、多点タイムラプスを行う場合の1回目を撮影するための移動時間、撮影時間及び制御時間と、前記多点タイムラプスを行う場合の2回目を撮影開始する直前までの待機時間を合計したものであることを特徴とする生体試料検出装置。
The apparatus of claim 1.
A moving means for moving the image acquiring means relative to the plurality of imaging regions ;
The interval time is the total of the moving time, shooting time and control time for shooting the first time when performing multipoint time lapse, and the waiting time until immediately before starting the second shooting when performing multipoint time lapse. biological sample detection apparatus according to claim der Rukoto those.
請求項1に記載の装置において、
前記画像取得手段は撮像時の撮像倍率を変更可能な撮像倍率変更手段を有し、
前記撮像倍率変更手段による撮像倍率に応じてインターバル撮像条件を設定することを特徴とする生体試料検出装置。
The apparatus of claim 1.
The image acquisition means has an imaging magnification changing means capable of changing an imaging magnification at the time of imaging,
A biological sample detection apparatus, wherein an interval imaging condition is set according to an imaging magnification by the imaging magnification changing means.
請求項1から3のいずれかに記載の装置において、前記生体試料中の細胞を継続して培養するための培養手段をさらに備え、前記制御手段が複数の撮像領域に存在する細胞に関する各培養期間中の撮像時期に応じてインターバル撮像条件を設定することを特徴とする生体試料検出装置。 The apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a culture means for continuously culturing cells in the biological sample, wherein the control means relates to each culture period relating to cells present in a plurality of imaging regions. A biological sample detection apparatus, characterized in that interval imaging conditions are set according to the imaging time during.
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