JP5507780B2 - 視覚的サーボ制御光学顕微鏡 - Google Patents
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Description
本発明は、細胞種間の差異を知識ベースで発見および最適化するための方法および装置を提供する。特に本発明は、視覚的サーボ制御光学顕微鏡および分析方法を提供する。本発明はさらに、特定の細胞部分母集団用に培養条件を最適化する手段を提供する。
現在、テレプレゼンス(telepresence)研究においては、地理的に分散した場所に存在する専門家および施設を一つにまとめることが主流となっている(Hadida-Hassanら、J.
Struct. Biol.、125:229-234 [1999]; Parvinら、「オンライン施設用視覚的サーボ制御(Visual Servoing for
On-Line Facilities)」、IEEE Computer Mag.、56-62頁[1997]; Potterら、UltraMicros.、77:153-161
[1999]; Youngら、J. Supercomputer Appl. High Perf. Comput、pp. 170-181 [1996];およびParvinら、「分散型鏡検のための協調的フレームワーク(A
Collaborative Framework for Distributed Microscopy)」、IEEE Conf. on SuperComputing [1998])。このシステムは、協調的フレームワーク(Parvinら、[1997]、前述)とともに現場で広く使用されている。テレプレゼンス研究の焦点は、機器の遠隔機能性、ならびに、大規模なデータ収集および分析に必要な自動化に当てられてきた。カリフォルニア(California)大学バークレー(Berkley)校でのMASHプロジェクト(McCanne、IEEE
Internet Comput.、3:33-44 [1999])では、不均質な環境でMBoneツールを使用して、完全に分散したシステムで、協調的アプリケーション用の拡大縮小可能なマルチメディアアーキテクチャを開発している。NCSAのHaveneroプロジェクトでは、主としてJavaで記述されたコンピュータベースの集中システムにおける共有情報の円滑な管理と全クライアントへの同時配布とが実現されている。ラトガー(Rutger)大学のDISCIPLEは、共有バーチャル空間を実現するためのサービスベースの集中システムにおける分散アクセス用にCORBAフレームワークを使用している。サン・マイクロンステム社(Sun
Microsystem)のJava共有開発ツールキット(Java Shared Development tool kit)には、通信セッションの参加者にデータを送信するための協調認識性の(collaborative-aware)Javaコードが用意されている。このコードは、TCP/IPソケット、軽量高信頼マルチキャスト、および遠隔呼び出し法という3種類の転送プロトコルをサポートしている。このフレームワークでは、全オブジェクトが管理可能であり、協調はチャネル、トークン、ブロブ、およびリスナーを含むセッション内で発生する。ミシガン(Michigan)大学のUpper
Atmosphere Research Collaboratory(UARC)はウェブベースの分散システムであり、大部分がJavaで記述されている。このシステムは宇宙空間物理学研究用の40以上の観察プラットフォームからデータを収集し、同期協調および非同期協調の両方が可能である。このシステムでは、データ提供者はデータ散布サーバー上で各自のデータを発表する。次に、クライアントは所望の情報を受け取るためにシステムに加入する。
本発明は、細胞種間の差異を知識ベースで発見および最適化するための方法および装置を提供する。特に本発明は視覚的サーボ制御光学顕微鏡および分析方法を提供する。本発明は、数百の個々の生細胞を経時的に詳しくモニターする手段;多チャネルにおける動的生理学的反応の定量化;リアルタイムのデジタル画像分割および分析;インテリジェントなかつ繰り返しの、コンピュータ印加による細胞ストレスおよび細胞刺激;ならびに、長期的な研究および観察において同じ細胞視野に戻ることができる能力を提供する。本発明はさらに、特定の細胞部分母集団用に培養条件を最適化する手段を提供する。
compartment)における反応を測定する手段を提供する。いくつかの態様において、細胞下レベルの反応は、a)プログラミングされた刺激周波数で、かつ、b)細胞アレイに注入された化合物に対する細胞曝露の関数として測定される。さらに本発明は、関心対象の細胞の曝露を反応の測定結果の関数として調整するためのサーボループの制御を提供する。本発明は最大限の柔軟性を提供する。例えば、いくつかの態様においては、視野内の関心対象の全細胞について細胞および/または細胞内区画の反応の平均がユーザー定義の閾値に達すると外的曝露が遮断される。別の態様においては、所望の割合の細胞および/または細胞内区画が、定義された閾値に達すると、外的曝露が遮断される。また別の態様においては、細胞の部分集合および/または細胞内区画の部分集合の反応の平均が特定のプロフィールに達すると外的曝露が遮断される。これらの各態様は、任意の組合せで所望の回数繰り返すことができる。
本発明は、近年の大多数のネットワークコンピュータの処理能力、記憶能力および分析能力を、単一の生細胞の複雑かつ相互作用的な生物学的経路および生化学的経路または「回路構成」と結びつけるための手段を提供する。さらに、この過程は数百または数千の細胞について繰り返し行うことが可能であり、人間がこの連結的かつ自動的なシステムに携わることはない。コンピュータ印加の刺激および摂動によって呼掛けを受けた生細胞がコンピュータによる検出および分析が可能な様式で「反応」する際に、通信またはフィードバックループが確立される。コンピュータ印加によるこれらの複雑な刺激および摂動は、繰り返し印加することができ、かつ、細胞から受け取った複雑な「反応」に基づいて適切に変化させることができる。
本発明は、細胞種間の差異を知識ベースで発見および最適化するための方法および装置を提供する。特に本発明は視覚的サーボ制御光学顕微鏡(VSOM)および分析方法を提供する。本発明は、数百の個々の生細胞を経時的に詳しくモニターする手段;多チャネルにおける動的生理学的反応の定量化;リアルタイムのデジタル画像分割および分析;インテリジェントなかつ繰り返しの、コンピュータ印加による細胞ストレスおよび細胞刺激;ならびに、長期的な研究および観察において同じ細胞視野に戻ることができる能力を提供する。
本発明の1つの態様において、VSOM光学プラットフォームは、顕微鏡ステージの中央に取り付けられた標本に対して透過光照明と表面蛍光照明との両方を実施するよう構成された倒立光学顕微鏡である。画像生成用および拡大用に、顕微鏡ステージの下に複数の対物レンズが取り付けられる。1つの態様においては4つのロボット構成要素(すなわち、コンピュータ制御された顕微鏡周辺装置)も顕微鏡ステージ付近に配置される。特に好ましい態様においては、内部カメラシャッターを有するデジタルカメラが顕微鏡上の上部カメラポートの1つに取り付けられる。顕微鏡ステージはコンピュータ化されたXY走査ステージであり、かつ、上部シャッターが透過光照明を制御し内部の後部シャッターが表面蛍光照明を制御する2つのコンピュータ制御のシャッターの位置が含まれる。内部シャッターに加えて、定義されたスペクトル成分の光で標本を照明および蛍光励起させることができる、コンピュータ制御の6位置回転光学フィルタを有する。
本発明は、特定の物質、処理、または処理セットに対する細胞/個々の細胞の生理学的反応性をより完全に評価するため、高スループットのスクリーンを介して、種々の細胞種に対して連続的な処理を行うことによって多数の化合物(例えば、薬剤または所望の生物学的活性を有する可能性がある化合物)を迅速にスクリーニングする能力を提供する。既存の方法を用いた薬剤-細胞相互作用の操作および分析では、一定の時間内に分析できるバイオアッセイの数が少なく、化合物送達に必要な方法が煩雑であり、かつ、しばしば大量の化合物が試験に必要とされるため、高スループットかつ生物学的に高含量のスクリーニングを行うことができない。したがって、本発明の好ましい態様では、高スループットのスクリーニングをマイクロアレイフォーマットで可能にする。
resist-photolithograpy)(MrksichおよびWhitesides、Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct.
25:55-78、1996)などがある。このフォトレジスト法では、ガラス板をフォトレジストで均一にコーティングし、フォトマスクをフォトレジストコーティング上に置いて所望の「アレイ」またはパターンを規定する。露光により、マスクされていない領域のフォトレジストが除去される。露出したガラスの領域とフォトレジストで覆われた領域との両方に結合する有機シランなどの疎水性物質で、フォトリソグラフで規定した表面全体を均一にコーティングする。次にフォトレジストをガラス表面から剥離し、露出したガラスのスポットのアレイを露出させる。次に、アミノ基など親水性または化学反応性を有する基を末端に有する有機シランでガラス板を洗浄する。露出したガラスのスポットに疎水性の有機シランが結合し、その結果、疎水性表面上に、(元のフォトレジストの領域に配置された)親水性または反応性のスポットのアレイを有するガラス板が得られる。親水基のスポットのアレイにより、ニューロン由来のものも含めた特定の細胞を非特異的かつ非共有結合的に結合させるための基質が得られる(Kleinfeldら、J.
Neurosci. 8:4098-4120、1988)。同様に、シリコンウェーハ表面に対する反応性イオンエッチングも、2つの異なる種類のテクスチャでパターン形成した表面を得るために用いられている(Craigheadら、Appl.
Phys. Lett. 37:653、1980; Craigheadら、J. Vac. Sci. Technol. 20:316、1982; および、Suhら、Proc.
SPIE 382:199、1983)。
264:696-698、1994)。次に、末端にポリエチレンを有する、タンパク質吸着に抵抗性のアルカンチオールで金の裸面をコーティングする。表面全体を、細胞外マトリックス中に発見される細胞結合タンパク質であるラミニンに曝露すると、生きた肝細胞がラミニンでコーティングされた島に均一に付着しかつこの島の上で増殖できるようになる(Singhviら、1994)。特定タンパク質のパターンによる金表面のコーティングには、強力なしかし非共有結合的な金属キレート化を利用した加工が用いられている(Sigalら、Anal.
Chem. 68:490-497、1996)。この場合は、ニトリロ酢酸を末端に有するアルカンチオールで金表面にパターンを形成する。タンパク質吸着を低減させるため、金の裸領域がトリ(エチレングリコール)でコーティングされる。Ni2+を添加すると、ヒスチジン標識した5つのタンパク質の特異的吸着が動力学的に安定するのが観察される。
Biochem. 113:144-148、1981)。基質パターン形成の別の加工法では、読み取り可能スポットのアレイが作製される。ガラスに化学吸着してガラスをコーティングする有機シランでガラス板を洗浄する。アレイのパターンを規定する光学マスクを通して有機シランコーティングに遠紫外光を照射する。照射によりSi--C結合が開裂して反応性のSiラジカルが生じる。Siラジカルは水との反応により有極性のシラノール基を生じる。参照として本明細書に組み入れられる米国特許第5,324,591号に記載のように、有極性のシラノール基はアレイ状のスポットを構成し、さらに修飾を受けて他の反応性分子をスポットに結合させる。例えば、自由アミノ成分などの生物学的機能基を含むシランをシラノール基と反応させることが可能である。次に、自由アミノ基を、タンパク質、核酸、炭水化物、および脂質などの生物分子との共有結合性付着部位として使用することができる。細胞表面と相互作用することが知られているレクチンを、反応性のアミノ基を介して、パターン形成せずにガラス基質に共有結合的に付着させる方法が示されている(AplinおよびHughes、1981)。支持体上に細胞の均一なアレイを作成する光学的方法は、フォトレジスト法と比較して必要な段階が少なくかつ高速であるが、高額な光源による強力な紫外光を必要とする。
固体の基体に付着した細胞のマイクロアレイに対する効率的な溶液送達は、マイクロ流体工学のシステムにより容易になる。少量液体試料の精密な取り扱いの方法および装置は、インク送達(米国特許第5,233,369号;
米国特許第5,486,855号; 米国特許第5,502,467号、これらはすべて参照として本明細書に組み入れられる)、生物試料の吸引(米国特許第4,982,739号、参照として本明細書に組み入れられる)、試薬の保管および送達(米国特許第5,031,797号、参照として本明細書に組み入れられる)、ならびに、臨床診断および化学合成用の超小型電子工学的かつ流体工学的な区分装置アレイ(米国特許第5,585,069号、参照として本明細書に組み入れられる)に関して開示されている。さらに、少量液体試料を表面に沿って誘導するために使用できる、固体基体中に微小チャネルを形成するための方法および装置が開示されている(米国特許第5,571,410号;
米国特許第5,500,071号; 米国特許第4,344,816号、これらはすべて参照として本明細書に組み入れられる)。閉鎖された光学チャンバ内で固体基体上に不均一なアレイとしてマイクロパターン形成された生細胞に溶液を送達するための方法は米国特許第6,103,479号に開示されており、特許も参照として本明細書に組み入れられる。
Int. Ed. Engl. 35:367-385、1996に概説)。薬剤はすべてのチャネル14で同時に放出させてもよく、または、個々のチャネルもしくはチャネルの列を照明して逐次的に放出させてもよい。このような薬剤の制御放出を動力学研究および生細胞研究に用いてもよい。液体送達の制御は、毛管現象の当業者に既知のマイクロバルブおよびマイクロポンプの組合せにより可能である(米国特許第5,567,294号;
米国特許第5,527,673号; および米国特許第5,585,069号、これらはすべて参照として本明細書に組み入れられる)。
本明細書に記載のように、特に好ましい態様は細胞の蛍光撮像を含む。顕微鏡で蛍光細胞を撮像し、かつこれらの細胞で生じている空間分布および経時変化に関する情報を抽出するための種々の方法が開発されている。これらの方法およびその応用の多くは最近開示されたものである(Taylorら、Am.
Scientist 80:322-335、1992; 米国特許第6,103,479号も参照)。これらの方法は、細胞内の蛍光レポーター分子の分布、量、および生化学環境を高い空間分解能および時間分解能で画像測定することを目的として少数の標本を作製するために設計および最適化されたものである。
York、Alan R. Liss、29:1-12、1989)、ならびに、レポーター分子として修飾緑色蛍光タンパク質(GFP)などの蛍光タンパク質を生成させるための細胞の遺伝子操作は有用な検出方法である。クラゲの一種であるエクオレア・ビクトリア(Aequorea
Victoria)の緑色蛍光タンパク質(GFP)は395 nmに最大励起波長、510 nmに最大発光波長を有し、かつ、外因性因子を必要としない。GFPを使用した遺伝子発現およびタンパク質位置測定はチャルフィー(Chalfie)ら、Science
263:802-805、1994に記載されている。野生型GFPのいくつかの特性はモリセ(Morise)ら(Biochemistry 13:2656-2662、1974)およびワード(Ward)ら(Photochem.
Photobiol. 31:611-615、1980)によって開示されている。リッツト(Rizzuto)ら(Nature 358:325-327、1992)による論文では、細胞小器官を可視化するためのツールとしての野生型GFPの使用が検討されている。カエサー(Kaether)およびゲルデス(Gerdes)(FEBS
Letters 369:267-271、1995)は、分泌系路上のタンパク質輸送の野生型GFPを用いた可視化について報告している。植物細胞におけるGFPの発現についてはフー(Hu)およびチェン(Cheng)(FEBS
Letters 369:331-334、1995)が、ショウジョウバエ(Drosophila)の胚におけるGFP発現についてはデービス(Davis)ら(Dev.
Biology 170:726-729、1995)が報告している。参照として本明細書に組み入れられる米国特許第5,491,084号では、他の関心対象のタンパク質と融合させたレポーター分子としてのエクオレア・ビクトリア(Aequorea
Victoria)由来GFPの発現が開示されている。参照として本明細書に組み入れられるPCT/DK96/00052は、細胞内プロセスに影響を与える細胞学的活性物質を、プロテインキナーゼ活性化部位を有するGFP構造を利用して検出する方法に関する。生物学的システムにおけるGFPタンパク質に関する文献は多数ある。例えば、参照として本明細書に組み入れられるPCT/US95/10165は、GFP様タンパク質の発現を利用して関心対象の細胞を分離するシステムを開示している。参照として本明細書に組み入れられるPCT/GB96/00481は、植物におけるGFPの発現を開示している。参照として本明細書に組み入れられるPCT/US95/01425は、突然変異生成を検出するための、形質転換生物における修飾GFPタンパク質の発現を開示している。GFP突然変異体は複数の生物学的システムで作製および使用されている(Hasselhoffら、Proc.
Natl. Acad. Sci. 94:2122-2127、1997; Brejcら、Proc. Natl. Acad Sci. 94:2306-2311、1997;
Chengら、Nature Biotech. 14:606-609、1996; HeimおよびTsien、Curr. Biol. 6:178-192、1996;
ならびに、Ehrigら、FEBS Letters 367:163-166、1995)。いずれも参照として本明細書に組み入れられる米国特許第5,436,128号および第5,401,629号には、細胞表面受容体の活性に対して反応性を示す転写制御要素を含む受容体遺伝子構造を含みかつ細胞表面受容体を発現する組換え細胞を用いて、細胞外シグナルの細胞内変換を検出および評価するためのアッセイおよび構成を示した方法が開示されている。
Rev. Biophys. Biomol. Struct. 24:405-434、1995; ハルーツニアン(Harootunian)ら、Mol. Biol.
Cell 4:993-1002、1993; ポスト(Post)ら、Mol. Biol. Cell 6:1755-1768、1995; ゴンザレス(Gonzalez)およびチエン(Tsien)、Biophys.
J. 69:1272-1280、1995; スワミナサン(Swaminathan)ら、Biophys. J. 72:1900-1907、1997; ならびに、チャルフィー(Chalfie)ら、Science
263:802-805、1994に記載されている。インジケータは、細胞をアレイに播種する前または播種した後に、種々の物理的方法の1つまたは組合せにより細胞に導入してよく、このような物理的方法としては、例えば、細胞膜を介した拡散(Haugland、「蛍光プローブと研究用化学物質のハンドブック(Handbook
of fluorescent probes and research chemicals)」、別冊6、Molecular Probes社編、Eugene、1996に概説)、細胞膜の機械的摂動(McNeilら、J.
Cell Biology 98:1556-1564、1984; ClarkeおよびMcNeil、J. Cell Science 102:533-541、1992;
Clarkeら、BioTechniques 17:1118-1125、1994)、または規定された条件下において細胞内でインジケータが発現するような遺伝子操作(Chalfieら、1994)があるが、これらに限定されることはない。好ましい態様において、細胞は発光レポーター遺伝子を含むが、化学発光タンパク質をコードしている遺伝子を含めて他の種類のレポーター遺伝子も適している。生きた細胞の研究により、生活環中の発光または薬剤もしくはその他の反応性物質と接触した際の発光に基づいて、細胞の生理学的状態を分析することが可能になる。
Zeiss)(Jena、GmbH、ドイツ)が製造しているようにまたはDenkら(Science 248:73、1990)が報告しているように、複数のレーザーラインかまたは個別のレーザーダイオードの群かに基づいて選択される。高スループットの検索モードの別の態様では、発光励振器のアレイ(1×8、1×12など)と発光放射検出器とを有する低分解能のシステムであって細胞の不均一マイクロパターンアレイのウェルの部分集合を走査するシステムが使用される。このシステムは、好ましい態様では光ファイバー束を有するが、発光励起光を誘導しかつ同じウェルが発する発光放射光を収集するシステムであれば任意のシステムであってよい。
コンピュータ制御の周辺装置は局所コンピュータによって独立に制御してもよく、または、遠隔コンピュータが発行する命令のためのコンジットとして局所コンピュータを機能させてもよい。一般的な「機器」もしくは顕微鏡の遠隔制御、またはインターネット上のVSOMシステムは、後述のように複数の利点を有する。例えば、中央コンピュータは、より高い処理能力およびアーカイビング能力、ならびにより高度なデータベースおよびその他のソフトウェアパッケージを有していてもよく、これにより、これらの長所を、個々の光学プラットフォームの近くに配置された多数の局所コンピュータ上で多額の費用をかけて重複させる必要がなくなる。
コンピュータ科学の見地から、本発明には種々の構成要素を必要とした。特に好ましい態様では以下の構成要素が含まれる:(1)顕微鏡周辺装置のコンピュータ制御、(2)単一または複数のチャネルで撮像された細胞のセグメント化、(3)特定の実験で使用されるレシピの解題、(4)印加された刺激の関数としての細胞反応の自動分析、(5)2つの細胞種間の差異をアッセイの関数として比較するオフラインの相関技術、クラスター化技術、および学習技術、ならびに、(6)2つ以上の異なる細胞種から直接の反応を導出するためのポリシー(すなわちプロトコルまたはレシピ)を動的に制御および推測するオンラインの学習技術。種々のシステム構成要素間の相互作用を図1および図2に示す。特に好ましい態様において、全システム構成要素の完全な統合には、専用に設計されたグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)、オンライン画像分析ソフトウェア、オフライン分析用のデータベース統合、モデルシステム内での細胞反応の効果的な可視化、ならびに、オフラインおよびオンラインの学習技術(例えばアルゴリズム)が含まれる。
View: A Channel for Distributed Microscopy and Informatics)」、IEEE高性能コンピューティングとネットワーキング会議(IEEE
Conf. on High Performance Computing and Networking)[1999]、および、Parvinら、「分散機器用の宣言的フロー制御(Declarative
Flow Control for Distributed Instrumentation)」、IEEEグリッド・クラスターコンピューティングの国際シンポジウム(IEEE
Int. Symposium on the Grid and Cluster Computing)、2001年5月を参照)。本発明は、種々の新規的な構成要素を提供し、構成要素には以下のものが含まれるがこれらに限定されることはない:画像取得用の分散アーキテクチャ、細胞下レベルで構造および機能を特徴付けるための新規的アルゴリズム、特定の刺激に対する各細胞の反応のアーカイビング、ならびに、機器を特定の状態に駆動するための反応計算結果の使用。
特に好ましい態様において、インフォマティクスシステムは、データモデル、プレゼンテーションマネージャ、およびクエリーマネージャを含む。開発、試験、および保守を容易にするためこれらのサブシステムは切り離される。データモデル構成要素の目的は、必要な解題データを取得し、かつ、それらを仮説の信号および反応の経路を表す計算された画像表現と連結させることである。モデルはオブジェクト指向であり、解題と測定された特徴データとの二方向追跡が可能である。プレゼンテーションマネージャは、基礎となるデータモデルの変化に関わらずユーザーインターフェースの配線が回避され、かつ実行時に構成されるインターフェースがより柔軟となるよう、データモデルとユーザーフェースとの間のマッピングを含む少なくとも2つの個別の特徴を提供する。さらに、テキストまたはグラフィックによる特定のクエリーの表示機能が提供される。クエリーマネージャは、高レベルのユーザークエリーを、データモデルを実行するJavaオブジェクトにマッピングする。したがって、好ましい態様において、本発明は、データベースの詳細な操作を単純化しかつエンドユーザーから隠蔽する。
図6パネルAに示す態様のデータモデルはオブジェクト指向であり、特定のプロジェクトを、画像の集合から計算された特徴にリンクする。リンクは二方向性であり、任意のエンドポイントから情報を追跡することが可能である。各プロジェクトは、試験にリンクされた各自のデータベースを有する。
プレゼンテーションマネージャは、データベースの閲覧とクエリー機能の結果の可視化という2つの主たる特徴を有する。データベースの閲覧は、解題データ、画像、および対応する特徴を取得するあらかじめ定義されたスキーマに対して実施される。図6パネルAに示すデータモデルはXSD(XMLスキーム)で表現され、プレゼンテーションマネージャがこの表現と対応するスタイルシート(XSL)とを用いて閲覧および更新用にデータベース内にビューを構成する。この態様においては、より柔軟でかつ動的に生成されたユーザーインターフェースに有利となるようGUIの配線はバイパスされる。一般的には、このようなマッピングにより複雑な実行上の問題が生じる可能性がある。しかし本発明は、プレゼンテーションシステムを単純化することによって、1つの層の閲覧と更新とを同時に行うことを可能にしている。「層」とは、関連(association)、集合(aggregation)、および継承(inheritance)によってリンクされたオブジェクトと他のオブジェクトとの間のナビゲーションを指す。
クエリーマネージャは、可視化および仮説検証を補助するためのあらかじめ定義されたオペレータのセットを提供する。これらのオペレータは、計算された特徴とそれに対応する解題データとの間のコントラストの描写を補助し、かつ、分散分析および主成分分析(PCA)など種々の統計学的方法を実行する。いくつかの態様では、これらのオペレータにより細胞反応を最終的なモデル再構成用に解読することが可能である。オブジェクト指向データベースでは、計算される特徴がそれぞれそのソース(例えば細胞培養物または動物)にマッピングされる必要があるため、分散分析などの測定が単純化される。このような高レベルのオペレータの1例としては、独立変数に対する、計算された特定の特徴の相関付けがある。本発明は、データベース操作へのユーザークエリーのマッピング、結果の計算、および計算結果のディスプレイマネージャへの転送を行うための視覚クエリーインターフェースを提供する。いくつかの態様において、実際の計算には、ディスプレイを目的とした分散分析(例えば、特定の測定結果を複数の独立した試料に関連付けるため)またはPCA(例えば、計算された特徴ベクトルの低次元化)が含まれる。
細胞の副区画の自動描写は、印加された刺激に対する細胞の反応をモニターする上で重要な段階である。一部の場合では、関心対象の細胞が互いに接触または重複し、したがってセグメント化が困難なことがある。本発明の開発過程で利用した従来のアプローチでは(例えば、CongおよびParvin、Patt.
Recog.、33:1383-1393 [2000]; ならびに、Parvinら、「Biosig:細胞内シグナルの機構研究のためのバイオインフォマティクスシステム(Biosig:
A Bioinformatic System for Studying the Mechanism of Inter-Cell Signalling)」、IEEE
Inter. Sympos. Bio-Informatics Biomed. Engineer.、pages 281-288 [2000]を参照)、大域的に一貫性のある方法で核の集塊を仕切るため、ステップエッジとルーフエッジの両方を使用した。ステップエッジは核と背景との間の境界に対応し、ルーフエッジは隣接する核との境界に対応する。このシステムに固有な特徴の1つは、各仮説の超二次関数的表現と、大域一貫性のためにこの表現を用いたこととにあった。大域一貫性は、動的プログラミングで最小化した費用関数によって得た。本発明は、より単純かつより強力なアプローチを提供する。以前のアプローチにおける主たる難点は、しわ境界の検出およびグループ化によりシステムの複雑性が増し、その結果信頼性が低下したことであった。画像空間におけるそれぞれの核の投影が二次関数的であると仮定している点においては本発明もモデルベースである。しかし、本発明のいくつかの好ましい態様においては、ステップエッジとルーフエッジとをグループ化する代わりに、画像のゼロ交差に対応する表現から開始する。次に、ゼロ交差画像を幾何学的制約条件および照明制約条件でフィルタリングして、核の二値化集塊を生成する。次に、「重心変換」とよばれる過程により核集塊を複数の核に仕切る。計算プロトコルの各段階を図7パネルAに示す。重心変換は、本質的に、局所化された質量中心に輪郭上の各点を投影する。図7パネルBに示すように、輪郭上のノイズおよびその他のアーチファクトを除去するため、解の正規化が行われる。
エッジの局所化は局所座標系のゼロ交差を基礎としている。以下に詳細に説明するように、これらのエッジは上限の最小化に対応する。
H(f)=supR |▽f| は、一連の次式の汎関数(式1)の「限界」であるとみなすことができる。
[1966]; Aronsson、Arikv. Matematik、7:133-151 [1967]; Aronsson、Manuscripta Math.、41:133-151
[1981]; ならびに、Evans、Electron. J. Different. Equat.、[http://ejde.math.swt.edu/Volumes/1993/03-Evans/abstr.html]
3:1-9 [1993]を参照)。式(2)のいくつかの重要な特性は、少なくとも1つの解が存在すること、および、妥当に弱い意味で「解」が再定義されるならばC1の連続解が存在することである。さらに、fの勾配の軌跡は凸曲線または直線であり、かつ、Rには停留点|▽f|=0が存在しない。局所座標系が▽fで定義される局所座標系において、式(3)がゼロ交差(fxx+fyy=
0)と等価であることは興味深い。
ベクトル場解析は、数学および物理学などの古典的分野とともにコンピュータの視覚およびパターン認識においてもよく研究されている技術である。運動ベースの用途向けに多数の概念およびツールが開発されている。本発明は、現在の最新技術を科学画像のセグメント化および解釈に拡張する。強度画像f0(x,y)が与えられたとき、強度画像から導出される自然ベクトル場が存在し、これはπ/2の回転をもつ傾斜場に相当する:
1.渦のインデックスが+1 に等しい(すなわち、ベクトル場中の特異点は前述のRaoおよびJainによって与えられる)場合、および
2.鞍点のインデックスが -1 に等しい場合。
次式のように、ベクトル場のダイバージェンスは全点においてゼロであるから、ベクトル場に節は存在しない:
I(x,y)を元の画像とする。各点(x0,y0)において、等高の輪郭は次式(式4)で定義される:
[数13]
I(x,y)=I(x0,y0)。
テイラー級数を用いて上式の拡張および打切りを行うと次式(式5)が得られる:
[数18]
Aw+b=0。
Aが特異点でないならば、重心は直接求めることができる(すなわち、次式(式8)):
[数19]
w=-A-1b。
しかし、これは必ずしも真ではなく、一般的に次式(式9)で定義されるゼロ集合
1.強度の勾配がゼロである領域に対応する、均一な領域。二値画像の場合、情報は輪郭上のみに存在する;および、
2.グレーレベル画像中の楕円形状に対応する、不均一な領域。
v(x,y))Tで表すと、正規化モデルは以下の式10または式11で表すことができる:
これらの係数はすべて偏導関数の関数であり、かつ、(u(x,y), v(x,y))の近傍である。行列式(式16):
[数27]
Δ=ad-be > 16α2は常に正であり、かつ、式(14)の解は次式(式17)となる。
生細胞の撮像、および一般的に蛍光顕微鏡撮像は、構造情報と機能情報とを分離するために多スペクトルであることが多い。いくつかの態様においては、試料を蛍光染料で標識し、360
nmでの撮像により核の情報(例えば、形状および構成)を得る。反応は他の励起波長(例えば、490 nmおよび570 nm)で撮像される。本発明のいくつかの態様においては、それぞれの核は楕円および超二次関数で表現され、その反応は他のチャネルで直接読み取られる。
Intl. Conf. Patt. Recogn.、253-257 [1996])。
Trans. Patt. Anal. Mach. Intell.、17:1079-1083 [1995])は、次式(式19)で定義される閉曲線である。
本発明の1つの態様において、画面内の核の抽出は周知の形態学的オペレータと異なる。1つの具体的な技術は、画像を三次元構造として捉える分水界変換である(例えば、NajmanおよびSchmidt、IEEE
Trans. Patt. Anal. Mach. Intell.、18:1163-1173 [1996]を参照)。画像をその局所極小からフラッドさせ、かつ異なる局所極小に由来する領域の併合を抑止することによって、画像は、流域(catchment)および盆地(basin)、ならびに分水界線(wathershed
line)に分割される。別の態様では、このような分割は、各エッジ点から局所極小への下流経路を発見することによってエッジから開始される。分水界変換は、隣接領域を併合するために複雑な形態学的オペレーションを必要とする過剰セグメント化につながる。対照的に、本発明の好ましい態様では、二値化した画像から開始し、続いて、核に属する境界点をつぶして単一の点にする。ただし、自然の分割を明らかにするために境界点を局所盆地に移動させるという観点からは、分水界変換および重心変換も同じ発想である。この方法を用いると、距離変換に対応するエネルギーランドスケープは多数の局所極小を示す。対照的に、正規化重心変換は、単一の局所極小をもつ滑らかなエネルギーランドスケープを有する。
Recog.、33:1383-1393 [2000]を参照)、このような分割は必ずしも対象の自然境界に沿って生じなかった。
Viewはまた、ワイドエリアネットワーク上でデータを転送および閲覧するための手段も提供する。システムは、その特性の広告(advertisement)を介して標的の機器と相互作用する総称GUIを有する。VSOMの場合、関係する特性はコンピュータ制御のシリンジ、シャッター、およびXYステージ、Z軸フォーカスモーター、フィルタホイール、ならびにカメラ制御パラメータである。この、機器の広告性能(機能性)の概念は、より一様なインターフェースをもたらし、かつ、ソフトウェアが再使用可能であることにより維持管理費用を低減させる。
前述のように、核および細胞質の自動描写は、細胞反応を特定の細胞区画にマッピングする上で重要な段階である。この計算構成要素はVSOMシステムと相互作用して1つまたは複数のチャネルから画像データを取得する(例えば、フィルタホイールを回転させるまたはシャッターを開閉させることによって)。単一のチャネルから取得した画像のセグメント化は前述のとおりである。以下に、多チャネルのセグメント化の概要を説明する。
Symp. Appln. Comp. Vis. Med. Imaging [1995]を参照)、このアプローチは(共焦点鏡検法を用いた)3Dにも拡張可能である。データ融合の目的は、セグメント化および標識のための異なる様式を補完的に処理することである。この見地から、セグメント化手順によりデータ領域中の各ピクセルが相応に標識される必要がある。しかし、標識処理を複雑化しうる瞹昧さが多数存在する。これらの曖昧さは、局所処理のみから、および、高レベルのフィードバックの不在により、生じる可能性がある。
本明細書に詳細に説明しているように、本明細書に記載の実験で使用したVSOMの機能アーキテクチャは、画像取得モジュール、画像分析モジュール、サーボ制御、およびアーカイブで構成される。画像取得モジュールは、6つの励起フィルタを用いて、微速度撮影の高分解能ビデオ鏡検法の手段を提供する。このモジュールは、種々の時間周波数および励起周波数の、手動の画像取得またはあらかじめプログラムされた画像取得を可能にするレシピマネージャを有する。レシピは、意味的な相互運用性を提供するXML表記法で表現される。分析モジュールは、サイズ、位置、反応、および境界輪郭に基づいた画像の特徴ベース要約を提供する固有のセグメント化アルゴリズムを統合する。したがって、分析モジュールは、属性付けされたグラフモデルに基づいて画像の特徴ベース要約を提供する固有のセグメント化アルゴリズムのプールを有する。その結果、グラフ中の各節は画像中の同質の領域(例えば、核、細胞質など)に対応する。
Viewの機能的アーキテクチャの略図(パネルA)、VX5実行用のXMLレシピファイルのサンプル(図14パネルC)、ポンプログ中のデータの例(図14パネルB)、および、ICSデジタル画像ヘッダの例(図14パネルD)を示す。
現在、保存モデルは一般的にフラットファイル上に構築されており、フラットファイルは検索および維持が困難である。本発明は、保存取り扱いに必要なスキーマを構築するためのアクティブバイオインフォマティクスプログラムを活用する手段を提供する。1つのスキーマの設計を図15に示す。この設計は、VSOMに適応させるため、および、印加された刺激に対してどの特定の細胞内区画がどの程度「反応」したかというモデルを構築するうえで有用な、特徴ベースの空間−時間データベースをつくるために拡張されたものである。図16に示す多次元データベースは、各細胞内区画の反応曲線を含む細胞反応と、1つの区画から次の区画への蛍光プローブの移動との表現を提供する。
[数36]
ft(Channel, CellType, Compartment, Dye)=f([Dye], f/t,
Flowci / t, T)
式中、fは時点tにおいて特定の区画で観察される平均蛍光強度、[Dye]は染料の濃度、Channelは励起フィルタの位置、Tは温度であり、Flowは注入される化合物の流れの変化に対応する。以後の知識発見用に観察結果をデータベースに保存するため、この経時変化する情報を取得するためのスキーマが開発される。各実験サイクルは観察した各細胞についてフィンガープリントを生成する。これらの個々の反応から、画像空間内の細胞内活動のコンパクトな表現が得られ、これは細胞ごと、細胞母集団ごと、細胞種ごとなどに可視化することができる、
本発明の学習技術は細胞種間の細胞特異的な差異を最適化および発見するために使用される。この文脈において、計算された反応とその組織構造および軌跡とは、最適化された細胞種識別を検索するためのその後の段階的な検索を容易にするためのモデルの開発を補助する。いずれの学習アプローチにおいても、その基礎には、ポリシーと、報酬と、価値と、環境のモデルとがある。モデル再構成の目的の1つは、種々のポリシーおよび報酬関数を評価することである。モデルはある細胞種と別の細胞種とで異なることが予測される。これらのばらつきはそれ自体のメリットについて重要であり、かつ、定量化すれば貴重な妥当性確認として利用できる。データベース内容は、類似性測度の評価、精密化、および局在化の根拠を提供する。類似性は状態および動作に基づいてクラスターを分析することにより測定される。これらのクラスターは、同値類を確率するための、種々の反応に関する共起統計の計算を補助する。または、細胞反応およびその対応属性(動的解題)によりあるシーケンス中の表現が生成される。この表現は次に、そのシーケンス中の共起統計を推移確率とともに構築するのに利用される。共起統計は、代表的な特徴の集合の二値木分類の仮説設定を補助する。この方法は、ひとつには、相関するシーケンスの検出および分類に有用である。さらに、一旦モデルが確立されれば、異常値を発見する手段が共起統計により得られる。推移確率は環境の知識を提供し、環境の知識は次に強化学習に使用することができる。さらに、細胞反応を、経時変化する線形系としてモデル化する手段が提供される。線形系は、系の挙動を特徴付けるための単純かつ強力な方法である。この文脈において、可変メモリ(遅れ)を有するシステムの状態空間表現が構築され、かつ、関連する行列のパラメータが推定および検証される。
この相では、どのように蛍光プローブの取込みを変動させるか、および、系統的な方法で細胞内の取込みを最適化するかを学習するための開始点として既知の知識が使用される。これは通常「強化学習」と呼ばれ、かつ、いくつかの態様においてはマルコフ決定過程(MDP)としてモデル化される。特定のMDPは、その状態(すなわち観察された反応)と、蛍光プローブの細胞内濃度の変更(例えば、生物学的阻害剤を注入する、生理学的に重要なイオンの培地内の濃度を変更する、など)を含む動作との集合によって定義される。このような系における報酬は、計算された反応の変化またはそのエピソード的勾配の変化によって測定可能である。さらに、いくつかの態様においては、次に、データベース中の同じアッセイで得られた観察結果をもとに(MDPの)推移確率が計算される。これらの推移確率は最適ポリシー(すなわちスケジュール)を可能にする技術を提供する。このようなポリシーは一般的に、動的プログラミング、モンテカルロ法、および時間差分学習(TD学習)として表現可能である。動的プログラミングは細胞反応のモデルを必要とする。このようなモデルはデータベースから仮説設定される。さらに、データベースが拡張するにつれてモデルへのアクセシビリティが向上する。モンテカルロ法はモデルを必要としないが、ステップ-バイ-ステップの増分計算に適していない。一方、時間差分学習はモデルを必要とせず、かつ、完全に増分的である。しかし、これら3つの方法はすべて本発明の態様に適用可能である。例えば、サンプルの推移確率(完全ではないもの)が存在するならば、1つの増分ステップ(すなわち1つのエピソード)においてモンテカルロ法が使用可能である。また、時間差分法はモンテカルロ法と動的プログラミングとの組合せである(すなわち、モデルなしで生の経験から直接学習し、次に、学習した推定に一部基づいて推定を更新する。)
原発乳房腫瘍細胞のインビトロ増殖における近年の進歩により、細針吸引(FNA)で採取した比較的少数の腫瘍細胞を培養により継代および増殖することが可能になっている(Liら、Canc.
Res.、58:5271-5274 [1998])。事実、悪性ヒト乳房上皮細胞(BEC)の初代培養は大きく進歩している(Bandら、Canc. Res.、50:7351-7357
[1990]; Ethierら、Canc. Res.、53:627-635 [1993]; Dairkeeら、Canc. Res.、57:1590-1596
[1995]; TomidaおよびTsuruo、Anti-Canc. Drug Des.、14:169-177 [1999]; ならびに、BrownおよびGiaccia、Canc.
Res.、58:1408-1416 [1998])。
前述、ならびに、BrownおよびGiaccia、前述)本発明は原発乳癌標本の培養を向上させる手段を提供する。例えば、腫瘍細胞と正常細胞とは、インキュベータのCO2レベルの関数として、大きく異なるpH挙動を呈すると予測される。また、各細胞腫が耐性を示すpHレンジも異なる可能性が高い。正味の効果としては、単一のインキュベータ内で(別々のフラスコ内で、各細胞腫が好む培地中で)これら異なる細胞種が同時に増殖できるような共通のCO2レベルは存在しないことになる。事実、正常細胞が耐性を示すpHレンジは癌細胞のそれよりはるかに狭いと予測される。低pH環境(<
7.1)を好む正常細胞株は見つかっていない。
本発明はさらに、マルチウェルプレートについて本明細書に説明したのと同様の方式で、閉鎖した組織培養フラスコ内の細胞の多数の視野を繰り返し観察および撮像する手段を提供する。透過光中で細胞をセグメント化できる能力を有することは、フラスコが顕微鏡ステージに戻されたときにVSOMシステムが細胞の同じ視野に戻り、新しい画像を取得し、かつ形態学的変化を定量化するよう、細胞の形状、位置、および相対的位置を保存できることを意味する。これは、細胞の数、相対位置、および形状に変化があった場合でもシステムが細胞の同じ視野を再度位置特定するような、視覚的サーボ制御のより機械的な用途の例である。
本発明は、悪性細胞の増殖および分析する手段を向上させることに加えて、癌患者(例えば乳癌患者)の臨床成績を向上させるための患者志向型の治療法を容易にする、インビトロの薬剤試験および化学感受性アッセイも大幅に向上させる。
Principles and Practice of Oncology)」、Lippincott-Raven、Philadelphia [1997])。これらのアッセイが患者の反応よりも患者の薬剤耐性を予測するのに優れていることから、これらの著者らは、これらのアッセイを「化学療法」アッセイではなく「薬剤反応性」アッセイと呼ぶことを提唱している。
CO2の環境に14日間おく。14日後に細胞を毛管から抽出し、顕微鏡を用いて手作業でコロニー数を決定する。最初に必要な腫瘍細胞数が少なくてすみ、かつ、有意数の細胞を有するコロニーの発生が改善されたことから、この毛管クローニングシステムが使用されていた。
μg/mlのドキソルビシンで1時間細胞を処理するが、DiSCでは1.2 μ/mlで1時間である。DiSCアッセイでは、ファストグリーンを含む懸濁液中で死細胞を染色することによって細胞膜の完全性を評価する。アセトアルデヒドで固定したカモ赤血球(DRBC)を内部標準として培養物に添加し、混合物全体を細胞遠心分離(cytocentrifuge)すると、生細胞は無色、死細胞およびDRBCは緑色に染色された状態で顕微鏡スライド上に収集される。次に、生細胞を染色するためHE(ヘマトキシリン-エオシン)でスライドを対比染色する。次に、熟練技術者が顕微鏡的に細胞を腫瘍細胞または正常細胞として同定する。次に、DRBCに対する生細胞の比が決定される。
本発明は、VSOM実験に有用である重要な微小環境パラメータのオンラインモニタリングに必要なバイオセンサーおよび関連電子機器を使用する手段を提供する。これらの実験で使用されるセンサーは灌流ラインへの直列接続に適したZABSフロースルーセンサーであると予測される。したがって、細胞に到達する直前の培地について複数の重要な特性を連続的にモニターおよび記録することが可能である。本発明のいくつかの態様においては、大きな透過光集光装置、温度プローブ、および真空吸引装置が存在するため、実際の細胞灌流チャンバ内にこれらのセンサーのすべてを設置するための空間が十分にない。したがって、培地をマイクロインキュベーションチャンバ内に連続的に灌流させながら、培地のpH、L-乳酸またはグルコース、細胞外カルシウム、およびpO2をモニターする。
A/D変換基板が含まれる。この装置は、VSOMシステム制御用の重要なリアルタイムデータを提供し、かつ、VSOM実験の実施および解釈に重要な微小環境パラメータと、VSOM実験中に使用される重要な微小環境パラメータのオンラインモニタリングに必要な関連電子機器との連続的なモニタリングおよび記録を可能にする。
以下の実施例は、本発明の特定の好ましい態様および局面を説明しかつさらに例証することを目的として提供されるものであり、したがって本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではない。
nmでの光学濃度);OD600(600 nmでの光学濃度);[Ca+2]in(細胞内カルシウム濃度);[Ca+2]ex(細胞外カルシウム濃度);DOX(ドキソルビシン);BEC(乳房上皮細胞);HMEC(ヒト乳腺上皮細胞);MCF-7(ヒト乳癌細胞株の1つ);MCF-7
WTC(MCF-7 野生型、Cowan);HTCA(ヒト腫瘍クローニングアッセイ);DiSC(分染細胞毒性);CAM(カルセイン-AM);DRBC(カモ赤血球);DS(薬剤感受性);MDR(多剤耐性);EH(エチジウムホモ二量体);MEBM(乳腺上皮細胞基本培地);MEGM(乳腺上皮細胞増殖培地);PBS(リン酸緩衝生理食塩水);D_PBS(ダルベッコのPBS);FN(偽陰性);TN(真陰性);FP(偽陽性);TP(真陽性);NPA(陰性予測精度);PPA(陽性予測精度);PMA(ホルボール12-ミリステート13-アセテート);TRME(テトラメチルローダミンエチルエステル);TG(タプシガルギン);FURA-2-PE3(カルシウム感受性の蛍光染料の1つ);H42(Hoechst(ヘキスト)33342);LT-R(Lysotracker-Red);FNA(細針吸引);PAGE(ポリアクリルアミドゲル電気泳動);PBS(リン酸緩衝生理食塩水
[150 mM NaCl、10 mM リン酸ナトリウム緩衝液、pH 7.2]);PCR(ポリメラーゼ連鎖反応);PEG(ポリエチレングリコール);SDS(硫酸ドデシルナトリウム);Tris(トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン);DMSO(ジメチルスルホキシド);w/v(質量体積比);v/v(体積体積比);Amersham(Amersham
Life Science, Inc.、イリノイ州Arlington Heights);ICN(ICN Pharmaceuticals, Inc.、カリフォルニア州Costa
Mesa);ATCC(American Type Culture Collection、メリーランド州Rockville);Becton Dickinson(Becton
Dickinson Labware、ニュージャージー州Lincoln Park);BioRad(BioRad、カリフォルニア州Richmond);Clonetics(Clonetics、San
Diego);Clontech(CLONTECH Laboratories、カリフォルニア州Palo Alto);Molecular Probes(Molecular
Probes、オレゴン州Eugene);GIBCO BRLまたはGibco BRL(Life Technologies, Inc.、メリーランド州Gaithersburg);Invitrogen(Invitrogen
Corp.、カリフォルニア州San Diego);New England Biolabs(New England Biolabs, Inc.、マサチューセッツ州Beverly);Novagen(Novagen,
Inc.、ウィスコンシン州Madison);Pharmacia(Pharmacia, Inc.、ニュージャージー州Piscataway);Sigma(Sigma
Chemical Co.、ミズーリ州St. Louis);Stratagene(Stratagene Cloning Systems、カリフォルニア州La
Jolla);Creative Scientific Methods(Creative Scientific Methods, Inc.、www.cre8ive-sci.com);および、Zeiss(Carl
Zeiss, Inc.、ニューヨーク州Thornwood)。
同じ細胞セットに繰り返し戻るための撮像プロトコル
これらの実験では、培養中の同じ細胞セットに繰り返し戻るための方法を説明する。これらの方法を用いることにより、可動顕微鏡ステージ上に置かれた細胞培養皿中の生細胞の1つまたは複数のセットを観察することが可能となる。重要な点として、これにより、培養皿をステージから除去し、細胞を増殖させるためなどの目的でインキュベーに入れることが可能となる。次に培養皿を顕微鏡ステージに載せ、同じ細胞セットを自動的に観察に供することが可能である。これらの段階は所望のまたは必要な回数繰り返すことができる。
どの蛍光チャネルが完全画像スタックに含まれるか;
各チャネルの露出時間;
画像チャネルが取得される順序;
微速度撮影実験で取得される画像スタックの間隔;
取得するスタックの数;
フィルタホイールの各位置の励起フィルタの識別。
VSOMの使用
本実施例では、本発明のVSOMの装置およびその他の局面について説明する。
一般的に、顕微鏡が倒立型(すなわち対物レンズが上向き)の形状であるほうが細胞チャンバおよび細胞容器の設計が容易であるため、大多数の態様において、VSOMシステムは倒立型の蛍光顕微鏡を中心に構成される。しかし、正立顕微鏡(対物レンズが下向きの顕微鏡)で使用できる細胞チャンバも存在する。本発明のVSOMシステムはこのような光学プラットフォームとともに使用するのに適している。カメラおよび顕微鏡周辺装置を顕微鏡に取り付けても安定するだけの十分な重量をもった、生物学研究に適した等級の蛍光顕微鏡が好ましい。いくつかのVSOM実験には標準的な10倍対物レンズで十分である。研究用等級の顕微鏡、対物レンズ、および種々の周辺装置は、カール・ツアイス(Carl
Zeiss, Inc.、ニューヨーク州Thornwood)およびニコンUSA(Nikon USA、ニューヨーク州Melville)など種々の製造業者により製造されている。環境制御細胞チャンバは、ツアイス、ハーバード・アパラタス(Harvard
Apparatus、マサチューセッツ州Holliston)およびバイオプテクス(Bioptechs, Inc. (Biological Optical
Technologies)ペンシルベニア州Butler)など種々の種々の製造業者により製造されている。
本発明の好ましい態様に使用できるデジタルカメラとしては、低照度蛍光鏡検法の用途向けに設計されたもの(例えば、ローパー・サイエンティフィック(Roper
Scientific Inc.、アリゾナ州Tucson)およびクウォンティテイティブ・イメージング(Quantitative Imaging Corp.、カナダ、Burnaby)などの企業により製造されているもの)が含まれる。このようなカメラは、12ビットデジタル化能力を有する科学等級のCCDを有しており、かつ、約7
μm×7 μmのサイズである合計約100万ピクセルを有する。このようなカメラは、C++ソースコードおよびソフトウェア開発キットを含むソフトウェア開発キット、または、ホストPC上でカメラ操作をソフトウェア、光学素子、電気素子、および機械素子(すなわち顕微鏡周辺装置)と統合するソフトウェアを記述するのに使用できるホスト接続キットとともに入手可能である。これらのカメラは、ホストコンピュータを介してカメラの機能をプログラムできるよう、PCIコンピュータインターフェースカードまたは直接接続の「ファイアワイア」(IEEE
1394)ケーブル接続など、種々の業界標準のコンピュータインターフェースとともに提供されている。
Electronics Products, Ltd.、ニューヨーク州Hawthorne)などの製造業者から入手可能な周辺装置)。種々の製造業者が他の装置を提供している。例えば、シャッター・インスツルメント(Sutter
Instrument Co.、カリフォルニア州Novato)は光学フィルタホイールおよびロボットマイクロマニピュレータを製造しており、シリンジポンプはハーバード・アパラタス(Harvard
Apparatus、マサチューセッツ州Holliston)から、顕微鏡対物レンズナノポジショナ(圧電ポジショナ)はフィジック・インツルメンテ(Physik
Intrumente、ドイツ、Waldbronn)からそれぞれ入手可能である。これらの企業は、それぞれの周辺装置用に適切なプログラマブルコントローラも販売している。ハーバード・アパラタスは、種々の環境センサー(酸素、乳酸、グルコース、pHなど)を操作およびホストコンピュータとインターフェースするための、PLUGSYSならびに同様の測定および制御装置も販売している。
生物学的試薬および蛍光標識などは多数の製造業者から入手可能である。例えば、生細胞用の蛍光プローブはモレキュラー・プローブズ(Molecular Probes、オレゴン州Eugene)から入手可能である。他の細胞培養培地、細胞増殖用の装置および供給品、ならびに関連する装置および供給品は、標準的な供給業者(例えばシグマ(Sigma)、フィッシャー(Fisher)など)から入手可能である。
本発明の好ましい態様では、1つまたは複数の使用可能なPCIスロット(デジタルカメラがホストコンピュータとのインターフェースにPCIスロットを必要とするか否かによる)と、標準的なシリアルポートおよびパラレルポートと、OHCI互換IEEE
1394ポート(ファイアワイア対応デジタルカメラが必要とする場合)と、256 MBのRAMと、1つまたは複数の18 Gbyteハードドライブと、テープバックアップユニットと、イーサネットアダプタと、32ビットカラービデオカードと、高解像度モニター(好ましくは1280×1024ピクセル)とを有し、かつ、あるバージョンのLINUXまたはMicrosoft
Windowsを実行する、450 MHz Pentium IIIクラスの業界標準のPCを必要とする。オンラインの画像セグメント化および分析を行うために、デジタルカメラおよび種々の顕微鏡周辺装置の作動を前述のソフトウェアおよびアルゴリズムと統合させるため、標準的なC++コンピュータプログラミングの技術が必要である。したがって、標準的なC++プログラミングソフトウェア、およびMicrosoft
Visual Studio C++などの統合ソフトウェア開発パッケージが必要である。さらに、標準的なデジタル画像取得、周辺装置の制御およびオートメーション、ならびに標準的な画像処理、プロッティング、および表示操作のためのC++ライブラリを含むソフトウェアパッケージが望ましい。このようなパッケージとしては、「SCIL
Image」(TNO、オランダ、Delft)、「MetaFluor」および「Metamorph」(ユニバーサル・イメージング・コーポレーション(Universal
Imaging Corporation、ペンシルベニア州Downingtown))、ならびに、「Component Works++」(ナショナル・インスツルメンツ(National
Instruments、テキサス州Austin))などがある。さらに、場合によっては、顕微鏡周辺装置の数およびVSOMシステムで制御される環境センサーの数が増加するにしたがって、ナショナル・インスツメンツが製造しているものなどの標準的なアナログ-デジタルインターフェースカードが必要となる。
光学プラットフォームに加えて、VSOMの最小限の実施には以下のそれぞれが少なくとも1つ必要である:温度制御された細胞チャンバ、コンピュータ制御されたシリンジポンプ、照明シャッター、および、光学フィルタホイール。最小限で実施される実験には透過光を扱える能力は必要ではなく、蛍光鏡検法のみが必要となる。必要である唯一の微小環境制御装置は、標本容器に挿入できる温度プローブを有する、温度を37℃に維持できる温度制御ユニットである。最小限で実施される実験では、光学プラットフォームが比較的安定であり振動がないという前提において、対物レンズのZ軸調整は必要でない。観察の必要があるのは単一の細胞視野のみ(多視野ではない)であるため、XY位置決めステージも必要でない。しかし、本発明がこの特定の設計形式に限定されることはない。
33342(H42)が以下の方法で使用される。適切なサイズの標本容器(例えば丸型の35 mm細胞培養皿)に24時間付着させた細胞を、細胞インキュベータ内で1.0 μg/mLのH42に約90分間曝露する。この曝露の後、H42および細胞増殖培地中に存在するフェノールレッド指示薬を洗い流し、フェノールレッドまたは過量のウシ胎仔血清を含まない、新鮮な培地に交換する。標本容器が細胞チャンバ内に置かれ、オペレータは適切な細胞視野に焦点を合わせ、次に画像出力をデジタルカメラに送る。コンピュータ制御のシリンジの1つには蛍光プローブを含まない適切な溶液(血清またはフェノールレッドを含まない、細胞培地など)が充填され、他のシリンジには同じ溶液と生細胞に適した蛍光プローブとが充填される。たとえば、カルセイン-AM(CAM)は細胞株中の多剤耐性(MDR)の存在を示すことができる適切なプローブである。最小限のVSOM実施可能コンピュータ制御MDRアッセイでは、約1.0
μMのCAM溶液が1分あたり約0.5 mLの流量で細胞チャンバ内に灌流される。この化合物は生細胞の膜を通過し、次に代謝され、蛍光性となり、かつ、細胞内に保持される。当業者には周知であるように、細胞が1つまたは複数のMDRタンパク質を有するならば、その細胞はCAMを細胞外に搬出する能力を有する。これらの場合、CAMの存在下において細胞が化合物を取り込む速度は低下し、かつ、CAMがチャンバから洗い流された後に細胞が保持するCAMの量は少なくなる。
a)視野内の全細胞の平均MIがユーザー定義の閾値に達すると、CAMの入ったシリンジが遮断され、かつ、CAMの入っていないシリンジがオンになる;
b)視野内の全細胞の平均MIが、(a)で達した最大平均MIからユーザー定義のパーセンテージ分減少すると、CAMの入っていないシリンジが遮断される;
c)実験終了。
VSOM実験
本実施例では、実施例2の説明に以下に記載の変更点を加えて実施したVSOM実験について説明する。
135 H/DICである。顕微鏡には、コンピュータ制御のXY走査ステージ、Z軸ステップモーター、および6位置フィルタホイール(LUDLエレクトロニック・プロダクツ(LUDL
Electronic Products, Ltd.、ニューヨーク州Hawthorne))を装備した。これらの研究では、Kodak KAF-1400 CCDチップ(1317×1035ピクセル、7×7ミクロンピクセルサイズ)を有する12ビットのXillix
CCDカメラ(キシリックス・テクノロジーズ(Xillix Technologies、ブリティッシュコロンビア州Vancouver))を使用した。このカメラは8
MHz(すなわち、1セットあたりフルサイズ画像約4枚)の読み出し速度を有する。ホストコンピュータはマルチタスクUNIXワークステーションであるSparcstation
Ultra 1とし、コンピュータカメラから出力された画像をホストコンピュータに直接読み取らせた。
Apparatus/Medical Systems Research Products、マサチューセッツ州Holliston))およびデュアルシリンジポンプ(Pump-33、ハーバード・アパラタス)を使用した。これらのシリンジは、同じサイズである必要はなく、かつ、灌流速度が独立に制御できるよう各シリンジがそれぞれコンピュータ制御のブロックを有する。「浴槽」タイプのサーミスタ(BSC-T3、計36Kオーム)をPDMI-2とともに使用した。
mmペトリ皿の中で、他の態様では円形のカバーガラス上で増殖され、下から観察される。この倒立顕微鏡の構成により、ユーザーは蛍光から透過光検出(位相差またはDIC)に切り替えることができ、かつ、細胞の位置および形態を確認することができる。これはコンピュータ制御の透過光シャッターにより実現される。フィルタホイールにあるコンピュータ制御の表面蛍光シャッターも使用可能である(LUDL)。これらの実験において、システムの自動視覚サーボ制御オペレーション(すなわち、ポンプ、照明シャッター、フィルタホイール、およびXillixカメラの制御)はプログラム「ADR」で実施した。あらかじめプログラムされたレシピを使用して実施したVSOM実験ではプログラム「VX5」を使用した。
MCF-7 WTC細胞を35 mm細胞培養皿で増殖させ、H42で前染色した。H42とともに約1時間プレインキュベーションした後、細胞をDPBSGPですすぎ、温めた顕微鏡チャンバに入れた。ADRプログラムは以下の要領で問題なく動作した。この実験中、指定した一定の間隔で3枚のデジタル画像(360
nm励起、490 nm励起、および透過光、明視野)が取得され、かつ、次の撮像間隔より前に、H42で染色されたすべての核が検出およびセグメント化された。青チャネルで描出された各核の輪郭を用いて、平均細胞蛍光強度の値が緑チャネルから算出された(MI)。DBPSGP溶液のみ(シリンジ#1)による最初の灌流を1.0
mL/分で8.3分間実施し(ユーザーの指定による)、次にシリンジ#1が停止された。次に、1 μMのCAMを含むDBPSGP溶液(シリンジ#2)の灌流を0.5
mL/分で開始した。全細胞の平均MIが指定の閾値に達したときに、正常な視覚サーボ制御によりシリンジ#2が停止された。細胞が十分量のCAMを蓄積しかつシステムが十分量の細胞内CAMを(核領域で)検出し、システムが正常にシリンジ#2を停止させかつシリンジ#1を再始動させるまでに、13.9分を要した。11.4分後(ユーザーの指定による)に、システムは再度シリンジ#1を停止させた。システムは引き続きチャンバ内の細胞をモニターし(ユーザーの指定による)、流れがない状態でさらに24.9分間が経過した。次に、実験終了時にシステムは画像取得を停止した。
MDRアッセイ-試験キットおよびVSOM実験
本明細書に記載のとおり、VSOM実験においてMDRアッセイβ試験キットの試験も行った。図11にこのVSOM実験の略図を示す。各ポンプは、あらかじめプログラムされたレシピに従って、または個々の細胞反応のリアルタイム分析に基づいて、指定された流量でオンおよびオフになる。使用したCAM、V、MKの濃度を図中に示した。CAMへの3回の曝露はそれぞれ900秒間(20分間)であり、したがってCAMへの総曝露時間は60分間であった。本図の下部の黒い窓は視野内の全細胞の反応の平均を示す。この平均反応プロットはVSOM実験中コンピュータ画面に表示され、かつ、1つまたは複数のチャネルのデジタルイメージも画面に表示される(通常、表示されるチャネルの1つは透過米である)。
修飾試薬を用いたデジタル撮像蛍光法
VSOMを使用して、デジタル撮像蛍光顕微鏡を自動化することができる。例えば、修飾試薬MK-571(10 μM)またはベラパミル(50 μM)を含むカルセイン-AM(CAM、0.25
μM)をマイクロ灌流チャンバに灌流させることができる。MK-571は膜貫通タンパク質MRPに対する特異的な阻害剤であり、一方、ベラパミルはMRPを阻害するとともに膜貫通タンパク質PgPも阻害する。これらの膜貫通タンパク質はいずれも外来性の化合物を排出し、これらタンパク質は多剤耐性に関与していると考えられている。これら2つの異なるタンパク質をコードしているのは別々の遺伝子である。これらタンパク質の薬剤交差耐性プロフィール(スペクトル)は、重複するものの完全に同じではない。さらに、前述のとおり、これらタンパク質は種々の阻害剤に対して異なる感受性を有する。
生細胞用のBrdU増殖アッセイ
本実施例では、生細胞用のBrdU増殖アッセイシステムについて説明する。特定の細胞反応を特定の生物学的エンドポイントに相関付けできるならば、任意のVSOM予測アッセイの予測力が向上する。アポトーシス用の蛍光アッセイは複数存在するが、DNA合成または細胞増殖の定量化に使用できるBrdU取込みなどの重要なパラメータを測定できる生細胞用の蛍光アッセイはほとんどない。これらの実験において、BrdU取込み量を定量化することによって生細胞の増殖状態を検出するための画像比演算技術が開発された。このアッセイのためのプロトコルは、発表されているDr.
Paul Yaswen(Stampferら、Exp. Cell Res.、208:175-188 [1993])のプロトコルをもとに適合させたものである。細胞株および培地は同じものを用いた。しかし、DNA合成アッセイ用として、[3H]-チミジンの代わりに5-ブロモ-2'-デオキシ-ウリジン(BrdU)を使用した。これらの実験は、5-ブロモ-2'-デオキシ-ウリジン標識および検出キット(No.
1296736、ベーリンガー・マンハイム(Boehringer Mannheim))を使用して行った。VSOM実験の後、細胞を固定し、かつ、従来の間接免疫蛍光アッセイを用いてデジタル画像比演算に基づいてVSOMの結果を確認した。
33342(H42)およびSyto 16(S16)の蛍光発光強度の比が、BrdU取込み量を細胞単位で決定する上で有用か否かを決定することを目的に実施した。
nm励起(H42信号)で1枚取得し、かつ、490 nm励起(S16信号)で第二の画像を取得した。これらの画像を処理し、ピクセルごとに比を計算した。次に、分析の便宜のため、得られた比の値をカラーコード化した。これらの結果は、従来の[3H]-チミジン組込みアッセイで得られたものと一致していた。BrdU組込みの程度はMEGM細胞(培養皿3)が最も大きく、次に大きかったのがMEBM+EGF細胞(培養皿2)であり、MEBM-EGF細胞(培養皿1)ではBrdU組込みがほとんどみとめられなかった。
mRNA転写の画像化
本実施例では、VSOM実験の長所を示す実験について説明する。このような実験は、アンチセンス化合物、送達システム、および信号増幅法の開発の補助として、組織培養中のmRNA転写をリアルタイムで画像化する手段を提供すると予測される。リアルタイム医用画像技術に適した放射線標識アンチセンス化合物を提供する実験についても説明する。
Claims (10)
- 生細胞集団において細胞の反応を記録するための自動化された方法であって、
i)コンピュータと、生細胞と、該生細胞をモニターして細胞画像データを得るよう構成された検出装置と、を供するステップと、
ii)前記検出装置で、前記生細胞からの細胞画像データの第1のセットを得るステップと、
iii)該細胞画像データの第1のセットを、前記コンピュータに伝達するステップと、
iv)該コンピュータで、該細胞画像データの第1のセットを定義するステップと、
v)前記生細胞を刺激して細胞の反応を誘起するステップと、
vi)前記検出装置で、該細胞の反応の誘起に基づく前記生細胞からの細胞画像データの反応のセットを得るステップと、
vii)該細胞画像データの反応のセットを前記コンピュータに伝達するステップと、
viii)該コンピュータで、該細胞画像データの反応のセットを定義するステップと、
ix)a)前記定義された細胞画像データの第1のセットと、b)前記定義された細胞画像データの反応のセットと、の間の差異の第1のセットを自動的に同定するステップと、
x)該同定された差異の第1のセットに応じて、前記コンピュータから信号を生成するステップと、
xi)前記生細胞と相互作用するよう構成された複数の刺激装置のうちの1つまたは複数を、前記信号に応じて独立して自動的に作動させるステップと、
を含む方法。
- xii)前記1または複数の刺激装置の作動の後、前記生細胞から細胞画像の第2の反応のセットを得るステップ
をさらに含む、請求項1記載の方法。
- 前記定義するステップが、前記生細胞の形態測定結果の分析、前記生細胞の細胞内構成要素の分析、前記生細胞の色の分析、および前記生細胞の動きの分析、からなる群から選択される少なくとも1つの分析を含む、請求項1記載の方法。
- 前記差異を自動的に同定するステップが、a)前記定義された細胞画像データの第1のセットおよび/または前記定義された細胞画像データの反応のセットと、b)所定の細胞画像データのデータベースと、の間の差異を同定することを含む、請求項1記載の方法。
- 前記検出装置が、視覚的サーボ制御光学顕微鏡を実行するよう構成される、請求項1記載の方法。
- 前記検出装置が、前記視覚的サーボ制御光学顕微鏡を用いて、前記生細胞をモニターして細胞画像データ得る、請求項5記載の方法。
- 前記刺激装置がシリンジである、請求項5記載の方法。
- 前記定義された細胞画像データが、時間の関数として前記コンピュータに保存される、請求項5記載の方法。
- xiii)前記細胞画像データの第2の反応のセットを前記コンピュータに伝達するステップと、
xiv)該コンピュータで、該細胞画像データの第2の反応のセットを定義するステップと、
をさらに含む、請求項2記載の方法。
- xv)a)前記定義された細胞画像データの第1のセットと、b)前記定義された細胞画像データの反応のセットと、c)前記定義された細胞画像データの第2の反応のセットと、の間の差異の第2のセットを自動的に同定するステップと、
xvi)該同定された差異の第2のセットに応じて、前記コンピュータから第2の信号を生成するステップと、
xvii)前記生細胞と相互作用するよう構成された前記複数の刺激装置のうちの1つまたは複数を、前記第2の信号に応じて独立して自動的に作動させるステップと、
をさらに含む請求項9記載の方法。
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