JP7075126B2 - 画像ベースの細胞分取システムおよび方法 - Google Patents
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本発明は、国立衛生研究所(NIH)によって授与された助成金第1R43DA042636-01号の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に対して一定の権利を有する。
本特許文書は、2016年6月10日に出願された「FLOW CYTOMETER WITH IMAGE-BASED CELL SORTING」と題された米国仮特許出願第62/348,511号の優先権および恩恵を主張する。前述の特許出願の全内容は、本特許文書の開示の一部として参照により組み込まれる。
本発明は、以下の項目を提供する。
(項目1)
画像ベースの粒子分取システムであって、
基板と、前記基板上に形成された流路であって、細胞を流れ方向に沿って前記流路の第1の領域に流すように動作可能な流路と、前記流路内の前記第1の領域に近接した第2の領域で前記流路から分岐する2つ以上の出力経路とを含むように構築された粒子流装置と、
前記粒子流装置とインターフェース接続し、細胞が前記流路を貫流する間に前記第1の領域内にあるときに前記細胞に関連する画像データを取得するように動作可能である撮像システムと、
前記撮像システムと通信するデータ処理および制御ユニットであって、前記データ処理および制御ユニットは、前記撮像システムによって取得された前記画像データを処理して前記処理された画像データから前記細胞に関連する1つ以上の特性を判定し、前記判定された1つ以上の特性と分取基準との比較に基づいて制御コマンドを生成するように構成されたプロセッサを含み、前記制御コマンドは、前記細胞が前記流路内を流れる間に生成され、前記細胞に対応する画像信号データから確認された1つ以上の細胞属性に基づいて決定された分取決定を示す、データ処理および制御ユニットと、
前記粒子流装置に作動的に連結され、前記アクチュエータと通信するアクチュエータであって、前記細胞を前記制御コマンドに基づいて前記2つ以上の出力経路のうちの1つの出力経路に方向付けるように動作可能な、アクチュエータと、を備え、
前記システムは、前記撮像システムによる画像取り込みの第1の時間から前記アクチュエータによる粒子方向付けの第2の時間までの15ms以下の時間枠内で前記細胞の各々を、前記流路内を流れる間に分取するように動作可能である、システム。
(項目2)
前記粒子流装置は、マイクロ流体装置またはフローセルを含み、前記マイクロ流体装置またはフローセルが、前記マイクロ流体装置または前記フローセルの基板上の前記アクチュエータと一体化されている、項目1に記載のシステム。
(項目3)
前記アクチュエータは、前記基板に連結され、前記細胞を前記2つ以上の出力経路のうちの前記1つの出力経路への軌道に沿って方向付ける前記第2の領域内の方向に前記細胞を移動させる偏向を生じさせるように動作可能である圧電アクチュエータを含む、項目1に記載のシステム。
(項目4)
前記撮像システムは、前記粒子流装置の前記第1の領域に入力光を提供するための1つ以上の光源と、前記第1の領域内の前記入力光によって照射された前記細胞から前記画像データを取り込むための光学イメージャとを含む、項目1に記載のシステム。
(項目5)
前記1つ以上の光源は、レーザまたは発光ダイオード(LED)のうちの少なくとも一方を含む、項目4に記載のシステム。
(項目6)
前記光学イメージャは、空間フィルタ、吸収フィルタ、および光電子増倍管に光結合された顕微鏡の対物レンズを含む、項目4に記載のシステム。
(項目7)
前記光学イメージャは、前記入力光を前記第1の領域に方向付けるため、前記細胞によって放出または散乱された光を前記光学イメージャの光学素子に方向付けるため、またはその両方のために1つ以上の導光素子をさらに含む、項目6に記載のシステム。
(項目8)
前記導光素子はダイクロイックミラーを含む、項目7に記載のシステム。
(項目9)
前記光学イメージャは、前記細胞によって放出または散乱された2つ以上の帯域または種類の光に基づいて2つ以上の対応する信号を生成するための2つ以上の光電子増倍管を含む、項目6に記載のシステム。
(項目10)
前記データ処理および制御ユニットの前記プロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、グラフィック処理ユニット(GPU)、または並列のFPGAおよびGPUを含む、項目1に記載のシステム。
(項目11)
前記データ処理および制御ユニットは、前記粒子流装置上の前記第1の領域内で撮像された前記細胞に関連する時間領域信号データを含む前記画像データを受信し、前記画像データを処理して前記細胞の画像を表す画像データセットを生成し、前記生成された画像データセットを分析して前記細胞に関連する前記1つ以上の特性に関連する1つ以上のパラメータを前記画像データセットから抽出し、前記抽出された1つ以上のパラメータと前記分取基準の1つ以上の閾値との比較に基づいて前記制御コマンドを決定するように構成されている、項目1に記載のシステム。
(項目12)
前記データ処理および制御ユニットは、前記画像データをフィルタ処理し、前記フィルタ処理されたデータに基づいて第1の画像を再構成し、前記再構成された第1の画像をサイズ変更して第2の画像を生成することによって、前記画像データを処理して前記画像データセットを生成するように構成され、前記第2の画像は、二値画像データを含む、項目11に記載のシステム。
(項目13)
前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、前記細胞の特徴もしくは前記細胞上の特徴の量もしくはサイズ、前記細胞に付着した1つ以上の粒子、または前記細胞もしくは前記細胞の一部分の特定の形態のうちの1つ以上を含む、項目1に記載のシステム。
(項目14)
前記分取基準は、細胞輪郭、細胞サイズ、細胞形状、核サイズ、核形状、蛍光パターン、または蛍光色分布を含む、項目1に記載のシステム。
(項目15)
前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、細胞周期相、前記細胞によるタンパク質の発現もしくは局在化、前記細胞による遺伝子の発現もしくは局在化、前記細胞に対する損傷、または前記細胞による物質もしくは粒子の貪食を含む前記細胞の生理学的特性を含む、項目1に記載のシステム。
(項目16)
前記判定された前記細胞に対する損傷はDNA損傷を含む、項目15に記載のシステム。
(項目17)
画像ベースの粒子分取方法であって、
粒子流装置の流路を貫流する細胞の画像信号データを取得することと、
前記画像信号データを処理して前記細胞の画像を表す画像データセットを生成することと、
前記生成された画像データセットを分析して、前記処理された画像データから前記細胞の1つ以上の特性を識別することと、
前記細胞の前記1つ以上の識別された特性を分取基準で評価して、前記粒子流装置内の細胞流の間の前記細胞に対応する前記画像信号データから確認された1つ以上の細胞属性に基づいて前記細胞を分取する制御コマンドを生成することと、
前記制御コマンドに基づいて前記粒子流装置の複数の出力経路のうちの1つに前記細胞を方向付けることと、を含む、方法。
(項目18)
前記取得する動作、前記処理する動作、前記分析する動作、前記生成する動作、および前記方向付ける動作は、前記細胞が前記流路内を流れる間に15ms以下の時間枠内で遂行される、項目17に記載の方法。
(項目19)
前記制御コマンドを生成することは、前記細胞の前記識別された1つ以上の特性に関連する前記細胞の前記処理された画像データから1つ以上のパラメータを抽出することと、前記画像から抽出された前記1つ以上のパラメータと前記分取基準の前記1つ以上の閾値とを比較することとを含む、項目17に記載の方法。
(項目20)
前記画像信号データを処理して前記画像データセットを生成することは、
前記画像信号データをフィルタ処理することと、
前記フィルタリングされたデータに基づいて第1の画像を再構成することと、
前記再構成された第1の画像をサイズ変更して第2の画像を生成することと、を含み、前記第2の画像が二値画像データを含む、項目17に記載の方法。
(項目21)
前記画像信号データを処理することは、前記細胞の前記画像を表す前記画像データセットを生成する前に前記細胞の存在を検出することを含む、項目17に記載の方法。
(項目22)
前記細胞の存在を検出することは、
前記画像信号データの信号強度の大きさに関連する輝度値を計算することと、
前記輝度値を第1の閾値で評価することと、
前記輝度値が前記第1の閾値を超えたときに微分値を決定することと、
前記微分値が第2の閾値を超えたことを評価することと、
前記微分値が前記第2の閾値を超えたと判定することと、を含む、項目21に記載の方法。
(項目23)
前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、前記細胞の特徴もしくは前記細胞上の特徴の量もしくはサイズ、前記細胞に付着した1つ以上の粒子、または前記細胞もしくは前記細胞の一部分の特定の形態のうちの1つ以上を含む、項目17に記載の方法。
(項目24)
前記分取基準は、細胞輪郭、細胞サイズ、細胞形状、核サイズ、核形状、蛍光パターン、または蛍光色分布を含む、項目17に記載の方法。
(項目25)
前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、細胞周期相、前記細胞によるタンパク質の発現もしくは局在化、前記細胞による遺伝子の発現もしくは局在化、前記細胞に対する損傷、または前記細胞による物質もしくは粒子の貪食を含む前記細胞の生理学的特性を含む、項目17に記載の方法。
(項目26)
前記判定された前記細胞に対する損傷はDNA損傷を含む、項目25に記載の方法。
Claims (25)
- 画像ベースの粒子分取システムであって、
基板と、前記基板上に形成された流路であって、細胞を流れ方向に沿って前記流路の第1の領域に流すように動作可能な流路と、前記流路内の前記第1の領域に近接した第2の領域で前記流路から分岐する2つ以上の出力経路とを含むように構築された粒子流装置と、
前記粒子流装置とインターフェース接続し、細胞が前記流路を貫流する間に前記第1の領域内にあるときに前記細胞に関連する画像データを取得するように動作可能である撮像システムと、
前記撮像システムと通信するデータ処理および制御ユニットであって、前記データ処理および制御ユニットは、前記撮像システムによって取得された前記画像データを処理して前記処理された画像データから前記細胞に関連する1つ以上の特性を判定し、前記判定された1つ以上の特性と分取基準との比較に基づいて制御コマンドを生成するように構成されたプロセッサを含み、前記制御コマンドは、前記細胞が前記流路内を流れる間に生成され、前記細胞に対応する画像信号データから確認された1つ以上の細胞属性に基づいて決定された分取決定を示す、データ処理および制御ユニットと、
前記粒子流装置に作動的に連結され、前記データ処理および制御ユニットと通信するアクチュエータであって、前記細胞を前記制御コマンドに基づいて前記2つ以上の出力経路のうちの1つの出力経路に方向付けるように動作可能な、アクチュエータと、を備え、
前記システムは、前記撮像システムによる画像取り込みの第1の時間から前記アクチュエータによる粒子方向付けの第2の時間までの15ms以下の時間枠内で前記細胞の各々を、前記流路内を流れる間に分取するように動作可能である、システム。 - 前記粒子流装置は、マイクロ流体装置またはフローセルを含み、前記マイクロ流体装置またはフローセルが、前記マイクロ流体装置または前記フローセルの基板上の前記アクチュエータと一体化されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記アクチュエータは、前記基板に連結され、前記細胞を前記2つ以上の出力経路のうちの前記1つの出力経路への軌道に沿って方向付ける前記第2の領域内の方向に前記細胞を移動させる偏向を生じさせるように動作可能である圧電アクチュエータを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記撮像システムは、前記粒子流装置の前記第1の領域に入力光を提供するための1つ以上の光源と、前記第1の領域内の前記入力光によって照射された前記細胞から前記画像データを取り込むための光学イメージャとを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記1つ以上の光源は、レーザまたは発光ダイオード(LED)のうちの少なくとも一方を含む、請求項4に記載のシステム。
- 前記光学イメージャは、空間フィルタ、吸収フィルタ、および光電子増倍管に光結合された顕微鏡の対物レンズを含む、請求項4に記載のシステム。
- 前記光学イメージャは、前記入力光を前記第1の領域に方向付けるため、前記細胞によって放出または散乱された光を前記光学イメージャの光学素子に方向付けるため、またはその両方のために1つ以上の導光素子をさらに含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記導光素子はダイクロイックミラーを含む、請求項7に記載のシステム。
- 前記光学イメージャは、前記細胞によって放出または散乱された2つ以上の帯域または種類の光に基づいて2つ以上の対応する信号を生成するための2つ以上の光電子増倍管を含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記データ処理および制御ユニットの前記プロセッサは、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、グラフィック処理ユニット(GPU)、または並列のFPGAおよびGPUを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記データ処理および制御ユニットは、前記粒子流装置上の前記第1の領域内で撮像された前記細胞に関連する時間領域信号データを含む前記画像データを受信し、前記画像データを処理して前記細胞の画像を表す画像データセットを生成し、前記生成された画像データセットを分析して前記細胞に関連する前記1つ以上の特性に関連する1つ以上のパラメータを前記画像データセットから抽出し、前記抽出された1つ以上のパラメータと前記分取基準の1つ以上の閾値との比較に基づいて前記制御コマンドを決定するように構成されており、前記画像データセットは再構成された画像データを含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記データ処理および制御ユニットは、前記画像データをフィルタ処理し、前記フィルタ処理されたデータに基づいて第1の画像を再構成し、前記再構成された第1の画像をサイズ変更して第2の画像を生成することによって、前記画像データを処理して前記画像データセットを生成するように構成され、前記第2の画像は、二値画像データを含む、請求項11に記載のシステム。
- 前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、前記細胞の特徴もしくは前記細胞上の特徴の量もしくはサイズ、前記細胞に付着した1つ以上の粒子、または前記細胞もしくは前記細胞の一部分の特定の形態のうちの1つ以上を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記分取基準は、細胞輪郭、細胞サイズ、細胞形状、核サイズ、核形状、蛍光パターン、または蛍光色分布を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、細胞周期相、前記細胞によるタンパク質の発現もしくは局在化、前記細胞による遺伝子の発現もしくは局在化、前記細胞に対する損傷、または前記細胞による物質もしくは粒子の貪食を含む前記細胞の生理学的特性を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記判定された前記細胞に対する損傷はDNA損傷を含む、請求項15に記載のシステム。
- 画像ベースの粒子分取方法であって、
粒子流装置の流路を貫流する細胞の画像信号データを取得することと、
前記画像信号データを処理して前記細胞の画像を表す画像データセットを生成することであって、前記画像データセットは再構成された画像データを含むことと、
前記生成された画像データセットを分析して、前記処理された画像データから前記細胞の1つ以上の特性を識別することと、
前記細胞の前記1つ以上の識別された特性を分取基準で評価して、前記粒子流装置内の細胞流の間の前記細胞に対応する前記画像信号データから確認された1つ以上の細胞属性に基づいて前記細胞を分取する制御コマンドを生成することと、
前記制御コマンドに基づいて前記粒子流装置の複数の出力経路のうちの1つに前記細胞を方向付けることと、を含み、前記取得する動作、前記処理する動作、前記分析する動作、前記生成する動作、および前記方向付ける動作は、前記細胞が前記流路内を流れる間に15ms以下の時間枠内で遂行される、方法。 - 前記制御コマンドを生成することは、前記細胞の前記識別された1つ以上の特性に関連する前記細胞の前記処理された画像データから1つ以上のパラメータを抽出することと、前記画像から抽出された前記1つ以上のパラメータと前記分取基準の1つ以上の閾値とを比較することとを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記画像信号データを処理して前記画像データセットを生成することは、
前記画像信号データをフィルタ処理することと、
前記フィルタ処理されたデータに基づいて第1の画像を再構成することと、
前記再構成された第1の画像をサイズ変更して第2の画像を生成することと、を含み、前記第2の画像が二値画像データを含む、請求項17に記載の方法。 - 前記画像信号データを処理することは、前記細胞の前記画像を表す前記画像データセットを生成する前に前記細胞の存在を検出することを含む、請求項17に記載の方法。
- 前記細胞の存在を検出することは、
前記画像信号データの信号強度の大きさに関連する輝度値を計算することと、
前記輝度値を第1の閾値で評価することと、
前記輝度値が前記第1の閾値を超えたときに微分値を決定することと、
前記微分値が第2の閾値を超えたか否かを評価することと、
前記微分値が前記第2の閾値を超えたと判定することと、を含む、請求項20に記載の方法。 - 前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、前記細胞の特徴もしくは前記細胞上の特徴の量もしくはサイズ、前記細胞に付着した1つ以上の粒子、または前記細胞もしくは前記細胞の一部分の特定の形態のうちの1つ以上を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記分取基準は、細胞輪郭、細胞サイズ、細胞形状、核サイズ、核形状、蛍光パターン、または蛍光色分布を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記細胞に関連する前記1つ以上の特性は、細胞周期相、前記細胞によるタンパク質の発現もしくは局在化、前記細胞による遺伝子の発現もしくは局在化、前記細胞に対する損傷、または前記細胞による物質もしくは粒子の貪食を含む前記細胞の生理学的特性を含む、請求項17に記載の方法。
- 前記細胞に関連する前記1つ以上の特性はDNA損傷を含む、請求項24に記載の方法
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