JP5567777B2 - Signal transduction analysis method and signal transduction analysis system - Google Patents

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本発明は、細胞内のシグナル伝達を解析するシグナル伝達解析方法およびシグナル伝達解析システムに関するものである。   The present invention relates to a signal transduction analysis method and a signal transduction analysis system for analyzing intracellular signal transduction.

細胞内シグナル伝達に関するこれまでの研究では、細胞外からの刺激によってタンパク質の動態がどのように変化しているかと、その刺激によって下流の特定遺伝子の転写がどのように調節されているかとを、別々の実験手法で確認していた。また、遺伝子発現抑制について調べる際に、目的遺伝子の発現を抑制することで他の遺伝子の発現にどのように影響を与えるのかを検出する実験が行われている。例えば、細胞内シグナル伝達の解析を行う際には、シグナル伝達カスケード上流の遺伝子が下流の遺伝子の発現にどのように影響を与えているかを調べている。さらには、当該シグナル伝達の解析において、ある遺伝子の機能の一部をRNAiやドミナントネガティブ変異体を用いて抑制すれば、下流の遺伝子の発現に与える影響を調べることができる。   Previous studies on intracellular signal transduction have shown how protein dynamics are altered by extracellular stimuli and how downstream transcription of specific genes is regulated by these stimuli. It was confirmed by a separate experimental method. In addition, when investigating gene expression suppression, experiments have been conducted to detect how the expression of other genes is affected by suppressing the expression of the target gene. For example, when analyzing intracellular signal transduction, it is investigated how the genes upstream of the signal transduction cascade affect the expression of downstream genes. Furthermore, in the analysis of the signal transduction, if a part of the function of a certain gene is suppressed using RNAi or a dominant negative mutant, the influence on the downstream gene expression can be examined.

なお、非特許文献1には、生きた細胞内のミトコンドリアにおけるATP量の経時的測定に関する方法が開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses a method relating to the time-dependent measurement of the amount of ATP in mitochondria in living cells.

H.J.Kennedy, A.E.Pouli, E.K.Ainscow, L.S.Jouaville, R.Rizzuto, G.A.Rutter, “Glucose generates sub−plasma membrane ATP microdomains in single islet β−cells.”, Journal of Biological Chemistry, vol.274, pp.13281−13291, 1999H. J. et al. Kennedy, A.D. E. Pauli, E .; K. Ainscow, L.A. S. Joaville, R.A. Rizzuto, G.M. A. Rutter, “Glucose generators sub-plasma membrane ATP microdomains in single islet β-cells.”, Journal of Biological Chemistry, vol. 274, pp. 13281-13291, 1999

しかしながら、従来技術では、タンパク質の動態変化と遺伝子の発現変動とを別々の実験手法で確認していたので、実験の再現性が必ずしも良くないという問題点があった。   However, in the prior art, the change in protein dynamics and the change in gene expression were confirmed by different experimental methods, and thus there was a problem that the reproducibility of the experiment was not always good.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、タンパク質の動態変化と遺伝子の発現変動とを連続した1つの実験系で確認することができ、その結果、実験の再現性を良くすることができるシグナル伝達解析方法およびシグナル伝達解析システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can confirm protein dynamic changes and gene expression fluctuations in one continuous experimental system. As a result, the reproducibility of experiments is improved. It is an object of the present invention to provide a signal transduction analysis method and a signal transduction analysis system that can be performed.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるシグナル伝達解析方法は、細胞内のシグナル伝達を解析するシグナル伝達解析方法であって、蛍光標識された所定のタンパク質および発光標識された所定の遺伝子を含む前記細胞を作製する作製工程と、前記作製工程で作製した前記細胞に当該細胞外から所定の刺激を与える刺激工程と、前記刺激工程で前記所定の刺激が与えられた後の前記細胞の蛍光画像および発光画像をそれぞれ複数撮像する撮像工程と、前記撮像工程で撮像した複数の前記蛍光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定のタンパク質の前記細胞内での動態の変化を解析すると共に、前記撮像工程で撮像した複数の前記発光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定の遺伝子の発現状態の変動を解析する解析工程と、を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a signal transduction analysis method according to the present invention is a signal transduction analysis method for analyzing intracellular signal transduction, and includes a predetermined fluorescently labeled protein and a luminescent label. A preparation step for producing the cell containing the predetermined gene, a stimulation step for giving a predetermined stimulus from the outside of the cell to the cell produced in the preparation step, and the predetermined stimulus was given in the stimulation step An imaging step of capturing a plurality of fluorescent images and luminescent images of the cells later, and dynamics of the predetermined protein in the cells by the predetermined stimulation based on the plurality of fluorescent images captured in the imaging step Change in the expression state of the predetermined gene due to the predetermined stimulus based on the plurality of luminescent images captured in the imaging step Characterized in that it comprises a, an analysis step of analyzing.

また、本発明にかかるシグナル伝達解析方法は、前記に記載のシグナル伝達解析方法において、前記作製工程において、前記所定のタンパク質における特定の遺伝子に対し、該遺伝子の上流側を蛍光タンパク質で標識するとともに、該遺伝子の下流側を発光関連遺伝子で標識することを特徴とする。   The signal transduction analysis method according to the present invention is the signal transduction analysis method described above, wherein in the preparation step, the specific gene in the predetermined protein is labeled with a fluorescent protein upstream of the gene. The downstream side of the gene is labeled with a luminescence-related gene.

また、本発明にかかるシグナル伝達解析方法は、前記に記載のシグナル伝達解析方法において、前記所定のタンパク質は、プロテインキナーゼCまたは低分子量Gタンパク質Rasであることを特徴とする。   The signal transduction analysis method according to the present invention is characterized in that, in the signal transduction analysis method described above, the predetermined protein is protein kinase C or low molecular weight G protein Ras.

また、本発明にかかるシグナル伝達解析方法は、前記に記載のシグナル伝達解析方法において、前記所定のタンパク質は、ドミナントネガティブ変異体を含むことを特徴とする。   The signal transduction analysis method according to the present invention is characterized in that, in the signal transduction analysis method described above, the predetermined protein includes a dominant negative mutant.

また、本発明はシグナル伝達解析システム(シグナル伝達解析用システム、シグナル伝達解析装置)に関するものであり、本発明にかかるシグナル伝達解析システムは、細胞内のシグナル伝達を解析するシグナル伝達解析システムであって、蛍光標識された所定のタンパク質および発光標識された所定の遺伝子を含むように作製された細胞を含み、且つ該細胞に対し所定の刺激を与える前後または両方において対象を保持するステージ(蛍光標識された所定のタンパク質および発光標識された所定の遺伝子を含むように作製された細胞を含む対象を、当該細胞に対し所定の刺激を与える前後または両方において保持するステージ)と、前記ステージに保持された前記対象に関するビデオレートの蛍光画像およびタイムラプスの発光画像をそれぞれ複数撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮像された複数の前記蛍光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定のタンパク質の前記細胞内での動態の変化を解析すると共に、前記撮像装置で撮像した複数の前記発光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定の遺伝子の発現状態の変動を解析する画像解析装置と、を含む(備えた)ことを特徴とする。   The present invention also relates to a signal transduction analysis system (signal transduction analysis system, signal transduction analysis device), and the signal transduction analysis system according to the present invention is a signal transduction analysis system for analyzing intracellular signal transduction. A stage (fluorescent labeling) that includes a cell prepared so as to include a predetermined fluorescently labeled protein and a predetermined luminescently labeled gene, and that holds the object before and after applying a predetermined stimulus to the cell. A stage containing a cell prepared so as to contain a predetermined protein and a luminescent-labeled predetermined gene, held before and after applying a predetermined stimulus to the cell) or both, A video rate fluorescent image and a time-lapse luminescent image of the subject. Based on the imaging device that captures a plurality of images, and the plurality of fluorescent images captured by the imaging device, the change in dynamics of the predetermined protein in the cells due to the predetermined stimulation is analyzed, and the imaging device And an image analysis device that analyzes fluctuations in the expression state of the predetermined gene due to the predetermined stimulus based on the plurality of light emission images captured in (1).

また、本発明にかかるシグナル伝達解析システムは、前記に記載のシグナル伝達解析システムにおいて、前記撮像装置が、蛍光撮像ユニットと発光撮像ユニットが同一の光軸上における画像取得を行う(前記撮像装置を構成する蛍光撮像ユニットと発光撮像ユニットが、同一の光軸上における画像取得を行う)ことを特徴とする。   In the signal transmission analysis system according to the present invention, in the signal transmission analysis system described above, the imaging device acquires an image on the same optical axis of the fluorescence imaging unit and the light emitting imaging unit (the imaging device is The fluorescent imaging unit and the light emitting imaging unit are configured to acquire an image on the same optical axis).

また、本発明にかかるシグナル伝達解析システムは、前記に記載のシグナル伝達解析システムにおいて、前記画像解析装置が、撮像した蛍光画像および/または発光画像における細胞の領域または部位を指定するための入力装置をさらに具備することを特徴とする。   The signal transduction analysis system according to the present invention is the signal transduction analysis system described above, wherein the image analysis device designates a cell region or site in the captured fluorescent image and / or luminescent image. Is further provided.

本発明によれば、蛍光標識された所定のタンパク質および発光標識された所定の遺伝子を含む細胞を作製し、作製した細胞に当該細胞外から所定の刺激を与え、所定の刺激が与えられた後の細胞の蛍光画像および発光画像をそれぞれ複数撮像し、撮像した複数の蛍光画像に基づいて、所定の刺激による所定のタンパク質の細胞内での動態の変化を解析すると共に、撮像した複数の発光画像に基づいて、所定の刺激による所定の遺伝子の発現状態の変動を解析する。具体的には、蛍光画像に基づいて、短時間で変化する分子動態を決定した上で、発光画像に基づいて、所望の分子動態に関連する発現変化を解析する。これにより、細胞内シグナル伝達の研究において、タンパク質の動態変化と遺伝子の発現変動とを連続した1つの実験系で確認することができ、その結果、実験の再現性を良くすることができるという効果を奏する。   According to the present invention, a cell containing a predetermined protein labeled with a fluorescent label and a predetermined gene labeled with a luminescence is prepared, and a predetermined stimulus is applied to the prepared cell from outside the cell. A plurality of fluorescence images and luminescence images of each cell are captured, and based on the captured fluorescence images, changes in the dynamics of a predetermined protein in cells due to a predetermined stimulus are analyzed, and a plurality of captured luminescence images are captured Based on the above, the variation in the expression state of a predetermined gene due to a predetermined stimulus is analyzed. Specifically, molecular dynamics that change in a short time are determined based on the fluorescence image, and then expression changes related to the desired molecular dynamics are analyzed based on the luminescence image. As a result, in the study of intracellular signal transduction, changes in protein dynamics and gene expression fluctuations can be confirmed in one continuous experimental system, and as a result, the reproducibility of experiments can be improved. Play.

また、本発明によれば、所定のタンパク質における特定の遺伝子に対し、該遺伝子の上流側を蛍光タンパク質で標識するとともに、該遺伝子の下流側を発光関連遺伝子で標識するものである。これにより、刺激に対し応答する特定の遺伝子の動態の変化が蛍光観察され、その動態の変化に連動した下流側の遺伝子発現の変動が発光観察されるので、特定の遺伝子の動態と発現変動を同時または連続的に確認することが可能となる。   According to the present invention, for a specific gene in a predetermined protein, the upstream side of the gene is labeled with a fluorescent protein, and the downstream side of the gene is labeled with a luminescence-related gene. As a result, changes in the dynamics of a specific gene in response to a stimulus are observed in fluorescence, and changes in gene expression on the downstream side linked to the changes in the dynamics are observed in luminescence. It becomes possible to confirm simultaneously or continuously.

また、本発明によれば、所定のタンパク質は、プロテインキナーゼCまたは低分子量Gタンパク質Rasである。これにより、プロテインキナーゼCまたは低分子量Gタンパク質Rasの動態変化の観察と、刺激に応答した細胞内におけるシグナル伝達の上流から下流までの連続的な観察とを、同一の実験系で行うことができるという効果を奏する。   According to the invention, the predetermined protein is protein kinase C or low molecular weight G protein Ras. Thereby, observation of the dynamic change of protein kinase C or low molecular weight G protein Ras and continuous observation from upstream to downstream of signal transduction in cells in response to stimulation can be performed in the same experimental system. There is an effect.

また、本発明によれば、所定のタンパク質は、ドミナントネガティブ変異体を含む。ここで、従来技術によれば、シグナル伝達の下流の特定遺伝子がどのように転写調節されているかについての実験結果は、一細胞レベルでの解析ではなく、細胞群の遺伝子発現量の総和として得ていた。そのため、シグナル伝達の解析において、一般的な手法である一過性遺伝子導入を行った場合には、遺伝子発現の阻害が行われた細胞とルシフェラーゼのレポーターベクターとが同一ではないことが考えられる。それゆえに、精度の高い実験結果が必ずしも得られないという問題があった。そこで、本発明では、遺伝子発現阻害を行うためのドミナントネガティブ変異体の遺伝子配列を、蛍光標識された所定のタンパク質に入れることで、遺伝子発現抑制を組み合わせた細胞内シグナル伝達解析を行う。これにより、細胞内シグナル伝達経路の上流遺伝子の発現抑制と下流遺伝子の発現変動とを連続した1つの実験系で確認することができ、その結果、精度の高い結果が得られる実験を行うことができるという効果を奏する。具体的には、細胞内シグナル伝達の研究において、遺伝子発現抑制が行われたことを蛍光検出で確認した後に定量的なレポータアッセイを発光で行うことで、細胞外からの刺激を受けたときの遺伝子発現の阻害と下流遺伝子発現への影響との両方に関する実験結果を同じ細胞におけるものとして且つ連続した1つの実験系に因るものとして捉えることができ、その結果、精度の高い結果が得られる実験を行うことができるという効果を奏する。   According to the present invention, the predetermined protein includes a dominant negative mutant. Here, according to the prior art, the results of experiments on how specific genes downstream of signal transduction are transcriptionally regulated are obtained not as an analysis at the single cell level, but as the sum of gene expression levels in cell groups. It was. Therefore, in the signal transduction analysis, when transient gene introduction, which is a general technique, is performed, it is considered that the cell in which gene expression is inhibited and the luciferase reporter vector are not the same. Therefore, there is a problem that a highly accurate experimental result cannot always be obtained. Thus, in the present invention, intracellular signal transduction analysis combined with gene expression suppression is performed by putting the gene sequence of a dominant negative mutant for inhibiting gene expression into a predetermined fluorescently labeled protein. As a result, it is possible to confirm the suppression of the expression of the upstream gene in the intracellular signal transduction pathway and the expression fluctuation of the downstream gene in one continuous experimental system, and as a result, conduct an experiment that can obtain a highly accurate result. There is an effect that can be done. Specifically, in the study of intracellular signal transduction, after confirming that gene expression was suppressed by fluorescence detection, a quantitative reporter assay was performed with luminescence, so that when stimulation from outside the cell was received Experiment results on both inhibition of gene expression and effects on downstream gene expression can be seen as being in the same cell and due to one continuous experimental system, resulting in high accuracy results There is an effect that an experiment can be performed.

以下に、本発明にかかるシグナル伝達解析方法および解析用システムの実施の形態を、顕微鏡ベースのシステムに応じた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く、発明の主旨に基づき種々の変更が可能である。   Hereinafter, embodiments of a signal transmission analysis method and an analysis system according to the present invention will be described in detail based on the drawings corresponding to a microscope-based system. The present invention is not limited to the embodiments, and various modifications can be made based on the gist of the invention.

まず、本発明にかかるシグナル伝達解析方法(具体的には撮像工程および解析工程)を実行する解析用システムである蛍光・発光観察システム100の構成について、図1および図2を参照して説明する。なお、下記構成についての詳細は、本出願人による国際公開特許WO2006/106882(所定部位発光量測定方法、所定部位発光量測定装置、発現量測定方法、および測定装置)を参照することでより理解されるであろう。この国際公開特許は、同一細胞における2種類の医学的情報を蛍光画像と発光画像の両方を用いて解析する方法が開示されるが、各々の情報は関連する一連の刺激応答に関するものではないので本発明を示唆するものではなく、単に操作方法等の参照として引用するものである。図1は、蛍光・発光観察システム100の全体構成の一例を示す図である。   First, the configuration of a fluorescence / luminescence observation system 100 that is an analysis system for executing a signal transmission analysis method (specifically, an imaging step and an analysis step) according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. . In addition, the details of the following configuration are better understood by referring to International Publication WO 2006/106882 (a predetermined site luminescence measurement method, a predetermined site luminescence measurement device, an expression level measurement method, and a measurement device) by the present applicant. Will be done. Although this international patent discloses a method for analyzing two types of medical information in the same cell using both fluorescent images and luminescent images, each information is not related to a series of related stimulus responses. It does not suggest the present invention, but is merely cited as a reference for operating methods and the like. FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of the fluorescence / luminescence observation system 100.

図1に示すように、蛍光・発光観察システム100は、解析対象としての細胞102を収納した容器103(具体的にはシャーレ、スライドガラス、マイクロプレート、ゲル支持体、微粒子担体など)と、容器103を配置するステージ104と、発光画像撮像ユニット106と、蛍光画像撮像ユニット108と、画像解析装置110と、で構成されている。また、蛍光・発光観察システム100において、発光画像撮像ユニット106に含まれる対物レンズ106aと蛍光画像撮像ユニット108に含まれる対物レンズ108aとは、図示の如く、容器103およびステージ104を挟んで上下の対向する位置に略同一の光軸上に配置される。本発明の方法は、所定の刺激を与える前後または両方において作製された細胞を含む対象を保持するステージと、撮像装置と、撮像された蛍光画像および発光画像に基づき解析を行う画像解析装置とを有するシステムにより実行される。ここで、解析対象としては、細胞を含む生体組織、該生体組織を含む各種臓器または器官であってもよく、それら生体組織、臓器または器官を含むような胚ないし生物個体であってもよい。また、解析対象を保持するためのステージ104は、解析対象の種類、大きさ、個数等に応じて、所望の解析期間内に対象を蛍光および発光両方の観察視野(好ましくは光軸上)から解析すべき特定の細胞(1以上)が外れないような設計(例えば対象用の固定器具、ステージの追従機構)を設けるようにしてもよい。   As shown in FIG. 1, a fluorescence / luminescence observation system 100 includes a container 103 (specifically, a petri dish, a slide glass, a microplate, a gel support, a fine particle carrier, etc.) that contains cells 102 to be analyzed, a container The stage 104 which arrange | positions 103, the light emission image imaging unit 106, the fluorescence image imaging unit 108, and the image-analysis apparatus 110 are comprised. Further, in the fluorescence / luminescence observation system 100, the objective lens 106a included in the luminescence image capturing unit 106 and the objective lens 108a included in the fluorescence image capturing unit 108 are vertically moved with the container 103 and the stage 104 interposed therebetween as shown in the figure. It is arranged on the substantially same optical axis at the facing position. The method of the present invention includes a stage for holding a target including cells prepared before and after applying a predetermined stimulus, an imaging device, and an image analysis device that performs analysis based on the captured fluorescent image and luminescent image. Executed by a system having Here, the analysis target may be a living tissue containing cells, various organs or organs containing the living tissue, or an embryo or an individual living organism containing such living tissue, organ or organ. In addition, the stage 104 for holding the analysis target can be used to move the target from both the fluorescence and emission observation fields (preferably on the optical axis) within a desired analysis period according to the type, size, number, etc. of the analysis target. You may make it provide the design (for example, the fixing tool for objects, the follow-up mechanism of a stage) so that the specific cell (one or more) to be analyzed may not remove | deviate.

発光画像撮像ユニット106および蛍光画像撮像ユニット108の上下方向の配置を入れ替えてもよい。蛍光よりも微弱な発光を測定するための発光画像撮像ユニット106を下側に配置することにより、カバー開閉によるサンプル上方からの外乱光を完全に遮断できて発光画像のS/N比を増すことができる。発光画像撮像ユニット106と別体の蛍光画像撮像ユニット108は、レーザー走査式の光学系であってもよい。   The arrangement of the light emitting image capturing unit 106 and the fluorescence image capturing unit 108 in the vertical direction may be interchanged. By disposing the light emitting image pickup unit 106 for measuring light emission weaker than fluorescence, disturbance light from above the sample due to opening and closing of the cover can be completely blocked, and the S / N ratio of the light emission image is increased. Can do. The fluorescent image capturing unit 108 that is separate from the light emitting image capturing unit 106 may be a laser scanning optical system.

細胞102は、例えば、蛍光タンパク質(例えばGFP、CFP、YFPなど)で蛍光標識された所定のタンパク質(例えばプロテインキナーゼCや低分子量Gタンパク質Ras、ドミナントネガティブ変異体を含むものなど)および発光関連遺伝子(例えばルシフェラーゼ遺伝子など)で発光標識された所定の遺伝子(例えば転写因子NFκB1の遺伝子など)を含む生きた細胞である。細胞102には、当該細胞の撮像直前に、当該細胞外から所定の刺激(例えば薬物等の化学物質の添加や服用、電気・光・磁気・超音波等の物理エネルギーの付与など)が与えられる。   The cell 102 includes, for example, a predetermined protein fluorescently labeled with a fluorescent protein (eg, GFP, CFP, YFP, etc.) (for example, protein kinase C, low molecular weight G protein Ras, one containing a dominant negative mutant, etc.) and a luminescence-related gene. It is a living cell containing a predetermined gene (for example, gene of transcription factor NFκB1) labeled with luminescence (for example, luciferase gene). Immediately before imaging of the cell, the cell 102 is given a predetermined stimulus (for example, addition of chemical substances such as drugs or taking, application of physical energy such as electricity, light, magnetism, and ultrasound) from the outside of the cell. .

発光画像撮像ユニット106は、具体的には正立型の発光顕微鏡であり、細胞102の発光画像を撮像する。発光画像撮像ユニット106は、図示の如く、対物レンズ106aと、ダイクロイックミラー106bと、CCDカメラ106cと、結像レンズ106fと、で構成されている。対物レンズ106aは、具体的には、使用する結像レンズを加味した光学条件として、(開口数/倍率)の値が0.01以上を満足するのが好ましい。ダイクロイックミラー106bは、細胞102から発せられた発光を色別に分離し、2色の発光を用いて発光量を色別に測定する場合に用いる。CCDカメラ106cは、対物レンズ106a、ダイクロイックミラー106bおよび結像レンズ106fを介して当該CCDカメラ106cのチップ面に投影された細胞102の発光画像および明視野画像を撮る。また、CCDカメラ106cは、画像解析装置110と有線または無線で通信可能に接続される。結像レンズ106fは、対物レンズ106aおよびダイクロイックミラー106bを介して当該結像レンズ106fに入射した像(具体的には細胞102を含む像)を結像する。なお、図1では、ダイクロイックミラー106bで分離した2つの発光に対応する発光画像を2台のCCDカメラ106cで別々に撮像する場合の一例を示しており、1つの発光を用いる場合には、発光画像撮像ユニット106は、対物レンズ106a、1台のCCDカメラ106cおよび結像レンズ106fで構成されてもよい。 The luminescence image capturing unit 106 is specifically an upright luminescence microscope and captures a luminescence image of the cell 102. As shown in the figure, the luminescent image capturing unit 106 includes an objective lens 106a, a dichroic mirror 106b, a CCD camera 106c, and an imaging lens 106f. Specifically, the objective lens 106a preferably satisfies the value (numerical aperture / magnification) 2 of 0.01 or more as an optical condition in consideration of the imaging lens to be used. The dichroic mirror 106b is used when light emitted from the cell 102 is separated by color and the amount of light emitted is measured by color using two colors of light. The CCD camera 106c takes a light emission image and a bright field image of the cell 102 projected onto the chip surface of the CCD camera 106c via the objective lens 106a, the dichroic mirror 106b, and the imaging lens 106f. The CCD camera 106c is connected to the image analysis device 110 so as to be able to communicate with each other by wire or wirelessly. The imaging lens 106f forms an image (specifically, an image including the cell 102) incident on the imaging lens 106f via the objective lens 106a and the dichroic mirror 106b. Note that FIG. 1 shows an example in which a light emission image corresponding to two light emissions separated by the dichroic mirror 106b is separately captured by the two CCD cameras 106c. The image capturing unit 106 may include an objective lens 106a, a single CCD camera 106c, and an imaging lens 106f.

蛍光画像撮像ユニット108は、具体的には倒立型の蛍光顕微鏡であり、細胞102の蛍光画像を撮像する。蛍光画像撮像ユニット108は、図示の如く、対物レンズ108aと、ダイクロイックミラー108bと、光源108cと、CCDカメラ108dと、結像レンズ108eと、シャッター108fと、で構成されている。対物レンズ108aは、撮像しようとする対象に応じて任意の倍率のものを使用できるが、この実施形態においては、発光用の対物レンズ106aと同一性能、すなわち、使用する結像レンズを加味した光学条件として、(開口数/倍率)の値が0.01以上を満足するものとする。ダイクロイックミラー108bは、細胞102からの蛍光を透過するとともに、光源108cから照射された励起光が細胞102へ照射されるように励起光の方向を変える。光源108cは、励起光を照射するためのものであり、具体的には、キセノンランプ、ハロゲン等のランプ、レーザー、LEDなどである。CCDカメラ108dは、対物レンズ108a、ダイクロイックミラー108bおよび結像レンズ108eを介して当該CCDカメラ108dのチップ面に投影された細胞102の蛍光画像および明視野画像を撮る。また、CCDカメラ108dは、画像解析装置110と有線または無線で通信可能に接続される。結像レンズ108eは、対物レンズ108aおよびダイクロイックミラー108bを介して当該結像レンズ108eに入射した像(具体的には細胞102を含む像)を結像する。シャッター108fは、光源108cから照射された励起光を切り替える。換言すると、シャッター108fは、光源108cから照射された励起光を透過したり遮断したりすることで、細胞102への励起光の照射を切り替える。なお、各対物レンズ106a、108aを同一の光軸上に配置したので、ユニット間の画像の位置合わせが容易である。また、この例では発光画像撮像ユニット106と蛍光画像撮像ユニット108の光学条件(例えば対物レンズ106a、108a)の光学条件を同一としたので、両対物レンズ106a、108aとステージ104の配置等を変えずに、それ以外の各ユニットの配置を上下交換したり回転可能に構成することで、各種画像を上下逆の方向または上下両方の方向から撮像することも可能となって多くの画像情報が得られるメリットも有る。また、一部の構成(例えば、対物レンズ、結像レンズ、CCDカメラ等)を共有化して蛍光と発光の各ユニットを上方(倒立型)または下方(正立型)のみに配置することにより、蛍光画像と発光画像を切り替えて取得するようにすれば撮像を行う方向を同一とすることが可能である。 The fluorescence image capturing unit 108 is specifically an inverted fluorescence microscope, and captures a fluorescence image of the cell 102. As shown in the figure, the fluorescence image capturing unit 108 includes an objective lens 108a, a dichroic mirror 108b, a light source 108c, a CCD camera 108d, an imaging lens 108e, and a shutter 108f. The objective lens 108a can be used with an arbitrary magnification depending on the object to be imaged. In this embodiment, the objective lens 108a has the same performance as the light-emitting objective lens 106a, that is, an optical system that takes into account the imaging lens to be used. As a condition, the value of (numerical aperture / magnification) 2 satisfies 0.01 or more. The dichroic mirror 108b transmits the fluorescence from the cell 102 and changes the direction of the excitation light so that the excitation light emitted from the light source 108c is emitted to the cell 102. The light source 108c is for irradiating excitation light, and specifically, is a xenon lamp, a lamp such as a halogen, a laser, an LED, or the like. The CCD camera 108d takes a fluorescent image and a bright field image of the cell 102 projected onto the chip surface of the CCD camera 108d via the objective lens 108a, the dichroic mirror 108b, and the imaging lens 108e. The CCD camera 108d is connected to the image analysis device 110 so as to be able to communicate with each other by wire or wirelessly. The imaging lens 108e forms an image (specifically, an image including the cell 102) incident on the imaging lens 108e via the objective lens 108a and the dichroic mirror 108b. The shutter 108f switches the excitation light emitted from the light source 108c. In other words, the shutter 108f switches the irradiation of the excitation light to the cell 102 by transmitting or blocking the excitation light emitted from the light source 108c. Since the objective lenses 106a and 108a are arranged on the same optical axis, it is easy to align the images between the units. In this example, the optical conditions of the luminescent image capturing unit 106 and the fluorescent image capturing unit 108 (for example, the objective lenses 106a and 108a) are the same, so the arrangement of the objective lenses 106a and 108a and the stage 104 is changed. In addition, by arranging the other units so that they can be exchanged upside down or rotated, various images can be taken in the upside down direction or both up and down directions. There are also benefits. In addition, by sharing a part of the configuration (for example, objective lens, imaging lens, CCD camera, etc.) and arranging each unit of fluorescence and light emission only upward (inverted type) or downward (upright type), If the fluorescent image and the luminescent image are switched and acquired, the imaging direction can be made the same.

画像解析装置110は、具体的にはパーソナルコンピュータである。そして、画像解析装置110は、図2に示すように、大別して、制御部112と、システムの時刻を計時するクロック発生部114と、記憶部116と、通信インターフェース部118と、入出力インターフェース部120と、入力装置122と、出力装置124と、で構成されており、これら各部はバスを介して接続されている。   Specifically, the image analysis apparatus 110 is a personal computer. As shown in FIG. 2, the image analysis apparatus 110 is roughly divided into a control unit 112, a clock generation unit 114 that measures the system time, a storage unit 116, a communication interface unit 118, and an input / output interface unit. 120, an input device 122, and an output device 124. These units are connected via a bus.

記憶部116は、ストレージ手段であり、具体的には、RAMやROM等のメモリ装置、ハードディスクのような固定ディスク装置、フレキシブルディスク、光ディスク等を用いることができる。そして、記憶部116は制御部112の各部の処理により得られたデータなどを記憶する。通信インターフェース部118は、画像解析装置110と、CCDカメラ106cおよびCCDカメラ108dと、の間における通信を媒介する。すなわち、通信インターフェース部118は他の端末と有線または無線の通信回線を介してデータを通信する機能を有する。入出力インターフェース部120は、入力装置122や出力装置124に接続する。ここで、出力装置124には、モニタ(家庭用テレビを含む)の他、スピーカやプリンタを用いることができる(なお、以下で、出力装置124をモニターとして記載する場合がある。)。また、入力装置122には、キーボードやマウスやマイクの他、マウスと協働してポインティングデバイス機能を実現するモニターを用いることができる。ここにおいて、使用者が、出力装置124としてのモニターに表示された蛍光画像および/または発光画像に基づいて、所望の解析期間内に解析すべき1以上の特定の細胞(または細胞群)を含む関心領域または細胞内の関心部位を入力装置122介して指定することにより、指定領域(または部位)の各観察視野内に指定された領域(または部位)の位置情報(アドレス)を記憶部116に記憶させる。この記憶情報は、複数の領域(または部位)または時系列の時間ごとに特定の細胞(または細胞群)を照合するような画像解析を可能にする。なお、この例では、明視野画像も取得して発光画像と重ね合わせることにより、発光画像としての細胞ごとの識別を可能にするようになっている。この場合、CCDカメラまたは発光試薬(ルシフェラーゼ、ルシフェリン、その他添加物)が高感度であったり、蛍光画像により細胞全体の画像も同時に取得できるならば、明視野画像の重ね合わせは必須ではない。   The storage unit 116 is a storage unit. Specifically, a memory device such as a RAM or a ROM, a fixed disk device such as a hard disk, a flexible disk, an optical disk, or the like can be used. And the memory | storage part 116 memorize | stores the data etc. which were obtained by the process of each part of the control part 112. FIG. The communication interface unit 118 mediates communication between the image analysis apparatus 110 and the CCD camera 106c and the CCD camera 108d. That is, the communication interface unit 118 has a function of communicating data with other terminals via a wired or wireless communication line. The input / output interface unit 120 is connected to the input device 122 and the output device 124. Here, in addition to a monitor (including a home television), a speaker or a printer can be used as the output device 124 (hereinafter, the output device 124 may be described as a monitor). In addition to the keyboard, mouse, and microphone, the input device 122 can be a monitor that realizes a pointing device function in cooperation with the mouse. Here, the user includes one or more specific cells (or cell groups) to be analyzed within a desired analysis period based on the fluorescence image and / or the luminescence image displayed on the monitor as the output device 124. By specifying a region of interest or a site of interest in the cell via the input device 122, position information (address) of the specified region (or site) in each observation field of the specified region (or site) is stored in the storage unit 116. Remember. This stored information enables image analysis such that a specific cell (or group of cells) is collated for each of a plurality of regions (or parts) or time series. In this example, a bright-field image is also acquired and superimposed on the luminescent image, thereby enabling identification of each cell as a luminescent image. In this case, if a CCD camera or a luminescent reagent (luciferase, luciferin, or other additives) is highly sensitive, or if an image of the whole cell can be obtained simultaneously with a fluorescent image, superimposing bright-field images is not essential.

制御部112は、OS(Operating System)等の制御プログラムや各種の処理手順等を規定したプログラムや所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラムに基づいて種々の処理を実行する。そして、制御部112は、大別して、蛍光画像撮像指示部112aと、蛍光画像取得部112bと、発光画像撮像指示部112cと、発光画像取得部112dと、画像解析部112eと、解析結果出力部112fと、で構成されている。   The control unit 112 has an internal memory for storing a control program such as an OS (Operating System), a program that defines various processing procedures, and necessary data, and executes various processes based on these programs. . The control unit 112 is roughly divided into a fluorescent image capturing instruction unit 112a, a fluorescent image acquiring unit 112b, a luminescent image capturing instruction unit 112c, a luminescent image acquiring unit 112d, an image analyzing unit 112e, and an analysis result output unit. 112f.

蛍光画像撮像指示部112aは、通信インターフェース部118を介して、CCDカメラ108dへ蛍光画像および明視野画像の撮像を指示する。蛍光画像取得部112bは、CCDカメラ108dで撮像した蛍光画像および明視野画像を、通信インターフェース部118を介して取得する。発光画像撮像指示部112cは、通信インターフェース部118を介して、CCDカメラ106cへ発光画像および明視野画像の撮像を指示する。発光画像取得部112dは、CCDカメラ106cで撮像した発光画像および明視野画像を、通信インターフェース部118を介して取得する。   The fluorescence image capturing instruction unit 112a instructs the CCD camera 108d to capture a fluorescent image and a bright field image via the communication interface unit 118. The fluorescence image acquisition unit 112b acquires the fluorescence image and the bright field image captured by the CCD camera 108d via the communication interface unit 118. The luminescent image capturing instruction unit 112c instructs the CCD camera 106c to capture a luminescent image and a bright field image via the communication interface unit 118. The luminescent image acquisition unit 112d acquires the luminescent image and bright field image captured by the CCD camera 106c via the communication interface unit 118.

画像解析部112eは、蛍光画像取得部112bで取得した複数の蛍光画像に基づいて、所定の刺激による所定のタンパク質の細胞102内での動態の変化を解析する。換言すると、画像解析部112eは、複数の蛍光画像に基づいて、所定の刺激により所定のタンパク質が細胞102内でどのように移動していくのかを解析する。また、画像解析部112eは、発光画像取得部112dで取得した複数の発光画像に基づいて、所定の刺激による所定の遺伝子の発現状態の変動を解析する。具体的には、画像解析部112eは、取得した蛍光画像、明視野画像および発光画像を重ね合わせて細胞ごとの蛍光および発光データを対応付けて解析するものであり、複数の発光画像に基づいて、所定の刺激により所定の遺伝子の発現がどのように変化していくのかを数値化して解析する。解析結果出力部112fは、画像解析部112eでの解析結果を出力装置124に出力する。具体的には、解析結果出力部112fは、画像解析部112eで得られた所定の遺伝子の発現状態の変動についての時系列の数値データを、グラフ化して出力装置124に表示する。なお、出力装置124は、数値データのグラフ以外にも、時系列の数値データの少なくとも一部に対応する複数の蛍光および/または発光画像を動画または並列表示の形式でモニターに出力してもよい。このように、本発明によれば、タンパク質の動態がどのように変化しているかと、その刺激によって下流の特定遺伝子の転写がどのように調節されているかを同じ細胞(または細胞群)について迅速ないしリアルタイムに解析することが可能になるので、医学的研究ならびに臨床上の用途において迅速且つ正確な情報を提供する。なお、本発明の方法を実行する解析システムとしては、蛍光撮像ユニットと発光画像ユニットとが同一のステージに対して互いに異なる光軸上に配置されていたり、互いに異なるステージ上に配置された別体の装置(例えば蛍光顕微鏡と発光顕微鏡)であったりしてもよく、同一または異なるステージ上に対して解析したい複数の対象を順次移動させながら撮像および解析を行うようにしてもよい。また、解析システムとしては、少なくとも図2に示されるような画像解析装置を具備していれば、上述した顕微鏡ベースのシステム以外の画像化システム(例えば内視鏡ないしファイバスコープ)への適用も可能である。また、対象が生体から単離され培養または人為加工された生体試料(細胞、生体組織、臓器(または器官)等)である場合には、所望の解析期間中、生体活性が維持されるように適宜の培養装置と組み合わせたシステムとするのが好ましいが、個体である場合には培養装置の代わりに酸素および栄養等を適宜供給したり摂食させながら断続的に撮像することで同様の解析が可能である。   The image analysis unit 112e analyzes changes in the dynamics of a predetermined protein in the cell 102 due to a predetermined stimulus based on the plurality of fluorescent images acquired by the fluorescent image acquisition unit 112b. In other words, the image analysis unit 112e analyzes how a predetermined protein moves in the cell 102 by a predetermined stimulus based on a plurality of fluorescent images. In addition, the image analysis unit 112e analyzes the variation in the expression state of a predetermined gene due to a predetermined stimulus based on the plurality of luminescent images acquired by the luminescent image acquisition unit 112d. Specifically, the image analysis unit 112e is configured to superimpose the acquired fluorescence image, bright field image, and luminescence image and associate and analyze the fluorescence and luminescence data for each cell, and based on the plurality of luminescence images. Then, how the expression of a predetermined gene is changed by a predetermined stimulus is quantified and analyzed. The analysis result output unit 112f outputs the analysis result of the image analysis unit 112e to the output device 124. Specifically, the analysis result output unit 112f graphs and displays on the output device 124 time-series numerical data regarding the variation in the expression state of a predetermined gene obtained by the image analysis unit 112e. In addition to the numerical data graph, the output device 124 may output a plurality of fluorescent and / or luminescent images corresponding to at least a part of the time-series numerical data to the monitor in a moving image or parallel display format. . Thus, according to the present invention, it is possible to quickly determine how protein dynamics are changed and how the transcription of a specific gene downstream is regulated by the stimulation for the same cell (or group of cells). It can also be analyzed in real time, providing fast and accurate information in medical research and clinical applications. As an analysis system for executing the method of the present invention, the fluorescence imaging unit and the luminescent image unit are arranged on different optical axes with respect to the same stage, or are separately provided on different stages. (For example, a fluorescence microscope and a light emission microscope), and imaging and analysis may be performed while sequentially moving a plurality of objects to be analyzed on the same or different stages. Further, as an analysis system, if it has at least an image analysis apparatus as shown in FIG. 2, it can be applied to an imaging system (for example, an endoscope or a fiberscope) other than the above-described microscope-based system. It is. In addition, when the target is a biological sample (cell, biological tissue, organ (or organ), etc.) isolated from a living body and cultured or artificially processed, the biological activity is maintained during a desired analysis period. It is preferable that the system is combined with an appropriate culture device. However, in the case of an individual, the same analysis can be performed by intermittently imaging while appropriately supplying or feeding oxygen and nutrients instead of the culture device. Is possible.

[PKC(Protein Kinase C:プロテインキナーゼC)θ分子の膜移行とNF(Nuclear Factor)κB1プロモーターの活性変化の観察]
PKCは、細胞の増殖・分化・アポトーシス等の様々な細胞応答に関与するセリン/スレオニンリン酸化酵素である。PKCは、受容体刺激により細胞膜から産生されるジアシルグリセロール(DAG)と、同時に産生されるイノシトール三リン酸により誘導されるカルシウムイオンにより、協調的に活性化される。PKCは活性化に伴って細胞質から細胞膜に移動(トランスロケーション)して細胞膜上でキナーゼ活性を発揮することが知られている。
[Observation of PKC (Protein Kinase C) θ Membrane Translocation and NF (Nuclear Factor) κB1 Promoter Activity Changes]
PKC is a serine / threonine kinase that is involved in various cellular responses such as cell proliferation, differentiation, and apoptosis. PKC is activated cooperatively by calcium ions induced by diacylglycerol (DAG) produced from the cell membrane by receptor stimulation and inositol triphosphate produced simultaneously. It is known that PKC moves from the cytoplasm to the cell membrane (translocation) upon activation and exhibits kinase activity on the cell membrane.

しかし、これまでの細胞内シグナル伝達の研究においては、細胞外からの刺激によるPKCの動態変化とその刺激による下流の特定遺伝子の転写調節とは別々の実験手法で確認するしかなく、実験の再現性の点で問題があった。   However, in the study of intracellular signal transduction so far, there is no choice but to confirm the change in the kinetics of PKC by the stimulation from outside the cell and the transcriptional regulation of the specific gene downstream by the stimulation by separate experimental methods. There was a problem in terms of sex.

そこで、PKC活性化シグナル伝達において、PMA(Phorbol Myristate Acetate)による刺激後、GFP(Green Fluorescent Protein:緑色蛍光タンパク質)標識を行ったPKCθの挙動を観察し、下流の転写因子の遺伝子発現変動をルシフェラーゼ遺伝子によりモニターした。すなわち、細胞内シグナル伝達系のモデルとしてRasシグナル系を用い、増殖因子による刺激後、Rasの挙動をGFPにより観察し、その後、下流の遺伝子発現変動をルシフェラーゼ遺伝子によりモニターした。   Therefore, in PKC activation signal transduction, the behavior of PKCθ labeled with GFP (Green Fluorescent Protein: green fluorescent protein) after stimulation with PMA (Phorbol Myristate Acetate) was observed, and the gene expression fluctuation of the downstream transcription factor was observed by luciferase Monitored by gene. That is, Ras signal system was used as a model of intracellular signal transduction system. After stimulation with growth factors, Ras behavior was observed by GFP, and downstream gene expression fluctuations were monitored by luciferase gene.

本実施例1における実験の流れ(手順)について、以下に説明する。
[手順1(本発明の作製工程に相当)]HeLa細胞を35mmガラスボトムディッシュ内で一晩培養した。培地には、DMEM(フェノールレッド、10%FCS入り)を用いた。
[手順2(本発明の作製工程に相当)]一晩培養後、pPKCq−EGFPおよびpGL4−NFκB1発現ベクターをHeLa細胞にトランスフェクションし、それをさらに一晩培養した。トランスフェクション試薬にはPolyFect((株)QIAGEN製)を用いた。培地を、HEPES入りDMEM(1%FCS、フェノールレッド抜き)に置き換え、6時間培養した。
[手順3(本発明の刺激工程および撮像工程に相当)]PMA(最終濃度5ng/ml)およびA2318(最終濃度100ng/ml)による刺激後、蛍光透過画像と発光(化学発光および/または生物発光)画像と透過明視野画像の3種類の撮像・観察が可能な発光イメージングシステム“LV200(オリンパス(株)製)”を使って、HeLa細胞を観察した。この発光イメージングシステムは、細胞を含む試料の培養が可能な構成を具備し、さらに、共通の撮像部分(対物レンズ、結像レンズおよびCCDカメラ)と、蛍光を励起するための照射と明視野照明を行う照明系とを具備し、使用者の指示に応じて上記3種類の画像を選択的に取得したり、各種画像を個別に表示したり、画像解析することが可能な構成を有している。したがって、使用者は、システムのインターフェースを通じて適宜指示を与えることにより、上述したような画像解析結果を出力させることが可能となるものである。ここにおいて、HeLa細胞を1分間隔で25分間ビデオレートで撮影することにより、PKCθの膜移行の動態を観察した(図3参照)。分光フィルターには、励起BP470−490および分光BP535−555を用いた。蛍光観察条件として、対物レンズは×40、露出時間は200ミリ秒、binningは1×1、CCDカメラはImagEM(浜松ホトニクス(株)製)である。観察する細胞ごとの指定は、システムのインターフェースにより、モニターに表示された刺激前後の蛍光画像において表示された複数の細胞のうち細胞内の輝度分布が変化したと見られる1個の細胞全体を、入力用マウスにより画面上でドラッグ指定した。
[手順4(本発明の撮像工程に相当)]発光観察のためD−ルシフェリン(プロメガ社製:最終濃度100mM)を加え、15分間隔、10時間撮影した(図4参照)。発光観察条件として、対物レンズは×40、露出時間は10分、binningは1×1、CCDカメラはImagEM(浜松ホトニクス(株)製)である。
[手順5(本発明の解析工程に相当)]タイムラプス観察後、手順3および手順4で撮像した観察画像を保存し、画像解析システム“AQUACOSMOS(浜松ホトニクス(株)製)”を用いてその観察画像から細胞内の部位ごとの発光強度に対応する数値データを時系列で解析すると共に、解析した数値データのグラフ化を行った(図5参照)。観察する細胞内部位の指定は、タイムラプスにより撮像された発光画像の保存後の画像をモニターに読み出して表示するとともに、モニターに表示された発光画像において表示された細胞内の発光強度に対応する明るさの異なる複数部位(図では4個の部位)を入力用マウスにより画面上でポイント指定(図では四角で囲まれた一定面積のブロック内の部位)した。指定されたポイントについては、図3に示されるように各々のポイント(図の1〜4)について一定面積のブロックを割り当てるとともに、ポイント(1〜4)ごとにブロック内の全画素の強度値(任意の単位)を合計することにより、各時点での発光強度データとした。
An experimental flow (procedure) in the first embodiment will be described below.
[Procedure 1 (corresponding to the production step of the present invention)] HeLa cells were cultured overnight in a 35 mm glass bottom dish. As the medium, DMEM (with phenol red and 10% FCS) was used.
[Procedure 2 (corresponding to the production step of the present invention)] After overnight culture, pPKCq-EGFP and pGL4-NFκB1 expression vectors were transfected into HeLa cells, which were further cultured overnight. As a transfection reagent, PolyFect (manufactured by QIAGEN) was used. The medium was replaced with DMEM (1% FCS, without phenol red) containing HEPES and cultured for 6 hours.
[Procedure 3 (corresponding to the stimulation step and imaging step of the present invention)] After stimulation with PMA (final concentration 5 ng / ml) and A2318 (final concentration 100 ng / ml), fluorescence transmission image and luminescence (chemiluminescence and / or bioluminescence) ) HeLa cells were observed using a luminescence imaging system “LV200 (manufactured by Olympus Corporation)” capable of imaging and observing three types of images and transmitted bright-field images. This luminescence imaging system has a configuration capable of culturing a sample containing cells, and further has a common imaging part (objective lens, imaging lens and CCD camera), illumination for exciting fluorescence and bright field illumination. And has a configuration that can selectively acquire the above three types of images, display various types of images individually, and perform image analysis in accordance with user instructions. Yes. Therefore, the user can output the image analysis result as described above by appropriately giving an instruction through the system interface. Here, HeLa cells were photographed at a video rate for 25 minutes at 1 minute intervals to observe the kinetics of PKCθ membrane translocation (see FIG. 3). Excitation BP470-490 and spectral BP535-555 were used for the spectral filter. As fluorescence observation conditions, the objective lens is × 40, the exposure time is 200 milliseconds, the binning is 1 × 1, and the CCD camera is ImagEM (manufactured by Hamamatsu Photonics). For each cell to be observed, the entire interface of the cells, in which the luminance distribution in the cell is seen to change, is displayed among the plurality of cells displayed in the fluorescence images before and after the stimulus displayed on the monitor by the system interface. Drag specified on the screen with the input mouse.
[Procedure 4 (corresponding to the imaging step of the present invention)] For observation of luminescence, D-luciferin (manufactured by Promega: final concentration 100 mM) was added, and images were taken at 15 minute intervals for 10 hours (see FIG. 4). As light emission observation conditions, the objective lens is × 40, the exposure time is 10 minutes, the binning is 1 × 1, and the CCD camera is ImagEM (manufactured by Hamamatsu Photonics).
[Procedure 5 (corresponding to the analysis step of the present invention)] After the time-lapse observation, the observation image captured in the procedure 3 and the procedure 4 is stored and observed using the image analysis system “AQUACOSMOS (manufactured by Hamamatsu Photonics)”. The numerical data corresponding to the luminescence intensity of each site in the cell was analyzed in time series from the image, and the analyzed numerical data was graphed (see FIG. 5). The intracellular part to be observed is specified by reading out and displaying the image after storing the luminescent image captured by time lapse on the monitor and displaying the brightness corresponding to the luminescence intensity in the cell displayed in the luminescent image displayed on the monitor. A plurality of different parts (four parts in the figure) were pointed on the screen with an input mouse (parts in a block of a fixed area surrounded by a square in the figure). For the designated point, a block having a constant area is assigned to each point (1 to 4 in the figure) as shown in FIG. 3, and the intensity value of all pixels in the block (for each point (1 to 4)) ( Arbitrary units) were totaled to obtain emission intensity data at each time point.

以上の実験の結果、GFP標識を行ったPKCθの膜移行の観察と、刺激に応答した細胞内におけるシグナル伝達の上流から下流までの連続的な観察とが同一の実験系で可能となり、分子動態と遺伝子発現の変動といった異なる応答速度の解析を細胞ごとに取り違いなく追跡しながら実行できることが明らかとなった。なお、観察または入力による指定の際、細胞内の部位指定を、モニターに表示された蛍光画像のみから指定しその直後から発光画像の撮像を開始するようにすることで、上流遺伝子の変化が確認された細胞についてリアルタイムに下流遺伝子の発現変動を観察および/または解析することもできる。また、蛍光画像と発光画像の両方の撮像が終了した後に、保存された蛍光画像および発光画像をモニターに表示させることにより、異なる時刻に観察される上流遺伝子の動態と下流遺伝子の発現変動とを比較観察することができ、観察視野内の細胞集団に関する包括的な刺激応答の相関を解析することも可能となる。また、ビデオレートおよび/またはタイムラプスの時間間隔を増減することにより、蛍光画像および/または発光画像の撮像速度を観察および/または解析し易いように変更してもよく、解析結果としての蛍光輝度および/または発光強度と並列してこれら蛍光画像によるビデオ映像および/または発光画像による動画(またはコマ送りの並列表示)を同時にモニター等に出力してもよい。   As a result of the above experiments, it is possible to observe the membrane transfer of PKCθ labeled with GFP and the continuous observation from the upstream to the downstream of signal transduction in response to the stimulation in the same experimental system, and the molecular dynamics It became clear that analysis of different response speeds such as gene expression fluctuations can be carried out while following every cell. In addition, when specifying by observation or input, specify the site in the cell only from the fluorescent image displayed on the monitor and start capturing the luminescent image immediately after that, confirming the upstream gene change It is also possible to observe and / or analyze changes in expression of downstream genes in real time for the obtained cells. In addition, after capturing both the fluorescent image and the luminescent image, the stored fluorescent image and luminescent image are displayed on the monitor, so that the dynamics of the upstream gene observed at different times and the expression variation of the downstream gene can be observed. Comparison observation can be performed, and it is also possible to analyze a comprehensive stimulus response correlation regarding a cell population in the observation visual field. In addition, the imaging speed of the fluorescent image and / or the luminescent image may be changed so as to be easily observed and / or analyzed by increasing or decreasing the video rate and / or time lapse time interval. In parallel with the light emission intensity, a video image based on the fluorescent image and / or a moving image based on the light emission image (or a parallel display of frame advance) may be simultaneously output to a monitor or the like.

[Ras分子遺伝子発現阻害とAP1遺伝子プロモーターの活性変化の観察]
Ras/Rafシグナルは、細胞外刺激に応じて細胞の増殖や分化を調節する細胞内シグナル伝達経路として広く知られている。不活性型のRasは細胞膜上で速い拡散運動を行っているが、活性化に伴い細胞膜上の活性型のRasは細胞膜上に留まることが知られている。さらに、Rasは、MAPキナーゼカスケードを活性化し、下流の転写因子活性の上昇を引き起こし、最終的に細胞の分化や増殖を制御している。
[Inhibition of Ras molecular gene expression and observation of changes in AP1 gene promoter activity]
Ras / Raf signals are widely known as intracellular signal transduction pathways that regulate cell proliferation and differentiation in response to extracellular stimuli. Inactive Ras is rapidly diffusing on the cell membrane, but it is known that active Ras stays on the cell membrane upon activation. Furthermore, Ras activates the MAP kinase cascade, causes an increase in downstream transcription factor activity, and ultimately controls cell differentiation and proliferation.

しかし、これまでの細胞内シグナル伝達の研究においては、細胞外からの刺激によるRasの動態変化とその刺激による下流の特定遺伝子の転写調節とは別々の実験手法で確認するしかなく、実験の再現性の点で問題があった。   However, in the study of intracellular signal transduction so far, the change in Ras kinetics caused by stimulation from outside the cell and the transcriptional regulation of specific genes downstream by the stimulation can only be confirmed by separate experimental methods. There was a problem in terms of sex.

そこで、Rasシグナル伝達において、GFP(Green Fluorescent Protein:緑色蛍光タンパク質)標識を行ったRasのドミナントネガティブであるN17変異体を細胞に導入して、GFPによる遺伝子発現阻害の確認、およびルシフェラーゼを指標とすることによる当該シグナル伝達下流の転写因子の遺伝子発現の観察を行った。すなわち、細胞内シグナル伝達系のモデルとしてRasシグナル系を用い、増殖因子による刺激後、Rasの挙動をGFPにより観察し、その後、下流の遺伝子発現の変動をルシフェラーゼ遺伝子によりモニターした。   Therefore, in Ras signaling, N17 mutant, which is a dominant negative of Ras labeled with GFP (Green Fluorescent Protein), was introduced into cells, confirmation of gene expression inhibition by GFP, and luciferase as an index The gene expression of the transcription factor downstream of the signal transduction was observed. That is, the Ras signal system was used as a model of the intracellular signal transduction system, the behavior of Ras was observed by GFP after stimulation with a growth factor, and then the fluctuation in downstream gene expression was monitored by the luciferase gene.

本実施例2における実験の流れ(手順)について、以下に説明する。
[手順1(本発明の作製工程に相当)]PC12細胞を35mmガラスボトムディッシュ内で一晩培養した。培地には、RPMI(フェノールレッド、10%FCS入り)を用いた。
[手順2(本発明の作製工程に相当)]一晩培養後、pPCI−EGFP−RBD(Wild type)およびpGL4−AP1発現ベクターまたはpPCI−EGFP−RBD+N17(ドミナントネガティブtype)およびpGL4−AP1発現ベクターをPC12細胞にトランスフェクションし、それをさらに一晩培養した(図6参照)。トランスフェクション試薬にはLipofectamine2000((株)Invitrogen製)を用いた。培地を、HEPES入りRPMI(1%FCS、フェノールレッド抜き)に置き換え、6時間培養した。
[手順3(本発明の刺激工程および撮像工程に相当)]NGF(最終濃度5ng/ml)による刺激後、蛍光透過画像と発光(化学発光および/または生物発光)画像と透過明視野画像の3種類の撮像・観察が可能な発光イメージングシステム“LV200(オリンパス(株)製)”を使って、PC12細胞を蛍光観察した。PC12細胞を1分間隔で25分間撮影することにより、Rafの膜移行を観察した(図7、図8および図9参照)。分光フィルターには、励起BP470−490および分光BP535−555を用いた。蛍光観察条件として、対物レンズは×40、露出時間は200ミリ秒、binningは1×1、CCDカメラはImagEM(浜松ホトニクス(株)製)である。撮像された二次元の蛍光画像について、図7の写真に記したA−B断線上の蛍光量をグラフ化した(図7参照)。観察する細胞ごとの指定は、実施例1と同様であるが、この実施例ではさらに指定した細胞画像において所望の断面を直線形状でドラッグ指定した。指定された直線上に沿った個々の画素において、各画素の輝度値(複数列の場合は列数分の合計値)を各位置ごとの蛍光量とした。
[手順4(本発明の撮像工程に相当)]発光観察のためD−ルシフェリン(プロメガ社製:最終濃度100μM)を加え、15分間隔で14時間のタイムラプス観察により、発光画像を撮影した。発光観察条件として、対物レンズは×40、露出時間は10分、binningは1×1、CCDカメラはImagEM(浜松ホトニクス(株)製)である。
[手順5(本発明の解析工程に相当)]タイムラプス観察後、手順3および4で撮像した観察画像を保存し、市販の画像解析システム“AQUACOSMOS(浜松ホトニクス(株)製)”を用いて画像内の複数の細胞(9個)を画面上で選択し、その観察画像から選択した個々の細胞に関する刺激後の発光強度の数値データを当該システムで解析すると共に、解析した数値データを時系列的にグラフ化した(図10参照)。観察する細胞内部位の指定および指定後の各ポイントごとの発光量に関する発光強度データについては実施例1と同様に行った。なお、各ポイントについては細胞内においてランダムに多数のポイント(この例では9個)を指定した。
The flow of the experiment (procedure) in the second embodiment will be described below.
[Procedure 1 (corresponding to the production process of the present invention)] PC12 cells were cultured overnight in a 35 mm glass bottom dish. RPMI (phenol red, containing 10% FCS) was used as the medium.
[Procedure 2 (corresponding to the production process of the present invention)] After overnight culture, pPCI-EGFP-RBD (Wild type) and pGL4-AP1 expression vector or pPCI-EGFP-RBD + N17 (dominant negative type) and pGL4-AP1 expression vector Was transfected into PC12 cells, which were further cultured overnight (see FIG. 6). Lipofectamine 2000 (manufactured by Invitrogen) was used as a transfection reagent. The medium was replaced with RPMI with HEPES (1% FCS, without phenol red) and cultured for 6 hours.
[Procedure 3 (corresponding to the stimulation step and imaging step of the present invention)] After stimulation with NGF (final concentration 5 ng / ml), fluorescence transmission image, luminescence (chemiluminescence and / or bioluminescence) image, and transmission brightfield image 3 Using a luminescence imaging system “LV200 (manufactured by Olympus)” capable of various types of imaging and observation, fluorescence observation of PC12 cells was performed. Raf membrane translocation was observed by photographing PC12 cells at 1 minute intervals for 25 minutes (see FIGS. 7, 8 and 9). Excitation BP470-490 and spectral BP535-555 were used for the spectral filter. As fluorescence observation conditions, the objective lens is × 40, the exposure time is 200 milliseconds, the binning is 1 × 1, and the CCD camera is ImagEM (manufactured by Hamamatsu Photonics). About the imaged two-dimensional fluorescence image, the fluorescence amount on the AB disconnection described in the photograph of FIG. 7 was graphed (see FIG. 7). The designation for each cell to be observed is the same as that in Example 1, but in this example, a desired cross section is dragged in a linear shape in the designated cell image. For each pixel along the designated straight line, the luminance value of each pixel (the total value for the number of columns in the case of multiple columns) was used as the fluorescence amount at each position.
[Procedure 4 (corresponding to the imaging step of the present invention)] For luminescence observation, D-luciferin (manufactured by Promega: final concentration 100 μM) was added, and luminescence images were taken by time-lapse observation at 15-minute intervals for 14 hours. As light emission observation conditions, the objective lens is × 40, the exposure time is 10 minutes, the binning is 1 × 1, and the CCD camera is ImagEM (manufactured by Hamamatsu Photonics).
[Procedure 5 (corresponding to the analysis step of the present invention)] After the time-lapse observation, the observation image taken in steps 3 and 4 is stored, and an image is obtained using a commercially available image analysis system “AQUACOSMOS (manufactured by Hamamatsu Photonics)”. A plurality of cells (9 cells) are selected on the screen, the numerical data of the luminescence intensity after stimulation for each individual cell selected from the observed image is analyzed by the system, and the analyzed numerical data is time-series (See FIG. 10). The emission intensity data relating to the designation of the intracellular site to be observed and the emission amount at each point after the designation was performed in the same manner as in Example 1. For each point, a large number of points (9 in this example) were randomly specified in the cell.

以上の実験の結果、pPCI−EGFP−RBD+N17およびpGL4−AP1発現ベクターを導入したPC12細胞において、高い発現量の部位は刺激前には細胞の中央部(すなわち細胞膜内の領域)に集中していたが、その高発現部位は刺激後には細胞の両端(すなわち細胞膜付近)へと移行していた(図7参照)。このことから、EGFP標識Raf−1分子の膜移行が起こり、下流にシグナルが伝達されていることが分かる。一方、pPCI−EGFP−RBD+N17およびpGL4−AP1発現ベクターを導入したPC12細胞を1分間隔で25分間撮影した際には、Rafの膜移行が起こらないことを確認した(図8および図9参照)。   As a result of the above experiment, in PC12 cells into which pPCI-EGFP-RBD + N17 and the pGL4-AP1 expression vector were introduced, the site of high expression level was concentrated in the central part of the cell (ie, the region in the cell membrane) before stimulation. However, the highly expressed site was transferred to both ends of the cell (ie, near the cell membrane) after stimulation (see FIG. 7). From this, it can be seen that the membrane transfer of the EGFP-labeled Raf-1 molecule occurs and a signal is transmitted downstream. On the other hand, when PC12 cells introduced with pPCI-EGFP-RBD + N17 and the pGL4-AP1 expression vector were photographed at 1 minute intervals for 25 minutes, it was confirmed that Raf membrane translocation did not occur (see FIGS. 8 and 9). .

また、ドミナントネガティブN17の導入が確認された細胞において、シグナル伝達下流の遺伝子であるAP1遺伝子の発現量をモニターしたところ、N17を導入しないWild typeと比較して発現抑制が起こっていることが確認された(図10参照)。しかし、N17を導入しても発現量が完全に失われる訳ではなく、わずかにAP1遺伝子の発現上昇が見られている(図10参照)。可能性として、細胞内シグナル伝達経路の重複により、Ras以外のカスケードからAP1にシグナルが伝わったことも考えられる。   In addition, when the expression level of the AP1 gene, which is a signal transduction downstream gene, was monitored in cells in which the introduction of dominant negative N17 was confirmed, it was confirmed that expression suppression occurred compared to the wild type without N17 introduction. (See FIG. 10). However, even when N17 is introduced, the expression level is not completely lost, and a slight increase in the expression of the AP1 gene is observed (see FIG. 10). It is also possible that signals were transmitted to AP1 from cascades other than Ras due to duplication of intracellular signal transduction pathways.

以上より、GFP標識を行ったRaf−N17の観察と、刺激に応答した細胞内におけるシグナル伝達の上流から下流までの連続的な観察が、同一の実験系で可能となった。このような複雑な細胞内シグナル伝達経路の解明をするにあたり、ドミナントネガティブ変異体やRNAiなどの手法を用いて特定のシグナル伝達経路を抑制することで、その経路が下流遺伝子にどの程度影響を与えているかを調べることが可能となる。   From the above, observation of Raf-N17 labeled with GFP and continuous observation from upstream to downstream of signal transduction in the cells in response to the stimulation became possible in the same experimental system. In elucidating such complex intracellular signal transduction pathways, the degree to which downstream pathway genes are affected by suppressing specific signal transduction pathways using methods such as dominant negative mutants and RNAi. It is possible to check whether it is.

以上のように、本発明にかかるシグナル伝達解析方法は、バイオ、製薬、医療など様々な分野で好適に用いることができる。   As described above, the signal transduction analysis method according to the present invention can be suitably used in various fields such as biotechnology, pharmaceuticals, and medicine.

蛍光・発光観察システム100の全体構成の一例を示す図である。1 is a diagram illustrating an example of an overall configuration of a fluorescence / luminescence observation system 100. FIG. 蛍光・発光観察システム100の画像解析装置110の構成の一例を示すブロック図である。2 is a block diagram illustrating an example of a configuration of an image analysis device 110 of the fluorescence / luminescence observation system 100. FIG. PKCθの膜移行を捉えた蛍光画像を示す図である。It is a figure which shows the fluorescence image which caught the film | membrane transfer of PKC (theta). NFκB1遺伝子の発現変化を捉えた発光画像を示す図である。It is a figure which shows the light emission image which caught the expression change of NF (kappa) B1 gene. PMA刺激後のNFκB1遺伝子の発現量の変化を表すグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph showing the change of the expression level of NF (kappa) B1 gene after PMA stimulation. 細胞に導入されるベクターを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the vector introduce | transduced into a cell. 刺激前後における細胞内での発現量および高発現部位を示す図である。It is a figure which shows the expression level and the high expression site | part in the cell before and behind stimulation. ドミナントネガティブN17が導入された細胞内での刺激前における発現量およびRafの膜移行の状態を示す図である。It is a figure which shows the expression level before the stimulation in the cell in which dominant negative N17 was introduce | transduced, and the state of the membrane transfer of Raf. ドミナントネガティブN17が導入された細胞内での刺激後における発現量およびRafの膜移行の状態を示す図である。It is a figure which shows the expression level after stimulation in the cell in which dominant negative N17 was introduce | transduced, and the state of the membrane transfer of Raf. ドミナントネガティブN17導入後の個々の細胞におけるAP1プロモーター活性の経時的変化を表すグラフを示す図である。It is a figure which shows the graph showing the time-dependent change of AP1 promoter activity in each cell after dominant negative N17 introduction | transduction.

符号の説明Explanation of symbols

100 蛍光・発光観察システム
103 容器(シャーレ)
104 ステージ
106 発光画像撮像ユニット
106a 対物レンズ(発光観察用)
106b ダイクロイックミラー
106c CCDカメラ
106f 結像レンズ
108 蛍光画像撮像ユニット
108a 対物レンズ(蛍光観察用)
108b ダイクロイックミラー
108c 光源
108d CCDカメラ
108e 結像レンズ
108f シャッター
110 画像解析装置
112 制御部
112a 蛍光画像撮像指示部
112b 蛍光画像取得部
112c 発光画像撮像指示部
112d 発光画像取得部
112e 画像解析部
112f 解析結果出力部
114 クロック発生部
116 記憶部
118 通信インターフェース部
120 入出力インターフェース部
122 入力装置
124 出力装置
100 Fluorescence / luminescence observation system 103 Container (petri dish)
104 Stage 106 Luminous imaging unit
106a Objective lens (for light emission observation)
106b Dichroic mirror
106c CCD camera
106f Imaging lens 108 Fluorescence imaging unit
108a Objective lens (for fluorescence observation)
108b Dichroic mirror
108c Light source
108d CCD camera
108e Imaging lens
108f Shutter 110 Image analysis device
112 Control unit
112a Fluorescence image capturing instruction unit
112b Fluorescence image acquisition unit
112c Luminescent image capturing instruction unit
112d Luminescent image acquisition unit
112e Image analysis unit
112f Analysis result output part
114 Clock generator
116 storage unit
118 Communication interface
120 I / O interface section
122 Input device
124 Output device

Claims (7)

細胞内のシグナル伝達を解析するシグナル伝達解析方法であって、
蛍光標識された所定のタンパク質および発光標識をコードする遺伝子と連結した所定の遺伝子を含むように作製された前記細胞当該細胞外から所定の刺激を与える刺激工程と、
前記刺激工程で前記所定の刺激が与えられた後の前記細胞の蛍光画像および発光画像を、該蛍光画像のビデオレートおよび該発光画像のタイムラプスにより時系列でそれぞれ複数撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像した複数の前記蛍光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定のタンパク質の前記細胞内での動態の変化を解析すると共に、前記撮像工程で撮像した複数の前記発光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定の遺伝子の発現状態の変動を解析する解析工程と、
を含むことを特徴とするシグナル伝達解析方法。
A signal transduction analysis method for analyzing intracellular signal transduction,
A stimulation step of providing from the extracellular to the cells fabricated to include a predetermined gene linked to a gene encoding a given protein and luminescent labels which are fluorescent labeled predetermined stimulus,
An imaging step of capturing a plurality of fluorescence images and luminescence images of the cells after the predetermined stimulus is given in the stimulation step, respectively in time series by a video rate of the fluorescence images and a time lapse of the luminescence images ;
Based on the plurality of fluorescent images captured in the imaging step, the change in the dynamics of the predetermined protein in the cells due to the predetermined stimulus is analyzed, and the plurality of luminescent images captured in the imaging step are analyzed. Based on the analysis step of analyzing the variation of the expression state of the predetermined gene due to the predetermined stimulus,
A signal transduction analysis method comprising:
前記細胞は、前記所定のタンパク質における特定の遺伝子に対し、該遺伝子の上流側を蛍光タンパク質で標識されるとともに、該遺伝子の下流側を発光関連遺伝子で標識されること
を特徴とする請求項1に記載のシグナル伝達解析方法。
The cells for a particular gene in the given protein, according to claim 1 for the upstream side of the gene Rutotomoni is labeled with a fluorescent protein, wherein Rukoto labeled downstream of the gene in emission-related genes The signal transduction analysis method according to 1.
前記所定のタンパク質は、プロテインキナーゼCまたは低分子量Gタンパク質Rasであること
を特徴とする請求項1または2に記載のシグナル伝達解析方法。
The signal transduction analysis method according to claim 1 or 2, wherein the predetermined protein is protein kinase C or low molecular weight G protein Ras.
前記所定のタンパク質は、ドミナントネガティブ変異体を含むこと
を特徴とする請求項1または2に記載のシグナル伝達解析方法。
The signal transduction analysis method according to claim 1, wherein the predetermined protein includes a dominant negative mutant.
細胞内のシグナル伝達を解析するシグナル伝達解析システムであって、
蛍光標識された所定のタンパク質および発光標識をコードする遺伝子と連結した所定の遺伝子を含むように作製された細胞を含み、且つ該細胞に対し所定の刺激を与える前後または両方において対象を保持するステージと、
前記ステージに保持された前記対象に関するビデオレートの蛍光画像およびタイムラプスの発光画像を該ビデオレートおよび該タイムラプスにより時系列でそれぞれ複数撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された複数の前記蛍光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定のタンパク質の前記細胞内での動態の変化を解析すると共に、前記撮像装置で撮像した複数の前記発光画像に基づいて、前記所定の刺激による前記所定の遺伝子の発現状態の変動を解析する画像解析装置と、
を含むことを特徴とするシグナル伝達解析システム。
A signal transduction analysis system for analyzing intracellular signal transduction,
A cell prepared so as to contain a predetermined gene linked to a gene encoding a fluorescent-labeled predetermined protein and a luminescent label, and holding a subject before or after applying a predetermined stimulus to the cell Stage,
An imaging device that captures a plurality of video rate fluorescent images and time-lapse emission images of the object held on the stage in time series according to the video rate and the time-lapse ;
Based on a plurality of the fluorescence images imaged by the imaging device, a change in dynamics of the predetermined protein in the cell due to the predetermined stimulation is analyzed, and a plurality of the luminescent images captured by the imaging device Based on the image analysis device for analyzing the variation of the expression state of the predetermined gene by the predetermined stimulus,
A signal transduction analysis system comprising:
前記撮像装置が、蛍光撮像ユニットと発光撮像ユニットが同一の光軸上における画像取得を行うこと
を特徴とする請求項5に記載のシグナル伝達解析システム。
The signal transmission analysis system according to claim 5, wherein the imaging device acquires an image on the same optical axis of the fluorescence imaging unit and the light emitting imaging unit.
前記画像解析装置が、撮像した蛍光画像および/または発光画像における細胞の領域または部位を指定するための入力装置をさらに具備すること
を特徴とする請求項5または6に記載のシグナル伝達解析システム。
The signal transmission analysis system according to claim 5, wherein the image analysis device further includes an input device for designating a cell region or a site in the captured fluorescence image and / or luminescence image.
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