JP5848885B2 - Chemical screening method - Google Patents

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Description

本発明は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質のスクリーニング方法に関する。   The present invention relates to a method for screening chemical substances that cause morphological changes in cells.

従来、細胞を用いた生理活性物質のハイスループットスクリーニングには、単純な系が用いられていた。例えば、抗癌作用を示す低分子化合物のスクリーニング方法の多くには、MTT(Methyl thiazolyl tetrazorium)アッセイやalamarBlueアッセイといった1つのウェル内における細胞の生存数を定量し、生存率を算出する方法が用いられていた。   Conventionally, a simple system has been used for high-throughput screening of physiologically active substances using cells. For example, many of the screening methods for low molecular weight compounds exhibiting an anticancer effect include methods for quantifying the number of viable cells in one well and calculating the survival rate, such as an MTT (methyl thiazol tetrazorium) assay and an alamarBlue assay. It was done.

近年、創薬ターゲットのスクリーニング方法や低分子化合物のスクリーニング方法は、機器やイメージング技術の発展と共に複雑化している。顕微鏡技術がスクリーニングに応用されるようになり、1種類の細胞から複数のパラメータについて解析が行われるようになってきている。このようなスクリーニング方法をHigh content screening(以下、HCS)という(非特許文献1参照)。   In recent years, screening methods for drug discovery targets and screening methods for low molecular weight compounds have become more complex with the development of instruments and imaging techniques. Microscope technology has been applied to screening, and a plurality of parameters have been analyzed from one type of cell. Such a screening method is called High content screening (hereinafter referred to as HCS) (see Non-Patent Document 1).

HCSは、細胞内の複数のターゲットを多重蛍光染色し、これらの蛍光を同時に解析することにより、細胞における複数の現象を指標とするスクリーニング方法である。この方法によれば、細胞が有する特定の機能に作用する生理活性物質に着目することにより、薬効を示すものをスクリーニングすることができる。よって、HCSは、単に毒性のみを指標とするスクリーニング方法に比べて、副作用やオフターゲット等を排除できる観点から優れている。   HCS is a screening method that uses multiple phenomena in a cell as an index by multiple fluorescent staining of a plurality of targets in the cell and analyzing these fluorescences simultaneously. According to this method, by showing a physiologically active substance that acts on a specific function of a cell, it is possible to screen for those that show medicinal effects. Therefore, HCS is superior from the viewpoint of eliminating side effects, off-targets, and the like, compared to a screening method using only toxicity as an index.

HCSは、細胞に形態変化を生じさせるような薬剤の探索、または形態変化に関与する遺伝子の探索に好適に用いられる。細胞の形態変化は、例えば細胞骨格に関与する分子や細胞周期における分裂期に関与する分子に薬剤等を作用させることにより観察される(非特許文献2、非特許文献3参照)。   HCS is suitably used for searching for drugs that cause morphological changes in cells or for genes involved in morphological changes. The change in cell morphology is observed, for example, by allowing a drug or the like to act on a molecule involved in the cytoskeleton or a molecule involved in the division phase in the cell cycle (see Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3).

Krausz、Mol.BioSyst.、第3巻、第232〜240頁、2007年Krausz, Mol. BioSystem. Vol.3, pp.232-240, 2007 Kigerら、J Biol、第2巻、第27.1〜27.15頁、2003年Kiger et al., J Biol, Volume 2, 27.1-27.15, 2003 Neumannら、Nat Methods.、第3巻、第385〜390頁、2006年Neumann et al., Nat Methods. , Volume 3, 385-390, 2006

非特許文献2に挙げられている形態変化に関与する分子のスクリーニング方法は、細胞を固定化し、蛍光染色する方法である。蛍光染色は一定のコストがかかるため、膨大な数の低分子化合物ライブラリーやsiRNAライブラリーを用いる場合にはコスト面で難がある。
また、染色の過程で生じる染色ムラがスクリーニング結果に影響を与える可能性がある。さらに、蛍光色素を細胞内に導入するためには、細胞を固定化する必要があるため、時間経過を解析したい場合には、サンプルの数を増やさなければならず、手間である。
The screening method for molecules involved in morphological changes listed in Non-Patent Document 2 is a method for fixing cells and fluorescent staining. Since fluorescent staining requires a certain cost, there is a problem in cost when using a huge number of low molecular compound libraries and siRNA libraries.
In addition, uneven staining that occurs during the staining process may affect the screening results. Furthermore, since it is necessary to immobilize cells in order to introduce fluorescent dyes into cells, it is troublesome to increase the number of samples in order to analyze the passage of time.

これに対し、非特許文献3では、細胞にGFP(
Green Fluorescent Protein)を融合させたHistone H2BをHeLa細胞に安定化発現させた細胞株を作製し、導入した蛍光タンパク質の挙動を指標にタイムラプス解析をする方法が挙げられている。
しかしながら、この方法は、安定性発現株の作製が必須であるため、遺伝子導入に適していない細胞をスクリーニングに用いることができず、多種類の細胞をスクリーニングに用いる場合に適していない。
On the other hand, in Non-Patent Document 3, GFP (
There is a method of preparing a cell line in which Histone cells are stably expressed in HeLa cells fused with Green Fluorescent Protein) and performing time-lapse analysis using the behavior of the introduced fluorescent protein as an index.
However, since it is essential to produce a stable expression strain, this method cannot use cells that are not suitable for gene transfer for screening, and is not suitable for the case of using many types of cells for screening.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、細胞を固定、染色することなく、安価で迅速な解析を可能とする、細胞に形態変化を生じさせる化学物質のスクリーニング方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for screening a chemical substance that causes a morphological change in cells, which enables inexpensive and rapid analysis without fixing and staining the cells. For the purpose.

本発明者らは上記の課題を解決するため、鋭意研究を行った結果、後記する構成を有する解析装置を用いることにより課題を解決できることを見出した。すなわち本発明は、下記(1)〜(13)を提供するものである。
(1)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質のスクリーニング方法であって、
(a)細胞にスクリーニング対象である第1の化学物質を接触させる工程と、
(b)前記第1の化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む工程と、
(c)前記(b)における前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める工程と、
(d)各々の前記画像に対応する前記特徴値の度数分布である統計処理データをそれぞれ求める工程と、(e)前記画像間での前記統計処理データの変化に基づいて、前記第1の化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する工程と、
を含むことを特徴とする。
(2)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(e)の後、
(f)前記第1の化学物質を接触させた細胞に、更に前記第1の化学物質又は前記第1の化学物質に該当しないスクリーニング対象である追加化学物質を接触させる工程と、
(g)前記追加化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む工程と、
(h)前記(g)における前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める工程と、
(i)各々の前記画像に対応する前記特徴値の度数分布である統計処理データをそれぞれ求める工程と、(j)前記画像間での前記統計処理データの変化に基づいて、前記追加化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する工程と、
(k)前記追加化学物質を接触させた細胞における前記評価情報に基づき、(f)〜(j)を繰り返すか否かを判断する工程と、
を少なくとも1回繰り返す工程を含むことが好ましい
(3)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記第1の化学物質及び前記追加化学物質が、それぞれ独立して、低分子化合物、抗体、タンパク質、ペプチド、アンチセンス核酸、リボザイム、shRNA及びsiRNAからなる群より選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。
)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記第1の化学物質がsiRNAであることが好ましい。
)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記第1の化学物質が低分子化合物であることが好ましい。
)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(e)及び前記(j)が、前記画像間での前記度数分布の差分を用いて、前記評価情報を生成する工程であることが好ましい。
In order to solve the above-described problems, the present inventors have conducted extensive research and found that the problems can be solved by using an analysis apparatus having a configuration described later. That is, the present invention provides the following (1) to (13).
(1) The method for screening a chemical substance of the present invention is a method for screening a chemical substance that causes morphological changes in cells,
(A) contacting a cell with a first chemical substance to be screened;
(B) reading a plurality of images taken in time series of cells brought into contact with the first chemical substance;
(C) obtaining a feature value indicating a morphological feature of each cell included in the image in (b) from the image;
(D) obtaining statistical processing data that is a frequency distribution of the feature values corresponding to each of the images; and (e) changing the statistical processing data between the images based on the first chemistry. Generating evaluation information for evaluating a morphological change of a cell contacted with a substance;
It is characterized by including.
(2) In the method for screening a chemical substance of the present invention, after (e),
(F) contacting the cell contacted with the first chemical substance with the first chemical substance or an additional chemical substance to be screened that does not correspond to the first chemical substance;
(G) a step of reading a plurality of images obtained by imaging the cells contacted with the additional chemical substance in time series;
(H) obtaining a feature value indicating a morphological feature of each cell included in the image in (g) from the image;
(I) obtaining statistical processing data that is a frequency distribution of the feature values corresponding to each of the images; and (j) changing the statistical processing data between the images based on the change of the statistical processing data. Generating evaluation information for evaluating the morphological change of the contacted cells;
(K) determining whether to repeat (f) to (j) based on the evaluation information in the cell contacted with the additional chemical substance;
Preferably, the method includes a step of repeating at least once .
(3 ) In the method for screening a chemical substance of the present invention, the first chemical substance and the additional chemical substance are each independently a low molecular compound, antibody, protein, peptide, antisense nucleic acid, ribozyme, shRNA, and siRNA. It is preferably at least one selected from the group consisting of
( 4 ) In the chemical substance screening method of the present invention, the first chemical substance is preferably siRNA.
( 5 ) In the chemical substance screening method of the present invention, the first chemical substance is preferably a low-molecular compound.
( 6 ) In the chemical substance screening method of the present invention, it is preferable that (e) and (j) are steps for generating the evaluation information using a difference in the frequency distribution between the images. .

(8)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(c)及び前記(h)が、各々の前記画像について複数種類の前記特徴値を求める工程であり、前記(d)及び前記(i)が、前記特徴値の種類ごとにそれぞれ前記度数分布を求める工程であり、前記(e)及び前記(j)が、複数種類の前記度数分布の変化の情報を用いて、前記評価情報を生成する工程であることが好ましい。
(9)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(d)及び前記(i)が、各々の前記度数分布における度数の区分を、前記特徴値の種類ごとの標準偏差を用いてそれぞれ正規化する工程であることが好ましい。
(10)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(e)及び前記(j)が、前記画像の撮影時間及び前記特徴値の種類がそれぞれ異なる複数の前記度数分布の組み合わせのうちから、前記評価情報の生成に用いる前記度数分布の組み合わせを抽出し、前記評価情報の計算モデルを求める工程であることが好ましい。
(11)本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(e)及び前記(j)が、教師付き学習により前記計算モデルを求める工程であることが好ましい。
(12)本発明の化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法であって、
(l)先に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する工程と、
(m)選択された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する工程と、
を含むことを特徴とする。
(13)本発明の化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法であって、
(l)先に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する工程と、
(n)選択された化学物質の構造を最適化する工程と、
(o)最適化された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する工程と、
を含むことを特徴とする。
(8) In the method for screening a chemical substance of the present invention, (c) and (h) are steps for obtaining a plurality of types of feature values for each of the images, and (d) and (i) Is a step of obtaining the frequency distribution for each type of the feature value, and (e) and (j) generate the evaluation information using information on a plurality of types of changes in the frequency distribution. It is preferable that it is a process.
(9) In the chemical substance screening method of the present invention, (d) and (i) respectively normalize the frequency classification in each frequency distribution using the standard deviation for each type of the characteristic value. It is preferable that it is a process to perform.
(10) In the method for screening a chemical substance of the present invention, the (e) and the (j) are the combinations of the frequency distributions in which the image capturing time and the characteristic value are different from each other. It is preferable that the step of extracting a combination of the frequency distributions used for generating the evaluation information and obtaining a calculation model of the evaluation information.
(11) In the chemical substance screening method of the present invention, it is preferable that (e) and (j) are steps for obtaining the calculation model by supervised learning.
(12) The method for producing a chemical substance of the present invention or a pharmaceutical composition containing the chemical substance is a method for producing a chemical substance that causes morphological changes in cells or a pharmaceutical composition containing the chemical substance,
(L) selecting a chemical substance that causes morphological changes in cells by the screening method described above;
(M) producing a selected chemical substance or a pharmaceutical composition comprising said chemical substance;
It is characterized by including.
(13) The method for producing a chemical substance of the present invention or a pharmaceutical composition containing the chemical substance is a method for producing a chemical substance or a pharmaceutical composition containing the chemical substance that causes morphological changes in cells,
(L) selecting a chemical substance that causes morphological changes in cells by the screening method described above;
(N) optimizing the structure of the selected chemical substance;
(O) producing an optimized chemical or a pharmaceutical composition comprising said chemical;
It is characterized by including.

本発明によれば、細胞を固定、染色することなく、安価で迅速な解析を可能とする、細胞に形態変化を生じさせる化学物質のスクリーニング方法を提供することができる。
本発明の化学物質のスクリーニング方法は、非破壊の系であるため、タイムラプス解析に好適に用いられ、かつスクリーニングに用いたサンプルそのものを別の評価系に供することができ、スクリーニング結果を別の系から評価することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the screening method of the chemical substance which causes a morphological change to a cell which enables a cheap and quick analysis without fixing and dye | staining a cell can be provided.
Since the screening method of the chemical substance of the present invention is a non-destructive system, it can be suitably used for time-lapse analysis, and the sample itself used for screening can be used for another evaluation system, and the screening result can be used for another system. Can be evaluated from.

本発明に用いられるインキュベータの概要を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline | summary of the incubator used for this invention. 本発明に用いられるインキュベータの正面図である。It is a front view of the incubator used for the present invention. 本発明に用いられるインキュベータの平面図である。It is a top view of the incubator used for the present invention. インキュベータでの観察動作の一例を示す流れ図である。It is a flowchart which shows an example of observation operation | movement with an incubator. 計算モデルの生成処理の一例を示す流れ図である。It is a flowchart which shows an example of the production | generation process of a calculation model. 各特徴値の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of each feature value. (a)〜(c):「Shape Factor」の経時的変化の例を示すヒストグラム、(d)〜(f):「Fiber Length」の経時的変化の例を示すヒストグラムである。(A)-(c): Histogram showing an example of change over time of “Shape Factor”, (d)-(f): Histogram showing an example of change over time of “Fiber Length”. (a)〜(c):正常な細胞群をタイムラプス観察した顕微鏡画像を示す図である。(A)-(c): It is a figure which shows the microscope image which observed the time-lapse observation of the normal cell group. (a)〜(c):正常な細胞にがん細胞を混在した細胞群をタイムラプス観察した顕微鏡画像を示す図である。(A)-(c): It is a figure which shows the microscope image which observed the time-lapse observation of the cell group which mixed the cancer cell in the normal cell. ANNの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of ANN. FNNの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of FNN. FNNにおけるシグモイド関数を示す図である。It is a figure which shows the sigmoid function in FNN. 培養状態評価処理の動作例を示す流れ図である。It is a flowchart which shows the operation example of a culture state evaluation process. 本発明のスクリーニング方法の一態様を示したフローチャート図である。It is the flowchart figure which showed the one aspect | mode of the screening method of this invention. 本発明のスクリーニング方法及び従来のスクリーニング方法の一態様を示したフローチャート図である。It is the flowchart figure which showed the one aspect | mode of the screening method of this invention, and the conventional screening method. 本発明のスクリーニング方法の一態様を示したフローチャート図である。It is the flowchart figure which showed the one aspect | mode of the screening method of this invention. 実施例における正常な細胞又はp53を標的とするsiRNAを処理した細胞をタイムラプス観察した顕微鏡画像、及びこれらの画像に基づいて解析された「Length」の経時的変化を示すヒストグラムである。It is the histogram which shows the time-dependent change of the microscopic image which observed the time-lapse observation of the normal cell in the Example or the cell which processed siRNA which targets p53, and the "Length" analyzed based on these images. 実施例におけるp53を標的とするsiRNAを処理した細胞の各時間後のp53及びRhoAのmRNAの発現レベルについて、0時間を1とした時の相対値を示したグラフである。It is the graph which showed the relative value when 0 hour is set to 1 about the expression level of mRNA of p53 and RhoA after each time of the cell which processed siRNA which targets p53 in an Example. 実施例におけるRhoAを標的とするsiRNAを処理した細胞、及びネガティブコントロールをタイムラプス観察した顕微鏡画像である。It is the microscope image which observed the time-lapse observation of the cell which processed siRNA which targets RhoA in an Example, and negative control. 実施例におけるRhoAを標的とするsiRNAを処理した細胞、及びネガティブコントロールをタイムラプス観察した顕微鏡画像である。It is the microscope image which observed the time-lapse observation of the cell which processed siRNA which targets RhoA in an Example, and negative control. 実施例におけるRhoAを標的とするsiRNAを処理した細胞、又はネガティブコントロールをタイムラプス観察した顕微鏡画像、及びこれらの画像に基づいて解析された「円形度」の経時的変化を示すヒストグラムである。It is the histogram which shows the time-dependent change of the "roundness" analyzed based on the microscopic image which performed the time-lapse observation of the cell which processed siRNA which targets RhoA in an Example, or negative control.

≪培養状態評価装置≫
本発明の化学物質のスクリーニング方法において、細胞に形態変化を生じさせる化学物質を接触させた後の工程(b)〜(e)及び(g)〜(k)は、これらの工程を組み込んだ培養状態評価装置を用いて行われる。よって、まず前記培養状態評価装置を含むインキュベータについて説明する。
≪Culture state evaluation device≫
In the method for screening a chemical substance of the present invention, the steps (b) to (e) and (g) to (k) after contacting a chemical substance that causes morphological changes in cells are cultures incorporating these steps. This is performed using a state evaluation device. Therefore, first, an incubator including the culture state evaluation apparatus will be described.

図1は、本発明に用いられるインキュベータの概要を示すブロック図である。また、図2、図3は、本発明に用いられるインキュベータの正面図および平面図である。   FIG. 1 is a block diagram showing an outline of an incubator used in the present invention. 2 and 3 are a front view and a plan view of the incubator used in the present invention.

本発明に用いられるインキュベータ11は、上部ケーシング12と下部ケーシング13とを有している。インキュベータ11の組立状態において、上部ケーシング12は下部ケーシング13の上に載置される。なお、上部ケーシング12と下部ケーシング13との内部空間は、ベースプレート14によって上下に仕切られている。   The incubator 11 used in the present invention has an upper casing 12 and a lower casing 13. In the assembled state of the incubator 11, the upper casing 12 is placed on the lower casing 13. Note that the internal space between the upper casing 12 and the lower casing 13 is vertically divided by a base plate 14.

まず、上部ケーシング12の構成の概要を説明する。上部ケーシング12の内部には、細胞の培養を行う恒温室15が形成されている。この恒温室15は温度調整装置15aおよび湿度調整装置15bを有しており、恒温室15内は細胞の培養に適した環境(例えば温度37℃、湿度90%の雰囲気)に維持されている(なお、図2、図3での温度調整装置15a、湿度調整装置15bの図示は省略する)。   First, an outline of the configuration of the upper casing 12 will be described. A constant temperature chamber 15 for culturing cells is formed inside the upper casing 12. The temperature-controlled room 15 includes a temperature adjusting device 15a and a humidity adjusting device 15b, and the temperature-controlled room 15 is maintained in an environment suitable for cell culture (for example, an atmosphere having a temperature of 37 ° C. and a humidity of 90%) ( Note that illustration of the temperature adjusting device 15a and the humidity adjusting device 15b in FIGS. 2 and 3 is omitted).

恒温室15の前面には、大扉16、中扉17、小扉18が配置されている。大扉16は、上部ケーシング12および下部ケーシング13の前面を覆っている。中扉17は、上部ケーシング12の前面を覆っており、大扉16の開放時に恒温室15と外部との環境を隔離する。小扉18は、細胞を培養する培養容器19を搬出入するための扉であって、中扉17に取り付けられている。この小扉18から培養容器19を搬出入することで、恒温室15の環境変化を抑制することが可能となる。なお、大扉16、中扉17、小扉18は、パッキンP1,P2,P3によりそれぞれ気密性が維持されている。   A large door 16, a middle door 17 and a small door 18 are arranged on the front surface of the temperature-controlled room 15. The large door 16 covers the front surfaces of the upper casing 12 and the lower casing 13. The middle door 17 covers the front surface of the upper casing 12 and isolates the environment between the temperature-controlled room 15 and the outside when the large door 16 is opened. The small door 18 is a door for carrying in and out a culture vessel 19 for culturing cells, and is attached to the middle door 17. It is possible to suppress environmental changes in the temperature-controlled room 15 by carrying the culture container 19 in and out of the small door 18. The large door 16, the middle door 17, and the small door 18 are maintained airtight by the packings P1, P2, and P3, respectively.

また、恒温室15には、ストッカー21、観察ユニット22、容器搬送装置23、搬送台24が配置されている。ここで、搬送台24は、小扉18の手前に配置されており、培養容器19を小扉18から搬出入する。   In the temperature-controlled room 15, a stocker 21, an observation unit 22, a container transfer device 23, and a transfer table 24 are arranged. Here, the conveyance stand 24 is disposed in front of the small door 18, and carries the culture container 19 in and out of the small door 18.

ストッカー21は、上部ケーシング12の前面(図3の下側)からみて恒温室15の左側に配置される。ストッカー21は複数の棚を有しており、ストッカー21の各々の棚には培養容器19を複数収納することができる。なお、各々の培養容器19には、培養の対象となる細胞が培地とともに収容されている。   The stocker 21 is disposed on the left side of the temperature-controlled room 15 when viewed from the front surface of the upper casing 12 (the lower side in FIG. 3). The stocker 21 has a plurality of shelves, and each shelf of the stocker 21 can store a plurality of culture vessels 19. Each culture container 19 contains cells to be cultured together with a medium.

観察ユニット22は、上部ケーシング12の前面からみて恒温室15の右側に配置される。この観察ユニット22は、培養容器19内の細胞のタイムラプス観察を実行することができる。   The observation unit 22 is disposed on the right side of the temperature-controlled room 15 when viewed from the front surface of the upper casing 12. The observation unit 22 can execute time-lapse observation of cells in the culture vessel 19.

ここで、観察ユニット22は、上部ケーシング12のベースプレート14の開口部に嵌め込まれて配置される。観察ユニット22は、試料台31と、試料台31の上方に張り出したスタンドアーム32と、位相差観察用の顕微光学系および撮像装置(34)を内蔵した本体部分33とを有している。そして、試料台31およびスタンドアーム32は恒温室15に配置される一方で、本体部分33は下部ケーシング13内に収納される。   Here, the observation unit 22 is disposed by being fitted into the opening of the base plate 14 of the upper casing 12. The observation unit 22 includes a sample stage 31, a stand arm 32 protruding above the sample stage 31, and a main body portion 33 containing a microscopic optical system for phase difference observation and an imaging device (34). The sample stage 31 and the stand arm 32 are disposed in the temperature-controlled room 15, while the main body portion 33 is accommodated in the lower casing 13.

試料台31は透光性の材質で構成されており、その上に培養容器19を載置することができる。この試料台31は水平方向に移動可能に構成されており、上面に載置した培養容器19の位置を調整できる。また、スタンドアーム32にはLED光源35が内蔵されている。そして、撮像装置34は、スタンドアーム32によって試料台31の上側から透過照明された培養容器19の細胞を、顕微光学系を介して撮像することで細胞の顕微鏡画像を取得できる。   The sample stage 31 is made of a translucent material, and the culture vessel 19 can be placed thereon. The sample stage 31 is configured to be movable in the horizontal direction, and the position of the culture vessel 19 placed on the upper surface can be adjusted. The stand arm 32 includes an LED light source 35. And the imaging device 34 can acquire the microscope image of a cell by imaging the cell of the culture container 19 permeate | transmitted and illuminated by the stand arm 32 from the upper side of the sample stand 31 via a microscopic optical system.

容器搬送装置23は、上部ケーシング12の前面からみて恒温室15の中央に配置される。この容器搬送装置23は、ストッカー21、観察ユニット22の試料台31および搬送台24との間で培養容器19の受け渡しを行う。   The container transport device 23 is disposed in the center of the temperature-controlled room 15 when viewed from the front surface of the upper casing 12. The container transport device 23 delivers the culture container 19 between the stocker 21, the sample table 31 of the observation unit 22, and the transport table 24.

図3に示すように、容器搬送装置23は、多関節アームを有する垂直ロボット34と、回転ステージ35と、ミニステージ36と、アーム部37とを有している。回転ステージ35は、垂直ロボット34の先端部に回転軸35aを介して水平方向に180°回転可能に取り付けられている。そのため、回転ステージ35は、ストッカー21、試料台31および搬送台24に対して、アーム部37をそれぞれ対向させることができる。   As shown in FIG. 3, the container transport device 23 includes a vertical robot 34 having an articulated arm, a rotary stage 35, a mini stage 36, and an arm unit 37. The rotary stage 35 is attached to the tip of the vertical robot 34 via a rotary shaft 35a so as to be capable of rotating 180 ° in the horizontal direction. Therefore, the rotary stage 35 can make the arm portions 37 face the stocker 21, the sample table 31, and the transport table 24.

また、ミニステージ36は、回転ステージ35に対して水平方向に摺動可能に取り付けられている。ミニステージ36には培養容器19を把持するアーム部37が取り付けられている。   The mini stage 36 is attached to the rotation stage 35 so as to be slidable in the horizontal direction. An arm part 37 that holds the culture vessel 19 is attached to the mini stage 36.

次に、下部ケーシング13の構成の概要を説明する。下部ケーシング13の内部には、観察ユニット22の本体部分33や、インキュベータ11の制御装置41が収納されている。   Next, the outline of the configuration of the lower casing 13 will be described. Inside the lower casing 13, the main body portion 33 of the observation unit 22 and the control device 41 of the incubator 11 are accommodated.

制御装置41は、温度調整装置15a、湿度調整装置15b、観察ユニット22および容器搬送装置23とそれぞれ接続されている。この制御装置41は、所定のプログラムに従ってインキュベータ11の各部を統括的に制御する。   The control device 41 is connected to the temperature adjustment device 15a, the humidity adjustment device 15b, the observation unit 22, and the container transport device 23, respectively. The control device 41 comprehensively controls each part of the incubator 11 according to a predetermined program.

一例として、制御装置41は、温度調整装置15aおよび湿度調整装置15bをそれぞれ制御して恒温室15内を所定の環境条件に維持する。また、制御装置41は、所定の観察スケジュールに基づいて、観察ユニット22および容器搬送装置23を制御して、培養容器19の観察シーケンスを自動的に実行する。さらに、制御装置41は、観察シーケンスで取得した画像に基づいて、細胞の培養状態の評価を行う培養状態評価処理を実行する。   As an example, the control device 41 controls the temperature adjustment device 15a and the humidity adjustment device 15b, respectively, to maintain the inside of the temperature-controlled room 15 at a predetermined environmental condition. The control device 41 controls the observation unit 22 and the container transport device 23 based on a predetermined observation schedule, and automatically executes the observation sequence of the culture vessel 19. Furthermore, the control device 41 executes a culture state evaluation process for evaluating the culture state of the cells based on the image acquired in the observation sequence.

ここで、制御装置41は、CPU42および記憶部43を有している。CPU42は、制御装置41の各種の演算処理を実行するプロセッサである。また、CPU42は、プログラムの実行によって、特徴値演算部44、度数分布演算部45、評価情報生成部46としてそれぞれ機能する(なお、特徴値演算部44、度数分布演算部45、評価情報生成部46の動作については後述する)。   Here, the control device 41 includes a CPU 42 and a storage unit 43. The CPU 42 is a processor that executes various arithmetic processes of the control device 41. The CPU 42 functions as a feature value calculation unit 44, a frequency distribution calculation unit 45, and an evaluation information generation unit 46 by executing the program (note that the feature value calculation unit 44, the frequency distribution calculation unit 45, and the evaluation information generation unit). The operation 46 will be described later).

記憶部43は、ハードディスクや、フラッシュメモリ等の不揮発性の記憶媒体などで構成される。この記憶部43には、ストッカー21に収納されている各培養容器19に関する管理データと、撮像装置で撮像された顕微鏡画像のデータとが記憶されている。さらに、記憶部43には、CPU42によって実行されるプログラムが記憶されている。   The storage unit 43 is configured by a hard disk, a nonvolatile storage medium such as a flash memory, or the like. The storage unit 43 stores management data related to each culture vessel 19 stored in the stocker 21 and data of a microscope image captured by the imaging device. Further, the storage unit 43 stores a program executed by the CPU 42.

なお、上記の管理データには、(a)個々の培養容器19を示すインデックスデータ、(b)ストッカー21での培養容器19の収納位置、(c)培養容器19の種類および形状(ウェルプレート、ディッシュ、フラスコなど)、(d)培養容器19で培養されている細胞の種類、(e)培養容器19の観察スケジュール、(f)タイムラプス観察時の撮像条件(対物レンズの倍率、容器内の観察地点等)、などが含まれている。また、ウェルプレートのように複数の小容器で同時に細胞を培養できる培養容器19については、各々の小容器ごとにそれぞれ管理データが生成される。   The management data includes (a) index data indicating individual culture containers 19, (b) the storage position of the culture container 19 in the stocker 21, and (c) the type and shape of the culture container 19 (well plate, (Dish, flask, etc.), (d) type of cells cultured in culture vessel 19, (e) observation schedule of culture vessel 19, (f) imaging conditions during time-lapse observation (magnification of objective lens, observation in vessel) Point, etc.). In addition, for the culture container 19 that can simultaneously culture cells in a plurality of small containers such as a well plate, management data is generated for each small container.

≪培養状態評価装置における観察動作の例≫
次に、図4の流れ図を参照しつつ、本発明に用いられる培養状態評価装置におけるインキュベータ11での観察動作の一例を説明する。この図4は、恒温室15内に搬入された培養容器19を、登録された観察スケジュールに従ってタイムラプス観察する動作例を示している。
≪Example of observation operation in culture state evaluation device≫
Next, an example of the observation operation in the incubator 11 in the culture state evaluation apparatus used in the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 4 shows an operation example in which the culture container 19 carried into the temperature-controlled room 15 is time-lapse observed according to a registered observation schedule.

ステップS101:CPU42は、記憶部43の管理データの観察スケジュールと現在日時とを比較して、培養容器19の観察開始時間が到来したか否かを判定する。観察開始時間となった場合(YES側)、CPU42はS102に処理を移行させる。一方、培養容器19の観察時間ではない場合(NO側)には、CPU42は次の観察スケジュールの時刻まで待機する。   Step S101: The CPU 42 compares the observation schedule of the management data in the storage unit 43 with the current date and time to determine whether or not the observation start time of the culture vessel 19 has come. When it is the observation start time (YES side), the CPU 42 shifts the process to S102. On the other hand, when it is not the observation time of the culture vessel 19 (NO side), the CPU 42 waits until the next observation schedule time.

ステップS102:CPU42は、観察スケジュールに対応する培養容器19の搬送を容器搬送装置23に指示する。そして、容器搬送装置23は、指示された培養容器19をストッカー21から搬出して観察ユニット22の試料台31に載置する。なお、培養容器19が試料台31に載置された段階で、スタンドアーム32に内蔵されたバードビューカメラ(不図示)によって培養容器19の全体観察画像が撮像される。   Step S102: The CPU 42 instructs the container transport device 23 to transport the culture container 19 corresponding to the observation schedule. Then, the container transport device 23 carries the instructed culture container 19 out of the stocker 21 and places it on the sample stage 31 of the observation unit 22. Note that, when the culture vessel 19 is placed on the sample stage 31, an entire observation image of the culture vessel 19 is captured by a bird view camera (not shown) built in the stand arm 32.

ステップS103:CPU42は、観察ユニット22に対して細胞の顕微鏡画像の撮像を指示する。観察ユニット22は、LED光源35を点灯させて培養容器19を照明するとともに、撮像装置34を駆動させて培養容器19内の細胞の顕微鏡画像を撮像する。   Step S103: The CPU 42 instructs the observation unit 22 to take a microscopic image of the cell. The observation unit 22 turns on the LED light source 35 to illuminate the culture vessel 19 and drives the imaging device 34 to take a microscopic image of the cells in the culture vessel 19.

このとき、撮像装置34は、記憶部43に記憶されている管理データに基づいて、ユーザーの指定した撮像条件(対物レンズの倍率、容器内の観察地点)に基づいて顕微鏡画像を撮像する。例えば、培養容器19内の複数のポイントを観察する場合、観察ユニット22は、試料台31の駆動によって培養容器19の位置を逐次調整し、各々のポイントでそれぞれ顕微鏡画像を撮像する。なお、S103で取得された顕微鏡画像のデータは、制御装置41に読み込まれるとともに、CPU42の制御によって記憶部43に記録される。   At this time, the imaging device 34 captures a microscopic image based on the imaging conditions specified by the user (magnification of the objective lens, observation point in the container) based on the management data stored in the storage unit 43. For example, when observing a plurality of points in the culture container 19, the observation unit 22 sequentially adjusts the position of the culture container 19 by driving the sample stage 31 and picks up a microscope image at each point. The microscopic image data acquired in S103 is read by the control device 41 and recorded in the storage unit 43 under the control of the CPU.

ステップS104:CPU42は、観察スケジュールの終了後に培養容器19の搬送を容器搬送装置23に指示する。そして、容器搬送装置23は、指示された培養容器19を観察ユニット22の試料台31からストッカー21の所定の収納位置に搬送する。その後、CPU42は、観察シーケンスを終了してS101に処理を戻す。以上で、図4の流れ図の説明を終了する。   Step S104: The CPU 42 instructs the container transport device 23 to transport the culture container 19 after the observation schedule is completed. Then, the container transport device 23 transports the designated culture container 19 from the sample stage 31 of the observation unit 22 to a predetermined storage position of the stocker 21. Thereafter, the CPU 42 ends the observation sequence and returns the process to S101. Above, description of the flowchart of FIG. 4 is complete | finished.

≪培養状態評価装置における培養状態評価処理≫
次に、培養状態評価装置における培養状態評価処理の一例を説明する。この一例では、培養容器19をタイムラプス観察して取得した複数の顕微鏡画像を用いて、培養容器19の培養細胞におけるがん細胞の混在率を制御装置41が推定する例を説明する。
≪Culture state evaluation process in culture state evaluation device≫
Next, an example of the culture state evaluation process in the culture state evaluation apparatus will be described. In this example, an example will be described in which the control device 41 estimates the mixing ratio of cancer cells in the cultured cells in the culture container 19 using a plurality of microscope images acquired by time-lapse observation of the culture container 19.

この培養状態評価処理での制御装置41は、上記の顕微鏡画像から細胞の形態的な特徴を示す特徴値の度数分布を求める。そして、制御装置41は、この度数分布の経時的な変化に基づいて、がん細胞の混在率を推定した評価情報を生成する。なお、制御装置41は、得られた評価情報を教師付き学習によって予め生成された計算モデルに適用することで、上記の評価情報を生成する。   The control device 41 in the culture state evaluation process obtains a frequency distribution of feature values indicating the morphological features of the cells from the above-described microscopic image. And the control apparatus 41 produces | generates the evaluation information which estimated the mixing rate of the cancer cell based on the time-dependent change of this frequency distribution. The control device 41 generates the evaluation information by applying the obtained evaluation information to a calculation model generated in advance by supervised learning.

≪計算モデルの生成処理の例≫
以下、図5の流れ図を参照しつつ、培養状態評価処理の前処理である計算モデルの生成処理の一例を説明する。この計算モデルの生成処理では、画像の撮影時間および特徴値の種類がそれぞれ異なる複数の度数分布の組み合わせから、評価情報の生成に用いる度数分布の組み合わせを、制御装置41が決定する。
≪Example of calculation model generation process≫
Hereinafter, an example of a calculation model generation process that is a preprocess of the culture state evaluation process will be described with reference to the flowchart of FIG. In this calculation model generation process, the control device 41 determines a combination of frequency distributions used for generating evaluation information from combinations of a plurality of frequency distributions having different image capturing times and feature value types.

この図5の例では、がん細胞が混在した細胞群を培養した培養容器19をインキュベータ11によって同一視野を同一の撮影条件でタイムラプス観察し、サンプルの顕微鏡画像群を予め用意する。なお、上記のサンプルの顕微鏡画像において、各画像に含まれる細胞の総数とがん細胞の数とは、画像からではなく実験的にカウントされてそれぞれ既知となっている。   In the example of FIG. 5, a culture vessel 19 in which a group of cancer cells is cultured is time-lapse-observed under the same imaging conditions with the same field of view by an incubator 11, and a microscope image group of samples is prepared in advance. In the microscopic image of the above sample, the total number of cells and the number of cancer cells included in each image are known experimentally, not from the image.

図5の例では、培養容器19のタイムラプス観察は、培養開始から8時間経過後を初回として、8時間おきに72時間目まで行う。そのため、図5の例において、培養容器19および観察ポイントが共通するサンプルの顕微鏡画像が、9枚分(8h,16h,24h,32h,40h,48h,56h,64h,72h)を1セットとして取得されることとなる。なお、図5の例では、複数の培養容器19をそれぞれタイムラプス観察して、上記のサンプルの顕微鏡画像を複数セット分用意するものとする。また、同じ培養容器19の複数ポイント(例えば5点観察または培養容器19の全体)を同じ観察時間帯で撮影した複数の顕微鏡画像を、タイムラプス観察の1回分の画像として扱うようにしてもよい。   In the example of FIG. 5, the time-lapse observation of the culture vessel 19 is performed every 8 hours until the 72nd hour after the first 8 hours from the start of the culture. Therefore, in the example of FIG. 5, nine sets of microscope images (8h, 16h, 24h, 32h, 40h, 48h, 56h, 64h, 72h) of samples having the same culture container 19 and observation point are acquired as one set. Will be. In the example of FIG. 5, it is assumed that a plurality of sets of microscope images of the above samples are prepared by time-lapse observation of the plurality of culture vessels 19. Moreover, you may make it handle the some microscope image which image | photographed several points (for example, 5 points | piece observation or the whole culture container 19) of the same culture container 19 in the same observation time zone as the image for one time lapse observation.

ステップS201:CPU42は、予め用意されたサンプルの顕微鏡画像のデータを記憶部43から読み込む。なお、S201でのCPU42は、各画像に対応する細胞の総数およびがん細胞の数を示す情報もこの時点で取得するものとする。   Step S <b> 201: The CPU 42 reads from the storage unit 43 microscopic image data of a sample prepared in advance. Note that the CPU 42 in S201 also acquires information indicating the total number of cells and the number of cancer cells corresponding to each image at this time.

ステップS202:CPU42は、上記のサンプルの顕微鏡画像(S201)のうちから、処理対象となる画像を指定する。ここで、S202でのCPU42は、予め用意されているサンプルの顕微鏡画像のすべてを処理対象として順次指定してゆくものとする。   Step S202: The CPU 42 designates an image to be processed from the microscopic image (S201) of the sample. Here, it is assumed that the CPU 42 in S202 sequentially designates all of the sample microscope images prepared in advance as processing targets.

ステップS203:特徴値演算部44は、処理対象の顕微鏡画像(S202)について、画像内に含まれる細胞を抽出する。例えば、位相差顕微鏡で細胞を撮像すると、細胞壁のように位相差の変化の大きな部位の周辺にはハロが現れる。そのため、特徴値演算部44は、細胞壁に対応するハロを公知のエッジ抽出手法で抽出するとともに、輪郭追跡処理によってエッジで囲まれた閉空間を細胞と推定する。これにより上記の顕微鏡画像から個々の細胞を抽出することができる。   Step S203: The feature value calculation unit 44 extracts cells included in the processing target microscope image (S202). For example, when a cell is imaged with a phase-contrast microscope, a halo appears in the vicinity of a region with a large phase difference change such as a cell wall. Therefore, the feature value calculation unit 44 extracts the halo corresponding to the cell wall by a known edge extraction method, and estimates the closed space surrounded by the edges by the contour tracking process as a cell. Thereby, individual cells can be extracted from the above-mentioned microscopic image.

ステップS204:特徴値演算部44は、S203で画像から抽出した各細胞について、細胞の形態的な特徴を示す特徴値をそれぞれ求める。S204での特徴値演算部44は、各細胞について以下の16種類の特徴値をそれぞれ求める。   Step S204: The feature value calculation unit 44 obtains a feature value indicating a morphological feature of the cell for each cell extracted from the image in S203. The feature value calculation unit 44 in S204 obtains the following 16 types of feature values for each cell.

・Total area(図6の(a)参照)
「Total area」は、注目する細胞の面積を示す値である。例えば、特徴値演算部44は、注目する細胞の領域の画素数に基づいて「Total area」の値を求めることができる。
・ Total area (see (a) of FIG. 6)
“Total area” is a value indicating the area of the cell of interest. For example, the feature value calculation unit 44 can obtain the value of “Total area” based on the number of pixels in the cell area of interest.

・Hole area(図6の(b)参照)
「Hole area」は、注目する細胞内のHoleの面積を示す値である。ここで、Holeは、コントラストによって、細胞内における画像の明るさが閾値以上となる部分(位相差観察では白に近い状態となる箇所)を指す。例えば、細胞内小器官の染色されたリソソームなどがHoleとして検出される。また、画像によっては、細胞核や、他の細胞小器官がHoleとして検出されうる。なお、特徴値演算部44は、細胞内における輝度値が閾値以上となる画素のまとまりをHoleとして検出し、このHoleの画素数に基づいて「Hole area」の値を求めればよい。
・ Hole area (see FIG. 6B)
“Hole area” is a value indicating the area of Hole in the cell of interest. Here, Hole refers to a portion where the brightness of the image in the cell is equal to or greater than a threshold value due to contrast (a portion that is close to white in phase difference observation). For example, stained lysosomes of intracellular organelles are detected as Hole. Further, depending on the image, a cell nucleus and other organelles can be detected as Hole. The feature value calculation unit 44 may detect a group of pixels in which the luminance value in the cell is equal to or greater than the threshold as Hole, and obtain the value of “Hole area” based on the number of pixels of the Hole.

・relative hole area(図6の(c)参照)
「relative hole area」は、「Hole area」の値を「Total area」の値で除した値である(relative hole area=Hole area/Total area)。この「relative hole area」は、細胞の大きさにおける細胞内小器官の割合を示すパラメータであって、例えば細胞内小器官の肥大化や核の形の悪化などに応じてその値が変動する。
・ Relative hole area (see (c) of FIG. 6)
“Relative hole area” is a value obtained by dividing the value of “Hole area” by the value of “Total area” (relative hole area = Hole area / Total area). The “relative hole area” is a parameter indicating the ratio of the organelle in the cell size, and the value varies depending on, for example, enlargement of the organelle or deterioration of the shape of the nucleus.

・Perimeter(図6の(d)参照)
「Perimeter」は、注目する細胞の外周の長さを示す値である。例えば、特徴値演算部44は、細胞を抽出するときの輪郭追跡処理により「Perimeter」の値を取得することができる。
・ Perimeter (see (d) of FIG. 6)
“Perimeter” is a value indicating the length of the outer periphery of the cell of interest. For example, the feature value calculation unit 44 can acquire the value of “Perimeter” by contour tracking processing when extracting cells.

・Width(図6の(e)参照)
「Width」は、注目する細胞の画像横方向(X方向)での長さを示す値である。
Width (see (e) of FIG. 6)
“Width” is a value indicating the length of the cell of interest in the horizontal direction (X direction) of the image.

・Height(図6の(f)参照)
「Height」は、注目する細胞の画像縦方向(Y方向)での長さを示す値である。
・ Height (see (f) of FIG. 6)
“Height” is a value indicating the length of the cell of interest in the image vertical direction (Y direction).

・Length(図6の(g)参照)
「Length」は、注目する細胞を横切る線のうちの最大値(細胞の全長)を示す値である。
-Length (see (g) of FIG. 6)
“Length” is a value indicating the maximum value (the total length of the cell) of the lines crossing the cell of interest.

・Breadth(図6の(h)参照)
「Breadth」は、「Length」に直交する線のうちの最大値(細胞の横幅)を示す値である。
・ Breadth (see (h) of FIG. 6)
“Breadth” is a value indicating the maximum value (lateral width of the cell) of lines orthogonal to “Length”.

・Fiber Length(図6の(i)参照)
「Fiber Length」は、注目する細胞を擬似的に線状と仮定した場合の長さを示す値である。特徴値演算部44は、下式(1)により「Fiber Length」の値を求める。
・ Fiber Length (see (i) of FIG. 6)
“Fiber Length” is a value indicating the length when the target cell is assumed to be pseudo linear. The feature value calculation unit 44 calculates the value of “Fiber Length” by the following equation (1).

但し、本明細書の式において「P」はPerimeterの値を示す。同様に「A」はTotal Areaの値を示す。 However, in the formula of this specification, “P” indicates the value of Perimeter. Similarly, “A” indicates the value of Total Area.

・Fiber Breadth(図6の(j)参照)
「Fiber Breadth」は、注目する細胞を擬似的に線状と仮定した場合の幅(Fiber Lengthと直交する方向の長さ)を示す値である。特徴値演算部44は、下式(2)により「Fiber Breadth」の値を求める。
・ Fiber Breath (see (j) of FIG. 6)
“Fiber Breath” is a value indicating a width (a length in a direction orthogonal to Fiber Length) when the target cell is assumed to be pseudo linear. The feature value calculation unit 44 obtains a value of “Fiber Breath” by the following equation (2).

・Shape Factor(図6の(k)参照)
「Shape Factor」は、注目する細胞の円形度(細胞の丸さ)を示す値である。特徴値演算部44は、下式(3)により「Shape Factor」の値を求める。
・ Shape Factor (see (k) of FIG. 6)
“Shape Factor” is a value indicating the circularity of the cell of interest (cell roundness). The feature value calculation unit 44 calculates the value of “Shape Factor” by the following equation (3).

・Elliptical form Factor(図6の(l)参照)
「Elliptical form Factor」は、「Length」の値を「Breadth」の値で除した値(Elliptical form Factor=Length/Breadth)であって、注目する細胞の細長さの度合いを示すパラメータとなる。
Elliptical form factor (see (l) in FIG. 6)
“Elliptical form factor” is a value obtained by dividing the value of “Length” by the value of “Breadth” (Elliptical form Factor = Length / Breadth), and is a parameter indicating the degree of length of a cell of interest.

・Inner radius(図6の(m)参照)
「Inner radius」は、注目する細胞の内接円の半径を示す値である。
・ Inner radius (see (m) in FIG. 6)
“Inner radius” is a value indicating the radius of the inscribed circle of the cell of interest.

・Outer radius(図6の(n)参照)
「Outer radius」は、注目する細胞の外接円の半径を示す値である。
・ Outer radius (see (n) of FIG. 6)
“Outer radius” is a value indicating the radius of the circumscribed circle of the cell of interest.

・Mean radius(図6の(o)参照)
「Mean radius」は、注目する細胞の輪郭を構成する全点とその重心点との平均距離を示す値である。
・ Mean radius (see (o) of FIG. 6)
“Mean radius” is a value indicating the average distance between all the points constituting the outline of the cell of interest and its center of gravity.

・Equivalent radius(図6の(p)参照)
「Equivalent radius」は、注目する細胞と同面積の円の半径を示す値である。この「Equivalent radius」のパラメータは、注目する細胞を仮想的に円に近似した場合の大きさを示している。
Equivalent radius (see (p) of FIG. 6)
“Equivalent radius” is a value indicating the radius of a circle having the same area as the cell of interest. The parameter “Equivalent radius” indicates the size when the cell of interest is virtually approximated to a circle.

ここで、特徴値演算部44は、細胞に対応する画素数に誤差分を加味して上記の各特徴値を求めてもよい。このとき、特徴値演算部44は、顕微鏡画像の撮影条件(撮影倍率や顕微光学系の収差など)を考慮して特徴値を求めるようにしてもよい。なお、「Inner radius」、「Outer radius」、「Mean radius」、「Equivalent radius」を求めるときには、特徴値演算部44は、公知の重心演算の手法に基づいて各細胞の重心点を求め、この重心点を基準にして各パラメータを求めればよい。   Here, the feature value calculation unit 44 may obtain each of the feature values by adding an error to the number of pixels corresponding to the cell. At this time, the feature value calculation unit 44 may obtain the feature value in consideration of imaging conditions of the microscope image (imaging magnification, aberration of the microscopic optical system, etc.). Note that when calculating “Inner radius”, “Outer radius”, “Mean radius”, and “Equivalent radius”, the feature value calculation unit 44 calculates the center of gravity of each cell based on a known center of gravity calculation method. What is necessary is just to obtain | require each parameter on the basis of a gravity center point.

ステップS205:特徴値演算部44は、処理対象の顕微鏡画像(S202)について、各細胞の16種類の特徴値(S204)をそれぞれ記憶部43に記録する。   Step S205: The feature value calculation unit 44 records 16 types of feature values (S204) of each cell in the storage unit 43 for the microscope image (S202) to be processed.

ステップS206:CPU42は、全ての顕微鏡画像が処理済み(全てのサンプルの顕微鏡画像で各細胞の特徴値が取得済みの状態)であるか否かを判定する。上記要件を満たす場合(YES側)には、CPU42はS207に処理を移行させる。一方、上記要件を満たさない場合(NO側)には、CPU42はS202に戻って、未処理の他の顕微鏡画像を処理対象として上記動作を繰り返す。   Step S206: The CPU 42 determines whether or not all the microscopic images have been processed (a state in which the feature values of each cell have been acquired in the microscopic images of all the samples). If the above requirement is satisfied (YES side), the CPU 42 shifts the process to S207. On the other hand, when the above requirement is not satisfied (NO side), the CPU 42 returns to S202 and repeats the above operation with another unprocessed microscope image as a processing target.

ステップS207:度数分布演算部45は、各々の顕微鏡画像について特徴値の種類ごとにそれぞれ特徴値の度数分布を求める。したがって、S207での度数分布演算部45は、1回の観察で取得される顕微鏡画像に対して16種類の特徴値の度数分布を求めることとなる。また、各々の度数分布において、特徴値の各区分に対応する細胞の数を頻度(%)として求めるものとする。   Step S207: The frequency distribution calculation unit 45 obtains a frequency distribution of feature values for each feature value type for each microscope image. Therefore, the frequency distribution calculation unit 45 in S207 obtains the frequency distribution of 16 types of feature values for the microscope image acquired by one observation. In each frequency distribution, the number of cells corresponding to each category of feature values is obtained as a frequency (%).

また、S207での度数分布演算部45は、上記の度数分布における度数の区分を、特徴値の種類ごとの標準偏差を用いて正規化する。ここでは一例として、「Shape Factor」の度数分布での区分を決定する場合を説明する。   Further, the frequency distribution calculation unit 45 in S207 normalizes the frequency classification in the frequency distribution using the standard deviation for each type of feature value. Here, as an example, a case will be described in which a division in the frequency distribution of “Shape Factor” is determined.

まず、度数分布演算部45は、各々の顕微鏡画像から求めた全ての「Shape Factor」の値の標準偏差を算出する。次に、度数分布演算部45は、上記の標準偏差の値をFisherの式に代入して、「Shape Factor」の度数分布における度数の区分の基準値を求める。このとき、度数分布演算部45は、全ての「Shape Factor」の値の標準偏差(S)を4で除するとともに、小数点以下3桁目を四捨五入して上記の基準値とする。なお、一の実施形態での度数分布演算部45は、度数分布をヒストグラムとして図示する場合、20級数分の区間をモニタ等に描画させるものとする。   First, the frequency distribution calculation unit 45 calculates the standard deviation of all “Shape Factor” values obtained from the respective microscopic images. Next, the frequency distribution calculation unit 45 substitutes the value of the above standard deviation into the Fisher equation to obtain a reference value for the frequency classification in the frequency distribution of “Shape Factor”. At this time, the frequency distribution calculation unit 45 divides the standard deviation (S) of all “Shape Factor” values by 4, and rounds off the third decimal place to obtain the above-described reference value. In addition, the frequency distribution calculation part 45 in one Embodiment makes a monitor etc. draw the area for 20 series, when frequency distribution is illustrated as a histogram.

一例として、「Shape Factor」の標準偏差Sが259のとき、259/4=64.750から「64.75」が上記の基準値となる。そして、注目する画像の「Shape Factor」の度数分布を求めるとき、度数分布演算部45は、「Shape Factor」の値に応じて0値から64.75刻みで設定された各クラスに細胞を分類し、各クラスでの細胞の個数をカウントすればよい。   As an example, when the standard deviation S of “Shape Factor” is 259, the reference value is “64.75” from 259/4 = 64.750. Then, when calculating the frequency distribution of the “Shape Factor” of the image of interest, the frequency distribution calculation unit 45 classifies the cells into each class set from 0 to 64.75 in accordance with the value of “Shape Factor”. Then, the number of cells in each class may be counted.

このように、度数分布演算部45が、特徴値の種類毎に標準偏差で度数分布の区分を正規化するため、異なる特徴値の間でも度数分布の傾向を大局的に近似させることができる。よって、一の実施形態では、異なる特徴値間で細胞の培養状態と度数分布の変化との相関を求めることが比較的容易となる。   As described above, since the frequency distribution calculation unit 45 normalizes the frequency distribution section with the standard deviation for each type of feature value, the tendency of the frequency distribution can be roughly approximated between different feature values. Therefore, in one embodiment, it is relatively easy to obtain a correlation between a cell culture state and a change in frequency distribution between different feature values.

ここで、図7(a)は、がん細胞の初期混在率が0%のときの「Shape Factor」の経時的変化を示すヒストグラムである。図7(b)は、がん細胞の初期混在率が6.7%のときの「Shape Factor」の経時的変化を示すヒストグラムである。図7(c)は、がん細胞の初期混在率が25%のときの「Shape Factor」の経時的変化を示すヒストグラムである。   Here, FIG. 7A is a histogram showing a change with time of “Shape Factor” when the initial mixing ratio of cancer cells is 0%. FIG. 7B is a histogram showing the change with time of “Shape Factor” when the initial mixing ratio of cancer cells is 6.7%. FIG. 7C is a histogram showing the change over time of “Shape Factor” when the initial mixing ratio of cancer cells is 25%.

また、図7(d)は、がん細胞の初期の混在率が0%のときの「Fiber Length」の経時的変化を示すヒストグラムである。ただし、この図では理解しやすさのため、ヒストグラムをFiber Length=323までで省略してある。図7(e)は、がん細胞の初期の混在率が6.7%のときの「Fiber Length」の経時的変化を示すヒストグラムである。図7(f)は、がん細胞の初期の混在率が25%のときの「Fiber Length」の経時的変化を示すヒストグラムである。   FIG. 7D is a histogram showing the change with time of “Fiber Length” when the initial mixing ratio of cancer cells is 0%. However, in this figure, for ease of understanding, the histogram is omitted up to Fiber Length = 323. FIG. 7E is a histogram showing the change with time of “Fiber Length” when the initial mixing ratio of cancer cells is 6.7%. FIG. 7 (f) is a histogram showing the change with time of “Fiber Length” when the initial mixing ratio of cancer cells is 25%.

ステップS208:評価情報生成部46は、特徴値の種類ごとにそれぞれ上記の度数分布の経時的変化を求める。   Step S208: The evaluation information generation unit 46 obtains the change over time of the frequency distribution for each type of feature value.

S208での評価情報生成部46は、1セット分の顕微鏡画像から取得した度数分布(9×16)のうち、特徴値の種類が同じで撮影時間の異なる2つの度数分布を組み合わせる。一例として、評価情報生成部46は、特徴値の種類が同じで撮影時間の異なる9つの度数分布について、8時間目および16時間目の度数分布と、8時間目および24時間目の度数分布と、8時間目および32時間目の度数分布と、8時間目および40時間目の度数分布と、8時間目および48時間目の度数分布と、8時間目および56時間目の度数分布と、8時間目および64時間目の度数分布と、8時間目および72時間目の度数分布とをそれぞれ組み合わせる。つまり、1セット分における1種類の特徴値に注目したとき、その特徴値の度数分布につき、計8通りの組み合わせが発生する。   The evaluation information generation unit 46 in S208 combines two frequency distributions having the same feature value type and different shooting times from the frequency distributions (9 × 16) acquired from one set of microscope images. As an example, for the nine frequency distributions having the same feature value type and different shooting times, the evaluation information generation unit 46 includes the frequency distributions at the 8th and 16th hours, and the frequency distribution at the 8th and 24th hours. , Frequency distribution at 8th and 32nd hours, frequency distribution at 8th and 40th hours, frequency distribution at 8th and 48th hours, frequency distribution at 8th and 56th hours, 8 The frequency distribution at the time and the 64th hour is combined with the frequency distribution at the 8th and 72th hours, respectively. That is, when attention is paid to one type of feature value in one set, a total of eight combinations are generated for the frequency distribution of the feature value.

そして、評価情報生成部46は、上記8通りの組み合わせについて、以下の式(4)により度数分布の変化量(画像間での度数分布の差分の絶対値を積分したもの)をそれぞれ求める。   Then, the evaluation information generation unit 46 obtains the amount of change in the frequency distribution (integrated absolute value of the difference in the frequency distribution between the images) for each of the above eight combinations using the following equation (4).

但し、式(4)において、「Control」は初期状態の度数分布(8時間目)における1区間分の度数(細胞数)を示す。また、「Sample」は、比較対象の度数分布における1区間分の度数を示す。また、「i」は、度数分布の区間を示す変数である。   However, in Expression (4), “Control” indicates the frequency (number of cells) for one section in the initial frequency distribution (8th hour). “Sample” indicates the frequency of one section in the frequency distribution to be compared. “I” is a variable indicating a frequency distribution interval.

評価情報生成部46は、特徴値の種類ごとに上記演算を行うことで、すべての特徴値についてそれぞれ8通りの度数分布の変化量を取得できる。更に、すなわち、1セット分の顕微鏡画像について、16種類×8通りで128の度数分布の組み合わせをとることができる。
以下、本明細書では、上記の度数分布の組み合わせの1つを単に「指標」と表記する。なお、S208での評価情報生成部46は、複数の顕微鏡画像のセットにおいて、各指標に対応する128の度数分布の変化量をそれぞれ求めることはいうまでもない。
The evaluation information generation unit 46 can acquire eight types of change amounts of the frequency distribution for all feature values by performing the above calculation for each type of feature value. In other words, for a set of microscope images, combinations of 16 frequency distributions of 128 types × 8 can be taken.
Hereinafter, in the present specification, one of the combinations of the frequency distributions is simply referred to as “index”. Needless to say, the evaluation information generation unit 46 in S208 obtains the amount of change in the 128 frequency distribution corresponding to each index in a set of a plurality of microscope images.

ここで、度数分布の経時的変化に注目する理由を説明する。図8は、正常な細胞群(がん細胞の初期混在率0%)をインキュベータ11で培養してタイムラプス観察したときの顕微鏡画像をそれぞれ示す。なお、図8の各顕微鏡画像から求めた「Shape Factor」の度数分布を示すヒストグラムは、図7(a)で示している。   Here, the reason why attention is paid to the change over time in the frequency distribution will be described. FIG. 8 shows microscopic images when normal cell groups (initial mixing ratio of cancer cells 0%) are cultured in the incubator 11 and time-lapse observed. In addition, the histogram which shows the frequency distribution of "Shape Factor" calculated | required from each microscope image of FIG. 8 is shown to Fig.7 (a).

この場合、図8の各画像では時間の経過に伴って細胞の数は増加するものの、図7(a)に示す「Shape Factor」のヒストグラムでは、各画像に対応する度数分布はいずれもほぼ同じ形状を保っている。   In this case, in each image of FIG. 8, the number of cells increases with time, but in the “Shape Factor” histogram shown in FIG. 7A, the frequency distribution corresponding to each image is almost the same. It keeps its shape.

一方、図9は、正常な細胞群に予めがん細胞を25%混在させたものをインキュベータ11で培養してタイムラプス観察したときの顕微鏡画像をそれぞれ示す。なお、図9の各顕微鏡画像から求めた「Shape Factor」の度数分布を示すヒストグラムは、図7(c)で示している。   On the other hand, FIG. 9 shows a microscopic image when a normal cell group previously mixed with 25% of cancer cells is cultured in the incubator 11 and time-lapse observed. In addition, the histogram which shows the frequency distribution of "Shape Factor" calculated | required from each microscope image of FIG. 9 is shown in FIG.7 (c).

この場合、図9の各画像では時間の経過に伴って、正常細胞と形状の異なるがん細胞(丸みを帯びた細胞)の比率が増加する。これにより、図7(c)に示す「ShapeFactor」のヒストグラムでは、時間の経過に応じて各画像に対応する度数分布の形状に大きな変化が現れる。よって、度数分布の経時的変化が、がん細胞の混在と強い相関を有することが分かる。本発明者らは、上記知見に基づいて、度数分布の経時的変化の情報から培養細胞の状態を評価するものである。   In this case, in each image of FIG. 9, the ratio of cancer cells (rounded cells) having different shapes from normal cells increases with time. Thereby, in the “ShapeFactor” histogram shown in FIG. 7C, a large change appears in the shape of the frequency distribution corresponding to each image as time passes. Therefore, it turns out that the time-dependent change of frequency distribution has a strong correlation with mixing of cancer cells. Based on the above findings, the present inventors evaluate the state of cultured cells from information on changes over time in the frequency distribution.

ステップS209:評価情報生成部46は、128の指標のうちから、細胞の培養状態をよく反映する指標を多変量解析により1以上指定する。この指標の組合せの選択は、後述するファジーニューラルネットワークと同等の非線形モデル以外にも、細胞とその形態の複雑性に応じて線形モデルの利用も有効である。このような指標の組合せの選択と共に、評価情報生成部46は、上記の指定された1以上の指標を用いて、顕微鏡画像からがん細胞の数を導出する計算モデルを求める。   Step S209: The evaluation information generation unit 46 designates one or more indices out of 128 indices that well reflect the cell culture state by multivariate analysis. In addition to the nonlinear model equivalent to a fuzzy neural network described later, the use of a linear model is also effective in selecting the combination of indices according to the complexity of the cell and its form. Along with the selection of such a combination of indices, the evaluation information generation unit 46 obtains a calculation model for deriving the number of cancer cells from the microscope image using one or more of the designated indices.

ここで、S209での評価情報生成部46は、ファジーニューラルネットワーク(Fuzzy Neural Network:FNN)解析によって上記の計算モデルを求める。   Here, the evaluation information generation unit 46 in S209 obtains the above calculation model by fuzzy neural network (FNN) analysis.

FNNとは、人工ニューラルネットワーク(Artificial Neural Network:ANN)とファジィ推論とを組み合わせた方法である。このFNNでは、ファジイ推論の欠点であるメンバーシップ関数の決定を人間に頼るという部分を回避すべく、ANNをファジィ推論に組み込んでその自動決定を行う。学習機械のひとつであるANN(図10参照)は、生体の脳における神経回路網を数学的にモデル化したものであり、以下の特徴を持つ。ANNにおける学習は、目的の出力値(教師値)をもつ学習用のデータ(入力値:X)を用いて、バックプロパゲーション(Back propagation:BP)法により教師値と出力値(Y)との誤差が小さくなるように、ノード(図10において丸で示す)間をつなぐ回路における結合荷重を変え、その出力値が教師値に近づくようにモデルを構築する過程である。このBP法を用いれば、ANNは学習により自動的に知識を獲得することができる。そして、最終的に学習に用いていないデータを入力することにより、そのモデルの汎用性を評価できる。従来、メンバーシップ関数の決定は、人間の感覚に頼っていたが、上で述べたようなANNをファジイ推論に組み込むことで自動的なメンバーシップ関数の同定が可能になる。これがFNNである。FNNでは、ANNと同様に、BP法を用いることによりネットワークに与えられた入出力関係を、結合荷重を変化させることで自動的に同定しモデル化できる。FNNは、学習後のモデルを解析することでファジィ推論のように人間に理解しやすい言語的なルール(一例として図11の右下の吹き出しを参照)として知識を獲得できるという特徴をもっている。つまり、FNNは、その構造、特徴から、細胞の形態的特徴を表した数値のような変数の組み合わせにおける最適なファジィ推論の組み合わせを自動決定し、予測目標に関する推定と、予測に有効な指標の組み合わせを示すルールの生成を同時に行うことができる。   FNN is a method in which an artificial neural network (ANN) and fuzzy inference are combined. In this FNN, an ANN is incorporated in fuzzy inference to automatically determine the membership function, which is a drawback of fuzzy inference. ANN (see FIG. 10), which is one of the learning machines, is a mathematical model of a neural network in a living brain and has the following characteristics. The learning in the ANN uses learning data (input value: X) having a target output value (teacher value), and uses a back propagation (BP) method to calculate the teacher value and the output value (Y). This is a process of constructing a model so that the coupling load in a circuit connecting between nodes (indicated by circles in FIG. 10) is changed so that the error becomes small, and the output value approaches the teacher value. Using this BP method, the ANN can automatically acquire knowledge by learning. Finally, by inputting data that is not used for learning, the versatility of the model can be evaluated. Conventionally, membership function determination has relied on human senses, but by incorporating ANN as described above into fuzzy inference, membership function can be automatically identified. This is FNN. In the FNN, like the ANN, the input / output relationship given to the network by using the BP method can be automatically identified and modeled by changing the coupling weight. The FNN has a feature that it can acquire knowledge as a linguistic rule that is easy for humans to understand like fuzzy inference (see the balloon at the lower right in FIG. 11 as an example) by analyzing the model after learning. In other words, FNN automatically determines the optimal combination of fuzzy reasoning in the combination of variables such as numerical values representing the morphological characteristics of the cell from its structure and characteristics, and provides an estimate of the prediction target and an effective index for prediction. Rules that indicate combinations can be generated simultaneously.

FNNの構造は、「入力層」、シグモイド関数に含まれるパラメータWc、Wgを決定する「メンバーシップ関数部分(前件部)」、Wfを決定するとともに入力および出力の関係をルールとして取り出すことが可能な「ファジィルール部分(後件部)」、「出力層」の4層から成り立っている(図11参照)。FNNのモデル構造を決定する結合荷重にはWc、Wg、Wfがある。結合荷重Wcは、メンバーシップ関数に用いられるシグモイド関数の中心位置、Wgは中心位置での傾きを決定する(図12参照)。モデル内では、入力値がファジィ関数により、人間の感覚的に近い柔軟性を持って表現される(一例として図11の左下の吹き出しを参照)。結合荷重Wfは各ファジイ領域の推定結果に対する寄与を表しており、Wfよりファジィルールを導くことができる。即ち、モデル内の構造はあとから解読でき、ルールとして書き起こすことができる(一例として図11中右下の吹き出しを参照)。   The structure of the FNN is “input layer”, “membership function part (preceding part)” that determines parameters Wc and Wg included in the sigmoid function, Wf is determined, and the relationship between input and output is taken out as a rule It consists of four possible fuzzy rule portions (consequent portions) and “output layers” (see FIG. 11). There are Wc, Wg, and Wf as bond loads that determine the model structure of FNN. The combined load Wc determines the center position of the sigmoid function used for the membership function, and Wg determines the inclination at the center position (see FIG. 12). In the model, the input value is expressed by a fuzzy function with flexibility close to human senses (see the balloon at the lower left in FIG. 11 as an example). The combined load Wf represents a contribution to the estimation result of each fuzzy region, and a fuzzy rule can be derived from Wf. That is, the structure in the model can be deciphered later and written as a rule (see the balloon at the lower right in FIG. 11 as an example).

FNN解析におけるファジィルールの作成には結合荷重のひとつであるWf値が用いられる。Wf値が正の値で大きいと、そのユニットは「予測に有効である」と判定されることに対する寄与が大きく、そのルールに当てはまった指標は「有効である」と判断される。Wf値が負の値で小さいと、そのユニットは「予測に有効でない」と判定されることに対する寄与が大きく、そのルールに当てはまった指標は「有効でない」と判断される。   A Wf value, which is one of the coupling loads, is used to create a fuzzy rule in the FNN analysis. If the Wf value is positive and large, the unit contributes greatly to being determined to be “effective for prediction”, and the index applied to the rule is determined to be “effective”. If the Wf value is negative and small, the unit has a large contribution to being determined as “invalid for prediction”, and the index applied to the rule is determined as “invalid”.

より具体的な例として、S209での評価情報生成部46は、以下の(A)から(H)の処理により、上記の計算モデルを求める。   As a more specific example, the evaluation information generation unit 46 in S209 obtains the above calculation model by the following processes (A) to (H).

(A)評価情報生成部46は、128の指標のうちから1つの指標を選択する。   (A) The evaluation information generation unit 46 selects one index from among 128 indexes.

(B)評価情報生成部46は、(A)で選択された指標による度数分布の変化量を変数とした計算式により、各々の顕微鏡画像のセットでのがん細胞の数(予測値)を求める。   (B) The evaluation information generation unit 46 calculates the number of cancer cells (predicted value) in each set of microscopic images by a calculation formula using the amount of change in the frequency distribution according to the index selected in (A) as a variable. Ask.

仮に、1つの指標からがん細胞の数を求める計算式を「Y=αX」(但し、「Y」はがん細胞の計算値(例えばがん細胞の増加数を示す値)、「X」は上記の選択された指標に対応する度数分布の変化量(S208で求めたもの)、「α」はXに対応する係数値、をそれぞれ示す。)とする。このとき、評価情報生成部46は、αに任意の値を代入するとともに、Xに各セットにおける度数分布の変化量をそれぞれ代入する。これにより、各セットでのがん細胞の計算値(Y)が求められる。 Assuming that the calculation formula for obtaining the number of cancer cells from one index is “Y = αX 1 ” (where “Y” is a calculated value of cancer cells (for example, a value indicating the increase in the number of cancer cells), “X”. 1 ”represents the amount of change in the frequency distribution corresponding to the selected index (obtained in S208), and“ α ”represents the coefficient value corresponding to X 1 ). At this time, the evaluation information generation unit 46 is configured to assign any value to alpha, if the values are the variation of the frequency distribution in each set to X 1. Thereby, the calculated value (Y) of the cancer cell in each set is obtained.

(C)評価情報生成部46は、各々の顕微鏡画像のセットについて、(B)で求めた計算値Yと、実際のがん細胞の数(教師値)との誤差をそれぞれ求める。なお、上記の教師値は、S201で読み込んだがん細胞の数の情報に基づいて、評価情報生成部46が求めるものとする。   (C) The evaluation information generation unit 46 obtains an error between the calculated value Y obtained in (B) and the actual number of cancer cells (teacher value) for each set of microscope images. In addition, said evaluation value production | generation part 46 calculates | requires said teacher value based on the information of the number of cancer cells read by S201.

そして、評価情報生成部46は、各顕微鏡画像のセットでの計算値の誤差がより小さくなるように、教師付き学習により上記の計算式の係数αを修正する。   Then, the evaluation information generation unit 46 corrects the coefficient α of the above calculation formula by supervised learning so that the error of the calculated value in each set of microscope images becomes smaller.

(D)評価情報生成部46は、上記の(B)および(C)の処理を繰り返し、上記(A)の指標について、計算値の平均誤差が最も小さくなる計算式のモデルを取得する。   (D) The evaluation information generation unit 46 repeats the processes (B) and (C) described above, and acquires the calculation formula model that minimizes the average error of the calculated values for the index (A).

(E)評価情報生成部46は、128の各指標について、上記(A)から(D)の各処理を繰り返す。そして、評価情報生成部46は、128の各指標における計算値の平均誤差を比較し、その平均誤差が最も低くなる指標を、評価情報の生成に用いる1番目の指標とする。   (E) The evaluation information generation unit 46 repeats the processes (A) to (D) for 128 indices. Then, the evaluation information generation unit 46 compares the average errors of the calculated values of the 128 indexes, and sets the index with the lowest average error as the first index used for generating the evaluation information.

(F)評価情報生成部46は、上記(E)で求めた1番目の指標と組み合わせる2番目の指標を求める。このとき、評価情報生成部46は、上記の1番目の指標と残りの127の指標とを1つずつペアにしてゆく。次に、評価情報生成部46は、各々のペアにおいて、計算式でがん細胞の予測誤差を求める。   (F) The evaluation information generation unit 46 obtains a second index to be combined with the first index obtained in (E) above. At this time, the evaluation information generation unit 46 pairs the first index and the remaining 127 indices one by one. Next, the evaluation information generation unit 46 obtains a cancer cell prediction error by a calculation formula in each pair.

仮に、2つの指標からがん細胞の数を求める計算式を「Y=αX+βX」(但し、「Y」はがん細胞の計算値、「X」は1番目の指標に対応する度数分布の変化量、「α」はXに対応する係数値、「X」は、選択された指標に対応する度数分布の変化量、「β」はX2に対応する係数値、をそれぞれ示す。)とする。そして、評価情報生成部46は、上記の(B)および(C)と同様の処理により、計算値の平均誤差が最も小さくなるように、上記の係数α、βの値を求める。 Suppose that the calculation formula for obtaining the number of cancer cells from two indices is “Y = αX 1 + βX 2 ” (where “Y” corresponds to the calculated value of cancer cells, and “X 1 ” corresponds to the first index. “Α” is a coefficient value corresponding to X 1 , “X 2 ” is a change amount of the frequency distribution corresponding to the selected index, and “β” is a coefficient value corresponding to X 2. Show.) Then, the evaluation information generation unit 46 obtains the values of the coefficients α and β so that the average error of the calculated values is minimized by the same processing as the above (B) and (C).

その後、評価情報生成部46は、各々のペアで求めた計算値の平均誤差を比較し、その平均誤差が最も低くなるペアを求める。そして、評価情報生成部46は、平均誤差が最も低くなるペアの指標を、評価情報の生成に用いる1番目および2番目の指標とする。   Thereafter, the evaluation information generation unit 46 compares the average errors of the calculated values obtained for each pair, and obtains the pair having the lowest average error. Then, the evaluation information generation unit 46 sets the pair index having the lowest average error as the first and second indices used for generating the evaluation information.

(G)評価情報生成部46は、所定の終了条件を満たした段階で演算処理を終了する。例えば、評価情報生成部46は、指標を増やす前後の各計算式による平均誤差を比較する。そして、評価情報生成部46は、指標を増やした後の計算式による平均誤差が、指標を増やす前の計算式による平均誤差より高い場合(または両者の差が許容範囲に収まる場合)には、S209の演算処理を終了する。   (G) The evaluation information generation unit 46 ends the calculation process when a predetermined end condition is satisfied. For example, the evaluation information generation unit 46 compares the average errors of the respective calculation formulas before and after increasing the index. And the evaluation information generation part 46, when the average error by the calculation formula after increasing the index is higher than the average error by the calculation formula before increasing the index (or when the difference between the two is within the allowable range), The calculation process in S209 is terminated.

(H)一方、上記(G)で終了条件を満たさない場合、評価情報生成部46は、さらに指標の数を1つ増やして、上記(F)および(G)と同様の処理を繰り返す。これにより、上記の計算モデルを求めるときに、ステップワイズな変数選択によって指標の絞り込みが行われることとなる。   (H) On the other hand, when the termination condition is not satisfied in (G), the evaluation information generation unit 46 further increases the number of indices by one and repeats the same processing as in (F) and (G) above. Thereby, when obtaining the above calculation model, the index is narrowed down by stepwise variable selection.

ステップS210:評価情報生成部46は、S209で求めた計算モデルの情報(計算式に用いる各指標を示す情報、計算式で各々の指標に対応する係数値の情報など)を記憶部43に記録する。以上で、図5の説明を終了する。   Step S210: The evaluation information generation unit 46 records the information of the calculation model obtained in S209 (information indicating each index used in the calculation formula, information on the coefficient value corresponding to each index in the calculation formula, etc.) in the storage unit 43. To do. This is the end of the description of FIG.

ここで、上記の計算モデルの指標として、『「Shape Factor」の8時間目、72時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「Perimeter」の8時間目、24時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「Length」の8時間目、72時間目の度数分布の組み合わせ』との3つを用いた場合、がん細胞の予測精度が93.2%となる計算モデルを得ることができた。   Here, as an index of the above calculation model, “a combination of frequency distributions at 8th and 72th hours of“ Shape Factor ”” and “a combination of frequency distributions at 8th and 24th hours of“ Perimeter ”” And “the combination of frequency distributions at 8th and 72th hours of“ Length ””, a calculation model with a cancer cell prediction accuracy of 93.2% could be obtained. .

また、上記の計算モデルの指標として、『「Shape Factor」の8時間目、72時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「Fiber Breadth」の8時間目、56時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「relative hole area」の8時間目、72時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「Shape Factor」の8時間目、24時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「Breadth」の8時間目、72時間目の度数分布の組み合わせ』と、『「Breadth」の8時間目、64時間目の度数分布の組み合わせ』との6つを用いた場合、がん細胞の予測精度が95.5%となる計算モデルを得ることができた。   In addition, as an index of the above calculation model, “a combination of frequency distributions at 8 hours and 72 hours of“ Shape Factor ”” and “a combination of frequency distributions at 8 hours and 56 hours of“ Fiber Breath ”” “Combination of frequency distributions at 8th and 72th hours of“ relative hole area ””, “Combination of frequency distributions at 8th and 24th hours of“ Shape Factor ””, and “Breadth” When six combinations of “frequency combination of 8th and 72th hours” and “combination of frequency distribution of 8th and 64th hours of“ Breadth ”” are used, the prediction accuracy of cancer cells is 95. A calculation model of 5% was obtained.

なお、上記に説明したステップS208の処理においては、評価情報生成部46は、8時間目を基準として、1種類の特徴値に対して8通りの指標を求め、16種類の特徴値に対して合計128(16種類×8通り)の指標を求めた。しかし、指標としてはこれに限られるものではなく、評価情報生成部46は、8時間目、16時間目、24時間目、32時間目、40時間目、48時間目、56時間目、64時間目、および、72時間目の各々を基準として、1種類の特徴値に対して36(=9×8÷2)通りの指標をそれぞれ求め、16種類の特徴値に対して合計576(16種類×36通り)の指標を求めてもよい。 In the process of step S208 described above, the evaluation information generation unit 46 obtains eight types of indices for one type of feature value with reference to the eighth hour, and for 16 types of feature values. A total of 128 indicators (16 types × 8 patterns) were obtained. However, the index is not limited to this, and the evaluation information generation unit 46 performs the 8th, 16th, 24th, 32th, 40th, 48th, 56th, and 64th hours. 36 (= 9 × 8/2) indicators are obtained for one type of feature value based on each of eyes and 72 hours, and a total of 576 (16 types) is obtained for 16 types of feature values. (X36 types) of indicators may be obtained.

≪培養状態評価処理の例≫
次に、図13の流れ図を参照しつつ、培養状態評価処理の動作例を説明する。
≪Example of culture state evaluation process≫
Next, an exemplary operation of the culture state evaluation process will be described with reference to the flowchart of FIG.

ステップS301:CPU42は、評価対象となる複数の顕微鏡画像のデータを記憶部43から読み込む。ここで、評価対象の顕微鏡画像は、細胞群を培養した培養容器19をインキュベータ11によって同一視野を同一の撮影条件でタイムラプス観察して取得されたものとする。また、この場合のタイムラプス観察は、図5の例と条件を揃えるために、培養開始から8時間経過後を初回として8時間おきに72時間目まで行うものとする。   Step S301: The CPU 42 reads data of a plurality of microscope images to be evaluated from the storage unit 43. Here, it is assumed that the microscopic image to be evaluated was acquired by observing the culture container 19 in which the cell group was cultured with the incubator 11 in the same visual field under the same imaging conditions. In this case, the time lapse observation is performed every 8 hours up to the 72nd hour after the lapse of 8 hours from the start of the culture in order to align the conditions with the example of FIG.

ステップS302:CPU42は、記憶部43の計算モデルの情報(図5のS210で記録されたもの)を読み込む。   Step S302: The CPU 42 reads calculation model information (recorded in S210 of FIG. 5) in the storage unit 43.

ステップS303:特徴値演算部44、度数分布演算部45および評価情報生成部46は、上記の計算モデルの変数に対応する各指標について、それぞれ度数分布の変化量を求める。このS303の処理は、図5のS203、S204、S207、S208に対応するため重複説明は省略する。   Step S303: The feature value calculation unit 44, the frequency distribution calculation unit 45, and the evaluation information generation unit 46 obtain a change amount of the frequency distribution for each index corresponding to the variable of the calculation model. The processing in S303 corresponds to S203, S204, S207, and S208 in FIG.

ステップS304:評価情報生成部46は、S303で求めた各指標の度数分布の変化量を、S302で読み出した計算モデルに代入して演算を行う。そして、評価情報生成部46は、上記の演算結果に基づいて、評価対象の顕微鏡画像におけるがん細胞の混在率を示す評価情報を生成する。その後、評価情報生成部46は、この評価情報を不図示のモニタ等に表示させる。以上で、図13の説明を終了する。   Step S304: The evaluation information generation unit 46 performs the calculation by substituting the change amount of the frequency distribution of each index obtained in S303 into the calculation model read out in S302. And the evaluation information generation part 46 produces | generates the evaluation information which shows the mixing rate of the cancer cell in the microscope image of evaluation object based on said calculation result. Thereafter, the evaluation information generation unit 46 displays this evaluation information on a monitor (not shown) or the like. Above, description of FIG. 13 is complete | finished.

本発明に用いられるインキュベータによれば、制御装置41は、タイムラプス観察で取得した顕微鏡画像を用いて、特徴値の度数分布の経時的変化からがん細胞の混在率を精度よく予測できる。また、制御装置41は、ありのままの細胞を評価対象にできるので、例えば医薬品のスクリーニングや再生医療の用途で培養される細胞を評価するときに極めて有用である。
以上、本発明に用いられるインキュベータにおいて、「度数分布」に限定して説明したが、「統計処理データ」についてのものであれば何ら限定されない。
According to the incubator used in the present invention, the control device 41 can accurately predict the mixture ratio of cancer cells from the temporal change of the frequency distribution of feature values, using a microscope image acquired by time-lapse observation. Moreover, since the control apparatus 41 can make a cell as an evaluation object, it is very useful, for example, when evaluating the cell cultured by the use of a pharmaceutical screening or regenerative medicine.
As described above, in the incubator used in the present invention, the description is limited to “frequency distribution”, but there is no limitation as long as it is about “statistical processing data”.

≪化学物質のスクリーニング方法≫
本発明の化学物質のスクリーニング方法は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質のスクリーニング方法であって、

(a)細胞にスクリーニング対象である第1の化学物質を接触させる工程と、
(b)前記第1の化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む工程と、
(c)前記(b)における前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める工程と、
(d)各々の前記画像に対応する前記特徴値の統計処理データをそれぞれ求める工程と、
(e)前記画像間での前記統計処理データの変化に基づいて、前記第1の化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する工程と、
を含むことを特徴とする。
以下、各工程について説明する。
また、以下の説明においては「統計処理データ」が「度数分布」である場合について説明する。
≪Chemical screening method≫
The screening method for chemical substances of the present invention is a screening method for chemical substances that cause morphological changes in cells,

(A) contacting a cell with a first chemical substance to be screened;
(B) reading a plurality of images taken in time series of cells brought into contact with the first chemical substance;
(C) obtaining a feature value indicating a morphological feature of each cell included in the image in (b) from the image;
(D) obtaining statistical processing data of the feature value corresponding to each of the images;
(E) generating evaluation information for evaluating a morphological change of a cell contacted with the first chemical substance based on a change in the statistical processing data between the images;
It is characterized by including.
Hereinafter, each step will be described.
In the following description, a case where “statistical processing data” is “frequency distribution” will be described.

本発明において、「化学物質」とは、細胞中の遺伝子またはその遺伝子産物であるタンパク質を標的とするものであり、有機化合物、無機化合物、あるいはこれらの複合体を示す。具体的な「化学物質」としては、タンパク質、ペプチド、核酸、低分子化合物等が挙げられる。さらに、核酸としては、アンチセンス核酸、リボザイム、siRNA、shRNA等が挙げられる。上記中、前記化学物質は、低分子化合物、抗体、
タンパク質、ペプチド、アンチセンス核酸、リボザイム、shRNA及びsiRNAからなる群より選ばれる少なくとも1つであることが好ましい。
また、本発明のスクリーニング方法において、スクリーニングに用いる最初の化学物質を「第1の化学物質」という。標的タンパク質が酵素であった場合、前記第1の化学物質は低分子化合物であることがより好ましい。また、遺伝子を標的とする場合、前記第1の化学物質はsiRNAであることがより好ましい。
In the present invention, the “chemical substance” is a target that targets a gene in a cell or a protein that is a gene product thereof, and indicates an organic compound, an inorganic compound, or a complex thereof. Specific “chemical substances” include proteins, peptides, nucleic acids, low molecular compounds, and the like. Furthermore, examples of the nucleic acid include antisense nucleic acid, ribozyme, siRNA, shRNA and the like. Among the above, the chemical substance is a low molecular compound, an antibody,
It is preferably at least one selected from the group consisting of proteins, peptides, antisense nucleic acids, ribozymes, shRNAs and siRNAs.
In the screening method of the present invention, the first chemical substance used for screening is referred to as “first chemical substance”. When the target protein is an enzyme, the first chemical substance is more preferably a low molecular compound. When targeting a gene, the first chemical substance is more preferably siRNA.

本発明において、「細胞に形態変化を生じさせる」とは、細胞において形態変化に関与している経路を直接的または間接的にモジュレートすることを意味する。したがって、投与される化学物質が細胞の形態変化を作用させることが目的のものでなくても良く、結果的に細胞に形態変化が生じてしまうものも含まれる。例えば、形態変化は、細胞骨格、細胞周期における分裂期、またはアポトーシス等に関与している遺伝子またはその遺伝子産物を阻害することによってもたらされる。本発明の化学物質のスクリーニング方法においては、例えば細胞障害活性を有する化学物質をその目的物質とする場合、単に細胞毒性を有するものではなく、その作用機序がある程度明らかなものを得ることができる。   In the present invention, “inducing a morphological change in a cell” means directly or indirectly modulating a pathway involved in the morphological change in the cell. Therefore, the chemical substance to be administered may not be intended to act on the morphological change of the cell, and may include a substance that results in a morphological change in the cell. For example, the morphological change is brought about by inhibiting a gene or its gene product involved in cytoskeleton, mitotic phase in the cell cycle, apoptosis or the like. In the method for screening a chemical substance of the present invention, for example, when a chemical substance having cytotoxic activity is used as a target substance, it is not merely a cytotoxic substance, but a mechanism whose action mechanism is clear to some extent can be obtained. .

工程(a)において、細胞にスクリーニング対象である第1の化学物質を接触させる。
図14は、標的とする化学物質をsiRNAとした場合の、本発明のスクリーニング方法の一態様を示したフローチャート図である。siRNAを細胞にトランスフェクションする方法は、用いるトランスフェクション試薬によって異なるが、一例を説明する。まず、トランスフェクションの1日前に細胞を播き、インキュベータ中で培養する。翌日、培地を低血清培地に代え1時間置く。次に例えばリポソーム法によりsiRNAを培養液中に滴下し、インキュベータ中で培養する。6時間後、低血清培地を通常の培地に代え、前述した培養状態評価装置を含むインキュベータで培養する。尚、比較対象としてsiRNAを混入せずに同様の操作を行った細胞を用意しておいてもよい。
In the step (a), the cell is brought into contact with the first chemical substance to be screened.
FIG. 14 is a flowchart showing one embodiment of the screening method of the present invention when the target chemical substance is siRNA. The method for transfecting siRNA into cells differs depending on the transfection reagent used, but an example will be described. First, cells are seeded one day before transfection and cultured in an incubator. The next day, replace the medium with low serum medium for 1 hour. Next, siRNA is dripped in a culture solution, for example by the liposome method, and it culture | cultivates in an incubator. After 6 hours, the low serum medium is replaced with a normal medium and cultured in an incubator including the above-described culture state evaluation apparatus. In addition, you may prepare the cell which performed the same operation, without mixing siRNA as a comparison object.

上述したように、本発明の化学物質のスクリーニング方法において、細胞に形態変化を生じさせる化学物質を接触させた後の工程(b)〜(e)及び(g)〜(k)は、これらの工程を組み込んだ培養状態評価装置を含むインキュベータを用いて行われる。培養状態評価装置を含むインキュベータについては、既に説明しているため、その説明を省略する。   As described above, in the method for screening a chemical substance of the present invention, the steps (b) to (e) and (g) to (k) after contacting a chemical substance that causes a morphological change in a cell are performed in these steps. This is performed using an incubator including a culture state evaluation apparatus incorporating the process. Since the incubator including the culture state evaluation apparatus has already been described, the description thereof is omitted.

次に、登録された観察スケジュールに従って、タイムラプス観察を行う(工程(b))。工程(b)において、前記第1の化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む。撮像画像のデータは、制御装置41に読み込まれる。
図14に示されるように、siRNA処理後の標的遺伝子の発現は、時間に従って変動する。本発明のスクリーニング方法は、決められた時間ごとに画像データを取得していくものであるため、siRNA処理により、標的とする遺伝子の発現が効率よく抑制されるタイミングを逃すことがない。
Next, time-lapse observation is performed according to the registered observation schedule (step (b)). In the step (b), a plurality of images obtained by imaging the cells brought into contact with the first chemical substance in time series are read. The captured image data is read into the control device 41.
As shown in FIG. 14, the expression of the target gene after siRNA treatment varies with time. Since the screening method of the present invention acquires image data at a predetermined time, the siRNA treatment does not miss the timing at which the target gene expression is efficiently suppressed.

次に、工程(c)において、工程(b)で読み込まれた前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める。特徴値演算部44は、撮像画像について、画像内に含まれる細胞を抽出し、抽出した各細胞について、16種類の特徴値をそれぞれ求めていく。   Next, in step (c), feature values indicating the morphological features of each cell included in the image read in step (b) are obtained from the image. The feature value calculation unit 44 extracts the cells included in the captured image, and obtains 16 types of feature values for each extracted cell.

次に、工程(d)において、各々の前記画像に対応する前記特徴値の度数分布をそれぞれ求める。度数分布演算部45は、各時間の観察で取得される撮像画像について16種類の特徴値の度数分布を求めていく。   Next, in step (d), the frequency distribution of the feature values corresponding to each of the images is obtained. The frequency distribution calculation unit 45 obtains a frequency distribution of 16 types of feature values for the captured image acquired by observation at each time.

次に、工程(e)において、前記画像間での前記度数分布の変化に基づいて、前記第1の化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する。評価情報生成部46は、上述した16種類の特徴値の種類ごとに度数分布の経時的変化を求め、各指標のうちから、細胞の培養状態をよく反映する指標を多変量解析により1以上指定する。例えば、図14においては、siRNA処理後、42時間後及び66時間後の「Length」のヒストグラムに大きな変化が現れている。上述したように、この指標の組合せの選択には、FNNと同等の非線形モデル以外に、細胞とその形態の複雑性に応じて線形モデルを利用してもよい。
また、第1の化学物質を接触させなかった細胞についても工程(b)〜(d)を行い、工程(e)において、前記第1の化学物質を接触させた細胞における前記画像間での度数分布の変化と、前記第1の化学物質を接触させなかった細胞における前記画像間での度数分布の変化を比較し、その結果を第1の化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報に加味してもよい。
Next, in step (e), based on the change in the frequency distribution between the images, evaluation information for evaluating a change in the shape of the cell contacted with the first chemical substance is generated. The evaluation information generation unit 46 obtains a time-dependent change in the frequency distribution for each of the 16 types of feature values described above, and designates one or more indices that reflect the cell culture state well from among each index by multivariate analysis. To do. For example, in FIG. 14, a large change appears in the “Length” histogram after 42 hours and 66 hours after siRNA treatment. As described above, in addition to the non-linear model equivalent to FNN, a linear model may be used according to the complexity of the cell and its form in selecting the combination of indices.
In addition, the steps (b) to (d) are also performed for the cells not contacted with the first chemical substance, and the frequency between the images in the cells contacted with the first chemical substance in the step (e). The change in the distribution and the change in the frequency distribution between the images in the cells not contacted with the first chemical substance are compared, and the result is evaluated for the morphological change of the cells contacted with the first chemical substance. You may add to evaluation information.

本発明の化学物質のスクリーニング方法は、非破壊であるため、工程(a)〜(e)を行い、解析の終了したサンプルを別の評価系に用いることができる。例えば、siRNAを用いた実験において、形態変化の解析されたサンプルをそのままWestern blottに用いて、標的とする遺伝子がタンパク質レベルでサイレンシングされていることを確認してもよいし、リアルタイムPCRに用いて、遺伝子レベルでサイレンシングされていることを確認してもよい。
本発明のスクリーニング方法によれば、解析に用いたサンプルをそのまま他の評価系に用いることができるため、解析結果により一層の信頼性を付与することができる。
Since the chemical substance screening method of the present invention is non-destructive, steps (a) to (e) can be performed, and the analyzed sample can be used in another evaluation system. For example, in an experiment using siRNA, a sample analyzed for morphological changes may be used as it is for Western blotting to confirm that the target gene is silenced at the protein level, or used for real-time PCR. It may be confirmed that silencing is performed at the gene level.
According to the screening method of the present invention, since the sample used for the analysis can be used as it is for another evaluation system, further reliability can be given to the analysis result.

また、図15に示すように、従来の方法において化学物質(例えば、siRNA)処理後の時間ごとに蛍光画像を取得し、測定する場合には、サンプリングポイントごとのサンプル数が必要であった。本発明の化学物質のスクリーニング方法は、上述したように非破壊であるため、サンプル数を徒に増やすことなく、細胞形態の経時変化を測定することができる。   Further, as shown in FIG. 15, when a fluorescent image is acquired and measured every time after chemical substance (for example, siRNA) processing in the conventional method, the number of samples for each sampling point is necessary. Since the chemical substance screening method of the present invention is non-destructive as described above, it is possible to measure changes in cell morphology over time without increasing the number of samples.

本発明の化学物質のスクリーニング方法は、前記(e)の後、
(f)前記第1の化学物質を接触させた細胞に、更に前記第1の化学物質又は前記第1の化学物質に該当しないスクリーニング対象である追加化学物質を接触させる工程と、
(g)前記追加化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む工程と、
(h)前記(g)における前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める工程と、
(i)各々の前記画像に対応する前記特徴値の統計処理データをそれぞれ求める工程と、
(j)前記画像間での前記統計処理データの変化に基づいて、前記追加化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する工程と、
(k)前記追加化学物質を接触させた細胞における前記評価情報に基づき、(f)〜(j)を繰り返すか否かを判断する工程と、
を少なくとも1回繰り返す工程を含むことが好ましい。
以下、各工程について説明する。
また、以下の説明においては「統計処理データ」が「度数分布」である場合について説明する。
The method for screening a chemical substance of the present invention comprises the step (e),
(F) contacting the cell contacted with the first chemical substance with the first chemical substance or an additional chemical substance to be screened that does not correspond to the first chemical substance;
(G) a step of reading a plurality of images obtained by imaging the cells contacted with the additional chemical substance in time series;
(H) obtaining a feature value indicating a morphological feature of each cell included in the image in (g) from the image;
(I) obtaining statistical processing data of the feature values corresponding to each of the images;
(J) generating evaluation information for evaluating a morphological change of a cell contacted with the additional chemical substance based on a change in the statistical processing data between the images;
(K) determining whether to repeat (f) to (j) based on the evaluation information in the cell contacted with the additional chemical substance;
Preferably, the method includes a step of repeating at least once.
Hereinafter, each step will be described.
In the following description, a case where “statistical processing data” is “frequency distribution” will be described.

前記工程(e)の後、工程(f)において、前記第1の化学物質を接触させた細胞に、更に前記第1の化学物質又は前記第1の化学物質に該当しないスクリーニング対象である追加化学物質を接触させる。
本発明の化学物質のスクリーニング方法は、非破壊の系であるため、細胞に第1の化学物質を細胞に処理し、解析した後に、更に前記細胞に追加化学物質を接触させ、その薬効を評価することができる。
本発明において、「追加化学物質」とは、前記第1の化学物質と同一の化学物質、又は前記第1の化学物質に該当しないスクリーニング対象である化学物質を意味する。
After the step (e), in the step (f), the cell contacted with the first chemical substance is further subjected to additional chemistry that is a screening target not corresponding to the first chemical substance or the first chemical substance. Contact the substance.
Since the screening method for chemical substances according to the present invention is a non-destructive system, the cells are treated with the first chemical substance and analyzed, and then the additional chemical substances are contacted with the cells to evaluate the drug efficacy. can do.
In the present invention, the “additional chemical substance” means the same chemical substance as the first chemical substance or a chemical substance to be screened that does not correspond to the first chemical substance.

追加化学物質を第1の化学物質と同一のものとする例として、以下のことが挙げられる。
遺伝子またはその遺伝子産物であるタンパク質を標的とするsiRNAや低分子化合物を細胞に接触させ、その効果を解析する場合、短時間の阻害では効果が観察されない可能性がある。長期間の阻害による効果を観察するためには、培地中でこれらの化学物質が分解してしまうことも考慮に入れ、随時培地中に化学物質を添加する必要がある。本発明においては、第1の化学物質を追加化学物質として、数回細胞に接触させその結果を解析することができる。
Examples of making the additional chemical substance the same as the first chemical substance include the following.
When siRNA or a low molecular weight compound that targets a gene or a protein that is a gene product thereof is brought into contact with a cell and the effect is analyzed, the effect may not be observed in a short time of inhibition. In order to observe the effect of long-term inhibition, it is necessary to add chemical substances to the medium as needed, taking into consideration that these chemical substances are decomposed in the medium. In the present invention, the first chemical substance as an additional chemical substance can be brought into contact with the cell several times and the result can be analyzed.

追加化学物質を第1の化学物質に該当しないものとする例として、以下のことが挙げられる。図16Aにおいて、第1の化学物質をsiRNAとして、細胞に接触させ、工程(e)までを行い、第1の化合物質を処理したことによる効果を確認する。実施例において後述するように、第1の化学物質として、p53を標的とするsiRNAを用いた場合には形態変化が観察され、p53がサイレンシングされたことを確かめることができる。次に追加化学物質として、例えば、低分子化合物または他の分子を標的とするsiRNAを細胞に接触させる。工程(f)〜(j)を行い、細胞にアポトーシスが誘導された場合には、追加化学物質は、p53の不活化されたがん細胞に効果を示す低分子化合物または標的分子であることが分かる。本発明のスクリーニング方法においては、特定の遺伝子が除去された細胞に形態変化をもたらす化学物質をスクリーニングすることができる。   Examples of the additional chemical substance not corresponding to the first chemical substance include the following. In FIG. 16A, the first chemical substance is made into siRNA, brought into contact with the cell, and the process up to step (e) is performed to confirm the effect of treating the first compound substance. As will be described later in Examples, when siRNA targeting p53 is used as the first chemical substance, morphological change is observed, and it can be confirmed that p53 is silenced. Next, as an additional chemical substance, for example, siRNA targeting a low molecular compound or other molecule is brought into contact with the cell. When the steps (f) to (j) are performed and apoptosis is induced in the cell, the additional chemical substance may be a low molecular compound or a target molecule that has an effect on p53 inactivated cancer cells. I understand. In the screening method of the present invention, chemical substances that cause morphological changes in cells from which a specific gene has been removed can be screened.

また、第1の化学物質を低分子化合物とした場合には、追加化学物質から、第1の化学物質の薬効を増強する低分子化合物または標的分子をスクリーニングすることができる。   Further, when the first chemical substance is a low molecular compound, a low molecular compound or a target molecule that enhances the medicinal effect of the first chemical substance can be screened from the additional chemical substance.

更に、図16Bに示されるように、追加物質は複数であってもよい。例えば遺伝子導入により樹立されたiPS細胞において、種々の転写因子の発現が経時的に変化することにより、分化の方向性が定まっていく。そこで、転写に関与する1以上の分子に対するsiRNAを異なるタイミングで添加し、万能性に寄与する遺伝子の発現を阻害することにより分化の過程を解析することができる。   Furthermore, as shown in FIG. 16B, there may be a plurality of additional substances. For example, in iPS cells established by gene transfer, the expression of various transcription factors changes over time, whereby the direction of differentiation is determined. Thus, the differentiation process can be analyzed by adding siRNAs for one or more molecules involved in transcription at different timings and inhibiting the expression of genes that contribute to universality.

工程(g)〜(j)は、第1の化学物質を接触させた細胞に追加物質を接触させ、前述した工程(b)〜(e)と同様の操作を行う工程である。また、工程(k)は、工程(j)で得られた評価情報に基づいて、再度工程(f)〜(j)を繰り返すか否かを判断する工程である。工程(f)〜(j)は少なくとも1回繰り返されるため、工程(g)〜(j)において解析される細胞は第1の化学物質と1以上の追加化学物質を接触させたものである。繰り返しが増える度に、第1の化学物質を接触させた細胞が接触する追加化学物質の種類、または培地交換しない場合には、追加化学物質の培地中濃度は増えていく。
本発明のスクリーニング方法は、非破壊の系であるため実験計画が予め定まっている従来法と異なり、工程(k)によって実験計画をリアルタイムに更新することができる。
Steps (g) to (j) are steps in which an additional substance is brought into contact with the cell brought into contact with the first chemical substance, and operations similar to those in the above-described steps (b) to (e) are performed. Step (k) is a step of determining whether or not to repeat steps (f) to (j) again based on the evaluation information obtained in step (j). Since steps (f) to (j) are repeated at least once, the cells analyzed in steps (g) to (j) are those in which the first chemical substance and one or more additional chemical substances are brought into contact. As the number of repetitions increases, the type of additional chemical substance in contact with the cell contacted with the first chemical substance, or the concentration of the additional chemical substance in the medium increases if the medium is not changed.
Since the screening method of the present invention is a non-destructive system, the experiment plan can be updated in real time by the step (k), unlike the conventional method in which the experiment plan is determined in advance.

≪化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法≫
本発明の化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法であって、
(l)先に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する工程と、
(m)選択された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する工程と、
を含むことを特徴とする。
また、本発明の化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法は、細胞に形態変化を生じさせる化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法であって、
(l)先に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する工程と、
(n)選択された化学物質の構造を最適化する工程と、
(o)最適化された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する工程と、
を含むことを特徴とする。
以下、各工程について説明する。
≪Method for producing chemical substance or pharmaceutical composition containing the chemical substance≫
The method for producing a chemical substance of the present invention or a pharmaceutical composition containing the chemical substance is a method for producing a chemical substance that causes morphological changes in cells or a pharmaceutical composition containing the chemical substance,
(L) selecting a chemical substance that causes morphological changes in cells by the screening method described above;
(M) producing a selected chemical substance or a pharmaceutical composition comprising said chemical substance;
It is characterized by including.
Moreover, the method for producing a chemical substance of the present invention or a pharmaceutical composition containing the chemical substance is a method for producing a chemical substance or a pharmaceutical composition containing the chemical substance that causes morphological changes in cells,
(L) selecting a chemical substance that causes morphological changes in cells by the screening method described above;
(N) optimizing the structure of the selected chemical substance;
(O) producing an optimized chemical or a pharmaceutical composition comprising said chemical;
It is characterized by including.
Hereinafter, each step will be described.

工程(l)において、先に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する。本発明のスクリーニング方法により選択された化学物質を「Hit」化学物質という。   In step (l), a chemical substance that causes morphological changes in cells is selected by the screening method described above. A chemical selected by the screening method of the present invention is referred to as a “Hit” chemical.

次に工程(n)において、選択された化学物質の構造を最適化する。すなわち(n)は、「Hit」化学物質を最適化し、「Lead」化学物質を創出する工程である。この工程は、医薬品開発の公知の手法を用いて行われる。
例えば、「Hit」化学物質が低分子化合物であった場合、化合物の側鎖を誘導化し、標的分子に対する活性の増大や、無関係の分子(特に標的分子の類縁分子)に対する活性の低減を試みる。更に、ADME(吸収・分布・代謝・排泄)の改良を試み、In vivo試験において、体内動態に優れた化合物を誘導化する。
Next, in step (n), the structure of the selected chemical substance is optimized. That is, (n) is a step of optimizing the “Hit” chemical substance and creating a “Lead” chemical substance. This step is performed using a known method for drug development.
For example, if the “Hit” chemical is a low molecular weight compound, the side chain of the compound is derivatized to attempt to increase activity on the target molecule or decrease activity on unrelated molecules (especially related molecules of the target molecule). Furthermore, it tries to improve ADME (absorption / distribution / metabolism / excretion) and induces a compound having excellent pharmacokinetics in an in vivo test.

また、このように最適化された化学物質が低分子化合物である場合、この低分子化合物は、その薬学的に許容しうる塩もしくはエステルとしても使用することができる。薬学的に許容しうる塩の典型例としては、例えばナトリウム、カリウム等のアルカリ金属との塩、塩酸塩、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、過塩素酸塩等の無機酸塩;例えば酢酸塩、プロピオン酸塩、乳酸塩、マレイン酸塩、フマール酸塩、酒石酸塩、リンゴ酸塩、クエン酸塩、アスコルビン酸塩等の有機酸塩;例えばメタンスルホン酸塩、イセチオン酸塩、ベンゼンスルホン酸塩、トルエンスルホン酸塩等のスルホン酸塩;例えばアスパラギン酸塩、グルタミン酸塩等の酸性アミノ酸塩等を挙げることができる。   Moreover, when the chemical substance optimized in this way is a low molecular weight compound, this low molecular weight compound can also be used as its pharmaceutically acceptable salt or ester. Typical examples of pharmaceutically acceptable salts include salts with alkali metals such as sodium and potassium, hydrochlorides, sulfates, nitrates, phosphates, carbonates, bicarbonates, perchlorates and the like. Inorganic acid salts; organic acid salts such as acetate, propionate, lactate, maleate, fumarate, tartrate, malate, citrate, and ascorbate; for example, methanesulfonate, isethion Examples thereof include sulfonates such as acid salts, benzenesulfonates, and toluenesulfonates; and acidic amino acid salts such as aspartate and glutamate.

低分子化合物の薬学的に許容しうる塩の製造法は、有機合成化学分野で通常用いられる方法を適宜組み合わせて行うことができる。具体的には、低分子化合物の遊離型の溶液をアルカリ溶液あるいは酸性溶液で中和滴定すること等が挙げられる。   The method for producing a pharmaceutically acceptable salt of a low molecular weight compound can be carried out by appropriately combining methods usually used in the field of synthetic organic chemistry. Specifically, neutralization titration of a free type solution of a low molecular compound with an alkaline solution or an acidic solution can be mentioned.

低分子化合物のエステルとしては、例えば、メチルエステル、エチルエステルなどを挙げることができる。これらのエステルは遊離カルボキシ基を常法に従ってエステル化して製造することができる。   Examples of the low molecular compound ester include methyl ester and ethyl ester. These esters can be produced by esterifying a free carboxy group according to a conventional method.

スクリーニングに用いるライブラリーの数や質によっては、「Hit」化学物質が誘導化を必要とせず、すでに「Lead」化学物質である場合がある。そのような場合には、工程(n)を行わずに、工程(m)を行う。   Depending on the number and quality of the library used for screening, the “Hit” chemical may not be derivatized and may already be a “Lead” chemical. In such a case, the process (m) is performed without performing the process (n).

次に工程(m)において、選択された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する。または、工程(o)において、最適化された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する。本発明において、医薬組成物とは、選択された前記化学物質または最適化された前記化学物質を主成分とし、公知の製剤学的方法により製剤化したものをいう。また、本発明においては、製剤化を必要とせず、化学物質自体を直接患者に投与することもあり得る。   Next, in the step (m), a selected chemical substance or a pharmaceutical composition containing the chemical substance is produced. Alternatively, in the step (o), an optimized chemical substance or a pharmaceutical composition containing the chemical substance is produced. In the present invention, the pharmaceutical composition refers to a pharmaceutical composition containing the selected chemical substance or the optimized chemical substance as a main component and formulated by a known pharmaceutical method. In the present invention, the chemical substance itself may be directly administered to the patient without requiring formulation.

医薬組成物における製剤化の例としては、必要に応じて糖衣を施した錠剤、カプセル剤、エリキシル剤、マイクロカプセル剤として経口的に使用されるものが挙げられる。または、水もしくはそれ以外の薬学的に許容し得る液との無菌性溶液、又は懸濁液剤の注射剤の形で非経口的に使用されるものが挙げられる。更には、薬理学上許容される担体若しくは媒体、具体的には、滅菌水や生理食塩水、植物油、乳化剤、懸濁剤、界面活性剤、安定剤、香味剤、賦形剤、ベヒクル、防腐剤、結合剤等と適宜組み合わせて、一般に認められた製薬実施に要求される単位用量形態で混和することによって製剤化されたものが挙げられる。   Examples of formulation in a pharmaceutical composition include those used orally as tablets, capsules, elixirs, and microcapsules with sugar coating as necessary. Or what is used parenterally in the form of a sterile solution with water or other pharmaceutically acceptable liquid, or an injection of suspension. Furthermore, a pharmacologically acceptable carrier or medium, specifically, sterile water or physiological saline, vegetable oil, emulsifier, suspension, surfactant, stabilizer, flavoring agent, excipient, vehicle, preservative And those formulated by mixing in a unit dosage form generally required for pharmaceutical practice, in appropriate combination with agents, binders and the like.

錠剤、カプセル剤に混和することができる添加剤としては、例えば、ゼラチン、コーンスターチ、トラガントガム、アラビアゴムのような結合剤、結晶性セルロースのような賦形剤、コーンスターチ、ゼラチン、アルギン酸のような膨化剤、ステアリン酸マグネシウムのような潤滑剤、ショ糖、乳糖又はサッカリンのような甘味剤、ペパーミント、アカモノ油又はチェリーのような香味剤が用いられる。調剤単位形態がカプセルである場合には、上記の材料にさらに油脂のような液状担体を含有することができる。注射のための無菌組成物は注射用蒸留水のようなベヒクルを用いて通常の製剤実施に従って処方することができる。   Additives that can be mixed into tablets and capsules include, for example, binders such as gelatin, corn starch, tragacanth gum, gum arabic, excipients such as crystalline cellulose, swelling such as corn starch, gelatin, and alginic acid Agents, lubricants such as magnesium stearate, sweeteners such as sucrose, lactose or saccharin, flavoring agents such as peppermint, red mono oil or cherry. When the dispensing unit form is a capsule, the above material can further contain a liquid carrier such as fats and oils. Sterile compositions for injection can be formulated according to normal pharmaceutical practice using a vehicle such as distilled water for injection.

注射用の水溶液としては、例えば生理食塩水、ブドウ糖やその他の補助薬を含む等張液、例えばD−ソルビトール、D−マンノース、D−マンニトール、塩化ナトリウムが挙げられ、適当な溶解補助剤、例えばアルコール、具体的にはエタノール、ポリアルコール、例えばプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、非イオン性界面活性剤、例えばポリソルベート80(TM)、HCO−50と併用してもよい。   Examples of the aqueous solution for injection include isotonic solutions containing physiological saline, glucose and other adjuvants such as D-sorbitol, D-mannose, D-mannitol, and sodium chloride, and suitable solubilizers such as You may use together with alcohol, specifically ethanol, polyalcohol, for example, propylene glycol, polyethyleneglycol, nonionic surfactant, for example, polysorbate 80 (TM), HCO-50.

油性液としてはゴマ油、大豆油があげられ、溶解補助剤として安息香酸ベンジル、ベンジルアルコールと併用してもよい。また、緩衝剤、例えばリン酸塩緩衝液、酢酸ナトリウム緩衝液、無痛化剤、例えば、塩酸プロカイン、安定剤、例えばベンジルアルコール、フェノール、酸化防止剤と配合してもよい。調製された注射液は通常、適当なアンプルに充填させる。   Examples of the oily liquid include sesame oil and soybean oil, which may be used in combination with benzyl benzoate or benzyl alcohol as a solubilizing agent. Moreover, you may mix | blend with buffer, for example, phosphate buffer, sodium acetate buffer, a soothing agent, for example, procaine hydrochloride, stabilizer, for example, benzyl alcohol, phenol, antioxidant. The prepared injection solution is usually filled into a suitable ampoule.

患者への投与は、例えば、動脈内注射、静脈内注射、皮下注射などのほか、鼻腔内的、経気管支的、筋内的、経皮的、または経口的に当業者に公知の方法により行いうる。投与量は、患者の体重や年齢、投与方法などにより変動するが、当業者であれば適当な投与量を適宜選択することが可能である。また、当該化合物がDNAによりコードされうるものであれば、当該DNAを遺伝子治療用ベクターに組込み、遺伝子治療を行うことも考えられる。投与量、投与方法は、患者の体重や年齢、症状などにより変動するが、当業者であれば適宜選択することが可能である。   For example, intraarterial injection, intravenous injection, subcutaneous injection, etc., as well as intranasal, transbronchial, intramuscular, percutaneous, or oral administration to patients are performed by methods known to those skilled in the art. sell. The dose varies depending on the weight and age of the patient, the administration method, etc., but those skilled in the art can appropriately select an appropriate dose. In addition, if the compound can be encoded by DNA, it may be possible to incorporate the DNA into a gene therapy vector and perform gene therapy. The dose and administration method vary depending on the weight, age, symptoms, etc. of the patient, but can be appropriately selected by those skilled in the art.

化合物の投与量は、症状により差異はあるが、経口投与の場合、一般的に成人(体重60kgとして)においては、1日あたり約0.1から100mg、好ましくは約1.0から50mg、より好ましくは約1.0から20mgであると考えられる。   The dose of the compound varies depending on the symptom, but in the case of oral administration, it is generally about 0.1 to 100 mg, preferably about 1.0 to 50 mg per day for an adult (with a body weight of 60 kg). Preferably it is considered to be about 1.0 to 20 mg.

非経口的に投与する場合は、その1回の投与量は投与対象、対象臓器、症状、投与方法によっても異なるが、例えば注射剤の形では通常成人(体重60kgとして)においては、通常、1日当り約0.01から30mg、好ましくは約0.1から20mg、より好ましくは約0.1から10mg程度を静脈注射により投与するのが好都合であると考えられる。   When administered parenterally, the single dose varies depending on the administration subject, target organ, symptom, and administration method. For example, in the form of an injection, it is usually 1 for an adult (with a body weight of 60 kg). It may be convenient to administer about 0.01 to 30 mg per day, preferably about 0.1 to 20 mg, more preferably about 0.1 to 10 mg by intravenous injection.

本発明に係る化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の治療効果が期待される好適な一例として腫瘍が挙げられ、例えばヒトの固形がん等が挙げられる。ヒトの固形がんとしては、例えば、脳がん、頭頸部がん、食道がん、甲状腺がん、小細胞がん、非小細胞がん、乳がん、胃がん、胆のう・胆管がん、肝がん、膵がん、結腸がん、直腸がん、卵巣がん、絨毛上皮がん、子宮体がん、子宮頸がん、腎盂・尿管がん、膀胱がん、前立腺がん、陰茎がん、睾丸がん、胎児性がん、ウイルムスがん、皮膚がん、悪性黒色腫、神経芽細胞腫、骨肉腫、ユ−イング腫、軟部肉腫などが挙げられる。
また、アルツハイマー病やパーキンソン病といった神経変性疾患等も挙げられる。
A tumor is mentioned as a suitable example with which the therapeutic effect of the chemical substance which concerns on this invention, or the pharmaceutical composition containing the said chemical substance is anticipated, for example, a human solid cancer etc. are mentioned. Examples of human solid cancer include brain cancer, head and neck cancer, esophageal cancer, thyroid cancer, small cell cancer, non-small cell cancer, breast cancer, stomach cancer, gallbladder / bile duct cancer, and liver. Cancer, pancreatic cancer, colon cancer, rectal cancer, ovarian cancer, choriocarcinoma cancer, endometrial cancer, cervical cancer, renal pelvis / ureter cancer, bladder cancer, prostate cancer, penis Cancer, testicular cancer, fetal cancer, Wilms cancer, skin cancer, malignant melanoma, neuroblastoma, osteosarcoma, Ewing's tumor, soft tissue sarcoma and the like.
Also included are neurodegenerative diseases such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to a following example.

(siRNA処理後のNHDF細胞の形態変化の測定)
1−1 材料
以下に示す材料をInvitrogen社より購入した。
(1)p53 siRNA(カタログ番号:VHS40367)
(Measurement of morphological change of NHDF cells after siRNA treatment)
1-1 Materials
The following materials were purchased from Invitrogen.
(1) p53 siRNA (catalog number: VHS40367)

1−2 トランスフェクション
トランスフェクションの前日に、NHDF細胞をsiRNA導入時に30〜50%コンフルエントになるように播き、抗生物質を含まない培地で培養した。翌日、siRNA及びLIPOFECTAMINE 2000をそれぞれ、Opti−MEM I Reduced−Serum Medium(Invitogen社)で希釈し、5分間室温でインキュベーションした。次に、OptiMEM/siRNA混合物と、OptiMEM/LIPOFECTAMINE 2000混合物を混合し、室温に放置した。この混合物を培地に加え、培養プレートをBiostation CT(ニコン社)の37℃、5%COインキュベータ中でインキュベートした。
1-2 Transfection The day before transfection, NHDF cells were seeded so as to be 30-50% confluent when siRNA was introduced, and cultured in a medium not containing antibiotics. The next day, siRNA and LIPOFECTAMINE 2000 were diluted with Opti-MEM I Reduced-Serum Medium (Invitrogen) and incubated at room temperature for 5 minutes. Next, the OptiMEM / siRNA mixture and the OptiMEM / LIPOFECTAMINE 2000 mixture were mixed and allowed to stand at room temperature. This mixture was added to the medium and the culture plate was incubated in a Biostation CT (Nikon) 37 ° C., 5% CO 2 incubator.

トランスフェクション処理された細胞と未処理の細胞について、それぞれ2時間間隔で3日目までタイムラプス観察を行った。図17上段は、各細胞(p53 siRNA処理細胞(p53変異)及び未処理細胞(正常))の42時間後及び66時間後の撮像画像を示し、図17下段は、撮像画像に基づいて解析された、「Length」の42時間後及び66時間後のヒストグラムを示す。未処理の細胞(正常細胞)におけるヒストグラムの形状変化と比較して、トランスフェクション処理された細胞(p53変異)におけるヒストグラムの形状変化は顕著である。図17上段において、p53のsiRNA処理66時間後の細胞の形態は42時間後の形態と明らかに異なり、丸みを帯びている。このことから解析結果が、撮像画像中の細胞の形態変化の状態を反映していることが確認された。   Time-lapse observation was performed on the transfected and untreated cells up to the third day at 2-hour intervals. The upper part of FIG. 17 shows captured images after 42 hours and 66 hours of each cell (p53 siRNA-treated cells (p53 mutation) and untreated cells (normal)), and the lower part of FIG. 17 is analyzed based on the captured images. In addition, histograms of “Length” after 42 hours and after 66 hours are shown. Compared with the change in the shape of the histogram in untreated cells (normal cells), the change in the shape of the histogram in the transfected cells (p53 mutation) is significant. In the upper part of FIG. 17, the morphology of the cells after 66 hours of siRNA treatment with p53 is clearly different from the morphology after 42 hours, and is rounded. From this, it was confirmed that the analysis result reflected the state of morphological change of the cells in the captured image.

図18上段は、図17におけるp53変異細胞におけるノックダウン対象遺伝子p53の発現量をRT−PCRにて定量したものである。0時間を1とした時の各時間の遺伝子発現量の相対値を示したグラフである(GAPDHにより補正)。図17に示されたヒストグラムの変化が現れる少し前の時間帯に、実際には、細胞内での遺伝子発現がsiRNAによって確かに抑制されていることがわかる。この効果は時間がたつにつれて回復していくが36時間後における変化がその後、形態の変化として42〜66時間後の間の形態分布の変化として検出されたと言える。
図18下段は、p53遺伝子の制御下(下流)にある遺伝子であるRhoAの各経時中の遺伝子発現量をRT−PCRにて定量評価したものである。p53遺伝子のsiRNAは、36時間後において確かに対象であるp53をノックダウンできており、その影響によってその下流の遺伝子であるRhoAもほぼ同時間に発現制御されていたことが確認できる。p53遺伝子のノックダウンは、RhoAという細胞骨格の制御に関与するタンパク質の制御を引き起こし、これによって形の変化が生じていたのではないかと考察される。このデータは、siRNAのノックダウン対象であったp53が下流の遺伝子まで含めた形で確実にノックダウンできていたという実験の確実性を示すと共に、転写因子でしかないp53を抑制したsiRNAの影響がなぜ形態変化として42〜66時間後に現れたのかを生理現象的に示す一つのデータでもある。
The upper part of FIG. 18 quantifies the expression level of the knockdown target gene p53 in the p53 mutant cell in FIG. 17 by RT-PCR. It is the graph which showed the relative value of the gene expression level of each time when 0 hour was set to 1 (corrected by GAPDH). It can be seen that in the time zone just before the change of the histogram shown in FIG. 17 appears, the gene expression in the cell is actually suppressed by siRNA. Although this effect recovers with time, it can be said that the change after 36 hours was detected as a change in morphology distribution between 42 and 66 hours later as a change in morphology.
The lower part of FIG. 18 shows the quantitative evaluation of the gene expression level of RhoA, which is a gene under the control (downstream) of the p53 gene, by RT-PCR. It can be confirmed that the siRNA of the p53 gene was able to knock down the target p53 surely after 36 hours, and its downstream gene, RhoA, was also controlled for expression almost simultaneously. The knockdown of the p53 gene causes the regulation of RhoA, a protein involved in cytoskeletal regulation, which is considered to have caused a change in shape. This data shows the certainty of the experiment that p53, which was the target of siRNA knockdown, was reliably knocked down to include downstream genes, and the effect of siRNA that suppressed p53, which was only a transcription factor. It is also a piece of data that physiologically shows why it appeared after 42 to 66 hours as a morphological change.

本発明のスクリーニング方法は、非破壊であるため徒にサンプル数を増やす必要が無い。また、本発明のスクリーニング方法によれば、解析に用いたサンプルをそのまま他の評価系に用いることができるため、解析結果により一層の信頼性を付与することができる。例えば、形態変化が観察されたp53変異細胞を用いてWestern blottやリアルタイムPCRを行い細胞中のp53が確かにサイレンシングされていることを確かめることができる。   Since the screening method of the present invention is non-destructive, it is not necessary to increase the number of samples. Further, according to the screening method of the present invention, since the sample used for the analysis can be used as it is for another evaluation system, it is possible to give more reliability to the analysis result. For example, Western blot or real-time PCR can be performed using p53 mutant cells in which morphological changes have been observed to confirm that p53 in the cells is indeed silenced.

(siRNA連続処理後のHT1080細胞の形態変化の測定)
2−1 材料
以下に示す材料をInvitrogen社より購入した。
(1)RhoA siRNA(カタログ番号:VHS40471)
(Measurement of morphological change of HT1080 cells after siRNA continuous treatment)
2-1 Materials
The following materials were purchased from Invitrogen.
(1) RhoA siRNA (catalog number: VHS40471)

2−2 トランスフェクション(1回目)
トランスフェクションの前日に、HT1080をsiRNA導入時に30〜50%コンフルエントになるように播き、抗生物質を含まない培地で培養した。翌日、siRNA及びLIPOFECTAMINE 2000をそれぞれ、Opti−MEM I Reduced−Serum Medium(Invitogen社)で希釈し、5分間室温でインキュベーションした。次に、OptiMEM/siRNA混合物と、OptiMEM/LIPOFECTAMINE 2000混合物を混合し、室温に放置した。この混合物を培地に加え、培養プレートをBiostation CT(ニコン社)の37℃、5%COインキュベータ中でインキュベートした。
また、上記と同様のトランスフェクション処理において、siRNAの代わりに水を用いたサンプルをネガティブコントロールとした。
2-2 Transfection (first time)
The day before transfection, HT1080 was seeded so as to be 30-50% confluent when siRNA was introduced, and cultured in a medium not containing antibiotics. The next day, siRNA and LIPOFECTAMINE 2000 were diluted with Opti-MEM I Reduced-Serum Medium (Invitrogen) and incubated at room temperature for 5 minutes. Next, the OptiMEM / siRNA mixture and the OptiMEM / LIPOFECTAMINE 2000 mixture were mixed and allowed to stand at room temperature. This mixture was added to the medium and the culture plate was incubated in a Biostation CT (Nikon) 37 ° C., 5% CO 2 incubator.
In the same transfection treatment as described above, a sample using water instead of siRNA was used as a negative control.

RhoA siRNAを導入された細胞(以下、RhoA siRNA処理細胞1)とネガティブコントロールの細胞(以下、ネガティブコントロール1)について、それぞれ2時間間隔で3日目までタイムラプス観察を行った。図19は、各細胞(RhoA siRNA処理細胞1及びネガティブコントロール1)の0時間後及び48時間後の撮像画像を示す。0時間後の両細胞においては、細胞形態に顕著な変化が観察されなかった。一方、48時間後では、RhoA siRNA処理細胞1においてのみ、形態変化が観察され、RhoA siRNA処理細胞1の形態は、長細い形状を示した。   Time-lapse observation was performed on the cells into which RhoA siRNA was introduced (hereinafter referred to as RhoA siRNA-treated cells 1) and negative control cells (hereinafter referred to as negative control 1) until the third day at intervals of 2 hours. FIG. 19 shows captured images at 0 hours and 48 hours after each cell (RhoA siRNA-treated cells 1 and negative control 1). No significant change in cell morphology was observed in both cells after 0 hour. On the other hand, after 48 hours, morphological changes were observed only in RhoA siRNA-treated cells 1, and the morphology of RhoA siRNA-treated cells 1 showed a long and thin shape.

2−3 トランスフェクション(2回目)
2回目のトランスフェクションの前日に、96時間後の上記RhoA siRNA処理細胞1をsiRNA導入時に30〜50%コンフルエントになるように播き、抗生物質を含まない培地で培養した。翌日、siRNA及びLIPOFECTAMINE 2000をそれぞれ、Opti−MEM I Reduced−Serum Medium(Invitogen社)で希釈し、5分間室温でインキュベーションした。次に、OptiMEM/siRNA混合物と、OptiMEM/LIPOFECTAMINE 2000混合物を混合し、室温に放置した。この混合物を培地に加え、培養プレートをBiostation CT(ニコン社)の37℃、5%COインキュベータ中でインキュベートした。
尚、siRNAの代わりに水を用いた以外は、ネガティブコントロール1に上記トランスフェクション処理と同様の処理を施した(ネガティブコントロール2)。
2-3 Transfection (second time)
The day before the second transfection, the RhoA siRNA-treated cells 1 after 96 hours were seeded so as to be 30-50% confluent at the time of siRNA introduction, and cultured in a medium not containing antibiotics. The next day, siRNA and LIPOFECTAMINE 2000 were diluted with Opti-MEM I Reduced-Serum Medium (Invitrogen) and incubated at room temperature for 5 minutes. Next, the OptiMEM / siRNA mixture and the OptiMEM / LIPOFECTAMINE 2000 mixture were mixed and allowed to stand at room temperature. This mixture was added to the medium and the culture plate was incubated in a Biostation CT (Nikon) 37 ° C., 5% CO 2 incubator.
The negative control 1 was treated in the same manner as the transfection treatment except that water was used instead of siRNA (negative control 2).

RhoA siRNAを導入された細胞(以下、RhoA siRNA処理細胞2)とネガティブコントロールの細胞(以下、ネガティブコントロール2)について、それぞれ2時間間隔で3日目までタイムラプス観察を行った。尚、2回目のトランスフェクション時を0時間とする(通算120時間)。図20は、各細胞(RhoA siRNA処理細胞2及びネガティブコントロール2)の0時間(通算120時間)後及び48時間(通算168時間)後の撮像画像を示す。0時間(通算120時間)後の両細胞においては、細胞形態に顕著な変化が観察されなかった。一方、48時間(通算168時間)後では、RhoA siRNA処理細胞2においてのみ、形態変化が観察され、RhoA siRNA処理細胞2の形態は、長細い形状を示した。この結果は、1回目のトランスフェクションの結果と同様であり、HT1080細胞に導入されたRhoA siRNAの効果は、トランスフェクション後、2回目のトランスフェクション時(通算120時間)には、完全に消失し、RhoA siRNAを導入された細胞は、siRNA導入前の形態にまで回復していることが観察された。   Time-lapse observation was performed on the cells into which RhoA siRNA was introduced (hereinafter referred to as RhoA siRNA-treated cell 2) and negative control cells (hereinafter referred to as negative control 2) until the third day at intervals of 2 hours. The second transfection time is defined as 0 hour (120 hours in total). FIG. 20 shows captured images after 0 hour (total 120 hours) and 48 hours (total 168 hours) of each cell (RhoA siRNA-treated cells 2 and negative control 2). In both cells after 0 hour (120 hours in total), no significant change in cell morphology was observed. On the other hand, after 48 hours (total 168 hours), morphological changes were observed only in RhoA siRNA-treated cells 2, and the morphology of RhoA siRNA-treated cells 2 showed a long and narrow shape. This result is the same as the result of the first transfection, and the effect of RhoA siRNA introduced into HT1080 cells is completely lost after the second transfection (120 hours in total) after transfection. It was observed that the cells into which RhoA siRNA was introduced had recovered to the form prior to siRNA introduction.

上記タイムラプス観察における撮像画像に基づいて、0時間後及び48時間後(RhoA siRNA処理細胞2及びネガティブコントロール2においては、通算120時間後及び通算168時間後)における各細胞の「円形度」を解析した。結果を図21に示す。
0時間後のRhoA siRNA処理細胞1とネガティブコントロール1との間におけるヒストグラムの形状変化、又は0時間後(通算120時間後)のRhoA siRNA処理細胞2とネガティブコントロール2との間におけるヒストグラムの形状変化に特徴的なものは確認されなかった(図21上段)。
一方、48時間後のネガティブコントロール1とRhoA siRNA処理細胞1との間においては、ヒストグラムのピークが右にシフトしていることが確認された(図21下段)。この形状変化は48時間後(通算168時間後)のネガティブコントロール2とRhoA siRNA処理細胞2との間においても再現されている。このことから解析結果が撮像画像中の細胞の形態変化の状態を反映していることが確認された。
Based on the captured images in the time lapse observation, the “circularity” of each cell after 0 hours and 48 hours (120 hours and 168 hours in the case of RhoA siRNA-treated cells 2 and negative control 2) is analyzed. did. The results are shown in FIG.
Change in shape of histogram between RhoA siRNA-treated cells 1 and negative control 1 after 0 hours, or change in shape of histogram between RhoA siRNA-treated cells 2 and negative control 2 after 0 hours (total 120 hours) (Fig. 21 upper row) was not confirmed.
On the other hand, it was confirmed that the peak of the histogram was shifted to the right between the negative control 1 after 48 hours and the RhoA siRNA-treated cell 1 (lower part of FIG. 21). This shape change is also reproduced between the negative control 2 after 48 hours (after 168 hours in total) and the RhoA siRNA-treated cells 2. From this, it was confirmed that the analysis result reflected the state of cell shape change in the captured image.

本発明の化学物質のスクリーニング方法は、非破壊の系であるため、細胞に第1の化学物質を細胞に処理し、解析した後に、更に前記細胞に追加化学物質を接触させ、その薬効を評価することができることが明らかである。
本発明の化学物質のスクリーニング方法によれば、例えば、細胞内で経時的に発現が変化する遺伝子の挙動を詳細に解析することができる。
Since the screening method for chemical substances according to the present invention is a non-destructive system, the cells are treated with the first chemical substance and analyzed, and then the additional chemical substances are contacted with the cells to evaluate the drug efficacy. Obviously you can.
According to the chemical substance screening method of the present invention, for example, the behavior of a gene whose expression changes over time in a cell can be analyzed in detail.

11…インキュベータ、15…恒温室、19…培養容器、22…観察ユニット、34…撮像装置、41…制御装置、42…CPU、43…記憶部、44…特徴値演算部、45…度数分布演算部、46…評価情報生成部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Incubator, 15 ... Constant temperature chamber, 19 ... Culture container, 22 ... Observation unit, 34 ... Imaging device, 41 ... Control device, 42 ... CPU, 43 ... Memory | storage part, 44 ... Feature value calculating part, 45 ... Frequency distribution calculation 46, evaluation information generation unit

Claims (12)

細胞に形態変化を生じさせる化学物質のスクリーニング方法であって、
(a)細胞にスクリーニング対象である第1の化学物質を接触させる工程と、
(b)前記第1の化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む工程と、
(c)前記(b)における前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める工程と、
(d)各々の前記画像に対応する前記特徴値の度数分布である統計処理データをそれぞれ求める工程と、(e)前記画像間での前記統計処理データの変化に基づいて、前記第1の化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する工程と、
を含むことを特徴とする化学物質のスクリーニング方法。
A screening method for chemical substances that cause morphological changes in cells,
(A) contacting a cell with a first chemical substance to be screened;
(B) reading a plurality of images taken in time series of cells brought into contact with the first chemical substance;
(C) obtaining a feature value indicating a morphological feature of each cell included in the image in (b) from the image;
(D) obtaining statistical processing data that is a frequency distribution of the feature values corresponding to each of the images; and (e) changing the statistical processing data between the images based on the first chemistry. Generating evaluation information for evaluating a morphological change of a cell contacted with a substance;
A method for screening a chemical substance, comprising:
前記(e)の後、
(f)前記第1の化学物質を接触させた細胞に、更に前記第1の化学物質又は前記第1の化学物質に該当しないスクリーニング対象である追加化学物質を接触させる工程と、
(g)前記追加化学物質を接触させた細胞を時系列に撮像した複数の画像を読み込む工程と、
(h)前記(g)における前記画像に含まれる各々の細胞の形態的な特徴を示す特徴値を前記画像からそれぞれ求める工程と、
(i)各々の前記画像に対応する前記特徴値の度数分布である統計処理データをそれぞれ求める工程と、(j)前記画像間での前記統計処理データの変化に基づいて、前記追加化学物質を接触させた細胞の形態変化を評価する評価情報を生成する工程と、
(k)前記追加化学物質を接触させた細胞における前記評価情報に基づき、(f)〜(j)を繰り返すか否かを判断する工程と、
を少なくとも1回繰り返す工程を含む請求項1に記載の化学物質のスクリーニング方法。
After (e),
(F) contacting the cell contacted with the first chemical substance with the first chemical substance or an additional chemical substance to be screened that does not correspond to the first chemical substance;
(G) a step of reading a plurality of images obtained by imaging the cells contacted with the additional chemical substance in time series;
(H) obtaining a feature value indicating a morphological feature of each cell included in the image in (g) from the image;
(I) obtaining statistical processing data that is a frequency distribution of the feature values corresponding to each of the images; and (j) changing the statistical processing data between the images based on the change of the statistical processing data. Generating evaluation information for evaluating the morphological change of the contacted cells;
(K) determining whether to repeat (f) to (j) based on the evaluation information in the cell contacted with the additional chemical substance;
The chemical substance screening method according to claim 1, comprising a step of repeating at least once.
前記第1の化学物質及び前記追加化学物質が、それぞれ独立して、低分子化合物、抗体、タンパク質、ペプチド、アンチセンス核酸、リボザイム、shRNA及びsiRNAからなる群より選ばれる少なくとも1つである請求項1又は2に記載の化学物質のスクリーニング方法。 The first chemical substance and the additional chemical substance are each independently at least one selected from the group consisting of a low molecular weight compound, an antibody, a protein, a peptide, an antisense nucleic acid, a ribozyme, shRNA, and siRNA. 3. A method for screening a chemical substance according to 1 or 2 . 前記第1の化学物質がsiRNAである請求項に記載の化学物質のスクリーニング方法。 The method for screening a chemical substance according to claim 3 , wherein the first chemical substance is siRNA. 前記第1の化学物質が低分子化合物である請求項に記載の化学物質のスクリーニング方法。 The chemical substance screening method according to claim 3 , wherein the first chemical substance is a low molecular compound. 前記(e)及び前記(j)は、前記画像間での前記度数分布の差分を用いて、前記評価情報を生成する工程である請求項のいずれか一項に記載の化学物質のスクリーニング方法。 Wherein (e) and the (j), using the difference of the frequency distribution between the image, chemicals according to any one of claims 2 to 5, which is a step of generating the evaluation information Screening method. 前記(c)及び前記(h)は、各々の前記画像について複数種類の前記特徴値を求める工程であり、前記(d)及び前記(i)は、前記特徴値の種類ごとにそれぞれ前記度数分布を求める工程であり、前記(e)及び前記(j)は、複数種類の前記度数分布の変化の情報を用いて、前記評価情報を生成する工程である請求項のいずれか一項に記載の化学物質のスクリーニング方法。 (C) and (h) are steps for obtaining a plurality of types of feature values for each of the images, and (d) and (i) are the frequency distributions for each type of feature values. a step of calculating, the (e) and the (j), using the information of the change of the frequency distribution of the plurality of types, any one of claims 2-6 is a step of generating the evaluation information A method for screening a chemical substance according to 1. 前記(d)及び前記(i)は、各々の前記度数分布における度数の区分を、前記特徴値の種類ごとの標準偏差を用いてそれぞれ正規化する工程である請求項に記載の化学物質のスクリーニング方法。 The chemical substance according to claim 7 , wherein (d) and (i) are steps of normalizing frequency divisions in the respective frequency distributions using a standard deviation for each type of the characteristic value. Screening method. 前記(e)及び前記(j)は、前記画像の撮影時間及び前記特徴値の種類がそれぞれ異なる複数の前記度数分布の組み合わせのうちから、前記評価情報の生成に用いる前記度数分布の組み合わせを抽出し、前記評価情報の計算モデルを求める工程である請求項またはに記載の化学物質のスクリーニング方法。 In (e) and (j), the combination of the frequency distributions used for generating the evaluation information is extracted from a plurality of combinations of the frequency distributions having different image capturing times and different types of feature values. The method for screening a chemical substance according to claim 7 or 8 , which is a step of obtaining a calculation model of the evaluation information. 前記(e)及び前記(j)は、教師付き学習により前記計算モデルを求める工程である請求項に記載の化学物質のスクリーニング方法。 10. The chemical substance screening method according to claim 9 , wherein (e) and (j) are steps of obtaining the calculation model by supervised learning. 細胞に形態変化を生じさせる化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法であって、
(l)請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する工程と、
(m)選択された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する工程と、
を含むことを特徴とする化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法。
A method for producing a chemical substance that causes a morphological change in a cell or a pharmaceutical composition comprising the chemical substance,
(L) a step of selecting a chemical substance that causes a morphological change in a cell by the screening method according to any one of claims 1 to 10 ;
(M) producing a selected chemical substance or a pharmaceutical composition comprising said chemical substance;
A method for producing a chemical substance or a pharmaceutical composition comprising the chemical substance.
細胞に形態変化を生じさせる化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法であって、
(l)請求項1〜10のいずれか一項に記載のスクリーニング方法により細胞に形態変化を生じさせる化学物質を選択する工程と、
(n)選択された化学物質の構造を最適化する工程と、
(o)最適化された化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物を製造する工程と、
を含むことを特徴とする化学物質又は前記化学物質を含む医薬組成物の製造方法。
A method for producing a chemical substance that causes a morphological change in a cell or a pharmaceutical composition comprising the chemical substance,
(L) a step of selecting a chemical substance that causes a morphological change in a cell by the screening method according to any one of claims 1 to 10 ;
(N) optimizing the structure of the selected chemical substance;
(O) producing an optimized chemical or a pharmaceutical composition comprising said chemical;
A method for producing a chemical substance or a pharmaceutical composition comprising the chemical substance.
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