WO2020071484A1 - 化学物質のスクリーニング方法、プログラム、制御装置、及び培養観察装置 - Google Patents

化学物質のスクリーニング方法、プログラム、制御装置、及び培養観察装置

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WO2020071484A1
WO2020071484A1 PCT/JP2019/039110 JP2019039110W WO2020071484A1 WO 2020071484 A1 WO2020071484 A1 WO 2020071484A1 JP 2019039110 W JP2019039110 W JP 2019039110W WO 2020071484 A1 WO2020071484 A1 WO 2020071484A1
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WO
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concentration
chemical substance
change
cell
feature
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PCT/JP2019/039110
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竜司 加藤
駿 河合
将也 藤谷
慧 蟹江
泰次郎 清田
宏昭 紀伊
魚住　孝之
Original Assignee
国立大学法人名古屋大学
株式会社ニコン
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms

Definitions

  • the present invention relates to a chemical substance screening method, a program, a control device, and a culture observation device.
  • HCS High content screening
  • a plurality of feature amounts related to the cell morphology included in a microscope image of cells in a plurality of cell groups to which different chemical substances are added at different concentrations are obtained. And determining the similarity between the different chemical substances based on a plurality of feature amounts relating to the cell shape.
  • one embodiment of the present invention is a program that causes a computer to execute steps based on the above-described method for screening a chemical substance.
  • one embodiment of the present invention calculates a plurality of feature amounts related to cell morphology included in a microscope image of cells in a plurality of cell groups to which different chemical substances are added at different concentrations.
  • a control device comprising: a feature amount calculating unit; and a similarity determining unit that determines similarity between the different chemical substances based on a plurality of feature amounts related to the cell morphology.
  • one embodiment of the present invention is a culture observation device including the above control device.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of an observation operation in the incubator used in the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a microscope image captured by the imaging device according to the first embodiment of the present invention.
  • 4 is a flowchart illustrating an example of a chemical substance screening operation performed by the control device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of feature amount points processed by the principal component analysis according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a density locus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a relationship between a distance from a center of a control region of a plot and a chemical substance concentration according to the first embodiment of the present invention. It is a figure showing an example of the starting concentration of the form change area for every chemical substance concerning a 1st embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a relationship between a distance from a center of a dead cell region and a chemical substance concentration in a plot according to the first embodiment of the present invention. It is a figure showing an example of the form change area for every chemical substance concerning a 1st embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of an operation of comparison between feature points in a feature space of chemical substances by the control device according to the first embodiment of the present invention. It is a figure showing an example of a comparison method between feature-amount points in a feature-amount space of chemical substances by a control device concerning a 1st embodiment of the present invention. It is a block diagram showing an outline of culture observation device 11a used for a 2nd embodiment of the present invention. It is a flow chart which shows an example of operation of analysis of a known chemical substance and analysis of a new chemical substance by a control device used for a 2nd embodiment of the present invention.
  • the method of screening for a chemical substance of the present invention includes a first step of adding a chemical substance to each cell contained in the cell group, and a step of observing a morphological change of the cell to which the chemical substance is added. And two steps.
  • the cell group means a plurality of cells.
  • a plurality of different concentrations of the chemical substance are added to the cells.
  • a difference in cell morphological change due to a difference in concentration is observed.
  • This second step is performed using a culture state evaluation device.
  • This culture state evaluation device is provided in a culture observation device.
  • the culture state evaluation device is the control device 41 of the culture observation device 11.
  • this culture observation device will be described.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a culture observation device used in the present invention.
  • 2 and 3 are a front view and a plan view of the culture observation device used in the present invention.
  • the culture observation device 11 used in the present invention has an upper casing 12, a lower casing 13, and a display unit 50.
  • the upper casing 12 is placed on the lower casing 13.
  • the internal space between the upper casing 12 and the lower casing 13 is vertically partitioned by a base plate 14.
  • a constant temperature chamber 15 for culturing cells is formed inside the upper casing 12.
  • the constant temperature chamber 15 has a temperature adjusting device 15a and a humidity adjusting device 15b, and the inside of the constant temperature chamber 15 is maintained in an environment suitable for culturing cells (for example, an atmosphere of a temperature of 37 ° C. and a humidity of 90%) ( The illustration of the temperature adjustment device 15a and the humidity adjustment device 15b in FIGS. 2 and 3 is omitted).
  • a large door 16, a middle door 17, and a small door 18 are arranged in front of the constant temperature chamber 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 constant temperature chamber 15 and the outside when the large door 16 is opened.
  • the small door 18 is a door for loading and unloading a culture vessel 19 for culturing cells, and is attached to the middle door 17. Loading and unloading the culture container 19 from the small door 18 makes it possible to suppress environmental changes in the thermostatic chamber 15. Note that the large door 16, the middle door 17, and the small door 18 are kept airtight by packings P1, P2, and P3, respectively.
  • a stocker 21 In the constant temperature chamber 15, a stocker 21, an observation unit 22, a container transfer device 23, and a transfer table 24 are arranged.
  • the transfer table 24 is arranged in front of the small door 18, and carries the culture vessel 19 through the small door 18.
  • the stocker 21 is disposed on the left side of the constant temperature chamber 15 when viewed from the front of the upper casing 12 (the lower side in FIG. 3).
  • the stocker 21 has a plurality of shelves, and a plurality of culture vessels 19 can be stored on each shelf of the stocker 21.
  • Each culture vessel 19 contains cells to be cultured together with a culture medium.
  • the observation unit 22 is disposed on the right side of the constant temperature chamber 15 when viewed from the front of the upper casing 12.
  • the observation unit 22 can execute time-lapse observation of cells in the culture vessel 19.
  • the observation unit 22 is fitted and arranged in 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 projecting above the sample stage 31, and a main body 33 in which a microscopic optical system 223 for phase difference observation and an imaging device 224 are built. Then, the sample table 31 and the stand arm 32 are arranged in the constant temperature chamber 15, while the main body 33 is housed in the lower casing 13.
  • the sample stage 31 is made of a light-transmitting material, and the culture vessel 19 can be placed thereon.
  • the sample table 31 is configured to be movable in the horizontal direction, and can adjust the position of the culture vessel 19 placed on the upper surface.
  • the stand arm 32 has a built-in LED light source 221.
  • An illumination ring stop is provided on the stand arm 32, and the light intensity distribution of the illumination light from the LED light source 221 applied to the sample table 31 can be variably adjusted.
  • the stand arm 32 functions as the lighting device 222.
  • the illumination device 222 and the microscope optical system 223 constitute a phase contrast microscope.
  • the microscope optical system 223 is provided with a condenser lens, an objective lens, a phase plate, and the like, and is configured similarly to a known microscope optical system of a phase contrast microscope.
  • the illumination light emitted by the LED light source 221 is narrowed by the illumination ring diaphragm provided on the stand arm 32 (the illumination device 222).
  • the illumination light narrowed by the illumination ring diaphragm passes through the condenser lens and reaches the cells in the culture vessel 19.
  • the illumination light reaching the cells in the culture vessel 19 is separated into direct light and diffracted light.
  • the direct light is illumination light that travels straight inside the cells of the culture vessel 19.
  • the diffracted light is illumination light diffracted by a cell that is a phase object.
  • the diffracted light is reflected on the shape of the cell, which is a phase object, such as a boundary portion between the cell and a solution in which the cell is immersed in the culture vessel 19 and the internal structure of the cell. Including information.
  • the direct light and the diffracted light reach the phase plate through the objective lens.
  • the phase plate has a quarter-wave plate and an ND filter formed in a ring shape, and portions other than the quarter-wave plate and the ND filter are transparent.
  • the quarter-wave plate shifts the phase of light by a quarter wavelength.
  • the ND filter absorbs light.
  • Direct light is condensed by the objective lens and passes through the ring-shaped quarter-wave plate of the phase plate, so that the phase is shifted by a quarter wavelength. Also, the direct light passing through the quarter-wave plate has reduced brightness.
  • most of the diffracted light passes through the transparent portion of the phase plate, and the phase and brightness do not change.
  • the direct light and the diffracted light reach the image plane of the microscope optical system 223, and form an image with contrast between light and dark.
  • the imaging device 224 can obtain a microscope image of the cells by imaging the cells of the culture vessel 19 that has been transmitted and illuminated from above the sample stage 31 by the stand arm 32 through the microscopic optical system 223.
  • the container transfer device 23 is disposed at the center of the constant temperature chamber 15 when viewed from the front of the upper casing 12.
  • the container transfer device 23 transfers the culture container 19 between the stocker 21, the sample table 31 of the observation unit 22, and the transfer table 24.
  • the container transfer 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 distal end of the vertical robot 34 via a rotary shaft 35a so as to be rotatable 180 ° in the horizontal direction. Therefore, the rotation stage 35 can make the arm portions 37 face the stocker 21, the sample table 31, and the transfer table 24, respectively.
  • the mini stage 36 is attached to the rotating stage 35 so as to be slidable in the horizontal direction.
  • An arm 37 for holding the culture vessel 19 is attached to the mini-stage 36.
  • the arm unit 37 carries out the holding culture container 19 from the stocker 21 and places it on the sample table 31 of the observation unit 22.
  • the main body portion 33 of the observation unit 22 and the control device 41 of the culture observation device 11 are housed inside the lower casing 13.
  • 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 controls each unit of the culture observation device 11 according to a predetermined program.
  • control device 41 controls the temperature adjusting device 15a and the humidity adjusting device 15b, respectively, to maintain the inside of the constant temperature chamber 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 container 19. Further, the control device 41 (culture state evaluation device) executes a culture state evaluation process for evaluating the culture state of the cells based on the images acquired in the observation sequence.
  • the control device 41 (culture state evaluation device) has a CPU 42 and a storage unit 43.
  • the CPU 42 is a processor that executes various arithmetic processes of the control device 41 (culture state evaluation device).
  • the CPU 42 is configured by an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration), for example. Note that part or all of the CPU 42 may be configured as software. That is, the CPU 42 may be configured by combining hardware and software.
  • the CPU 42 functions as a feature amount calculating unit 44, a coordinate calculating unit 45, a density locus calculating unit 46, a change area determining unit 47, and a similarity determining unit 48 by executing the program. The operations of the feature amount calculation unit 44, the coordinate calculation unit 45, the density locus calculation unit 46, the change area determination unit 47, and the similarity determination unit 48 will be described later.
  • 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 on each culture vessel 19 stored in the stocker 21, data on a microscope image captured by the imaging device, and data on a known chemical substance. Further, the storage unit 43 stores a program executed by the CPU 42.
  • the management data includes (a) index data indicating the individual culture vessels 19, (b) the storage position of the culture vessels 19 in the stocker 21, (c) the type and shape of the culture vessels 19 (well plate, Dishes, flasks, etc.), (d) types of cells cultured in the culture vessel 19, (e) observation schedule of the culture vessel 19, (f) imaging conditions during time-lapse observation (magnification of objective lens, observation in the vessel) Etc.) are included. Further, for a culture vessel 19 such as a well plate in which cells can be cultured simultaneously in a plurality of small vessels, management data is generated for each of the small vessels.
  • the display unit 50 includes a liquid crystal display or the like, and displays an image output from the control device 41 (culture state evaluation device).
  • the image displayed by the display unit 50 includes the image of the locus calculated by the concentration locus calculation unit 46 of the control device 41 (culture state evaluation device).
  • the image displayed by the display unit 50 includes the result determined by the similarity determination unit 48 of the control device 41 (culture state evaluation device).
  • FIG. 4 shows an operation example of performing time-lapse observation of the culture container 19 carried into the constant temperature room 15 according to a registered observation schedule.
  • 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 arrived.
  • the CPU 42 shifts the processing to step S102.
  • the CPU 42 waits until the time of the next observation schedule.
  • Step S102 The CPU 42 instructs the container transfer device 23 to transfer the culture container 19 corresponding to the observation schedule. Then, the container transport device 23 carries out the specified culture container 19 from the stocker 21 and places it on the sample table 31 of the observation unit 22. At the stage where 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.
  • Step S103 The CPU 42 instructs the observation unit 22 to capture a microscope image of the cell.
  • the observation unit 22 turns on the LED light source 221 to illuminate the culture vessel 19, and drives the imaging device 224 to capture a microscope image of cells in the culture vessel 19.
  • FIG. 5 illustrates an example of a microscope image captured by the imaging device 224.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a microscope image captured by the imaging device 224.
  • the microscope image PIC includes an image of the cell Cell1, the cell Cell2, and the cell Cell3.
  • This microscope image is a phase contrast image captured by a phase contrast microscope.
  • the microscope image shows an image of the cells cultured in the culture vessel 19 by converting a phase difference of each part of the light transmitted through the cells into a light-dark difference.
  • the imaging device 224 captures a microscope image based on the imaging conditions (magnification of the objective lens, observation point in the container) specified by the user based on the management data stored in the storage unit 43. .
  • the observation unit 22 sequentially adjusts the position of the culture vessel 19 by driving the sample stage 31, and captures a microscope image at each observation point.
  • the data of the microscope image acquired in step S103 is read by the control device 41 (culture state evaluation device) and recorded in the storage unit 43 under the control of the CPU.
  • Step S104 The CPU 42 instructs the container transfer device 23 to transfer the culture container 19 after the end of the observation schedule. Then, the container transport device 23 transports the designated culture container 19 from the sample table 31 of the observation unit 22 to a predetermined storage position of the stocker 21. After that, the CPU ends the observation sequence and returns the processing to step S101. This is the end of the description of the flowchart in FIG.
  • Culture state evaluation process in culture state evaluation device ⁇ Next, an example of a culture state evaluation process in the culture state evaluation apparatus will be described. In this example, an example will be described in which a plurality of microscope images acquired by time-lapse observation of the culture vessel 19 are used to calculate the characteristic amount of the cells in the cultured cells in the culture vessel 19.
  • the culture condition evaluation apparatus is provided with 24 culture vessels 19 in which three types of chemical substances are added to one type of cell at eight concentrations, respectively. That is, in this example, the culture condition evaluation apparatus screens three types of chemical substances. Of the three chemical substances, one is a chemical substance whose properties such as the mechanism of action are unknown (hereinafter referred to as unknown chemical substance), and two is a chemical substance whose properties such as the mechanism of action are known ( Hereinafter, it is referred to as a known chemical substance).
  • the screening of a chemical substance is to select a chemical substance suitable for the purpose from a plurality of chemical substances.
  • the term "suitable for the purpose” means, for example, showing a specific drug effect or showing a specific toxicity.
  • chemical substances are selected by determining the similarity between the chemical substances.
  • the chemical substances used for the similarity determination include, for example, an unknown chemical substance and a known chemical substance. That is, in the screening of the chemical substance in the present embodiment, as an example, the unknown chemical substance is selected by determining the similarity between the unknown chemical substance and the known chemical substance.
  • the control device 41 uses multivariate analysis to calculate from a microscope image in a space in which coordinate axes are defined for each type of a plurality of feature amounts related to the shape of a cell.
  • a point indicating the characteristic amount is determined for each concentration of the chemical substance added to the cells.
  • the feature amount is an amount indicating a feature related to the shape of a cell.
  • the control device 41 (culture state evaluation device) generates a graph composed of points indicating the feature amounts in a space in which coordinate axes are defined for each of a plurality of types of feature amounts related to the shape of the cell.
  • the chemical substance screening method determines the similarity between different chemical substances based on a plurality of feature amounts related to the shape of a cell contained in a microscopic image of cells to which different chemical substances are added at different concentrations. To have.
  • Example of calculation model generation processing >>
  • an example of a chemical substance screening operation will be described with reference to the flowchart of FIG.
  • the culture vessel 19 in which the cell group has been cultured is subjected to time-lapse observation of the same visual field by the culture observation device 11 under the same imaging condition, and a plurality of microscope images of the cell group imaged by the time-lapse observation are prepared in advance.
  • a case where one type of cell is observed will be described as an example.
  • 24 culture vessels 19 are prepared for one type of cell.
  • chemical substances having different types and concentrations for each culture vessel 19 are added.
  • one microscope image is captured for each of the 24 culture vessels 19 having different types and concentrations of chemical substances.
  • the number of microscope images captured for each culture vessel 19 is not limited to one, and may be plural.
  • 24 microscope images are captured in one time-lapse observation.
  • the number of microscope images to be captured is based on the number of sections of the culture vessel 19, the number of observation points (the number of ROIs) by the culture observation device 11 set for each section, and the like. May be set. That is, the microscope image is a phase contrast image of cells to which different chemical substances are added at different concentrations. There are a plurality of types of substances added to cells, and a microscope image is an image captured for each type of substance.
  • the cell is any one of lung cancer cells, kidney cancer cells, skin cancer cells, prostate cancer cells, colorectal cancer, and brain tumor.
  • lung cancer cells any one of lung cancer cells, kidney cancer cells, skin cancer cells, prostate cancer cells, colorectal cancer, and brain tumor.
  • screening of a chemical substance may be performed using a plurality of types of cells.
  • the plurality of types of cells may include not only cancer cells but also normal cells.
  • the chemical substances are three kinds of drugs, Paclitaxel, Etoposide, and unknown chemical substance X.
  • This Paclitaxel binds to the microtubules of the cell and inhibits depolymerization.
  • Etoposide inhibits cellular DNA replication.
  • Chemical substance X is a target of screening for a chemical substance. That is, in this example, it is determined whether the unknown chemical substance X is most similar to the known chemical substances, Paclitaxel or Etoposide.
  • the concentration of the chemical substance in eight steps is set so that the 50% inhibitory concentration (IC50) of each chemical substance becomes the median of the concentrations, and the ratio of the concentration between adjacent concentrations is about three times. It is determined so that it becomes.
  • the 50% inhibitory concentration (IC50) is the concentration of the chemical substance at which the action of half of the cell group to which the chemical substance is added is inhibited.
  • the time lapse observation of the culture vessel 19 is performed every eight hours until the 72th hour, starting eight hours after the start of the culture. Therefore, in the example of FIG. 6, the microscope images of one culture vessel 19 are imaged as nine sets (8h, 16h, 24h, 32h, 40h, 48h, 56h, 64h, and 72h) as one set. That is, the microscope image is captured at a plurality of imaging times after the chemical substance is added to the cells. These captured microscope images are stored in the storage unit 43 in advance.
  • the imaging time means the time at which the microscope image was captured in each time-lapse observation.
  • Step S201 The CPU 42 reads data of a microscope image prepared in advance from the storage unit 43.
  • the CPU 42 sequentially reads all the prepared microscope images as processing targets.
  • Step S202 The CPU 42 specifies an image to be processed from the microscope images read in step S201.
  • the CPU 42 sequentially designates all the microscope images read in step S201 one by one as processing targets.
  • Step S203 The feature amount calculation unit 44 of the CPU 42 extracts a cell image included in the processing target microscope image specified in step S202. For example, when cells are imaged with a phase-contrast microscope, halos appear around sites where the phase difference changes greatly, such as cell membranes. Therefore, the feature amount calculation unit 44 extracts the halo corresponding to the cell membrane by a known edge extraction method, and estimates the closed space surrounded by the edge as a cell by the contour tracking process. Thus, the feature amount calculation unit 44 can extract an image of each cell from the microscope image.
  • the method by which the feature amount calculating unit 44 extracts the image of each cell from the microscope image may be a method other than the method using the above-described edge extraction method. For example, the feature amount calculation unit 44 may extract an image of each cell from the microscope image using a known corner detection method.
  • Step S204 The feature amount calculating unit 44 calculates a plurality of feature amounts for the image of each cell extracted in step S203.
  • the plurality of feature values are a plurality of types of feature values related to the shape of a cell included in a microscope image of a cell to which different chemical substances are added at different concentrations.
  • the feature amount relating to the shape of the cell includes a feature amount regarding the form of each cell, a feature amount regarding the form as a group of cell groups, and a feature amount indicating a time change of the feature amount regarding the form as a group of cell groups. included.
  • the types of the characteristic amounts for the morphology of each cell include about 55 types of indices such as cell area, length, width, ratio of length to width, and perimeter.
  • the characteristic amount of the morphology of the cell group as a group includes about 60 types of indices such as the spread of cells and the density of cells.
  • the spread of the distribution of the cells is, for example, dispersion of the positions of the cells.
  • the variance of the position of each cell is calculated based on the position of each cell in a predetermined direction of the microscope image.
  • About 600 kinds of indices such as a rate of change in time of spread of distribution of cells and a rate of change in time of density of cells are included in a feature quantity indicating a time change of a feature quantity of a form as a group of cells. Is included.
  • the feature amount indicating the time change of the feature amount regarding the form as a group of the cell group indicates the time change of the feature amount regarding the form as the group of the cell group.
  • the time change of the feature amount is a time change of the feature amount with respect to the time from the imaging time in the first time-lapse observation to the imaging time after the first time-lapse observation.
  • Step S205 The CPU 42 writes the characteristic amount of each cell calculated by the characteristic amount calculation unit 44 in step S204 into the storage unit 43. At this time, the CPU 42 writes the characteristic amount in the storage unit 43 in association with the characteristic amount, the type of the characteristic amount, the type of the chemical substance, the concentration of the chemical substance, and the imaging time.
  • Step S206 The CPU 42 determines whether or not the calculation of the feature amount has been completed for all the microscope images read from the storage unit 43 in Step S201. If the CPU 42 determines that the calculation of the feature amount has been completed for all the microscope images (step S206; YES), the process proceeds to step S207. CPU42 returns a process to step S202, when it determines with calculation of the characteristic amount not being completed (step S206; NO).
  • Step S207 The coordinate calculation unit 45 of the CPU 42 uses the feature amount written in the storage unit 43 in step S205 to specify a feature amount space of a point designated by a set of values indicating a plurality of feature amounts related to the shape of the cell. Is calculated.
  • the feature amount space is a space in which coordinate axes are defined for each of a plurality of types of feature amounts regarding the shape of a cell.
  • the feature amount space is a space in which coordinate axes are determined for each of a plurality of types of feature amounts related to the shape of a cell, and is generally a high-dimensional space.
  • the number of dimensions of the feature amount space is equal to the number of types of a plurality of feature amounts related to the shape of the cell.
  • a point designated by a set of values indicating each of a plurality of feature amounts related to the shape of a cell is a representative value of each feature amount for each cell morphology, and a feature amount for each morphology as a group of cell groups. Is specified by a set of the value of the characteristic amount and each value indicating the characteristic amount indicating the time change of the characteristic amount regarding the form of the cell group as a group.
  • the coordinate calculation unit 45 calculates a representative value for the feature amount of each cell morphology, and calculates the coordinates of the representative value.
  • the representative value of the feature value is, for example, an average value or a median value of the feature values of each cell.
  • the spread of the distribution of cells which is one of the characteristic amounts of the form of the cell group as a group, includes the variance of the position of each cell.
  • a point designated by a set of values indicating a plurality of feature amounts relating to the shape of a cell in the feature amount space is referred to as a feature amount point.
  • a graph including feature amount points is simply referred to as a graph.
  • the coordinate calculation unit 45 calculates the coordinates of the feature point in the feature space for each microscope image having the same type of chemical substance, concentration of chemical substance, and imaging time.
  • chemical substances Paclitaxel, Etoposide, and chemical substance X, as described above.
  • chemical substance concentrations determined so that the IC 50 becomes the median of the concentrations.
  • imaging times of the microscope image to be calculated that is, times (8h, 16h, 24h, 32h, 40h, 48h, 56h, 64h, and 72h) every 8 hours.
  • the coordinate calculation unit 45 causes the storage unit 43 to store the coordinates of the feature point.
  • the process of step S207 of calculating the coordinates of the feature point in the feature space is an example of multivariate analysis. That is, the coordinate calculation unit 45 causes the storage unit 43 to store the result analyzed by the multivariate analysis.
  • Step S208 The coordinate calculation unit 45 of the CPU 42 performs a principal component analysis on the feature point whose coordinates in the feature space have been calculated in step S207.
  • the coordinate calculation unit 45 performs dimension compression on the high-dimensional feature amount obtained from each cell by a known principal component analysis to obtain the coordinates of the main component.
  • the feature point may be projected to a low-dimensional space such as a two-dimensional or three-dimensional space for visualization.
  • the term “visualization” refers to, for example, displaying a feature amount point as a graph.
  • the coordinate calculation unit 45 projects the feature amount points onto a two-dimensional plane having the axes PC1 and PC2 obtained as a result of the principal component analysis as coordinate axes.
  • a two-dimensional plane having the axis PC1 and the axis PC2 obtained as a result of the principal component analysis as coordinate axes is referred to as a feature amount plane.
  • a feature point projected onto a feature plane for visualization is called a projected feature point.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the projected feature amount points processed by the principal component analysis. That is, FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the projected feature point on the feature plane.
  • the axis PC1 is an axis parallel to the direction in which the variation of the feature point is largest in the feature space.
  • the axis PC2 is an axis parallel to the direction orthogonal to the axis PC1 in the direction in which the variation of the feature point in the feature space is largest.
  • FIG. 7 shows a graph in a case where three types of chemical substances, that is, a chemical substance Ch1, a chemical substance Ch2, and a chemical substance Ch3 are added to a certain cell.
  • the chemical substance Ch1 is Paclitaxel
  • the chemical substance Ch2 is Etoposide
  • the chemical substance Ch3 is the chemical substance X.
  • a plot P1-m indicates the projected feature point of the cell to which the chemical substance Ch1 has been added.
  • the suffix m of the plot P1-m indicates the concentration of the chemical substance added to the cells in order from the lowest to the highest. That is, the plot P1-1 shows the projected feature point of the cell to which the lowest concentration of the chemical substance Ch1 has been added.
  • the plot P1-8 shows the projected feature point of the cell to which the highest concentration of the chemical substance Ch1 has been added.
  • the coordinate calculation unit 45 calculates the feature amount including the time change of the feature amount.
  • the axis of the main component (axis PC1 and axis PC2) is determined from the inside.
  • the coordinate calculation unit 45 can summarize many types of feature amounts into two-axis indices without losing information on the feature amounts including the time change. That is, according to the coordinate calculation unit 45, the morphological change of the cell after the addition of the chemical substance can be visualized while highlighting the characteristics of the morphological change.
  • Step S209 The density locus calculation unit 46 calculates the density locus of the feature amount point from the feature amount point at which the coordinate calculation unit 45 has calculated the coordinates in the feature amount space.
  • the concentration trajectory is a trajectory obtained by arranging the feature points in the order of the concentration of the chemical substance added to the cells. That is, the concentration trajectory calculation unit 46 calculates a trajectory in which the characteristic amount points calculated by the characteristic amount calculation unit 44 are arranged in the order of the concentration of the substance added to the cells.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a density locus according to the present embodiment.
  • the concentration locus calculation unit 46 changes the plot P1-1 of the cell to which the lowest concentration of the chemical substance Ch1 is added from the plot P1-8 of the cell to which the highest concentration of the chemical substance Ch1 is added.
  • the concentration locus calculation unit 46 connects the plot P1-1 and the plot P1-2 with a line segment L1.
  • the concentration locus calculation unit 46 connects the plot P1-2 and the plot P1-3 with a line segment L2.
  • the concentration locus calculation unit 46 connects the plots P1-3 to P1-8 in order from the line segment L3 to the line segment L7.
  • Step S210 The display unit 50 displays the locus created in Step S208 and Step S209 as a graph. In this example, the display unit 50 displays the graph shown in FIG.
  • the process of projecting the feature point into a low-dimensional space of a two-dimensional or three-dimensional space and the process of displaying a trajectory as a graph are processes performed for visualization and may be omitted. That is, the processing of step S208, step S209, and step S210 may be omitted.
  • the processing is performed on the feature point in the feature space.
  • the subsequent processing may be performed on a projected feature point projected to a low-dimensional space such as a feature plane.
  • the subsequent processing may be performed on the projected feature point on the feature plane shown in FIG.
  • the processing on the projected feature points projected on the low-dimensional space is the same as the processing on the feature point in the feature space. It is.
  • the change area determination unit 47 determines the morphological change area based on the magnitude of the change in the feature point in the feature space with respect to the change in the concentration of the chemical substance added to the cells.
  • the morphological change region is a range of the concentration of the chemical substance in which the magnitude of the change of the characteristic point with respect to the change of the concentration of the chemical substance added to the cell is equal to or more than a predetermined value in the characteristic quantity space. That is, the change area determining unit 47 determines the morphological change area based on the change in the characteristic amount with respect to the change in the concentration of the chemical substance added to the cells.
  • the feature point is a point designated by a set of representative values of each of a plurality of feature amounts related to the shape of the cell in the feature amount space, and thus a change in the feature amount point indicates a morphological change of the cell.
  • the change in the characteristic amount point with respect to the change in the concentration of the chemical substance added to the cells differs depending on the type of the chemical substance. For example, when a highly toxic chemical is added to a cell, the cell is killed by slightly increasing the concentration of the added chemical, and changes in the concentration of the chemical occur during the process of death. On the other hand, the feature value changes rapidly.
  • the feature value changes abruptly (that is, after the cell is killed), even if the concentration of the added chemical substance is increased, the cell remains dead and the feature amount does not change.
  • the characteristic amount does not change unless the concentration of the added chemical substance is increased to some extent.
  • the range of the concentration of the chemical substance is classified into a control region, a morphological change region, and a dead cell region.
  • the control region is a range of concentrations where the change in the characteristic amount with respect to the concentration of the chemical substance is small when the concentration of the chemical substance added to the cells is increased from the lowest concentration.
  • the control area the effect of the chemical on cells is small.
  • the range of the control area is large.
  • the morphological change region is a concentration range in which a change in the characteristic amount with respect to the concentration of the chemical substance increases as the concentration of the chemical substance added to the cells increases. In the morphological change region, the effect of the chemical substance on cells is large.
  • the density included in the shape change region is also referred to as a shape change concentration.
  • the morphological change concentration corresponds to the concentration at which the morphology of the cell changes.
  • the dead cell region is a concentration range in which when the concentration of the chemical substance added to the cells is increased, the cells die and the change in the characteristic amount with respect to the concentration of the chemical substance becomes small. Since the cells are dead in the dead cell region, the feature amount is small, and therefore, the change in the feature amount with respect to the concentration of the chemical substance is also small. In addition, the range of the dead cell region is increased with a chemical substance that is highly toxic to cells to be added.
  • the concentration of a chemical substance is represented in units of a predetermined concentration.
  • a density of 1 is a density that is 1 times the predetermined density
  • a density of 8 is a density that is 8 times the predetermined density.
  • the lowest concentration among the concentrations of each chemical substance added to the cells is 1, and the highest concentration among the concentrations of each chemical substance added to the cells is 8.
  • the change area determination unit 47 determines the control area and the cell death area from the range of the concentration of the chemical substance added to the cells, and forms the range of the concentration of the chemical substance excluding the determined control area and the cell death area. It is determined that the area is a change area.
  • the change area determination unit 47 determines the morphological change area based on a change in the characteristic amount with respect to a change in the concentration of the substance added to the cells. With reference to FIGS. 9 to 12, a method of determining a morphological change region by the change region determining unit 47 will be described.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the relationship between the distance from the control area center of the feature point and the chemical substance concentration according to the present embodiment.
  • the distance of the feature point from the center of the control area is a distance in the feature space. This distance is calculated by the change area determination unit 47 based on the coordinates of the feature point and the coordinates of the center of the control area. The unit of this distance is dimensionless.
  • the graph Cd1 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the control area of the feature amount point and the chemical substance concentration for Etoposide.
  • the graph Cd2 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the control area of the characteristic amount point and the concentration of the chemical substance for Paclitaxel.
  • the graph Cd3 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the control area of the characteristic amount point of the chemical substance X and the concentration of the chemical substance.
  • the change area determination unit 47 first determines the coordinates of the center of the control area.
  • the center of the control region is, for example, the center of gravity between feature points with respect to the lowest concentration among the concentrations of each chemical substance added to the cell.
  • the center of the control region is the center of gravity of a feature point for Etoposide with a density of 1, a feature quantity point for Paclitaxel with a density of 1, and a feature quantity point for a chemical substance X with a density of 1.
  • the change area determination unit 47 determines, in the feature amount space, a feature point whose distance from the center of the control area of the feature point for each chemical substance is smaller than the control distance, and determines the coordinates of the feature point and the center of the control area. The determination is made based on the coordinates.
  • the control distance is a predetermined distance common to each chemical substance.
  • the change area determination unit 47 determines a feature point whose distance from the center of the control area of the feature point to Etoposides is smaller than the control distance.
  • the change area determination unit 47 determines a feature point whose distance from the center of the control area of the feature point to Paclitaxel is smaller than the control distance.
  • the change area determination unit 47 determines a feature point at which the distance of the feature point to the chemical substance X from the center of the control area is smaller than the control distance.
  • Information indicating the control distance is stored in the storage unit 43. Note that the control distance may be determined in advance for each chemical substance.
  • control distance may be a distance determined based on the coordinates of the characteristic amount point in the characteristic amount space with respect to the lowest concentration (concentration of 1) of each chemical substance added to the cell.
  • the control distance is determined such that the distance between the feature point and the control center for the lowest concentration (concentration of 1) of each chemical substance added to the cells is equal to or less than the control distance.
  • the control distance may be a distance determined according to a change in cell morphology. When a distance determined according to the change in cell morphology is used as the control distance, the longer the control distance is, the larger the change in cell morphology with respect to the concentration included in the control region is.
  • the distance is, for example, a Euclidean distance or a Mahalanobis distance.
  • the change region determination unit 47 determines that the concentration of the chemical substance corresponding to the determined characteristic amount point is the concentration included in the control region.
  • the change area determination unit 47 determines a control area based on the determined density.
  • the change area determination unit 47 determines, based on the graph Cd1, that the feature points for the chemical substance concentrations of 1 and 2 for Etoposide are closer to the center of the control area if the distance from the center of the control area is smaller than the control distance and the center of the control area. Is determined based on the coordinates of. Therefore, the change area determination unit 47 determines that the control areas of Etoposide are density 1 and density 2. From the graph Cd2, the change area determination unit 47 determines, based on the graph Cd2, that the feature points of the Paclitaxel for the chemical substance concentrations of 1, 2, 3, 4, and 5 are smaller than the control radius when the distance from the center of the control area is smaller than the control radius.
  • the change area determination unit 47 determines that the control area of Paclitaxel has the density of 1, 2, 3, 4, and 5. From the graph Cd3, the change area determination unit 47 determines that the distance from the center of the control area of the feature amount point for the chemical substance X with respect to the chemical substance concentration of 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7 is smaller than the control radius. And the coordinates of the feature point and the coordinates of the center of the control area. Therefore, the change area determination unit 47 determines that the control areas of the chemical substance X are concentrations 1, 2, 3, 4, 5, 6, and 7.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the starting concentration of the form change region for each chemical substance according to the present embodiment.
  • the starting concentration of the morphological change region is a concentration of a chemical substance at which a plurality of types of feature amounts relating to the shape of a cell have started to change by a predetermined amount.
  • the predetermined amount is an amount by which a plurality of types of characteristic amounts relating to the shape of a cell change in the range of the concentration of the chemical substance corresponding to the control distance.
  • the starting density of the shape change region is the lowest concentration among the concentrations included in the shape change region.
  • the change area determination unit 47 determines that the next highest concentration of the chemical substance in the control area is the start concentration of the form change area.
  • the change area determination unit 47 determines that the morphological change area start density of Etoposide is 3.
  • the change area determination unit 47 determines that the starting density of the morphological change area of Cytochalasin B is 7.
  • the change area determining unit 47 determines that the starting concentration of the form change area of the chemical substance X is 8.
  • the change area determination unit 47 obtains the starting density of the morphological change area based on the control area.
  • the control region is obtained based on a change in the characteristic amount with respect to a change in the concentration of the chemical substance added to the cells. Therefore, the change area determination unit 47 obtains the morphological change concentration based on the change in the characteristic amount with respect to the change in the concentration of the chemical substance added to the cells. Further, as described with reference to FIG. 9, in obtaining the morphological change density, the morphological change density is obtained by comparing the change amount of the feature amount with the threshold.
  • Etoposide, Doxorubicin, Latrunculin ⁇ A, Vinblastine, and 17-AGG have a lower starting concentration of the morphological change region than other chemicals.
  • 5-Fluorouracil, Cytochalasin B, and Pacitaxel have a higher starting concentration of the morphological change region than Etoposide, Doxorubicin, Latrunculin A, Vinblastine, and 17-AGG.
  • the chemical substance X has a higher starting concentration in the morphological change region than other chemical substances.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a relationship between the distance from the center of the dead cell region of the feature point and the chemical substance concentration according to the present embodiment.
  • the distance of the feature point from the center of the dead cell region is a distance in the feature space. This distance is calculated by the change area determination unit 47 based on the coordinates of the feature amount point and the coordinates of the center of the dead cell area.
  • the graph Dd1 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the dead cell region of the feature amount point and the concentration of the chemical substance for Etoposide.
  • the graph Dd2 is a graph showing the relationship between the distance of the feature point from the center of the dead cell region and the chemical substance concentration for Paclitaxel.
  • the graph Dd3 is a graph showing the relationship between the distance from the center of the dead cell region of the characteristic amount point of the chemical substance X and the concentration of the chemical substance.
  • the change area determination unit 47 is a feature quantity point in which the feature quantity point for each chemical substance, in which the distance from the center of the dead cell area is smaller than the dead cell distance, is included in the dead cell area. Is determined.
  • the center of the dead cell region is, for example, the center of gravity between feature points for the highest concentration among the concentrations of each chemical substance added to the cells.
  • the center of the dead cell region is, for example, the center of gravity of the feature point for Etoposide having a concentration of 8, the feature point for Paclitaxel having a concentration of 8, and the feature point for the chemical substance X having a concentration of 8.
  • the dead cell distance is a predetermined distance common to chemical substances.
  • the change area determination unit 47 determines a feature point in which the distance of the feature point from the center of the dead cell area to Etoposide is smaller than the dead cell distance. For example, the change area determination unit 47 determines a feature amount point in which the distance of the feature amount point from the center of the dead cell region with respect to Paclitaxel is smaller than the dead cell distance. For example, the change area determining unit 47 determines a feature point at which the distance of the feature point to the chemical substance X from the center of the dead cell area is smaller than the dead cell distance. Information indicating the dead cell distance is stored in the storage unit 43. Note that the dead cell distance may be determined in advance for each chemical substance.
  • the dead cell distance may be a distance determined based on the coordinates of the feature point with respect to the highest concentration (concentration of 8) of each chemical substance added to the cell in the feature space.
  • the dead cell distance may be a distance determined according to a change in cell morphology. In the case where a distance determined according to the cell shape change is used as the dead cell distance, the longer the dead cell distance, the larger the cell shape change with respect to the concentration included in the dead cell region.
  • the change area determination unit 47 determines, based on the graph Dd1, that the feature point for the chemical substance concentrations of 7 and 8 from the center of the dead cell area is smaller than the dead cell distance, The determination is made based on the coordinates of the center of the area. Therefore, the change area determination unit 47 determines that the dead cell area of Etoposide has a concentration of 7 or 8. From the graph Dd2, the change area determination unit 47 determines that the feature point for the Paclitaxel with respect to the chemical substance concentration of 6, 7, and 8 from the center of the dead cell area is smaller than the dead cell distance, The determination is made based on the coordinates of the center of the dead cell area.
  • the change area determination unit 47 determines that the dead cell area of Paclitaxel has the concentrations of 6, 7, and 8. From the graph Dd3, the change area determination unit 47 determines, based on the graph Dd3, the coordinates of the characteristic amount point and the dead cell area if there is no chemical concentration at which the characteristic point of the chemical substance X from the center of the dead cell area is smaller than the dead cell distance. Is determined based on the coordinates of the center of. Therefore, the change area determination unit 47 determines that there is no dead cell area of the chemical substance X.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of the dead cell region for each chemical substance according to the present embodiment.
  • the change area determination unit 47 determines, for each chemical substance, a range of concentrations excluding the dead cell area from the range of concentrations higher than the starting concentration of the form change area as the form change area. That is, the change area determination unit 47 determines the range excluding the range of the concentration at which the change of the plurality of types of feature amounts related to the cell shape is equal to or less than the predetermined amount from the range of the concentration higher than the starting concentration of the morphological change area. It is determined that the area is a change area.
  • the change area determination unit 47 determines, as for Etoposide, an area in which the range of the densities 7 and 8, which are dead cell areas, is excluded from the range of the concentration higher than the starting concentration 3 of the morphological change area, as the morphological change area. For example, the change area determination unit 47 determines that the range of the concentration of the Paclitaxel is different from the concentration range of the concentration 6, which is the starting concentration of the morphological change region, from the concentration range of the concentrations 6, 7, and 8, which are the dead cell regions. Since there is no remaining area, it is determined that there is no shape change area. Since there is no dead cell region for the chemical substance X, the change region determining unit 47 determines a range of 8 concentrations, which is a range of concentrations higher than the starting concentration of the morphological change region, as the morphological change region.
  • the morphological change concentration includes the concentration from the change in cell morphology to the death of the cell. Further, as described above, the change area determination unit 47 obtains the morphological change area based on the dead cell area. Here, the dead cell region is determined based on a change in the characteristic amount with respect to a change in the concentration of the chemical substance added to the cells, as described in FIG. Therefore, the change area determination unit 47 obtains the morphological change concentration based on the change in the characteristic amount with respect to the change in the concentration of the chemical substance added to the cells. Further, as described with reference to FIG. 9, in obtaining the morphological change density, the morphological change density is obtained by comparing the change amount of the feature amount with the threshold.
  • Step S212 The similarity determination unit 48 determines the similarity between the chemical substances by comparing the morphological change area determined by the change area determination unit 47 in step S211 between the chemical substances added to the cells. I do. In other words, the similarity determination unit 48 determines the similarity between the chemical substances by comparing the characteristic quantities corresponding to the morphological change concentration at which the morphology of the cell changes among different characteristic quantities between different chemical substances. Therefore, the similarity determination unit 48 determines the similarity between chemical substances based on the change in the characteristic amount with respect to the change in the concentration indicated by the result analyzed by the multivariate analysis in step S207 and step S211. That is, the similarity determination unit 48 determines the similarity between chemical substances based on the result obtained by analyzing a plurality of feature amounts by multivariate analysis.
  • the similarity between chemical substances means that when a chemical substance is added to a cell, the type of the characteristic amount of the shape of the cell changed by the chemical substance and the magnitude of the change are similar between the chemical substances That is.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating an example of an operation of comparison between feature points in a feature space of chemical substances by the control device according to the present embodiment.
  • Step S301 The similarity determination unit 48 determines the characteristic amount points in the characteristic amount space of the chemical substance whose similarity is to be determined, for each of the characteristic amount points included in one form change area, The closest feature point is searched for based on the coordinates of the feature points.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a method of comparing between characteristic amount points in the characteristic amount space between chemical substances by the control device according to the present embodiment.
  • the processing of the similarity determination unit 48 is performed on feature amount points in a high-dimensional feature amount space.
  • projected feature points for the chemical substance A, the chemical substance B, and the chemical substance X are shown on the feature plane obtained as a result of the principal component analysis for visualization. That is, the feature amount plane shown in FIG. 14 is a plane obtained by extracting a plane in the feature amount space, and the projected feature amount points shown in FIG. 14 are obtained by projecting the feature amount points in the feature amount space onto this plane. Is a point.
  • the similarity determination unit 48 determines the similarity of the chemical substance X to the chemical substance A and the similarity to the chemical substance B.
  • the morphological change area ChA for the chemical substance A includes plots PA-1 to PA-5.
  • the morphological change region ChB for the chemical substance B includes plots PB-1 to PB-5.
  • the shape change area ChX for the chemical substance X is composed of plots PX-1 to PX-3.
  • the similarity determination unit 48 searches for a feature point having the shortest distance from the plot PX-1 included in the morphological change area ChX from the plots PA-1 to PA-5 included in the morphological change area ChA. .
  • the similarity determination unit 48 determines that the plot PA-3 whose distance from the plot PX-1 is the distance d1 is the feature point whose distance from the plot PX-1 is the shortest based on the coordinates of the feature point. I do.
  • the similarity determination unit 48 regards the plot PA-4 whose distance from the plot PX-2 is the distance d2 as the feature point whose distance from the plot PX-2 is the shortest, as the coordinates of the feature point.
  • the similarity determination unit 48 determines that the plot PA-5 whose distance from the plot PX-3 is the distance d3 is the feature point whose distance from the plot PX-3 is the shortest based on the coordinates of the feature point. I do. However, it is assumed that the concentration of the chemical substance corresponding to the feature point included in the morphological change region is the same as the concentration of the chemical substance corresponding to the feature point determined to be closest to the feature point. Not necessarily. For example, the concentration of the chemical substance corresponding to the plot PX-1 and the concentration of the chemical substance corresponding to the plot PA-3 are not always the same.
  • the similarity determination unit 48 searches for a feature point having the shortest distance from the plot PX-1 included in the morphological change region ChX from the plots PB-1 to PB-5 included in the morphological change region ChB. .
  • the similarity determination unit 48 determines that the plot PB-2 whose distance from the plot PX-1 is the distance d4 is the feature point whose distance from the plot PX-1 is the closest, based on the coordinates of the feature point. I do.
  • the similarity determination unit 48 determines that the plot PB-3 whose distance from the plot PX-2 is the distance d5 is the feature point whose distance from the plot PX-2 is the shortest, and the coordinates of the feature point are Judgment based on The similarity determination unit 48 determines that the plot PB-3 whose distance from the plot PX-3 is the distance d6 is the feature point whose distance from the plot PX-3 is the shortest based on the coordinates of the feature point. I do.
  • Step S302 The similarity determination unit 48 features the average of the respective distances between the characteristic amount points of the form change area of the chemical substance X and the closest characteristic amount points of the form change area of the chemical substance A determined in step S301. It is calculated based on the coordinates of the quantity point.
  • the similarity determination unit 48 calculates, for example, the average of three distances d1, d2, and d3 for the form change area ChX and the form change area ChA based on the coordinates of the feature point.
  • the similarity determination unit 48 calculates the average of the respective distances between the feature point of the form change area of the chemical substance X and the closest feature point of the form change area of the chemical substance B determined in step S301. Calculated based on point coordinates. The similarity determination unit 48 calculates an average of three distances d4, d5, and d6 for the shape change area ChX and the form change area ChB based on the coordinates of the feature amount points.
  • Step S303 The similarity determination unit 48 determines a known chemical substance most similar to the unknown chemical substance X from the chemical substances to be subjected to the similarity determination.
  • the similarity determination unit 48 determines that the chemical substance having the smallest average distance between the characteristic amount points of the morphological change region calculated in step S302 is a known chemical substance most similar to the unknown chemical substance X.
  • the similarity determination unit 48 determines that the chemical substance A having the morphological change area ChA is a known chemical substance most similar to the chemical substance X.
  • the control device 41 can classify the unknown chemical substance X with respect to the morphological change caused in the cell based on the determination result.
  • the control device 41 determines the similarity between the unknown chemical substance X and the known chemical substance has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the control device 41 may determine the similarity between known chemical substances.
  • the chemical substance screening method provided by the control device 41 applies a plurality of characteristic amounts relating to the shape of a cell included in a microscope image of a cell to which different chemical substances are added at different concentrations.
  • the method includes determining the similarity between different chemical substances based on the information and outputting the determined result.
  • the similarity between different chemical substances can be determined based on a plurality of feature amounts related to the shape of a cell, so that the cost in the chemical substance screening is reduced. And time can be reduced.
  • the control device 41 of the present embodiment by determining the similarity between chemical substances, it is possible to determine the similarity of properties such as the mechanism of action between chemical substances. That is, in the chemical substance screening method provided by the control device 41 of the present embodiment, the similarity of properties such as the mechanism of action of an unknown chemical substance with respect to a known chemical substance can be determined, so that the chemical substance screening can be performed efficiently. It can be performed.
  • the similarity between chemical substances is determined based on the result obtained by analyzing a plurality of feature amounts by multivariate analysis.
  • the similarity between chemical substances can be determined based on the result of analyzing a plurality of feature amounts by multivariate analysis.
  • the accuracy of chemical substance screening can be increased as compared with the case where similarity between chemical substances is not determined based on the result analyzed by multivariate analysis.
  • the similarity between different chemical substances corresponds to the morphological change concentration at which the morphology of the cell changes among the different feature amounts.
  • the feature amount is compared between different chemical substances, and the similarity between different chemical substances is determined.
  • the similarity between chemical substances is determined only in the range of the concentration of the chemical substance that causes a large change in the form of the chemical substance caused in cells. Reduces the cost and time of screening chemicals compared to determining similarity between chemicals without limiting to a range of concentrations of chemicals that cause the cell to undergo significant morphological changes be able to.
  • the chemical substance screening method provided by the control device 41 according to the present embodiment includes obtaining a morphological change concentration based on a change in a characteristic amount with respect to a change in the concentration of a chemical substance added to cells.
  • the similarity between chemical substances can be determined only in a range of concentration higher than the concentration at which the change of cell morphology starts.
  • the cost and time for screening the chemical substance can be reduced.
  • the morphological change concentration includes the concentration from the change in the morphology of the cell to the death of the cell.
  • the similarity between the chemical substances can be determined in a range of concentrations lower than the concentration that causes cell death of the cells. As compared with the case where the concentration is not limited to a range lower than the concentration that causes cell death, the cost and time for screening a chemical substance can be reduced.
  • obtaining the morphological change concentration involves comparing the amount of change in the characteristic amount with a threshold to obtain the morphological change concentration.
  • the morphological change concentration can be obtained by comparing the amount of change in the characteristic amount with the threshold, so that the morphological change concentration can be easily obtained. it can.
  • the different chemical substances include a known chemical substance and an unknown chemical substance, and include a known chemical substance and an unknown chemical substance. Is determined. With this configuration, the similarity between the known chemical substance and the unknown chemical substance can be determined, so that it is possible to determine which of the known chemical substances the unknown chemical substance is similar to.
  • control device 41 performs a process of analyzing a plurality of feature amounts by multivariate analysis in step S207 and step S211 instead of performing a process of analyzing a plurality of feature amounts by multivariate analysis in step S207 and step S211.
  • the external device is a device provided outside the control device 41. This external device may be provided in the lower casing 13 separately from the control device 41, or may be provided independently of the culture observation device 11.
  • the external device includes a processor that executes arithmetic processing of multivariate analysis, and a storage unit that stores analysis results of multivariate analysis.
  • step S205 determines whether each of the cells calculated by the feature amount calculation unit 44 in step S204. Are supplied to an external device.
  • step S212 the CPU 42 acquires a result of a process performed by the external device for analyzing a plurality of feature amounts by multivariate analysis, and supplies the result to the similarity determination unit 48.
  • the similarity determination unit 48 determines similarity between different chemical substances based on a result of a process performed by the external device to analyze a plurality of feature amounts by multivariate analysis.
  • the control device 41 may cause an external device to perform the processing of calculating and storing a plurality of feature amounts relating to the shape of the cell included in the microscope image from step S201 to step S205.
  • This external device may be the same device as the above-described external device, or may be a device different from the above-described external device.
  • the control device 41 causes the external device to perform the processing from step S201 to step S205, the control device 41 acquires a plurality of feature amounts calculated by the external device, and performs the processing from step S206.
  • the display unit 50 displays the similarity determination result between different chemical substances determined by the similarity determination unit 48. That is, the method of screening for a chemical substance of the present embodiment includes outputting the determined result.
  • control area and the cell death area are determined when the change area determination unit 47 determines the morphological change area in step S211
  • Information indicating the control area and information indicating the cell death area may be stored in the storage unit 43 in advance.
  • the change area determination unit 47 stores the information indicating the control area and the information indicating the cell death area from the storage unit 43.
  • the range of the concentration of the chemical substance excluding the acquired control area indicated by the information indicating the control area and the acquired cell death area may be determined to be the morphological change area.
  • the change area determination unit 47 determines the start concentration of the control area, the cell death area, and the form change area in order to determine the form change area, but is not limited thereto. .
  • the change area determination unit 47 may determine at least one of the control density, the cell death area, and the starting density of the morphological change area instead of determining the morphological change area. That is, the change area determination unit 47 may determine the concentration at which the change of the cell morphology starts based on the result analyzed by the multivariate analysis. In addition, the change area determination unit 47 may determine the concentration that causes the cell death of the preceding cell based on the result analyzed by the multivariate analysis.
  • the change area determining unit 47 may obtain the morphological change area without obtaining the control area and the cell death area. For example, the change area determination unit 47 may determine the density included in the upper limit and the lower limit of the distance as the form change area. The change area determination unit 47 may determine the concentration at which the change of the cell morphology starts and the concentration at which the change of the cell morphology ends, based on the result analyzed by the multivariate analysis. The change region determination unit 47 may determine a range of the concentration at which the change of the cell morphology starts to the concentration at which the change of the cell morphology ends, as the morphological change region.
  • the similarity determination unit 48 determines the control region, the cell death region, and the cell death in step S212.
  • the range of the concentration of the chemical substance may be limited based on at least one of the start concentration of the area and the shape change area, and the similarity between the chemical substances may be determined.
  • the similarity determination unit 48 may determine the similarity between chemical substances by comparing the range of the concentration of the chemical substance excluding the control region between the chemical substances added to the cells. In another example, the similarity determination unit 48 determines the similarity between chemical substances by comparing the range of the concentration of the chemical substance excluding the cell death region between the chemical substances added to the cells. May be. Further, in another example, the similarity determination unit 48 compares the range of the concentration of the chemical substance higher than the starting concentration of the morphological change region between the chemical substances added to the cells, and thereby the similarity between the chemical substances. Sex may be determined. The similarity determination unit 48 may determine the similarity between chemical substances in the control area. The similarity determination unit 48 may determine the similarity between chemical substances in the cell death region.
  • control area is determined based on a predetermined distance from the center of gravity between feature points for the lowest concentration of each chemical substance added to the cell, and the dead cell area is The case where the determination is made based on the predetermined distance from the center of gravity between the feature points for the highest concentration of each added chemical substance has been described, but the control area and the dead cell area are known chemical substances acquired in advance. May be determined using the above data.
  • the known chemical substances are Paclitaxel and Etoposide has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the known chemical may be any chemical that is present.
  • the known chemical may be PD-180970 or Doxorubicin, 5-Fluorouracil, Cytochalasin @ B, Latrunculin @ A, Vinblastine, and 17-AAG shown in FIGS.
  • the center of the control region when determining the control region, regarding the case where the center of the control region is the center of gravity between feature points for the lowest concentration among the concentrations of each chemical substance added to the cells
  • the center of the control region may be determined based on a change in cell morphology. That is, the center of the control area may be determined based on a change in the feature amount.
  • the center of the dead cell region is, for example, between the characteristic amount points for the highest concentration among the concentrations of each chemical substance added to the cell.
  • the center of the dead cell region may be determined, for example, based on the ratio of dead cells to live cells.
  • the center of the dead cell region is characterized by the concentration of a chemical substance at which the ratio of dead cells to live cells is equal to or higher than a predetermined ratio. Determined based on quantity points.
  • the similarity between different chemical substances is determined in the morphological change region has been described, but the present invention is not limited to this.
  • the similarity may be determined in the entire concentration range of the added chemical substance.
  • the similarity may be determined in a partial concentration range of the added chemical substance.
  • FIG. 15 is a block diagram showing an outline of the culture observation device 11a used in the present embodiment.
  • the control device 41a is different.
  • the functions of the other components are the same as those of the first embodiment.
  • the description of the same functions as those of the first embodiment will be omitted, and the second embodiment will be described focusing on portions different from the first embodiment.
  • the control device 41a has a CPU 42a and a storage unit 43.
  • the CPU 42a is a processor that executes various arithmetic processes of the control device 41a.
  • the CPU 42a is configured by an integrated circuit such as an LSI (Large Scale Integration), for example. Note that part or all of the CPU 42a may be configured as software. That is, the CPU 42a may be configured by combining hardware and software. Further, the CPU 42 functions as a feature amount calculating unit 44a, a coordinate calculating unit 45a, a time locus calculating unit 46a, a time locus quantifying unit 47a, and a similar chemical substance determining unit 48a by executing the program.
  • LSI Large Scale Integration
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating an example of an operation of analyzing a known chemical substance and analyzing an unknown chemical substance by the control device 41a used in the present embodiment.
  • Step S401 The control device 41a analyzes a known chemical substance.
  • the feature amount calculation unit 44a calculates a feature amount for each of the extracted images of the cells.
  • the feature amount calculation unit 44a calculates a feature amount for each microscope image corresponding to the elapsed time when the cell was imaged.
  • the types of the feature amounts calculated by the feature amount calculating unit 44a include a feature amount regarding the form of each cell and a feature amount regarding the form as a group of cells.
  • the types of the characteristic amounts for the morphology of each cell include about 55 types of indices such as cell area, length, width, ratio of length to width, and perimeter.
  • the characteristic amount of the morphology of the cell group as a group includes about 60 types of indices such as the spread of cells and the density of cells.
  • the coordinate calculation unit 45a generates a characteristic for each type of characteristic amount, type of chemical substance, concentration of chemical substance, and imaging time of the microscope image to be calculated, which are associated with the characteristic amount calculated by the characteristic amount calculation unit 44a.
  • the coordinates of the feature point in the quantity space are calculated.
  • the time trajectory calculation unit 46a may calculate the time trajectory and the density trajectory of the feature amount point from the feature amount point whose coordinates have been calculated by the coordinate calculation unit 45a.
  • the feature points for each concentration of the chemical substance added to the cells are connected using a line segment or a curve in the order of the imaging time of the microscope image. This is the trajectory obtained. That is, the time trajectory calculation unit 46a calculates a time trajectory that is a trajectory formed by arranging the characteristic amount points calculated by the characteristic amount calculation unit 44a in the order of the elapsed time when the cell was imaged.
  • the concentration trajectory is used to connect characteristic amount points of each characteristic time point in the characteristic amount space using a line segment or a curve in the order of the concentration of the chemical substance added to the cells, at the time of capturing the microscope image. This is the trajectory obtained.
  • FIG. 17 shows an example in which, for visualization, a feature point in a high-dimensional feature space is projected to a projected feature point on a feature plane by principal component analysis.
  • FIGS. 17 show an example in which a feature amount point in a high-dimensional feature amount space is projected to a projected feature amount point on a feature amount plane by principal component analysis.
  • FIG. 17, 18, 19, and 21 show an example in which the time trajectory calculating unit 46a calculates the time trajectory and the density trajectory of the feature point, but the time trajectory calculating unit 46a It is not necessary to calculate the time trajectory and the density trajectory. That is, in FIG. 17, FIG. 18, FIG. 19, and FIG. 21, the feature amount points do not need to be connected using a line segment or a curve.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the concentration locus on the high concentration side and the time locus at the 50% inhibitory concentration according to the present embodiment.
  • FIG. 17 shows a time trajectory when one type of a chemical substance having a 50% inhibitory concentration (IC50) is added to a certain cell. This time trajectory is shown on a two-dimensional plane (feature amount plane) using the axes PC1 and PC2 obtained as a result of the principal component analysis as coordinate axes. This time trajectory is composed of the plot IC50-t.
  • the subscript t of the plot IC 50-t indicates the imaging time of the microscope image in the order of time.
  • plot IC50-1 indicates the projected feature amount point corresponding to the density of the 50% inhibition density (IC50) with respect to the oldest imaging time.
  • a plot IC50-5 indicates a projected feature amount point corresponding to the concentration of the 50% inhibition concentration (IC50) with respect to the latest imaging time.
  • FIG. 17 shows high density plots PH1 to PH3, which are projection feature points corresponding to concentrations higher than the 50% inhibitory concentration (IC50).
  • the imaging time of the microscope image corresponding to the high density plot PH1 to the high density plot PH3 is the same imaging time as the imaging time of the microscope image corresponding to the plot IC 50-3.
  • the concentrations of the corresponding chemical substances increase in the order of the high concentration plot PH1, the high concentration plot PH2, and the high concentration plot PH3.
  • the plot IC50-3, the high concentration plot PH1, the high concentration plot PH2, and the high concentration plot PH3 are connected by the high concentration side line segment LH1 to the high concentration side line segment LH3 to form a concentration locus.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of the concentration locus on the low concentration side and the time locus at the 50% inhibitory concentration according to the present embodiment.
  • FIG. 18 in addition to the time trajectory (plot IC50-t) shown in FIG. 17, low concentration plots PL1 to PL3, which are plots corresponding to concentrations lower than the concentration of the 50% inhibitory concentration (IC50), are shown. It is shown.
  • the low concentration plot PL1 to the low concentration plot PL3 are shown on a two-dimensional plane (feature amount plane) using the axes PC1 and PC2 obtained as a result of the principal component analysis as coordinate axes.
  • the imaging times of the microscope images corresponding to the low density plots PL1 to PL3 are the same imaging times as the microscope images corresponding to the plot IC 50-3.
  • the concentrations of the corresponding chemical substances are lower in the order of the low concentration plot PL1, the low concentration plot PL2, and the low concentration plot PL3.
  • the imaging times of the microscope images corresponding to the plot IC50-1, the plot IC50-2, the plot IC50-4, and the plot IC50-5 for the low density plot PL1 to the low density plot PL3. are calculated (low-concentration plot PL1-t to low-concentration plot PL3-t).
  • the plot IC50-3, the low concentration plot PL1, the low concentration plot PL2, and the low concentration plot PL3 are connected by the low concentration side line segment LL1 to the low concentration side line segment LL3 to form a concentration locus.
  • Step S402 The time trajectory quantification unit 47a quantifies the feature amount points in the feature amount space calculated by the coordinate calculation unit 45a for each concentration of the chemical substance added to the cells. Further, the time trajectory quantifying unit 47a quantifies the feature amount points in the feature amount space calculated by the coordinate calculation unit 45a at each imaging time of the microscope image.
  • the quantification of the feature points for each concentration of the chemical substance added to the cells is, for example, calculation of the distance between the feature points at a 50% inhibitory concentration.
  • the quantification of the characteristic amount points for each imaging time of the microscope image is, for example, calculation of the sum of the distances between the characteristic amount points on the higher concentration side than the 50% inhibition concentration, and the characteristics on the lower concentration side than the 50% inhibition concentration. This is the calculation of the sum of the distances between the quantity points.
  • the calculation of the sum of the distances between the feature points on the higher concentration side than the 50% inhibitory concentration and the sum of the distances between the feature points on the lower concentration side below the 50% inhibition concentration are calculated for each microscope image capturing time.
  • the distance between the feature points is, for example, a Euclidean distance or a Mahalanobis distance.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of a time trajectory at a 50% inhibitory concentration of the first chemical substance according to the present embodiment. This time trajectory is shown on a two-dimensional plane (feature amount plane) using the axes PC1 and PC2 obtained as a result of the principal component analysis as coordinate axes.
  • the first chemical substance is, for example, Paclitaxel.
  • the time trajectory at the 50% inhibitory concentration of the first chemical substance is composed of five characteristic points of plots PT1 to PT5.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of a temporal change of the sum of the distances between the characteristic amount points on the low concentration side and the sum of the distances between the characteristic amount points on the high concentration side of the first chemical substance according to the present embodiment. is there.
  • the sum of the line segments on the low density side and the sum of the line segments on the high density side are shown with respect to the imaging time.
  • the time locus quantification unit 47a calculates the low-density side line sum SL1 and the high-density side line sum SH1 for each of the five times t1 to t5.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of a time trajectory at a 50% inhibitory concentration of the second chemical substance according to the present embodiment.
  • the time trajectory is shown on a two-dimensional plane (feature amount plane) having axes PC1 and PC2 obtained as a result of the principal component analysis as coordinate axes.
  • the second chemical substance is, for example, Etoposide.
  • the time trajectory at the 50% inhibitory concentration of the second chemical consists of five plots, plots ET1 to ET5.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a temporal change of the sum of the distances between the characteristic amount points on the low concentration side and the sum of the distances between the characteristic amount points on the high concentration side of the second chemical substance according to the present embodiment. is there.
  • the sum of the distances between the characteristic amount points on the low density side and the sum of the distances between the characteristic amount points on the high density side are shown with respect to the imaging time.
  • the time locus quantification unit 47a calculates the low-density side line sum SL2 and the high-density side line sum SH2 at each of the five times t1 to t5.
  • Step S403 The time trajectory quantification unit 47a registers the quantified data calculated in step S402 in the database.
  • the quantified data calculated in step S402 includes the sum of the distances between feature points at the 50% inhibitory concentration, the sum of the distances between feature points higher than the 50% inhibitory concentration, and the 50% inhibitory concentration This is the sum of the distances between the characteristic amount points on the lower density side.
  • the database is, for example, the storage unit 43.
  • Step S404 The control device 41a analyzes the unknown chemical substance in the same manner as performed for the known chemical substance in step S401. Specifically, the control device 41a plots the feature points of the unknown chemical substance in the feature space based on the distribution of the feature. Further, the control device 41 may calculate a time trajectory and a concentration trajectory obtained from the analysis result.
  • Step S405 The time trajectory quantifying unit 47a calculates the cell value of the feature point in the feature amount space calculated by the coordinate calculating unit 45a for the unknown chemical substance in the same manner as performed for the known chemical substance in step S402. Quantification of feature points for each concentration of the chemical substance added to.
  • Step S406 The similar chemical substance determination unit 48a determines which of the known chemical substances is most similar to the unknown chemical substance.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines that the unknown chemical substance includes a first chemical substance (Paclitaxel), which is a known chemical substance, and a second chemical substance (Etoposide), which is a known chemical substance.
  • a determination is made as to which of the two is most similar. That is, in the chemical substance screening method of the present embodiment, different chemical substances include a known chemical substance and an unknown chemical substance, and determine the similarity between the known chemical substance and the unknown chemical substance. .
  • the details of the operation of the unknown chemical substance determination by the similar chemical substance determination unit 48a will be described with reference to the flowchart in FIG.
  • FIG. 23 is a flowchart illustrating an example of an operation of determining an unknown chemical substance by the control device 41a according to the present embodiment.
  • Step S61 The similar chemical substance determination unit 48a compares the quantified data of the unknown chemical substance calculated in step S405 with the quantified data of the known chemical substance registered in the database in step S403. .
  • the similar chemical substance determination unit 48a performs comparison by calculating three indexes.
  • the three indices are the IC 50 distance, the low density side difference, and the high density side difference.
  • the IC50 distance is the distance between a feature point at a 50% inhibitory concentration for an unknown chemical substance and a feature point at a 50% inhibitory concentration for a known chemical substance in the feature space, and the imaging time of the microscope image is the same. This is calculated between the characteristic amount points.
  • the low-concentration-side difference PDL is the sum of the distances between feature points at a concentration lower than the 50% inhibitory concentration for an unknown chemical substance and the feature points at a concentration lower than the 50% inhibitory concentration for a known chemical substance. Is calculated at each imaging time of a microscope image.
  • the high-concentration difference PDH is the sum of the distance between feature points on the concentration side higher than the 50% inhibitory concentration for an unknown chemical substance and the characteristic on the higher concentration side of the concentration locus than the 50% inhibition concentration for a known chemical substance.
  • the difference from the sum of the distances between the quantity points is calculated at each imaging time of the microscope image.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating an example of a comparison between the unknown chemical substance and the first chemical substance according to the present embodiment.
  • the IC 50 distance PDI, the low density side difference PDL, and the high density side difference PDH are shown with respect to the imaging time.
  • the similar chemical substance determination unit 48a calculates the IC50 distance PDI, the low concentration side difference PDL, and the high concentration side difference PDH.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating an example of comparison between an unknown chemical substance and a second chemical substance according to the present embodiment.
  • FIG. 25 shows the IC50 distance EDI, the low-density difference EDL, and the high-density difference EDH with respect to the imaging time.
  • the similar chemical substance determination unit 48a calculates the IC50 distance EDI, the low concentration side difference EDL, and the high concentration side difference EDH.
  • Step S62 The similar chemical substance determining unit 48a selects the weighting of the three indexes calculated in step S61.
  • the similar chemical substance determination unit 48a selects a weight for each of the three indices. For example, when only one of the three indices is used for determining an unknown chemical substance, the similar chemical substance determination unit 48a sets the weight of this one index to 1 and the weight of the other two indices. Set to zero. When the average of the three indexes is used for the determination of the unknown chemical substance, the similar chemical substance determination unit 48a sets all the weights of the three indexes to 1.
  • the similar chemical substance determination unit 48a may arbitrarily select the weight of each of the three indexes.
  • Step S63 The similar chemical substance determination unit 48a determines the chemical substance most similar to the unknown chemical substance from the known chemical substances.
  • the similar chemical substance determination unit 48a performs a change in the magnitude of the feature amount at a predetermined concentration at each of a plurality of times based on the result analyzed by the multivariate analysis, and a case where the concentration is higher than the predetermined concentration.
  • Different chemistry based on the results obtained by weighting the change in the magnitude of the feature at each time and the change in the magnitude of the feature at each time when the density is lower than the predetermined density. Determine the similarity between the substances.
  • the similar chemical substance determination unit 48a calculates the square of the value for each of the three indices calculated in step S61 at each imaging time, and calculates the sum of the calculated square values.
  • the similar chemical substance determination unit 48a multiplies the calculated square value by the weight selected in step S62 for each of the three indices to calculate the sum.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines the chemical substance having the smallest calculated sum as the chemical substance most similar to the unknown chemical substance.
  • the similar chemical substance determining unit 48a may calculate a sum of powers other than the square or a sum of absolute values instead of the sum of the squares. In the examples shown in FIGS.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines the first chemical substance (Paclitaxel) among the first chemical substance (Paclitaxel) and the second chemical substance (Etoposide) as an unknown chemical substance. Is determined to be the most similar chemical substance.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines the similarity between different chemical substances based on the change in the characteristic amount with respect to the change in a plurality of imaging times after the chemical substance is added to the cells at the predetermined concentration. judge.
  • the predetermined concentration includes at least one of a 50% inhibitory concentration, a concentration higher than the 50% inhibitory concentration, and a concentration lower than the 50% inhibitory concentration.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines a change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at the 50% inhibitory concentration, a change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at a concentration higher than the 50% inhibitory concentration, and The similarity between different chemical substances is determined based on the result obtained by weighting the change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at a lower concentration than the change in the imaging time.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines the characteristic on the lower concentration side than the 50% inhibition concentration for the unknown chemical substance at each imaging time of the microscope image as the low concentration side difference PDL.
  • the similar chemical substance determination unit 48a calculates the sum of the distances between the characteristic amount points on the concentration side lower than the 50% inhibition concentration for the unknown chemical substance and the characteristic amount on the concentration side lower than the 50% inhibition concentration for the known chemical substance.
  • the ratio with the sum of the distances between the points may be calculated, or another known operation may be performed.
  • the similar chemical substance determination unit 48a calculates the sum of the distances between feature points on the concentration side higher than the 50% inhibition concentration for the unknown chemical substance and the sum of the distances between the characteristic amount points on the concentration side higher than the 50% inhibition concentration for the known chemical substance. Not only the sum and difference of the distance between the feature points, but also the sum of the distance between the feature points on the concentration side higher than the 50% inhibitory concentration for the unknown chemical substance and the concentration higher than the 50% inhibitory concentration for the known chemical substance.
  • the ratio with the sum of the distances between the characteristic amount points on the side may be calculated, or another known operation may be performed.
  • step S62 the similarity determination unit 48 may calculate, for example, the sum of the square values of each of the three indices.
  • step S63 the case where the similar chemical substance determination unit 48a determines in step S63 that the chemical substance having the smallest calculated sum is the chemical substance most similar to the unknown chemical substance has been described. Not limited to this.
  • the similar chemical substance determination unit 48a may determine that the chemical substance to be determined is not similar to the unknown chemical substance.
  • the time trajectory quantifying unit 47a quantifies the feature points in the feature space as the sum of the distances between the feature points on the higher concentration side than the 50% inhibition concentration. , And the calculation of the sum of the distances between the characteristic amount points on the lower concentration side than the 50% inhibition concentration has been described. However, the present invention is not limited thereto.
  • the time trajectory quantification unit 47a calculates the sum of the distances between the feature points on the higher concentration side than the 50% inhibition concentration and the lower than the 50% inhibition concentration as the quantification of the feature points in the feature space. At least one process of calculating the sum of the distances between the characteristic amount points on the density side may be performed.
  • the time trajectory quantifying unit 47a calculates the sum of the distances between the feature points on the higher concentration side than the 50% inhibition concentration and the 50% inhibition as the quantification of the feature points in the feature space.
  • the similar chemical substance determination unit 48a determines whether the unknown chemical substance is a known chemical substance based on at least one of the three indexes of the IC50 distance, the low concentration side difference, and the high concentration side difference. A determination is made as to whether or not it is most similar to.
  • the time trajectory quantifying unit 47a sets the sum of the distances between the characteristic amount points on the higher density side and / or the sum of the distances between the characteristic amount points on the lower density side with respect to the predetermined density. May be calculated, and the feature amount points may be quantified.
  • the time trajectory quantifying unit 47a has described an example in which the distance (IC50 distance) between the characteristic amount points at the 50% inhibitory concentration has been described, but the present invention is not limited thereto.
  • the time trajectory quantifying unit 47a may calculate the distance between the characteristic amount points at each imaging time of the microscope image for a concentration other than the 50% inhibitory concentration.
  • the chemical substance screening method provided by the control device 41a of the present embodiment is such that the microscope image is captured at a plurality of imaging times after the chemical substance is added to the cells, and at a predetermined concentration, The similarity between different chemical substances is determined based on a change in the feature amount with respect to a change in the imaging time.
  • the chemical substance screening method provided by the control device 41a of the present embodiment it is possible to determine a morphological change with respect to the time when the chemical substance is generated in the cell by inexpensive and quick analysis without fixing and staining the cell. It is possible to determine the similarity between chemical substances that cause a morphological change at a given concentration in cells by inexpensive and quick analysis without fixing and staining the cells, because they can be quantified when the concentration is Can be.
  • the predetermined concentration is at least a 50% inhibitory concentration, a concentration higher than the 50% inhibitory concentration, and a concentration lower than the 50% inhibitory concentration. Includes one concentration.
  • the concentration of the added chemical substance is at least one of a 50% inhibitory concentration, a concentration higher than the 50% inhibitory concentration, and a concentration lower than the 50% inhibitory concentration, the chemical substances that cause a morphological change are added to each other. Similarity can be determined.
  • the chemical substance screening method provided by the control device 41a of the present embodiment is characterized in that the characteristic amount changes with respect to the change of the imaging time at the 50% inhibitory concentration and the characteristic with respect to the change of the imaging time at the concentration higher than the 50% inhibitory concentration.
  • the similarity between different chemical substances is determined based on the results obtained by weighting the change in the amount and the change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at a concentration lower than the 50% inhibition concentration.
  • the change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at the 50% inhibitory concentration Similarity between chemical substances by weighting the change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at a concentration higher than the% inhibition concentration and the change in the characteristic amount with respect to the change in the imaging time at a concentration lower than the 50% inhibition concentration. Therefore, the accuracy of chemical substance screening can be increased as compared with the case where weighting is not performed.
  • the chemical substance screening method of the present invention is a non-destructive system, it is suitably used for time-lapse analysis, and the sample itself used for screening can be provided to another evaluation system, and the screening result can be obtained by another system. Can be evaluated from.
  • a program for executing each process of the culture observation device 11 and the culture observation device 11a in the embodiment of the present invention is recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium is stored in a computer system.
  • the various processes described above may be performed by reading and executing.
  • the “computer system” here may include an OS and hardware such as peripheral devices.
  • the “computer system” also includes a homepage providing environment (or a display environment) if a WWW system is used.
  • the “computer-readable recording medium” includes a writable nonvolatile memory such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, and a flash memory, a portable medium such as a CD-ROM, and a hard disk incorporated in a computer system. Storage device.
  • a “computer-readable recording medium” refers to a volatile memory (for example, a DRAM (Dynamic)) in a computer system that becomes a server or a client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line. Random (Access @ Memory)), which includes a program that is held for a certain period of time. Further, the above program may be transmitted from a computer system storing the program in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium.
  • a volatile memory for example, a DRAM (Dynamic)
  • Random Access @ Memory
  • the "transmission medium” for transmitting a program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line.
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Abstract

化学物質のスクリーニング方法は、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された複数の細胞群における細胞の顕微鏡画像に含まれる前記細胞の形態に関する複数の特徴量を取得することと、前記細胞の形状に関する複数の特徴量に基づいて、前記異なる化学物質同士の類似性を判定することと、を有する。

Description

化学物質のスクリーニング方法、プログラム、制御装置、及び培養観察装置
　本発明は、化学物質のスクリーニング方法、プログラム、制御装置、及び培養観察装置に関するものである。
　本願は、２０１８年１０月５日に、日本に出願された特願２０１８－１８９８１０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来、細胞を用いた化学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。
　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）。
しかしながら、従来の化学物質のスクリーニング方法では、コストと時間がかかってしまう。
Ｋｒａｕｓｚ、Ｍｏｌ．ＢｉｏＳｙｓｔ．、第３巻、第２３２～２４０頁、２００７年
　上記問題を解決するために、本発明の一態様は、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された複数の細胞群における細胞の顕微鏡画像に含まれる前記細胞の形態に関する複数の特徴量を取得することと、前記細胞の形状に関する複数の特徴量に基づいて、前記異なる化学物質同士の類似性を判定することと、を有する化学物質のスクリーニング方法である。
　上記問題を解決するために、本発明の一態様は、コンピュータに、上記の化学物質のスクリーニング方法に基づくステップを実行させるプログラムである。
　上記問題を解決するために、本発明の一態様は、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された複数の細胞群における細胞の顕微鏡画像に含まれる前記細胞の形態に関する複数の特徴量を算出する特徴量算出部と、前記細胞の形態に関する複数の特徴量に基づいて、前記異なる化学物質同士の類似性を判定する類似性判定部と、を備える制御装置である。
　上記問題を解決するために、本発明の一態様は、上記の制御装置を備える培養観察装置である。
本発明に用いられる培養観察装置の概要を示すブロック図である。 本発明に用いられる培養観察装置の正面図である。 本発明に用いられる培養観察装置の平面図である。 本発明に用いられるンキュベータでの観察動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の撮像装置が撮像する顕微鏡画像の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態の制御装置による化学物質のスクリーニングの動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の主成分分析により処理された特徴量点の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態の濃度軌跡の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るプロットのコントロール領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る化学物質ごとの形態変化領域の開始濃度の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るプロットの死細胞領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る化学物質ごとの形態変化領域の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置による化学物質同士の特徴量空間における特徴量点間の比較の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る制御装置による化学物質同士の特徴量空間における特徴量点間の比較の方法の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に用いられる培養観察装置１１ａの概要を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に用いられる制御装置による既知の化学物質の解析及び新規化学物質の解析の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る高濃度側の濃度軌跡及び５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る低濃度側の濃度軌跡及び５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第１の化学物質の５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第１の化学物質の低濃度側の線分の和と高濃度側の線分の和との時間変化の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第２の化学物質の５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る第２の化学物質の低濃度側の線分の和と高濃度側の線分の和との時間変化の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る制御装置による新規化学物質の判定の動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る新規化学物質と第１の化学物質との比較の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る新規化学物質と第２の化学物質との比較の一例を示す図である。
（第１実施形態）
　≪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は、細胞群に対して、この細胞群に含まれる各細胞に化学物質を添加する第１の工程と、化学物質を添加した細胞の形態変化を観察する第２の工程とが含まれる。ここで細胞群とは、複数の細胞を意味する。第１の工程においては、互いに異なる複数の濃度の化学物質を、細胞に添加する。第２の工程においては、濃度の差による細胞の形態変化の差を観察する。この第２の工程は、培養状態評価装置を用いて行われる。この培養状態評価装置は、培養観察装置に備えられている。培養状態評価装置とは、培養観察装置１１の制御装置４１である。
　以下、この培養観察装置について説明する。
　図１は、本発明に用いられる培養観察装置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培養観察装置の正面図および平面図である。
　本発明に用いられる培養観察装置１１は、上部ケーシング１２と下部ケーシング１３と、表示部５０とを有している。培養観察装置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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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２２３および撮像装置２２４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。
　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２２１が内蔵されている。スタンドアーム３２には照明リング絞りが設けられ、試料台３１に照射されるＬＥＤ光源２２１からの照明光の光強度分布を可変に調整できる。スタンドアーム３２は照明装置２２２として機能する。照明装置２２２と、顕微光学系２２３とは、位相差顕微鏡を構成する。顕微光学系２２３には、コンデンサレンズや対物レンズや位相板などが設けられ、公知の位相差顕微鏡の顕微光学系と同様に構成される。
　すなわち、ＬＥＤ光源２２１が照射する照明光は、スタンドアーム３２（照明装置２２２）に設けられた照明リング絞りによって絞られる。照明リング絞りによって絞られた照明光は、コンデンサレンズを通り、培養容器１９の細胞に到達する。培養容器１９の細胞に到達した照明光は、直接光と回折光とに分離する。ここで直接光とは、培養容器１９の細胞の内部を直進する照明光である。回折光とは、位相物体である細胞により回折した照明光である。回折現象は屈折率に違いのある部位において発生するので、回折光は細胞と培養容器１９内において細胞が浸される溶液との境界部分、細胞の内部構造部など、位相物体である細胞の形状の情報を含む。
　直接光と回折光とは、対物レンズを通り位相板に到達する。位相板は、４分の１波長板と、ＮＤフィルターとがリング状に形成されており、４分の１波長板及びＮＤフィルターと以外の部分は透明である。ここで４分の１波長板は、光の位相を４分の１波長分だけずらす。ＮＤフィルターは、光を吸収する。
　直接光は対物レンズによって集光され、位相板のリング状の４分の１波長板を通過するため位相が４分の１波長分だけずれる。また、４分の１波長板を通過する直接光は明るさが弱められる。一方、回折光は大部分が位相板の透明な部分を通過し、位相及び明るさは変化しない。
　直接光と回折光とは顕微光学系２２３の像面に到達して、明暗のコントラストがついた像を結ぶ。
　撮像装置２２４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２２３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。
　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。
　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。
　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。アーム部３７は、把持した培養容器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。
　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、培養観察装置１１の制御装置４１が収納されている。
　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培養観察装置１１の各部を統括的に制御する。
　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（培養状態評価装置）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。
　ここで、制御装置４１（培養状態評価装置）は、ＣＰＵ４２および記憶部４３を有している。ＣＰＵ４２は、制御装置４１（培養状態評価装置）の各種の演算処理を実行するプロセッサである。ＣＰＵ４２は、一例としてＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路で構成される。なお、ＣＰＵ４２の一部、または全部を、ソフトウェアとして構成してもよい。つまり、ＣＰＵ４２は、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて構成されてもよい。また、ＣＰＵ４２は、プログラムの実行によって、特徴量算出部４４、座標算出部４５、濃度軌跡算出部４６、変化領域判定部４７、及び類似性判定部４８としてそれぞれ機能する。なお、特徴量算出部４４、座標算出部４５、濃度軌跡算出部４６、変化領域判定部４７、及び類似性判定部４８の動作については後述する。
　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、既知の化学物質に関する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。
　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。
　表示部５０は、液晶ディスプレイなどを備えており、制御装置４１（培養状態評価装置）が出力する画像を表示する。表示部５０が表示する画像には、制御装置４１（培養状態評価装置）の濃度軌跡算出部４６が算出した軌跡の画像が含まれる。また、表示部５０が表示する画像には、制御装置４１（培養状態評価装置）の類似性判定部４８が判定した結果が含まれる。
　≪培養状態評価装置における観察動作の例≫
　次に、図４のフローチャートを参照しつつ、本発明に用いられる培養観察装置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。
　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（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）、ＣＰＵ４２はステップ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（ステップＳ１０１；ＮＯ）には、ＣＰＵ４２は次の観察スケジュールの時刻まで待機する。
　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。
　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２２１を点灯させて培養容器１９を照明するとともに、撮像装置２２４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。撮像装置２２４が撮像する顕微鏡画像の一例を図５に示す。
　図５は、撮像装置２２４が撮像する顕微鏡画像の一例を示す模式図である。この図５の一例においては、顕微鏡画像ＰＩＣには、細胞Ｃｅｌｌ１、細胞Ｃｅｌｌ２、細胞Ｃｅｌｌ３の画像が含まれている。この顕微鏡画像とは、位相差顕微鏡によって撮像される位相差画像である。この顕微鏡画像は、培養容器１９中に培養されている細胞の像を、この細胞を透過する光の細胞の部位ごとの位相差を光の明暗差に変換することによって示す。
　図４に戻り、撮像装置２２４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内の複数の観察地点を観察する場合、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、各々の観察地点でそれぞれ顕微鏡画像を撮像する。なお、ステップＳ１０３で取得された顕微鏡画像のデータは、制御装置４１（培養状態評価装置）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。
　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ステップＳ１０１に処理を戻す。以上で、図４のフローチャートの説明を終了する。
　≪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細胞の特徴量を算出する例を説明する。
　この一例において、培養状態評価装置には、１種類の細胞について、３種類の化学物質が、それぞれ８段階の濃度にされて添加された、２４個の培養容器１９が用意されている。つまり、この一例において、培養状態評価装置は、３種類の化学物質をスクリーニングする。３種類の化学物質のうち、１種類は作用機序などの性質が未知の化学物質（以下、未知の化学物質と称する）であり、２種類は作用機序などの性質が既知の化学物質（以下、既知の化学物質と称する）である。
　本実施形態において、化学物質のスクリーニングとは、複数の化学物質のなかから目的に適合する化学物質を選別することである。ここで目的に適合するとは、例えば、特定の薬効を示すことや、特定の毒性を示すことである。本実施形態においては、化学物質のスクリーニングの一例として、化学物質同士の類似性を判定することにより化学物質を選別する。ここで類似性の判定に用いられる化学物質には、一例として、未知の化学物質と、既知の化学物質とが含まれる。つまり、本実施形態における化学物質のスクリーニングでは、一例として、未知の化学物質と、既知の化学物質との類似性を判定することにより未知の化学物質を選別する。
　この培養状態評価処理において、制御装置４１（培養状態評価装置）は、多変量解析を用いて、細胞の形状に関する複数の特徴量の種類毎に座標軸を定めた空間において、顕微鏡画像から算出される特徴量を示す点を、細胞に添加された化学物質の濃度ごとに求める。ここで、特徴量とは、細胞の形状に関する特徴を示す量である。そして、制御装置４１（培養状態評価装置）は、細胞の形状に関する複数の特徴量の種類毎に座標軸を定めた空間において、特徴量を示す点からなるグラフを生成する。本実施形態の化学物質のスクリーニング方法は、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された細胞の顕微鏡画像に含まれる細胞の形状に関する複数の特徴量に基づいて、異なる化学物質同士の類似性を判定することを有する。
　≪計算モデルの生成処理の例≫
　以下、図６のフローチャートを参照しつつ、化学物質のスクリーニングの動作の一例を説明する。この図６の例では、細胞群を培養した培養容器１９を培養観察装置１１によって同一視野を同一の撮像条件でタイムラプス観察し、細胞群がタイムラプス観察によって撮像された複数の顕微鏡画像を予め用意する。以下においては、一例として、１種類の細胞について観察する場合について説明する。培養容器１９は、１種類の細胞について２４個用意される。培養容器１９内の細胞には、培養容器１９ごとに種類及び濃度がそれぞれ異なる化学物質が、添加されている。この図６の例では、１回のタイムラプス観察において、化学物質の種類及び濃度がそれぞれ異なる２４個の培養容器１９について、それぞれ１枚の顕微鏡画像が撮像される。なお、培養容器１９毎に撮像する顕微鏡画像の枚数は１枚に限られず、複数枚であってもよい。図６の例では、１回のタイムラプス観察において、２４枚の顕微鏡画像が撮像される。なお、図６の例において、撮像する顕微鏡画像の枚数は、培養容器１９の区画の数や、当該区画毎に設定される培養観察装置１１による観察ポイントの数（ＲＯＩの数）等に基づいて設定してもよい。
　つまり、顕微鏡画像とは、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された細胞の位相差画像である。また、細胞に添加される物質には複数の種類があり、顕微鏡画像とは、物質の種類ごとに撮像された画像である。顕微鏡画像は、物質が細胞に添加されてから経過した時間に基づく複数の時刻において撮像される。
　また、添加される化学物質の種類及び濃度がそれぞれ異なる培養容器１９を用いなくてもよく、化学物質の類似性の判定において再現性が得られる（確認できる）ように、添加される化学物質の種類及び／又は濃度が同様の培養容器１９を用いてもよい。また、なお、細胞に添加される物質は、異なる複数の種類や異なる複数の濃度の他、添加する条件を変化させて添加してもよい。
　この一例において、細胞とは、肺がん細胞、腎臓がん細胞、皮膚がん細胞、前立腺がん細胞、大腸がん、脳腫瘍のうち、いずれか１種類の細胞である。なお、本実施形態においては、細胞が１種類である場合の一例について説明するが、複数の種類の細胞が用いられて化学物質のスクリーニングが行われてもよい。複数の種類の細胞には、がん細胞だけでなく正常な細胞が含まれてもよい。
　また、この一例においては、化学物質とは、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌ、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅ、及び未知の化学物質Ｘの３種類の薬剤である。このＰａｃｌｉｔａｘｅｌは、細胞の微小管に結合して、脱重合を阻害する。Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅは、細胞のＤＮＡの複製を阻害する。化学物質Ｘは、化学物質のスクリーニングの対象である。つまり、この一例においては、未知の化学物質Ｘが、既知の化学物質であるＰａｃｌｉｔａｘｅｌとＥｔｏｐｏｓｉｄｅとのいずれと最も類似しているかが判定される。
　また、この一例において、化学物質の８段階の濃度は、各化学物質の５０％阻害濃度（ＩＣ５０）が濃度の中央値になるようにして、かつ隣接する濃度間の濃度の比が約３倍になるようにして定められる。ここで５０％阻害濃度（ＩＣ５０）とは、化学物質が添加された細胞群の半数の働きが阻害される化学物質の濃度である。
　また、図６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６の例において、１つの培養容器１９の顕微鏡画像が、９枚分（８ｈ、１６ｈ、２４ｈ、３２ｈ、４０ｈ、４８ｈ、５６ｈ、６４ｈ、及び７２ｈ）を１セットとして撮像される。つまり、顕微鏡画像は、化学物質が細胞に添加された後の複数の撮像時刻において撮像される。これら撮像された顕微鏡画像は、記憶部４３に予め記憶されている。以下、撮像時刻とは、タイムラプス観察の各回において顕微鏡画像が撮像された時刻を意味する。
　ステップＳ２０１：ＣＰＵ４２は、予め用意された顕微鏡画像のデータを記憶部４３から読み込む。この一例では、ＣＰＵ４２は、予め用意されている顕微鏡画像のすべてを処理対象として順次読み込む。
　ステップＳ２０２：ＣＰＵ４２は、ステップＳ２０１において読み込んだ顕微鏡画像のうちから、処理対象となる画像を指定する。この一例では、ＣＰＵ４２は、ステップＳ２０１において読み込んだ顕微鏡画像のすべてを処理対象として、１枚ずつ順次指定する。
　ステップＳ２０３：ＣＰＵ４２の特徴量算出部４４は、ステップＳ２０２において指定した処理対象の顕微鏡画像について、画像内に含まれる細胞の画像を抽出する。例えば、位相差顕微鏡で細胞を撮像すると、細胞膜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、特徴量算出部４４は、細胞膜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。これにより特徴量算出部４４は、顕微鏡画像から個々の細胞の画像を抽出することができる。なお、特徴量算出部４４が顕微鏡画像から個々の細胞の画像を抽出する方法は、上記のエッジ抽出手法を利用した方法以外の方法であってもよい。例えば、特徴量算出部４４は、公知のコーナー検出法を利用して顕微鏡画像から個々の細胞の画像を抽出してもよい。
　ステップＳ２０４：特徴量算出部４４は、ステップＳ２０３において抽出した各細胞の画像について、複数の特徴量をそれぞれ算出する。ここで複数の特徴量とは、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された細胞の顕微鏡画像に含まれる細胞の形状に関する複数の種類の特徴量である。細胞の形状に関する特徴量には、各細胞の形態についての特徴量、細胞群の集団としての形態についての特徴量、及び細胞群の集団としての形態についての特徴量の時間変化を示す特徴量が含まれる。
　各細胞の形態についての特徴量の種類には、細胞の面積、長さ、幅、長さと幅との比率、周囲長などの約５５種類の指標が含まれる。細胞群の集団としての形態についての特徴量には、細胞の分布の広がり、細胞の密集度などの約６０種類の指標が含まれる。ここで細胞の分布の広がりとは、一例として、細胞の位置の分散である。各細胞の位置の分散は、一例として、顕微鏡画像の所定の方向の各細胞の位置に基づいて算出される。細胞群の集団としての形態についての特徴量の時間変化を示す特徴量には、細胞の分布の広がりの時間についての変化率、細胞の密集度の時間についての変化率などの約６００種類の指標が含まれる。細胞群の集団としての形態についての特徴量の時間変化を示す特徴量は、細胞群の集団としての形態についての特徴量の時間変化を示す。ここで特徴量の時間変化とは、初回のタイムラプス観察における撮像時刻から、初回のタイムラプス観察より後の撮像時刻までの時間についての特徴量の時間変化である。
　ステップＳ２０５：ＣＰＵ４２は、ステップＳ２０４において特徴量算出部４４が算出した各細胞の特徴量を、記憶部４３に書き込む。このときＣＰＵ４２は、特徴量と、この特徴量の種類、化学物質の種類、化学物質の濃度、及び撮像時刻とを関連付けて、記憶部４３に特徴量を書き込む。
　ステップＳ２０６：ＣＰＵ４２は、ステップＳ２０１において記憶部４３から読み出したすべての顕微鏡画像について、特徴量の算出が終了したか否かを判定する。ＣＰＵ４２は、すべての顕微鏡画像について、特徴量の算出が終了したと判定した場合（ステップＳ２０６；ＹＥＳ）には、処理をステップＳ２０７に進める。ＣＰＵ４２は、特徴量の算出が終了していないと判定した場合（ステップＳ２０６；ＮＯ）には、処理をステップＳ２０２に戻す。
　ステップＳ２０７：ＣＰＵ４２の座標算出部４５は、ステップＳ２０５において記憶部４３に書き込まれた特徴量に基づいて、細胞の形状に関する複数の特徴量それぞれを示す値の組により指定される点の特徴量空間における座標を算出する。ここで、特徴量空間とは、細胞の形状に関する複数の特徴量の種類毎に座標軸を定めた空間である。特徴量空間は、細胞の形状に関する複数の特徴量の種類毎に座標軸を定めた空間であるため、一般には高次元の空間となる。特徴量空間の次元の数は、細胞の形状に関する複数の特徴量の種類の数に等しい。
　細胞の形状に関する複数の特徴量それぞれを示す値の組により指定される点とは、各細胞の形態についての特徴量それぞれの代表値と、細胞群の集団としての形態についての特徴量を示すそれぞれの値と、細胞群の集団としての形態についての特徴量の時間変化を示す特徴量示すそれぞれの値との組により指定される点である。
　ここで座標算出部４５は、座標を算出する際に、各細胞の形態についての特徴量については代表値を算出し、この代表値の座標を算出する。特徴量の代表値とは、一例として、各細胞の特徴量の平均値や中央値である。また、細胞群の集団としての形態についての特徴量の一つである細胞の分布の広がりには、各細胞の位置の分散が含まれる。
　以下では、特徴量空間における細胞の形状に関する複数の特徴量それぞれを示す値の組により指定される点を、特徴量点と呼ぶ。また、特徴量点からなるグラフを単にグラフと呼ぶ。
　座標算出部４５は、化学物質の種類、化学物質の濃度、及び撮像時刻が同じ顕微鏡画像ごとに、特徴量点の特徴量空間における座標を算出する。
　ここで、化学物質の種類には、上述したようにＰａｃｌｉｔａｘｅｌ、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅ、及び化学物質Ｘの３種類がある。また、化学物質の濃度には、ＩＣ５０が濃度の中央値になるようにして定められた８種類がある。また、算出対象の顕微鏡画像の撮像時刻には、８時間経過毎の時刻（８ｈ、１６ｈ、２４ｈ、３２ｈ、４０ｈ、４８ｈ、５６ｈ、６４ｈ、及び７２ｈ）の９種類がある。
　座標算出部４５は、特徴量点の座標を、記憶部４３に記憶させる。ここで特徴量点の特徴量空間における座標を算出するステップＳ２０７の処理は、多変量解析の一例である。つまり、座標算出部４５は、多変量解析により解析された結果を記憶部４３に記憶させる。
　ステップＳ２０８：ＣＰＵ４２の座標算出部４５は、ステップＳ２０７において特徴量空間における座標を算出した特徴量点について、主成分分析を行う。
　座標算出部４５は、公知の主成分分析により、各細胞から得られた高次元の特徴量を次元圧縮し、主成分の座標とする。
　特徴量点は、視覚化のために２次元や３次元の空間などの低次元の空間に射影されてよい。ここで視覚化とは、例えば、特徴量点をグラフにして表示することである。本実施形態では、一例として、座標算出部４５が特徴量点を、主成分分析の結果得られた軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２を座標軸とする２次元平面に射影する場合について説明する。以下、主成分分析の結果得られた軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２を座標軸とする２次元平面を、特徴量平面と呼ぶ。また、視覚化のために特徴量平面に射影された特徴量点を射影特徴量点と呼ぶ。
　図７は、主成分分析により処理された射影特徴量点の一例を示す図である。つまり、図７は、特徴量平面における射影特徴量点の一例を示す図である。この図７に示すグラフにおいて、軸ＰＣ１とは、特徴量空間において特徴量点のばらつきが最も大きくなる方向と平行な軸である。また、この図７に示すグラフにおいて、軸ＰＣ２とは、軸ＰＣ１に直交する方向のうち特徴量空間において特徴量点のばらつきが最も大きくなる方向と平行な軸である。図７には、ある細胞に３種類の化学物質、すなわち化学物質Ｃｈ１、化学物質Ｃｈ２、化学物質Ｃｈ３を添加した場合のグラフを示す。この一例では、化学物質Ｃｈ１とは、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌであり、化学物質Ｃｈ２とは、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅであり、化学物質Ｃｈ３とは、化学物質Ｘである。また、この図７に示すグラフにおいて、プロットＰ１－ｍは、化学物質Ｃｈ１が添加された細胞の射影特徴量点を示す。また、このプロットＰ１－ｍの添字ｍは、細胞に添加した化学物質の濃度を、低い方から高い方に順に示す。すなわち、プロットＰ１－１は、最も低い濃度の化学物質Ｃｈ１が添加された細胞の射影特徴量点を示す。また、プロットＰ１－８は、最も高い濃度の化学物質Ｃｈ１が添加された細胞の射影特徴量点を示す。
　本実施形態における特徴量には細胞群の集団としての形態についての特徴量の時間変化を示す特徴量が含まれているため、座標算出部４５は、特徴量の時間変化を含めて特徴量の中から主成分の軸（軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２）を決定している。これにより、座標算出部４５は、時間変化を含めた特徴量の情報を損なうことなく、多くの種類の特徴量を２軸の指標に要約することができる。すなわち、座標算出部４５によれば、化学物質を添加した後の細胞の形態変化を、その形態変化の特徴を際立たせつつ、視覚化することができる。
　図６に戻り、濃度軌跡算出部４６による濃度軌跡の算出について説明する。
　ステップＳ２０９：濃度軌跡算出部４６は、座標算出部４５が特徴量空間における座標を算出した特徴量点から、特徴量点の濃度軌跡を算出する。ここで濃度軌跡とは、特徴量点を、細胞に添加された化学物質の濃度の順に並べることにより得られる軌跡である。つまり、濃度軌跡算出部４６は、特徴量算出部４４が算出した特徴量点を、細胞に添加された物質の濃度の順に並べてできる軌跡を算出する。
　ここでは、濃度軌跡算出部４６が、特徴量点が主成分分析により２次元平面に射影された特徴量点から濃度軌跡を算出する場合について説明する。濃度軌跡の具体例について図８を参照し説明する。図８は、本実施形態の濃度軌跡の一例を示す図である。
　図８に示すように、濃度軌跡算出部４６は、最も低い濃度の化学物質Ｃｈ１が添加された細胞のプロットＰ１－１から、最も高い濃度の化学物質Ｃｈ１が添加された細胞のプロットＰ１－８までを、順に並べることにより、特徴量点の軌跡を算出する。より具体的には、濃度軌跡算出部４６は、プロットＰ１－１と、プロットＰ１－２とを線分Ｌ１によって接続する。また、濃度軌跡算出部４６は、プロットＰ１－２と、プロットＰ１－３とを線分Ｌ２によって接続する。さらに、濃度軌跡算出部４６は、プロットＰ１－３からプロットＰ１－８までを線分Ｌ３から線分Ｌ７によって順に接続する。
　ステップＳ２１０：表示部５０は、ステップＳ２０８及びステップＳ２０９において作成された軌跡をグラフとして表示する。この一例においては、表示部５０は、図８に示すグラフを表示する。
　なお、特徴量点を２次元や３次元の空間の低次元の空間に射影する処理や、軌跡をグラフとして表示する処理は視覚化のために行われる処理であり省略されてよい。つまり、ステップＳ２０８、ステップＳ２０９、及びステップＳ２１０の処理は省略されてもよい。　以降の処理においては、特徴量空間における特徴量点について処理が行われる。ただし、以降の処理は、特徴量平面などの低次元の空間に射影された射影特徴量点について行われてもよい。例えば、以降の処理は、図７において示した特徴量平面における射影特徴量点について行われてもよい。低次元の空間に射影された射影特徴量点について行われる場合であっても、低次元の空間に射影された射影特徴量点についての処理は、特徴量空間における特徴量点についての処理と同様である。
　≪変化領域の特定の例≫
　ステップＳ２１１：変化領域判定部４７は、形態変化領域を、細胞に添加された化学物質の濃度の変化に対する特徴量空間における特徴量点の変化の大きさに基づいて判定する。ここで形態変化領域とは、特徴量空間において、細胞に添加された化学物質の濃度の変化に対する特徴量点の変化の大きさが所定の値以上となる化学物質の濃度の範囲である。つまり、変化領域判定部４７は、形態変化領域を、細胞に添加された化学物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて判定する。
　ここで、特徴量点とは、特徴量空間における細胞の形状に関する複数の特徴量それぞれの代表値の組により指定される点であるから、特徴量点の変化は細胞の形態変化を示す。　また、細胞に添加された化学物質の濃度の変化に対する特徴量点の変化は、この化学物質の種類に応じて異なる。例えば、強い毒性をもつ化学物質が細胞に添加された場合、添加される化学物質の濃度を僅かに上げただけで細胞は死滅してしまい、その死滅への過程において化学物質の濃度の変化に対し特徴量は急激に変化する。特徴量が急激に変化した後（つまり、細胞が死滅した後）は、添加される化学物質の濃度を上げても細胞は死滅したままであり特徴量に変化はみられない。一方、細胞に作用する効果の小さい（例えば、毒性が弱い）化学物質が細胞に添加された場合、添加される化学物質の濃度をある程度まで上げないと特徴量に変化はみられない。
　本実施形態では、化学物質の濃度の範囲は、コントロール領域、形態変化領域、及び死細胞領域に分類される。
　コントロール領域とは、細胞に添加される化学物質の濃度を最も低い濃度から上げたときに、化学物質の濃度に対する特徴量の変化が小さい濃度の範囲である。コントロール領域では、化学物質の細胞に作用する効果は小さい。細胞に作用する効果の小さい化学物質では、コントロール領域の範囲が大きくなる。
　形態変化領域とは、細胞に添加される化学物質の濃度を上げていったときに、化学物質の濃度に対する特徴量の変化が大きくなる濃度の範囲である。形態変化領域では、化学物質の細胞に作用する効果は大きい。以下、形態変化領域に含まれる濃度を形態変化濃度ともいう。形態変化濃度は、細胞の形態が変化する濃度に対応する。
　死細胞領域とは、細胞に添加される化学物質の濃度を上げていったときに、細胞が死滅し化学物質の濃度に対する特徴量の変化が小さくなる濃度の範囲である。死細胞領域では細胞が死滅しているため、特徴量は小さくなり、そのため化学物質の濃度に対する特徴量の変化も小さくなる。また、添加する細胞に対して強い毒性をもつ化学物質では、死細胞領域の範囲が大きくなる。
　なお、本実施形態では、説明の便宜上、化学物質の濃度を、所定の濃度を単位として表す。例えば、濃度が１とは、所定の濃度の１倍の濃度であり、濃度が８とは、所定の濃度の８倍の濃度である。本実施形態では、細胞に添加される各化学物質の濃度の中で最も低い濃度は１であり、細胞に添加される各化学物質の濃度の中で最も高い濃度は８である。
　変化領域判定部４７は、細胞に添加される化学物質の濃度の範囲の中からコントロール領域及び細胞死領域を判定し、判定したコントロール領域及び細胞死領域を除いた化学物質の濃度の範囲を形態変化領域であると判定する。ここでは一例として、変化領域判定部４７は、形態変化領域を、細胞に添加された物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて判定する。図９から図１２を参照し、変化領域判定部４７の形態変化領域の判定の方法について説明する。
　図９は、本実施形態に係る特徴量点のコントロール領域中心からの距離と化学物質濃度との関係の一例を示す図である。ここで特徴量点のコントロール領域中心からの距離とは、特徴量空間における距離である。この距離は、特徴量点の座標と、コントロール領域中心の座標とに基づいて変化領域判定部４７により算出される。この距離の単位は無次元である。グラフＣｄ１は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅについて特徴量点のコントロール領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係を示すグラフである。グラフＣｄ２は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌについて特徴量点のコントロール領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係を示すグラフである。グラフＣｄ３は、化学物質Ｘについて特徴量点のコントロール領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係を示すグラフである。
　コントロール領域を判定するために、変化領域判定部４７は、まずコントロール領域の中心の座標を判定する。ここでコントロール領域の中心とは、一例として、細胞に添加される各化学物質の濃度の中で最も低い濃度に対する特徴量点間の重心である。例えば、コントロール領域の中心は、濃度が１のＥｔｏｐｏｓｉｄｅに対する特徴量点と、濃度が１のＰａｃｌｉｔａｘｅｌに対する特徴量点と、濃度が１の化学物質Ｘに対する特徴量点との重心である。
　変化領域判定部４７は、特徴量空間において、各化学物質に対する特徴量点のコントロール領域の中心からの距離が、コントロール距離より小さい特徴量点を、特徴量点の座標と、コントロール領域の中心の座標に基づいて判定する。ここで、コントロール距離は、各化学物質に共通して予め決められた距離である。例えば、変化領域判定部４７は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅに対する特徴量点のコントロール領域の中心からの距離が、コントロール距離より小さい特徴量点を判定する。例えば、変化領域判定部４７は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌに対する特徴量点のコントロール領域の中心からの距離が、コントロール距離より小さい特徴量点を判定する。例えば、変化領域判定部４７は、化学物質Ｘに対する特徴量点のコントロール領域の中心からの距離が、コントロール距離より小さい特徴量点を判定する。コントロール距離を示す情報は、記憶部４３に記憶される。
　なお、コントロール距離は、化学物質ごとに予め決められてもよい。
　なお、コントロール距離は、細胞に添加される各化学物質の最も低い濃度（１の濃度）に対する特徴量点の特徴量空間における座標に基づいて決められる距離が用いられてもよい。例えば、コントロール距離は、細胞に添加される各化学物質の最も低い濃度（１の濃度）に対する特徴量点とコントロール中心との距離それぞれが、コントロール距離以下となるように決定される。また、コントロール距離は、細胞の形態変化に則して決められる距離が用いられてもよい。コントロール距離として、細胞の形態変化に則して決められる距離が用いられる場合、コントロール距離を大きくすればするほど、コントロール領域に含まれる濃度に対する細胞の形態変化は大きくなる。
　本実施形態において距離とは、一例として、ユークリッド距離やマハラビノス距離である。
　変化領域判定部４７は、判定した特徴量点に対応する化学物質の濃度をコントロール領域に含まれる濃度であると判定する。変化領域判定部４７は、判定した濃度に基づいてコントロール領域を判定する。
　変化領域判定部４７は、グラフＣｄ１から、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅについて化学物質濃度が１及び２に対する特徴量点がコントロール領域の中心からの距離が、コントロール距離より小さいと特徴量点の座標と、コントロール領域の中心の座標に基づいて判定する。したがって、変化領域判定部４７は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅのコントロール領域が濃度１及び２であると判定する。変化領域判定部４７は、グラフＣｄ２から、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌについて化学物質濃度が１、２、３、４及び５に対する特徴量点がコントロール領域の中心からの距離が、コントロール半径より小さいと特徴量点の座標と、コントロール領域の中心の座標に基づいて判定する。したがって、変化領域判定部４７は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌのコントロール領域が濃度１、２、３、４及び５であると判定する。変化領域判定部４７は、グラフＣｄ３から、化学物質Ｘについて化学物質濃度が１、２、３、４、５、６及び７に対する特徴量点のコントロール領域の中心からの距離が、コントロール半径より小さいと特徴量点の座標と、コントロール領域の中心の座標に基づいて判定する。したがって、変化領域判定部４７は、化学物質Ｘのコントロール領域が濃度１、２、３、４、５、６及び７であると判定する。
　図１０は、本実施形態に係る化学物質ごとの形態変化領域の開始濃度の一例を示す図である。形態変化領域の開始濃度とは、細胞の形状に関する複数の種類の特徴量が所定の量だけ変化し始めた化学物質の濃度である。ここで所定の量とは、コントロール距離に対応する化学物質の濃度の範囲において、細胞の形状に関する複数の種類の特徴量が変化する量である。例えば、形態変化領域の開始濃度とは、形態変化領域に含まれる濃度のうち最も低い濃度である。変化領域判定部４７は、コントロール領域の中において最も高い化学物質濃度の次に高い濃度を形態変化領域の開始濃度であると判定する。例えば、変化領域判定部４７は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅの形態変化領域開始濃度を３であると判定する。変化領域判定部４７は、Ｃｙｔｏｃｈａｌａｓｉｎ　Ｂの形態変化領域の開始濃度を７であると判定する。変化領域判定部４７は、化学物質Ｘの形態変化領域の開始濃度を８であると判定する。
　このように、変化領域判定部４７は、コントロール領域に基づいて形態変化領域の開始濃度を求める。ここでコントロール領域は、図９において説明したように、細胞に添加される化学物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて求められる。したがって、変化領域判定部４７は、細胞に添加される化学物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて形態変化濃度を求める。さらに、図９において説明したように、形態変化濃度を求めることは、特徴量の変化量と閾値とを比較して形態変化濃度を求める。
　Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅ、Ｄｏｘｏｒｕｂｉｃｉｎ、Ｌａｔｒｕｎｃｕｌｉｎ　Ａ、Ｖｉｎｂｌａｓｔｉｎｅ、及び１７－ＡＧＧは、他の化学物質に比べて形態変化領域の開始濃度が低いことがわかる。５－Ｆｌｕｏｒｏｕｒａｃｉｌ、Ｃｙｔｏｃｈａｌａｓｉｎ　Ｂ、及びＰａｃｌｉｔａｘｅｌは、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅ、Ｄｏｘｏｒｕｂｉｃｉｎ、Ｌａｔｒｕｎｃｕｌｉｎ　Ａ、Ｖｉｎｂｌａｓｔｉｎｅ、及び１７－ＡＧＧに比べて形態変化領域の開始濃度が高いことがわかる。化学物質Ｘは、他の化学物質に比べて形態変化領域の開始濃度が高いことがわかる。
　図１１は、本実施形態に係る特徴量点の死細胞領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係の一例を示す図である。ここで特徴量点の死細胞領域の中心からの距離とは、特徴量空間における距離である。この距離は、特徴量点の座標と、死細胞領域の中心の座標とに基づいて変化領域判定部４７により算出される。グラフＤｄ１は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅについて特徴量点の死細胞領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係を示すグラフである。グラフＤｄ２は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌについて特徴量点の死細胞領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係を示すグラフである。グラフＤｄ３は、化学物質Ｘについて特徴量点の死細胞領域の中心からの距離と化学物質濃度との関係を示すグラフである。
　変化領域判定部４７は、特徴量空間において、各化学物質に対する特徴量点の死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さい特徴量点を死細胞領域に含まれる特徴量点であると判定する。ここで死細胞領域の中心とは、例えば、細胞に添加される各化学物質の濃度の中で最も高い濃度に対する特徴量点間の重心である。死細胞領域の中心は、例えば、濃度が８のＥｔｏｐｏｓｉｄｅに対する特徴量点と、濃度が８のＰａｃｌｉｔａｘｅｌに対する特徴量点と、濃度が８の化学物質Ｘに対する特徴量点との重心である。死細胞距離とは、化学物質に共通して予め決められた距離である。例えば、変化領域判定部４７は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅに対する特徴量点の死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さい特徴量点を判定する。例えば、変化領域判定部４７は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌに対する特徴量点の死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さい特徴量点を判定する。例えば、変化領域判定部４７は、化学物質Ｘに対する特徴量点の死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さい特徴量点を判定する。死細胞距離を示す情報は、記憶部４３に記憶される。
　なお、死細胞距離は、化学物質ごとに予め決められてもよい。
　なお、死細胞距離は、細胞に添加される各化学物質の最も高い濃度（８の濃度）に対する特徴量点の特徴量空間における座標に基づいて決められる距離が用いられてもよい。また、死細胞距離は、細胞の形態変化に則して決められる距離が用いられてもよい。死細胞距離として、細胞の形態変化に則して決められる距離が用いられる場合、死細胞距離を大きくすればするほど、死細胞領域に含まれる濃度に対する細胞の形態変化は大きくなる。
　変化領域判定部４７は、グラフＤｄ１から、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅについて化学物質濃度が７及び８に対する特徴量点が死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さいと特徴量プロットの座標と、死細胞領域の中心の座標に基づいて判定する。したがって、変化領域判定部４７は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅの死細胞領域が濃度７及び８であると判定する。変化領域判定部４７は、グラフＤｄ２から、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌについて化学物質濃度が６、７及び８に対する特徴量点が死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さいと特徴量点の座標と、死細胞領域の中心の座標に基づいて判定する。したがって、変化領域判定部４７は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌの死細胞領域が濃度６、７及び８であると判定する。変化領域判定部４７は、グラフＤｄ３から、化学物質Ｘについて特徴量点が死細胞領域の中心からの距離が、死細胞距離より小さい化学物質濃度はないと特徴量点の座標と、死細胞領域の中心の座標に基づいて判定する。したがって、変化領域判定部４７は、化学物質Ｘの死細胞領域はないと判定する。
　図１２は、本実施形態に係る化学物質ごとの死細胞領域の一例を示す図である。変化領域判定部４７は、各化学物質について、形態変化領域の開始濃度より高い濃度の範囲から死細胞領域を除いた濃度の範囲を形態変化領域と判定する。つまり、変化領域判定部４７は、形態変化領域の開始濃度より高い濃度の範囲から、細胞の形状に関する複数の種類の特徴量の変化が所定の量以下となる濃度の範囲を除いた範囲を形態変化領域と判定する。例えば、変化領域判定部４７は、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅについて、形態変化領域の開始濃度３より高い濃度の範囲から死細胞領域である濃度７及び８の範囲を除いた領域を形態変化領域と判定する。例えば、変化領域判定部４７は、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌについて、形態変化領域の開始濃度である濃度６より高い濃度の範囲から死細胞領域である濃度６、７及び８の濃度の範囲を除くと濃度の範囲は残らないため、形態変化領域は存在しないと判定する。変化領域判定部４７は、化学物質Ｘについて、死細胞領域は存在しないため、形態変化領域の開始濃度より高い濃度の範囲である８の濃度の範囲を形態変化領域と判定する。
　このように、形態変化濃度は、細胞の形態が変化してから細胞が細胞死するまでの濃度を含む。
　また、このように、変化領域判定部４７は、死細胞領域に基づいて形態変化領域を求める。ここで死細胞領域は、図１１において説明したように、細胞に添加される化学物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて求められる。したがって、変化領域判定部４７は、細胞に添加される化学物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて形態変化濃度を求める。さらに、図９において説明したように、形態変化濃度を求めることは、特徴量の変化量と閾値とを比較して形態変化濃度を求める。
　再び、図６に戻り化学物質のスクリーニングの動作の説明を続ける。
　ステップＳ２１２：類似性判定部４８は、ステップＳ２１１において変化領域判定部４７により判定された形態変化領域を、細胞に添加された化学物質の間において比較することにより、化学物質同士の類似性を判定する。つまり、類似性判定部４８は、異なる特徴量の内、細胞の形態が変化する形態変化濃度に対応する特徴量を異なる化学物質同士で比較して、化学物質同士の類似性を判定する。したがって、類似性判定部４８は、ステップＳ２０７及びステップＳ２１１の多変量解析により解析された結果が示す濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて化学物質同士の類似性を判定する。つまり、類似性判定部４８は、複数の特徴量が多変量解析により解析された結果に基づいて化学物質同士の類似性を判定する。
　ここで化学物質同士の類似性とは、化学物質が細胞に添加されたときに、化学物質が変化させる細胞の形状の特徴量の種類や変化の大きさが、化学物質同士において類似していることである。本実施形態において化学物質同士の類似性を判定することで、化学物質同士の作用機序などの性質の類似性を判定できる。すなわち、既知の化学物質に対する未知の化学物質の作用機序などの性質の類似性が判定できるため、効率的に化学物質のスクリーニングを行うことができる。
　ここで図１３を参照し図１２におけるステップＳ２１２において類似性判定部４８が化学物質同士の類似性を判定する処理の詳細について説明する。
　図１３は、本実施形態に係る制御装置による化学物質同士の特徴量空間における特徴量点間の比較の動作の一例を示すフローチャートである。
　ステップＳ３０１：類似性判定部４８は、類似性を判定する対象の化学物質の特徴量空間における特徴量点について、一方の形態変化領域に含まれる特徴量点のそれぞれについて、他方の形態変化領域に含まれる特徴量点のうち最も近い距離にある特徴量点を特徴量点の座標に基づいて探索する。
　ここでステップＳ３０１の類似性判定部４８の動作について図１４を参照し説明する。　図１４は、本実施形態に係る制御装置による化学物質同士の特徴量空間における特徴量点間の比較の方法の一例を示す図である。類似性判定部４８の処理は高次元の特徴量空間における特徴量点について行われる。ただし、図１４では、視覚化のために主成分分析の結果得られた特徴量平面に、化学物質Ａ、化学物質Ｂ、及び化学物質Ｘについての射影特徴量点が示されている。つまり、図１４に示す特徴量平面は、特徴量空間のある平面が抜き出された平面であり、図１４に示す射影特徴量点は、特徴量空間における特徴量点がこの平面に射影された点である。
　図１４に示す例では、類似性判定部４８は、化学物質Ｘについて、化学物質Ａとの類似性、及び化学物質Ｂとの類似性を判定する。
　化学物質Ａについての形態変化領域ＣｈＡは、プロットＰＡ－１～プロットＰＡ－５からなる。化学物質Ｂについての形態変化領域ＣｈＢは、プロットＰＢ－１～プロットＰＢ－５からなる。化学物質Ｘについての形態変化領域ＣｈＸは、プロットＰＸ－１～プロットＰＸ－３からなる。
　類似性判定部４８は、形態変化領域ＣｈＸに含まれるプロットＰＸ－１からの距離が最も近い特徴量点を、形態変化領域ＣｈＡに含まれるプロットＰＡ－１～プロットＰＡ－５の中から探索する。類似性判定部４８は、プロットＰＸ－１からの距離が距離ｄ１であるプロットＰＡ－３を、プロットＰＸ－１からの距離が最も近い特徴量点であると特徴量点の座標に基づいて判定する。同様に、類似性判定部４８は、プロットＰＸ－２からの距離が距離ｄ２であるプロットＰＡ－４を、プロットＰＸ－２からの距離が最も近い特徴量点であると特徴量点の座標に基づいて判定する。類似性判定部４８は、プロットＰＸ－３からの距離が距離ｄ３であるプロットＰＡ－５を、プロットＰＸ－３からの距離が最も近い特徴量点であると特徴量点の座標に基づいて判定する。
　ただし、形態変化領域に含まれる特徴量点に対応する化学物質の濃度と、この特徴量点からの距離が最も近いと判定される特徴量点に対応する化学物質の濃度とは同じであるとは限らない。例えば、プロットＰＸ－１に対応する化学物質の濃度と、プロットＰＡ－３に対応する化学物質の濃度とは同じであるとは限らない。
　類似性判定部４８は、形態変化領域ＣｈＸに含まれるプロットＰＸ－１からの距離が最も近い特徴量点を、形態変化領域ＣｈＢに含まれるプロットＰＢ－１～プロットＰＢ－５の中から探索する。類似性判定部４８は、プロットＰＸ－１からの距離が距離ｄ４であるプロットＰＢ－２を、プロットＰＸ－１からの距離が最も近い特徴量点であると特徴量点の座標に基づいて判定する。同様に、類似性判定部４８は、プロットＰＸ－２からの距離が距離ｄ５であるプロットＰＢ－３を、プロットＰＸ－２からの距離が最も近い特徴量点であると特徴量点の座標に基づいて判定する。類似性判定部４８は、プロットＰＸ－３からの距離が距離ｄ６であるプロットＰＢ－３を、プロットＰＸ－３からの距離が最も近い特徴量点であると特徴量点の座標に基づいて判定する。
　図１３に戻り、制御装置による化学物質同士の特徴量平面における特徴量点間の比較の動作の説明を続ける。
　ステップＳ３０２：類似性判定部４８は、化学物質Ｘの形態変化領域の特徴量点と、ステップＳ３０１において判定した化学物質Ａの形態変化領域の最も近い特徴量点とのそれぞれの距離の平均を特徴量点の座標に基づいて算出する。類似性判定部４８は、例えば、形態変化領域ＣｈＸと形態変化領域ＣｈＡとに対して、距離ｄ１、距離ｄ２、及び距離ｄ３の３つの距離の平均を特徴量点の座標に基づいて算出する。
　一方、類似性判定部４８は、化学物質Ｘの形態変化領域の特徴量点と、ステップＳ３０１において判定した化学物質Ｂの形態変化領域の最も近い特徴量点とのそれぞれの距離の平均を特徴量点の座標に基づいて算出する。類似性判定部４８は、例えば、形態変化領域ＣｈＸと形態変化領域ＣｈＢとに対して、距離ｄ４、距離ｄ５、及び距離ｄ６の３つの距離の平均を特徴量点の座標に基づいて算出する。
　ステップＳ３０３：類似性判定部４８は、類似性の判定対象である化学物質のなかから、未知の化学物質Ｘに最も類似する既知の化学物質を判定する。類似性判定部４８は、ステップＳ３０２において算出した形態変化領域の特徴量点間の距離の平均が最も小さい化学物質を、未知の化学物質Ｘに最も類似する既知の化学物質であると判定する。
　図１４に示す例においては、類似性判定部４８は、形態変化領域ＣｈＡをもつ化学物質Ａを、化学物質Ｘに最も類似する既知の化学物質であると判定する。
　制御装置４１は、判定結果に基づいて、細胞に生じさせる形態変化について、未知の化学物質Ｘを分類することができる。
　なお、本実施形態では、制御装置４１は、未知の化学物質Ｘと既知の化学物質との類似性を判定する場合について説明したが、これに限らない。制御装置４１は、既知の化学物質間において類似性を判定してもよい。
　≪まとめ≫
　以上説明したように、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法は、異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された細胞の顕微鏡画像に含まれる細胞の形状に関する複数の特徴量に基づいて、異なる化学物質同士の類似性を判定することと、判定した結果を出力することとを有する。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞の形状に関する複数の特徴量に基づいて異なる化学物質同士の類似性を判定できるため、化学物質のスクリーニングにおけるコストと時間を削減することができる。　本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、化学物質同士の類似性を判定することで、化学物質同士の作用機序などの性質の類似性を判定できる。すなわち、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、既知の化学物質に対する未知の化学物質の作用機序などの性質の類似性が判定できるため、効率的に化学物質のスクリーニングを行うことができる。
　また、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、複数の特徴量が多変量解析により解析された結果に基づいて化学物質同士の類似性を判定する。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、複数の特徴量が多変量解析により解析された結果に基づいて化学物質同士の類似性を判定することができるため、多変量解析により解析された結果に基づいて化学物質同士の類似性を判定しない場合に比べて化学物質のスクリーニングの精度を高くすることができる。
　また、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、異なる化学物質同士の類似性を判定することは、異なる特徴量の内、細胞の形態が変化する形態変化濃度に対応する特徴量を異なる化学物質同士で比較して、異なる化学物質同士の類似性を判定する。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、化学物質が細胞に生じさせる形態変化が大きい化学物質の濃度の範囲に限定して化学物質同士の類似性を判定できるため、化学物質が細胞に生じさせる形態変化が大きい化学物質の濃度の範囲に限定せずに化学物質同士の類似性を判定する場合に比べて、化学物質のスクリーニングにおけるコストと時間を削減することができる。
　また、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞に添加される化学物質の濃度の変化に対する特徴量の変化に基づいて形態変化濃度を求めることを有する。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞の形態の変化が開始される濃度より高い濃度の範囲に限定して化学物質同士の類似性を判定できるため、細胞の形態の変化が開始される濃度より高い濃度の範囲に限定しない場合に比べ、化学物質のスクリーニングにおけるコストと時間を削減することができる。
　また、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、形態変化濃度は、細胞の形態が変化してから細胞が細胞死するまでの濃度を含む。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞の細胞死を生じさせる濃度より低い濃度の範囲に限定して化学物質同士の類似性を判定できるため、細胞の細胞死を生じさせる濃度より低い濃度の範囲に限定しない場合に比べ、化学物質のスクリーニングにおけるコストと時間を削減することができる。
　本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、形態変化濃度を求めることは、特徴量の変化量と閾値とを比較して形態変化濃度を求める。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、形態変化濃度は特徴量の変化量と閾値とを比較して求められるため、形態変化濃度を簡便に求めることができる。
　また、本実施形態の制御装置４１が提供する化学物質のスクリーニング方法では、異なる化学物質は、既知の化学物質と、未知の化学物質とが含まれ、既知の化学物質と、未知の化学物質との類似性を判定する。
　この構成により、既知の化学物質と、未知の化学物質との類似性を判定できるため、未知の化学物質が既知の化学物質のいずれと類似しているかを判定することができる。
　なお、制御装置４１は、ステップＳ２０７及びステップＳ２１１での複数の特徴量を多変量解析により解析する処理を行う代わりに、ステップＳ２０７及びステップＳ２１１での複数の特徴量を多変量解析により解析する処理を外部装置に行わせてもよい。ここで外部装置とは、制御装置４１の外部に設けられた装置である。この外部装置は、制御装置４１とは別に下部ケーシング１３に設けられてもよいし、培養観察装置１１とは独立して設けられてもよい。この外部装置は、多変量解析の演算処理を実行するプロセッサ、及び多変量解析の解析結果を記憶する記憶部を備える。
　制御装置４１がステップＳ２０７及びステップＳ２１１での複数の特徴量を多変量解析により解析する処理を外部装置に行わせる場合、ステップＳ２０５においてＣＰＵ４２は、ステップＳ２０４において特徴量算出部４４が算出した各細胞の特徴量を、外部装置に供給する。ステップＳ２１２では、ＣＰＵ４２は、外部装置が行った複数の特徴量を多変量解析により解析する処理の結果を取得し、類似性判定部４８に供給する。類似性判定部４８は、外部装置が行った複数の特徴量を多変量解析により解析する処理の結果に基づいて、異なる化学物質同士の類似性を判定する。
　また、制御装置４１は、ステップＳ２０１からステップＳ２０５までの、顕微鏡画像に含まれる細胞の形状に関する複数の特徴量を算出し記憶させる処理を、外部装置に行わせてもよい。この外部装置は、上述の外部装置と同じ装置であってもよいし、上述の外部装置とは別の装置であってもよい。制御装置４１がステップＳ２０１からステップＳ２０５までの処理を外部装置に行わせる場合、制御装置４１は、外部装置が算出した複数の特徴量を取得し、ステップＳ２０６以降の処理を行う。
　表示部５０は、類似性判定部４８が判定した異なる化学物質同士の類似性の判定結果を表示する。つまり、本実施形態の化学物質のスクリーニング方法は、判定した結果を出力することとを有する。
　なお、本実施形態においては、ステップＳ２１１において変化領域判定部４７が形態変化領域を判定する際に、コントロール領域及び細胞死領域を判定する場合について説明したが、これに限らない。コントロール領域を示す情報、及び細胞死領域を示す情報が、予め記憶部４３に記憶されていてもよい。コントロール領域を示す情報、及び細胞死領域を示す情報が予め記憶部４３に記憶されている場合、変化領域判定部４７は、記憶部４３からコントロール領域を示す情報、及び細胞死領域を示す情報を取得し、取得したコントロール領域を示す情報が示すコントロール領域、及び取得した細胞死領域を示す情報が示す細胞死領域を除いた化学物質の濃度の範囲を形態変化領域であると判定してよい。
　また、本実施形態においては、ステップＳ２１１において変化領域判定部４７は、形態変化領域を判定するために、コントロール領域、細胞死領域、及び形態変化領域の開始濃度を判定したが、これに限らない。ステップＳ２１１において変化領域判定部４７は、形態変化領域を判定する代わりに、コントロール領域、細胞死領域、及び形態変化領域の開始濃度のうち少なくも１つを判定してもよい。つまり、変化領域判定部４７は、多変量解析により解析された結果に基づいて、細胞の形態の変化が開始される濃度を判定してもよい。また、変化領域判定部４７は、多変量解析により解析された結果に基づいて、前細胞の細胞死を生じさせる濃度を判定してもよい。
　また、変化領域判定部４７は、コントロール領域及び細胞死領域を求めずに、形態変化領域を求めてもよい。例えば、変化領域判定部４７は、距離の上限と下限に含まれる濃度を形態変化領域と判定してもよい。変化領域判定部４７は、多変量解析により解析された結果に基づいて、細胞の形態の変化が開始される濃度、及び細胞の形態の変化が終了する濃度を判定してもよい。変化領域判定部４７は、判定した細胞の形態の変化が開始される濃度から細胞の形態の変化が終了する濃度の範囲を、形態変化領域と判定してよい。
　ステップＳ２１１において変化領域判定部４７が、コントロール領域、細胞死領域、及び形態変化領域の開始濃度のうち少なくも１つを判定する場合、ステップＳ２１２において類似性判定部４８は、コントロール領域、細胞死領域、及び形態変化領域の開始濃度のうち少なくも１つに基づいて、化学物質の濃度の範囲を限定し、化学物質同士の類似性を判定してもよい。
　例えば、類似性判定部４８は、コントロール領域を除いた化学物質の濃度の範囲を、細胞に添加された化学物質の間において比較することにより、化学物質同士の類似性を判定してよい。別の一例では、類似性判定部４８は、細胞死領域を除いた化学物質の濃度の範囲を、細胞に添加された化学物質の間において比較することにより、化学物質同士の類似性を判定してよい。また、別の一例では、類似性判定部４８は、形態変化領域の開始濃度より高い化学物質の濃度の範囲を、細胞に添加された化学物質の間において比較することにより、化学物質同士の類似性を判定してよい。また、類似性判定部４８は、コントロール領域において化学物質同士の類似性を判定してもよい。類似性判定部４８は、細胞死領域において化学物質同士の類似性を判定してもよい。
　なお、上記の実施形態においては、コントロール領域は、細胞に添加される各化学物質の最も低い濃度に対する特徴量点間の重心からの所定の距離に基づいて判定され、死細胞領域は、細胞に添加される各化学物質の最も高い濃度に対する特徴量点間の重心からの所定の距離に基づいて判定される場合について説明したが、コントロール領域や死細胞領域は、予め取得された既知の化学物質のデータを用いて決定されてもよい。
　なお、上記の実施形態においては、既知の化学物質がＰａｃｌｉｔａｘｅｌ及びＥｔｏｐｏｓｉｄｅである場合について説明したが、これに限らない。既知の化学物質は、存在するいずれの化学物質であってもよい。例えば、既知の化学物質は、ＰＤ－１８０９７０や、図１０及び図１２において示したＤｏｘｏｒｕｂｉｃｉｎ、５－Ｆｌｕｏｒｏｕｒａｃｉｌ、Ｃｙｔｏｃｈａｌａｓｉｎ　Ｂ、Ｌａｔｒｕｎｃｕｌｉｎ　Ａ、Ｖｉｎｂｌａｓｔｉｎｅ、及び１７－ＡＡＧであってもよい。
　また、上記の実施形態においては、既知の化学物質が２種類である場合について説明したが、これに限らない。上記の実施形態における化学物質のスクリーニングにおいて、１種類、または３種類以上の既知の化学物質が用いられてもよい。
　また、上記の実施形態においては、コントロール領域を判定する際に、コントロール領域の中心が、細胞に添加される各化学物質の濃度の中で最も低い濃度に対する特徴量点間の重心である場合について説明したが、これに限らない。コントロール領域の中心は、細胞の形態の変化に基づいて決定されてもよい。つまり、コントロール領域の中心は、特徴量の変化に基づいて決定されてもよい。
　また、上記の実施形態においては、死細胞領域を判定する際に、死細胞領域の中心が、一例として、細胞に添加される各化学物質の濃度の中で最も高い濃度に対する特徴量点間の重心である場合について説明したが、これに限らない。死細胞領域の中心は、例えば、生細胞に対する死細胞の割合に基づいて決定されてもよい。ここで死細胞領域の中心が生細胞に対する死細胞の割合に基づいて決定される場合、死細胞領域の中心は、生細胞に対する死細胞の割合が所定の割合以上となる化学物質の濃度に対する特徴量点に基づいて決定される。
　また、上記の実施形態においては、一例として、形態変化領域において異なる化学物質同士の類似性を判定する場合について説明したが、これに限らない。例えば、添加した化学物質の全濃度範囲において類似性を判定してもよい。また、添加した化学物質の一部の濃度範囲において類似性を判定してもよい。
（第２実施形態）
　以下、図面を参照しながら本発明の第２の実施形態について詳しく説明する。
　上記第１の実施形態では、制御装置が、細胞に生じさせる形態変化が大きい化学物質の濃度を判定してから化学物質同士の類似性について判定する場合について説明した。本実施形態では、制御装置は、５０％阻害濃度（ＩＣ５０）の化学物質が添加された場合の細胞の形態の時間変化に基づいて、化学物質同士の類似性について判定する場合について説明する。
　本実施形態において用いられる培養観察装置を培養観察装置１１ａという。
　図１５は、本実施形態に用いられる培養観察装置１１ａの概要を示すブロック図である。本実施形態に係る培養観察装置１１ａ（図１５）と第１の実施形態に係る培養観察装置１１（図１）とを比較すると、制御装置４１ａが異なる。しかし、他の構成要素（上部ケーシング１２、下部ケーシング１３、観察ユニット２２、及び表示部５０）が持つ機能は第１の実施形態と同じである。第１の実施形態と同じ機能の説明は省略し、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
　制御装置４１ａは、ＣＰＵ４２ａおよび記憶部４３を有している。ＣＰＵ４２ａは、制御装置４１ａの各種の演算処理を実行するプロセッサである。ＣＰＵ４２ａは、一例としてＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路で構成される。なお、ＣＰＵ４２ａの一部、または全部を、ソフトウェアとして構成してもよい。つまり、ＣＰＵ４２ａは、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせて構成されてもよい。また、ＣＰＵ４２は、プログラムの実行によって、特徴量算出部４４ａ、座標算出部４５ａ、時間軌跡算出部４６ａ、時間軌跡定量化部４７ａ、及び類似化学物質判定部４８ａとしてそれぞれ機能する。
　≪化学物質のスクリーニングの動作の例≫
　以下、図１６のフローチャートを参照しつつ、化学物質のスクリーニングの動作の一例を説明する。図１６は、本実施形態に用いられる制御装置４１ａによる既知の化学物質の解析及び未知の化学物質の解析の動作の一例を示すフローチャートである。
　ステップＳ４０１：制御装置４１ａは、既知の化学物質の解析を行う。ここでステップＳ４０１の処理は、図６のステップＳ２０１からステップＳ２０９までの処理と同様の処理を経た後に行われる。特徴量算出部４４ａは、抽出した各細胞の画像について、特徴量をそれぞれ算出する。特徴量算出部４４ａは、細胞が撮像された経過時間に対応する顕微鏡画像ごと特徴量を算出する。特徴量算出部４４ａが算出する特徴量の種類には、各細胞の形態についての特徴量、細胞群の集団としての形態についての特徴量が含まれる。
　各細胞の形態についての特徴量の種類には、細胞の面積、長さ、幅、長さと幅との比率、周囲長などの約５５種類の指標が含まれる。細胞群の集団としての形態についての特徴量には、細胞の分布の広がり、細胞の密集度などの約６０種類の指標が含まれる。
　座標算出部４５ａは、特徴量算出部４４ａが算出した特徴量に関連付けられている、特徴量の種類、化学物質の種類、化学物質の濃度、及び算出対象の顕微鏡画像の撮像時刻ごとに、特徴量空間における特徴量点の座標を算出する。
　ここで時間軌跡算出部４６ａは、座標算出部４５ａが座標を算出した特徴量点から、特徴量点の時間軌跡及び濃度軌跡を算出してもよい。ここで時間軌跡とは、特徴量空間内の特徴量点について、細胞に添加された化学物質の濃度ごとの特徴量点同士を、顕微鏡画像の撮像時刻の順に線分または曲線を用いて接続して得られる軌跡である。つまり、時間軌跡算出部４６ａは、特徴量算出部４４ａが算出した特徴量点を、細胞が撮像された経過時間の順に並べてできる軌跡である時間軌跡を算出する。また、濃度軌跡とは、特徴量空間内の特徴量点について、顕微鏡画像の撮像時刻ごとの特徴量点同士を、細胞に添加された化学物質の濃度の順に線分または曲線を用いて接続して得られる軌跡である。
　ここで図１７を参照し、濃度軌跡及び時間軌跡の具体例について説明する。濃度軌跡及び時間軌跡は、高次元の特徴量空間において算出される。ただし、図１７では、視覚化のために、高次元の特徴量空間における特徴量点が、主成分分析により特徴量平面における射影特徴量点に射影された一例について示している。後述する図１８、図１９、及び図２１においても同様に、高次元の特徴量空間における特徴量点が、主成分分析により特徴量平面における射影特徴量点に射影された一例について示している。
　また、図１７、図１８、図１９、及び図２１においては、時間軌跡算出部４６ａが特徴量点の時間軌跡及び濃度軌跡を算出する場合の一例について示しているが、時間軌跡算出部４６ａは時間軌跡及び濃度軌跡を算出しなくてもよい。つまり、図１７、図１８、図１９、及び図２１において、特徴量点同士は、線分または曲線を用いて接続されなくてもよい。
　図１７は、本実施形態に係る高濃度側の濃度軌跡及び５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。図１７には、ある細胞に５０％阻害濃度（ＩＣ５０）の１種類の化学物質が添加された場合の時間軌跡が示されている。この時間軌跡は、主成分分析の結果得られた軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２を座標軸とする２次元平面（特徴量平面）に示されている。この時間軌跡は、プロットＩＣ５０－ｔからなる。ただし、プロットＩＣ５０－ｔの添字ｔは、顕微鏡画像の撮像時刻を、時間の順に示す。すなわち、プロットＩＣ５０－１は、最も古い撮像時刻に対する５０％阻害濃度（ＩＣ５０）の濃度に対応する射影特徴量点を示す。また、プロットＩＣ５０－５は、最も新しい撮像時刻に対する５０％阻害濃度（ＩＣ５０）の濃度に対応する射影特徴量点を示す。
　図１７には、５０％阻害濃度（ＩＣ５０）の濃度よりも高い濃度に対応する射影特徴量点である高濃度プロットＰＨ１～高濃度プロットＰＨ３が示されている。高濃度プロットＰＨ１～高濃度プロットＰＨ３に対応する顕微鏡画像の撮像時刻は、プロットＩＣ５０－３に対応する顕微鏡画像の撮像時刻と同じ撮像時刻である。高濃度プロットＰＨ１～高濃度プロットＰＨ３は、高濃度プロットＰＨ１、高濃度プロットＰＨ２、高濃度プロットＰＨ３の順に、対応する化学物質の濃度は高くなる。
　高濃度プロットＰＨ１～高濃度プロットＰＨ３に対しても、プロットＩＣ５０－３と同様に、プロットＩＣ５０－１、プロットＩＣ５０－２、プロットＩＣ５０－４、及びプロットＩＣ５０－５に対応する顕微鏡画像の撮像時刻に対応する時間軌跡（高濃度プロットＰＨ１―ｔ～高濃度プロットＰＨ３―ｔ）が算出される。
　プロットＩＣ５０－３、高濃度プロットＰＨ１、高濃度プロットＰＨ２、及び高濃度プロットＰＨ３は、高濃度側線分ＬＨ１～高濃度側線分ＬＨ３により接続され濃度軌跡を構成する。
　図１８は、本実施形態に係る低濃度側の濃度軌跡及び５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。図１８には、図１７において示した時間軌跡（プロットＩＣ５０－ｔ）に加え、５０％阻害濃度（ＩＣ５０）の濃度よりも低い濃度に対応するプロットである低濃度プロットＰＬ１～低濃度プロットＰＬ３が示されている。低濃度プロットＰＬ１～低濃度プロットＰＬ３は、主成分分析の結果得られた軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２を座標軸とする２次元平面（特徴量平面）に示されている。低濃度プロットＰＬ１～低濃度プロットＰＬ３に対応する顕微鏡画像の撮像時刻は、プロットＩＣ５０－３に対応する顕微鏡画像の撮像時刻と同じ撮像時刻である。低濃度プロットＰＬ１～低濃度プロットＰＬ３は、低濃度プロットＰＬ１、低濃度プロットＰＬ２、低濃度プロットＰＬ３の順に、対応する化学物質の濃度は低くなる。
　低濃度プロットＰＬ１～低濃度プロットＰＬ３に対しても、プロットＩＣ５０－３と同様に、プロットＩＣ５０－１、プロットＩＣ５０－２、プロットＩＣ５０－４、及びプロットＩＣ５０－５に対応する顕微鏡画像の撮像時刻に対応する時間軌跡（低濃度プロットＰＬ１―ｔ～低濃度プロットＰＬ３―ｔ）が算出される。
　プロットＩＣ５０－３、低濃度プロットＰＬ１、低濃度プロットＰＬ２、及び低濃度プロットＰＬ３は、低濃度側線分ＬＬ１～低濃度側線分ＬＬ３により接続され濃度軌跡を構成する。
　図１６に戻って化学物質のスクリーニングの動作の一例の説明を続ける。
　ステップＳ４０２：時間軌跡定量化部４７ａは、座標算出部４５ａが算出した特徴量空間における特徴量点について、細胞に添加された化学物質の濃度ごとの特徴量点の定量化を行う。また、時間軌跡定量化部４７ａは、座標算出部４５ａが算出した特徴量空間における特徴量点について、顕微鏡画像の撮像時刻ごとの特徴量点の定量化を行う。ここで、細胞に添加された化学物質の濃度ごとの特徴量点の定量化とは、一例として、５０％阻害濃度における特徴量点間の距離の算出である。顕微鏡画像の撮像時刻ごとの特徴量点の定量化とは、一例として、５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和の算出、及び５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和の算出である。５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和、及び５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和の算出は、それぞれ顕微鏡画像の撮像時刻ごとに算出される。特徴量点間の距離とは、一例として、ユークリッド距離やマハラビノス距離である。
　図１９は、本実施形態に係る第１の化学物質の５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。この時間軌跡は、主成分分析の結果得られた軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２を座標軸とする２次元平面（特徴量平面）に示されている。第１の化学物質とは、一例として、Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌである。第１の化学物質の５０％阻害濃度における時間軌跡は、プロットＰＴ１～プロットＰＴ５の５つの特徴量点からなる。
　図２０は、本実施形態に係る第１の化学物質の低濃度側の特徴量点間の距離の和と高濃度側の特徴量点間の距離の和との時間変化の一例を示す図である。図２０では、低濃度側の線分の和と高濃度側の線分の和とが撮像時刻に対して示されている。時間軌跡定量化部４７ａは、低濃度側線分和ＳＬ１及び高濃度側線分和ＳＨ１を、５つの時刻ｔ１～時刻ｔ５ごとに算出する。
　図２１は、本実施形態に係る第２の化学物質の５０％阻害濃度における時間軌跡の一例を示す図である。図２１では、時間軌跡が主成分分析の結果得られた軸ＰＣ１及び軸ＰＣ２を座標軸とする２次元平面（特徴量平面）に示されている。第２の化学物質とは、一例として、Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅである。第２の化学物質の５０％阻害濃度における時間軌跡は、プロットＥＴ１～プロットＥＴ５の５つのプロットからなる。
　図２２は、本実施形態に係る第２の化学物質の低濃度側の特徴量点間の距離の和と高濃度側の特徴量点間の距離の和との時間変化の一例を示す図である。図２２では、低濃度側の特徴量点間の距離の和と高濃度側の特徴量点間の距離の和とが撮像時刻に対して示されている。時間軌跡定量化部４７ａは、低濃度側線分和ＳＬ２及び高濃度側線分和ＳＨ２を、５つの時刻ｔ１～時刻ｔ５ごとに算出する。
　図１６に戻って化学物質のスクリーニングの動作の一例の説明を続ける。
　ステップＳ４０３：時間軌跡定量化部４７ａは、ステップＳ４０２において算出した定量化されたデータをデータベースに登録する。ステップＳ４０２において算出した定量化されたデータとは、５０％阻害濃度における特徴量点間の距離の和、５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和、及び５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和である。データベースとは、例えば、記憶部４３である。
　ステップＳ４０４：制御装置４１ａは、ステップＳ４０１において既知の化学物質に対して行ったのと同様に、未知の化学物質の解析を行う。具体的には、制御装置４１ａは、未知の化学物質について、特徴量の分布に基づいて特徴量空間に特徴量点をプロットする。また制御装置４１は、解析結果から得られる時間軌跡及び濃度軌跡の算出を行ってもよい。
　ステップＳ４０５：時間軌跡定量化部４７ａは、ステップＳ４０２において既知の化学物質に対して行ったのと同様に、未知の化学物質について座標算出部４５ａが算出した特徴量空間における特徴量点について、細胞に添加された化学物質の濃度ごとの特徴量点の定量化を行う。
　ステップＳ４０６：類似化学物質判定部４８ａは、未知の化学物質が既知の化学物質のいずれと最も類似しているかについての判定を行う。本実施形態では、類似化学物質判定部４８ａは、未知の化学物質が、既知の化学物質である第１の化学物質（Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌ）と、既知の化学物質である第２の化学物質（Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅ）とのいずれと最も類似しているかについての判定を行う。つまり、本実施形態の化学物質のスクリーニング方法では、異なる化学物質は、既知の化学物質と、未知の化学物質とが含まれ、既知の化学物質と、未知の化学物質との類似性を判定する。類似化学物質判定部４８ａの未知の化学物質の判定の動作の詳細は、図２３のフローチャートにおいて説明する。
　図２３は、本実施形態に係る制御装置４１ａによる未知の化学物質の判定の動作の一例を示すフローチャートである。
　ステップＳ６１：類似化学物質判定部４８ａは、ステップＳ４０５において算出した未知の化学物質の定量化されたデータと、ステップＳ４０３においてデータベースに登録された既知の化学物質の定量化されたデータとを比較する。類似化学物質判定部４８ａは、３つの指標を算出することにより比較を行う。ここで３つの指標とは、ＩＣ５０距離、低濃度側差分、及び高濃度側差分である。
　ＩＣ５０距離とは、特徴量空間において、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度における特徴量点と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度における特徴量点との距離を、顕微鏡画像の撮像時刻が同じ特徴量点間において算出したものである。
　低濃度側差分ＰＤＬとは、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和との差分が顕微鏡画像の各撮像時刻ごとにおいて算出されたものである。
　高濃度側差分ＰＤＨとは、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度より濃度軌跡の高濃度側の特徴量点間の距離の和との差分が顕微鏡画像の各撮像時刻ごとにおいて算出されたものである。
　図２４は、本実施形態に係る未知の化学物質と第１の化学物質との比較の一例を示す図である。図２４では、ＩＣ５０距離ＰＤＩ、低濃度側差分ＰＤＬ、及び高濃度側差分ＰＤＨが撮像時刻に対して示されている。類似化学物質判定部４８ａは、ＩＣ５０距離ＰＤＩ、低濃度側差分ＰＤＬ、及び高濃度側差分ＰＤＨを算出する。
　図２５は、本実施形態に係る未知の化学物質と第２の化学物質との比較の一例を示す図である。図２５では、ＩＣ５０距離ＥＤＩ、低濃度側差分ＥＤＬ、及び高濃度側差分ＥＤＨが撮像時刻に対して示されている。類似化学物質判定部４８ａは、ＩＣ５０距離ＥＤＩ、低濃度側差分ＥＤＬ、及び高濃度側差分ＥＤＨを算出する。
　図２３に戻って、制御装置４１ａによる未知の化学物質の判定の動作の説明を続ける。　ステップＳ６２：類似化学物質判定部４８ａは、ステップＳ６１において算出した３つの指標の重みづけの選択を行う。類似化学物質判定部４８ａは３つの指標の各々に対する重みを選択する。例えば、類似化学物質判定部４８ａは、３つの指標のうちいずれか１つの指標のみを未知の化学物質の判定に用いる場合、この１つの指標の重みを１とし、他の２つの指標の重みをゼロとする。また、類似化学物質判定部４８ａは、３つの指標の平均を未知の化学物質の判定に用いる場合、３つの指標の重みを全て１とする。類似化学物質判定部４８ａは、３つの指標の重みを各々任意に選択してよい。
　ステップＳ６３：類似化学物質判定部４８ａは、既知の化学物質の中から未知の化学物質と最も類似する化学物質を判定する。ここで類似化学物質判定部４８ａは、多変量解析により解析された結果に基づく、所定の濃度における特徴量の複数の時刻毎の大きさの変化と、所定の濃度よりも高濃度である場合の特徴量の複数の時刻毎の大きさの変化と、所定の濃度よりも低濃度である場合の特徴量の複数の時刻毎の大きさの変化とにそれぞれに重みづけされた結果に基づく異なる化学物質同士の類似性を判定する。
　具体的には、類似化学物質判定部４８ａは、ステップＳ６１において算出した３つの指標の各々について、各撮像時刻ごとに値の二乗を算出し、算出した二乗の値の和を算出する。類似化学物質判定部４８ａは、３つの指標の各々について、ステップＳ６２において選択した重みを、算出した二乗の値に乗じ、和を算出する。類似化学物質判定部４８ａは、算出した和が最も小さい化学物質を、未知の化学物質と最も類似する化学物質であると判定する。なお、類似化学物質判定部４８ａは、二乗の値の和の代わりに、二乗以外の冪乗の和を算出してもよいし、絶対値の和を算出してもよい。
　図２４及び図２５に示す例では、類似化学物質判定部４８ａは、第１の化学物質（Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌ）と第２の化学物質（Ｅｔｏｐｏｓｉｄｅ）のうち第１の化学物質（Ｐａｃｌｉｔａｘｅｌ）を未知の化学物質と最も類似する化学物質であると判定する。
　このように、類似化学物質判定部４８ａは、所定の濃度における、化学物質が細胞に添加された後の複数の撮像時刻の変化に対する特徴量の変化に基づいて、異なる化学物質同士の類似性を判定する。ここで所定の濃度は、５０％阻害濃度、５０％阻害濃度よりも高い濃度、５０％阻害濃度よりも低い濃度の少なくとも一方の濃度を含む。
　また、類似化学物質判定部４８ａは、５０％阻害濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化と、５０％阻害濃度よりも高い濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化と、５０％阻害濃度よりも低い濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化とにそれぞれに重み付けされた結果に基づいて異なる化学物質同士の類似性を判定する。
　なお、本実施形態においては、ステップＳ６１において類似化学物質判定部４８ａが、低濃度側差分ＰＤＬとして、顕微鏡画像の各撮像時刻ごとにおいて、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和との差分を算出する場合の例について説明したが、差分に限らない。例えば、類似化学物質判定部４８ａは、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和との割合を算出してもよいし、その他の既知の演算を行ってもよい。また、同様に類似化学物質判定部４８ａは、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和と差分に限らず、未知の化学物質に対する５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和と、既知の化学物質に対する５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和との割合を算出してもよいし、その他の既知の演算を行ってもよい。
　また、本実施形態においては、ステップＳ６２において類似化学物質判定部４８ａが３つの指標の重みづけの選択を行う場合の例について説明したが、ステップＳ６２の処理は省略されてよい。ステップＳ６２の処理が省略される場合、ステップＳ６２において、類似性判定部４８は、例えば、３つの指標の各々について二乗の値の和を算出してよい。　また、本実施形態においては、ステップＳ６３において類似化学物質判定部４８ａが、算出した和が最も小さい化学物質を、未知の化学物質と最も類似する化学物質であると判定する場合について説明したが、これに限らない。類似化学物質判定部４８ａは、算出した和が所定の閾値よりも大きい場合、判定対象の化学物質は未知の化学物質と類似していないと判定してもよい。
　なお、本実施形態においては、ステップＳ４０２及びステップＳ４０５において時間軌跡定量化部４７ａが特徴量空間における特徴量点の定量化として、５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和の算出、及び５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和の算出の各処理を行う場合の例について説明したが、これに限らない。ステップＳ４０２において時間軌跡定量化部４７ａは、特徴量空間における特徴量点の定量化として、５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和の算出、及び５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和の算出の少なくとも１つの処理を行ってもよい。ステップＳ４０２及びステップＳ４０５において時間軌跡定量化部４７ａが、特徴量空間における特徴量点の定量化として、５０％阻害濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和の算出、及び５０％阻害濃度より低濃度側の特徴量点間の距離の和の算出の少なくとも１つの処理を行う場合、時間軌跡定量化部４７ａが行った特徴量空間における特徴量点の定量化の処理に応じて、ステップＳ４０６において、類似化学物質判定部４８ａは、ＩＣ５０距離、低濃度側差分、及び高濃度側差分の３つの指標のうち少なくとも１つの指標に基づいて、未知の化学物質が既知の化学物質のいずれと最も類似しているかについての判定を行う。また、特徴量点間の距離の算出において５０％阻害濃度を基準としなくてもよい。例えば、時間軌跡定量化部４７ａは、所定の濃度を基準として、当該所定の濃度より高濃度側の特徴量点間の距離の和、及び／または低濃度側の特徴量点間の距離の和を算出し、特徴量点の定量化を行ってもよい。また、ステップＳ４０２及びステップＳ４０５において時間軌跡定量化部４７ａは、５０％阻害濃度における特徴量点間の距離（ＩＣ５０距離）を算出する場合の例について説明したが、これに限らない。ステップＳ４０２及びステップＳ４０５において時間軌跡定量化部４７ａは、５０％阻害濃度以外の濃度について顕微鏡画像の撮像時刻ごとの特徴量点間の距離を算出してもよい。
　≪まとめ≫
　以上説明したように、本実施形態の制御装置４１ａが提供する化学物質のスクリーニング方法は、顕微鏡画像は、化学物質が細胞に添加された後の複数の撮像時刻において撮像され、所定の濃度における、撮像時刻の変化に対する特徴量の変化に基づいて、異なる化学物質同士の類似性を判定する。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１ａが提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞を固定、染色することなく、安価で迅速な解析により化学物質が細胞に生じさせる時間についての形態変化を所定の濃度である場合に定量化できるため、細胞を固定、染色することなく、安価で迅速な解析により細胞に所定の濃度である場合に形態変化を生じさせる化学物質同士の類似性を判断することができる。
　また、本実施形態の制御装置４１ａが提供する化学物質のスクリーニング方法は、所定の濃度は、５０％阻害濃度、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度の少なくとも一方の濃度を含む。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１ａが提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞を固定、染色することなく、安価で迅速な解析により化学物質が細胞に生じさせる時間についての形態変化を５０％阻害濃度、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度の少なくとも一方の濃度を含む所定の濃度に基づいて定量化できるため、安価で迅速な解析により、細胞に添加される化学物質の濃度が５０％阻害濃度、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度の少なくとも一方の濃度である場合に形態変化を生じさせる化学物質同士の類似性を判断することができる。
　また、本実施形態の制御装置４１ａが提供する化学物質のスクリーニング方法は、５０％阻害濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化と、５０％阻害濃度よりも高い濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化と、５０％阻害濃度よりも低い濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化とにそれぞれに重み付けされた結果に基づいて異なる化学物質同士の類似性を判定する。
　この構成により、本実施形態の制御装置４１ａが提供する化学物質のスクリーニング方法では、細胞に形態変化を生じさせる濃度に応じて、５０％阻害濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化と、５０％阻害濃度よりも高い濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化と、５０％阻害濃度よりも低い濃度における撮像時刻の変化に対する特徴量の変化とにそれぞれ重みづけをして化学物質同士の類似性を判断することができるため、重みづけをしない場合に比べ化学物質のスクリーニングの精度を上げることができる。
　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。
　なお、本発明の実施形態における培養観察装置１１及び培養観察装置１１ａの各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、上述した種々の処理を行ってもよい。
　なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
　さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
　１１、１１ａ…培養観察装置、４１、４１ａ…制御装置、４４、４４ａ…特徴量算出部、４５、４５ａ…座標算出部、４６…濃度軌跡算出部、４７…変化領域判定部、４８…類似性判定部、４６ａ…時間軌跡算出部、４７ａ…時間軌跡定量化部、４８ａ…類似化学物質判定部、５０…表示部

Claims (22)

  1. 　異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された複数の細胞群における細胞の顕微鏡画像に含まれる前記細胞の形態に関する複数の特徴量を取得することと、
    　前記細胞の形態に関する複数の特徴量に基づいて、前記異なる化学物質同士の類似性を判定することと、
    　を有する化学物質のスクリーニング方法。
  2. 　前記判定することは、前記異なる特徴量の内、前記細胞の形態が変化する形態変化濃度に対応する特徴量を前記異なる化学物質同士で比較して、前記類似性を判定する請求項１に記載の化学物質のスクリーニング方法。
  3. 　前記形態変化濃度は、前記細胞の形態が変化してから前記細胞が細胞死するまでの濃度を含む請求項２に記載の化学物質のスクリーニング方法。
  4. 　さらに、前記濃度の変化に対する前記特徴量の変化に基づいて前記形態変化濃度を求めることを有する請求項２または請求項３に記載の化学物質のスクリーニング方法。
  5. 　前記形態変化濃度を求めることは、前記特徴量の変化量と閾値とを比較して前記形態変化濃度を求める請求項４に記載の化学物質のスクリーニング方法。
  6. 　前記顕微鏡画像は、前記化学物質が前記細胞に添加された後の複数の撮像時刻において撮像され、
    　所定の前記濃度における、前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化に基づいて、前記異なる化学物質同士の前記類似性を判定する請求項１から請求項５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。
  7. 　前記所定の濃度は、５０％阻害濃度、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度の少なくとも一方の濃度を含む請求項６に記載の化学物質のスクリーニング方法。
  8. 　前記５０％阻害濃度における前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化と、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度における前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化と、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度における前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化とにそれぞれに重み付けされた結果に基づいて前記類似性を判定する請求項７に記載の化学物質のスクリーニング方法。
  9. 　前記異なる化学物質は、既知の化学物質と、未知の化学物質とが含まれ、
    　前記既知の化学物質と、前記未知の化学物質との前記類似性を判定する
    　請求項１から請求項８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。
  10. 　前記複数の特徴量が多変量解析により解析された結果に基づいて前記類似性を判定する請求項１から請求項９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。
  11. 　コンピュータに、
    　請求項１から請求項１０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に基づくステップを実行させるプログラム。
  12. 　異なる化学物質がそれぞれ異なる濃度で添加された複数の細胞群における細胞の顕微鏡画像に含まれる前記細胞の形態に関する複数の特徴量を算出する特徴量算出部と、
    　前記細胞の形態に関する複数の特徴量に基づいて、前記異なる化学物質同士の類似性を判定する類似性判定部と、
    　を備える制御装置。
  13. 　前記類似性判定部は、前記異なる特徴量の内、前記細胞の形態が変化する形態変化濃度に対応する特徴量を前記異なる化学物質同士で比較して、前記類似性を判定する請求項１２に記載の制御装置。
  14. 　前記形態変化濃度は、前記細胞の形態が変化してから前記細胞が細胞死するまでの濃度を含む請求項１３に記載の制御装置。
  15. 　さらに、前記濃度の変化に対する前記特徴量の変化に基づいて前記形態変化濃度を求める濃度判定部を備える請求項１３または請求項１４に記載の制御装置。
  16. 　前記濃度判定部は、前記特徴量の変化量と閾値とを比較して前記形態変化濃度を求める請求項１５に記載の制御装置。
  17. 　前記顕微鏡画像は、前記化学物質が前記細胞に添加された後の複数の撮像時刻において撮像され、
    　前記類似性判定部は、所定の前記濃度における、前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化に基づいて、前記異なる化学物質同士の前記類似性を判定する請求項１２から請求項１６のいずれか一項に記載の制御装置。
  18. 　前記所定の濃度は、５０％阻害濃度、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度の少なくとも一方の濃度を含む請求項１７に記載の制御装置。
  19. 　前記類似性判定部は、前記５０％阻害濃度における前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化と、前記５０％阻害濃度よりも高い濃度における前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化と、前記５０％阻害濃度よりも低い濃度における前記撮像時刻の変化に対する前記特徴量の変化とにそれぞれに重み付けされた結果に基づいて前記類似性を判定する請求項１８に記載の制御装置。
  20. 　前記異なる化学物質は、既知の化学物質と、未知の化学物質とが含まれ、
    　前記既知の化学物質と、前記未知の化学物質との前記類似性を判定する
    　請求項１２から請求項１９のいずれか一項に記載の制御装置。
  21. 　前記類似性判定部は、前記複数の特徴量が多変量解析により解析された結果に基づいて前記類似性を判定する請求項１２から請求項２０のいずれか一項に記載の制御装置。
  22. 　請求項１２から請求項２１のいずれか一項に記載の制御装置を備える培養観察装置。
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