(57)【要約】【課題】被験物質の細胞毒性を評価する方法を提供する。【解決手段】被験物質の細胞毒性を評価する方法であって、被験物質の存在下及び非存在下で細胞を培養する工程と、被験物質の存在下の細胞を撮像し、第１の画像を得る工程と、被験物質の非存在下の細胞を撮像し、第２の画像を得る工程と、第１の画像及び第２の画像を比較して、被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、を含み、第１の画像及び第２の画像が定量位相イメージングにより生成した定量位相画像である、方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被験物質の細胞毒性を評価する方法であって、
前記被験物質の存在下及び非存在下で細胞を培養する工程と、
前記被験物質の存在下の前記細胞を撮像し、第１の画像を得る工程と、
前記被験物質の非存在下の前記細胞を撮像し、第２の画像を得る工程と、
前記第１の画像及び前記第２の画像を比較して、前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、
を含み、
前記第１の画像及び前記第２の画像が定量位相イメージングにより生成した定量位相画像である、方法。
【請求項２】
前記第１の画像を得る工程及び前記第２の画像を得る工程で、異なる時間において前記細胞を複数回撮像し、
前記被験物質が細胞毒性を有するか否か判定する工程は、前記第１の画像と前記第２の画像の経時的な変化を比較する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程は、前記被験物質の存在下の細胞及び前記被験物質の非存在下の細胞の、面積、体積、真円度若しくは縦横比、又は、間隙の面積を測定する工程を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記被験物質の存在下の細胞及び前記被験物質の非存在下の細胞が、Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ内に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の画像を得る工程及び前記第２の画像を得る工程が、
対物レンズの光軸上に前記細胞を配置する工程と、
前記細胞に照明光を照射する工程と、
前記光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに前記対物レンズの焦点を配置して前記細胞からの光を検出する工程と、
検出した前記光に基づいて、前記複数の位置のそれぞれに対応する光強度分布データを生成する工程と、
前記光強度分布データに基づいて前記定量位相画像を生成する工程と、を含み、
前記間隔Δｚは、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて設定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記間隔Δｚは、更にパラメータｋに基づいて設定され、前記ｋは、生成する前記定量位相画像において位相を復元する空間周波数を示す、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記Δｚ、前記ＮＡ、前記λ、前記ｎ、前記ｋは下記式（１００）を満たし、前記ｋの値は１〜２５である、請求項６に記載の方法。
【数１】
2020190459.tif 000009
【請求項８】
前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程において、
前記第１の画像における前記被験物質の存在下の細胞の短軸方向の長さに対する前記被験物質の存在下の細胞の長軸方向の長さの比が、前記第２の画像における前記被験物質の非存在下の細胞の短軸方向の長さに対する前記被験物質の非存在下の細胞の長軸の長さの比と比較して低下した場合に、前記被験物質が細胞毒性を有すると判定する、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程において、
前記第１の画像において前記被験物質の存在下の細胞が存在しない領域の面積が、前記第２の画像において前記被験物質の非存在下の細胞が存在しない領域の面積と比較して増加した場合に、前記被験物質が細胞毒性を有すると判定する、
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
被験物質の細胞毒性を評価する方法であって、
被験物質の存在下で培養された細胞を異なる時間において複数回撮像し、定量位相イメージングにより複数の定量位相画像を生成する工程と、
前記複数の定量位相画像における経時的な変化に基づいて、前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、を含む方法。
【請求項１１】
前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程は、前記細胞の、面積、体積、真円度若しくは縦横比、又は、間隙の面積を測定する工程を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記細胞が、Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ内に配置されている、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の定量位相画像を生成する工程が、
対物レンズの光軸上に前記細胞を配置する工程と、
前記細胞に照明光を照射する工程と、
前記光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに前記対物レンズの焦点を配置して前記細胞からの光を検出する工程と、
検出した前記光に基づいて、前記複数の位置のそれぞれに対応する光強度分布データを生成する工程と、
前記光強度分布データに基づいて前記定量位相画像を生成する工程と、を含み、
前記間隔Δｚは、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて設定される、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記間隔Δｚは、更にパラメータｋに基づいて設定され、前記ｋは、生成する前記定量位相画像において位相を復元する空間周波数を示す、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記Δｚ、前記ＮＡ、前記λ、前記ｎ、前記ｋは下記式（１００）を満たし、前記ｋの値は１〜２５である、請求項１４に記載の方法。
【数２】
2020190459.tif 000010
【請求項１６】
被験物質の細胞毒性を評価するための定量位相画像を生成する定量位相画像生成装置であって、
顕微鏡と、装置制御部と、検出器と、画像生成部とを備え、
前記顕微鏡は、細胞が配置されるステージと、前記細胞に照明光を照射する照明光学系と、対物レンズとを有し、
前記装置制御部は、前記対物レンズの光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに前記対物レンズの焦点が配置されるように前記焦点の位置を調整するものであり、
前記検出器は、前記照明光学系から照射された照明光により、前記細胞から生じる光を検出するものであり、
前記画像生成部は、前記検出器が検出した前記光に基づいて、前記複数の位置に対応する光強度分布データを生成し、前記光強度分布データに基づいて、定量位相画像を生成するものであり、
前記装置制御部は、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて前記間隔Δｚを設定するものである、定量位相画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被験物質が細胞に与える毒性を評価する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
定量位相イメージングは、測定試料の物理的／幾何学的な厚みの変化と屈折率の変化を積とする位相を測定することができる観察技術である。
既存の位相差画像や微分干渉画像は、位相に振幅が混ざる干渉画像である為、対象物の位相を完全に定量化する事はできないが（振幅が無視でき、かつ位相が小さい条件のみ定量化できるが）、定量位相画像は、対象試料の位相が２倍、３倍、４倍等の様々な値に対しても、定量的な位相を表すことができるため、対象試料の位相を定量化した画像と称する事もできる。
定量位相イメージングは、観察対象物を染色する必要なく、本来無色透明で見えにくい試料に明暗を付けて可視化できる利点に加え、生体細胞構造を反映した高さ情報を測定する事ができる。細胞の屈折率を固定値とすれば、細胞厚が低いものと高いものを比較でき、三次元構造を俯瞰できる定量位相画像は、培養細胞の品質管理に応用できる。
【０００３】
定量位相イメージングにより、生体サンプルを染色せずに、生体サンプルを観察することができる。例えば、特許文献１には、生体サンプルをデジタルホログラフィック顕微鏡で分析する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１１−５２５２５２号公報
【発明の概要】
【０００５】
１実施形態に係る、被験物質の細胞毒性を評価する方法は、前記被験物質の存在下及び非存在下で細胞を培養する工程と、前記被験物質の存在下の前記細胞を撮像し、第１の画像を得る工程と、前記被験物質の非存在下の前記細胞を撮像し、第２の画像を得る工程と、前記第１の画像及び前記第２の画像を比較して、前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、を含み、前記第１の画像及び前記第２の画像が定量位相イメージングにより生成した定量位相画像である、方法である。
【０００６】
１実施形態に係る、被験物質の細胞毒性を評価する方法は、前記被験物質の存在下で培養された細胞を異なる時間において複数回撮像し、定量位相イメージングにより複数の定量位相画像を生成する工程と、前記複数の定量位相画像における経時的な変化に基づいて、前記被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、を含む方法である。
【０００７】
１実施形態に係る、定量位相画像生成装置は、被験物質の細胞毒性を評価するための定量位相画像を生成するものであり、顕微鏡と、装置制御部と、検出器と、画像生成部とを備える。前記顕微鏡は、細胞が配置されるステージと、前記細胞に照明光を照射する照明光学系と、対物レンズとを有する。前記装置制御部は、前記対物レンズの光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに前記対物レンズの焦点が配置されるように前記焦点の位置を調整するものである。前記検出器は、前記照明光学系から照射された照明光により、前記細胞から生じる光を検出するものである。前記画像生成部は、前記検出器が検出した前記光に基づいて、前記複数の位置に対応する光強度分布データを生成し、前記光強度分布データに基づいて、定量位相画像を生成するものである。前記装置制御部は、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて前記間隔Δｚを設定するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】１実施形態の定量位相画像生成装置の構成を示す概念図である。
【図２】１実施形態の定量位相画像生成装置の情報処理部の構成を示す概念図である。
【図３】対象物による照明光の位相の変化により、計測される光の強度が変化することを示す概念図である。
【図４】計測面を説明するための概念図である。
【図５】焦点間隔を説明するための概念図である。
【図６】オーガンチップの一形態の構成を説明する模式断面図である。
【図７】位相差像である。（ａ）は細胞をシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、（ｂ）は１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｃ）は５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｄ）１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【図８】カルセイン染色画像である。（ａ）は細胞をシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、（ｂ）は細胞を１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｃ）は細胞を５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｄ）は細胞を１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【図９】定量位相画像である。（ａ）は細胞をシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、（ｂ）は細胞を１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｃ）は細胞を５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｄ）は細胞を１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【図１０】ヘキスト染色画像である。（ａ）は細胞をシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、（ｂ）は細胞を１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｃ）は細胞を５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、（ｄ）は細胞を１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【図１１】（ａ）は、カルセイン染色陽性かつヘキスト染色陽性の細胞数、定量位相画像で検出された細胞のうちヘキスト染色陽性の細胞数、ヘキスト染色陽性の細胞数を示すグラフであり、分散分析により有意差（ｐ＜０．０１）が得られた２群について、「※※」で示す。（ｂ）は、カルセイン染色陽性の細胞数とヘキスト染色陽性の細胞数の相関関係を示すグラフであり、（ｃ）は、定量位相画像で検出された細胞数とヘキスト染色陽性の細胞数の相関関係を示すグラフである。
【図１２】カルセイン染色画像及び定量位相画像における、各細胞の短軸方向の長さに対する各細胞の長軸方向の長さの比を算出した結果を示す図である。
【図１３】（ａ）は細胞をシスプラチンに曝露しなかった場合の重ね合わせた画像であり、（ｂ）は細胞を１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の重ね合わせた画像であり、（ｃ）は細胞を５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の重ね合わせた画像であり、（ｄ）は細胞を１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の重ね合わせた画像である。分散分析により有意差（ｐ＜０．０１）が得られた２群について、「※※」で示す。
【図１４】（ａ）は、カルセイン染色画像における細胞が存在しないように見える領域の面積、定量位相画像における細胞が存在しないように見える領域の面積を示したグラフである。（ｂ）は、得られた各画像に基づいて算出された各面積を、各画像全体に対する割合で示したグラフである。分散分析により有意差（ｐ＜０．０１）が得られた２群について、「※※」で示す。
【図１５】カルセイン染色画像を用いた場合の細胞が存在しないように見える領域と、定量位相画像を用いた場合の細胞が存在しないように見える領域とを可視化した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一又は対応する符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図における寸法比は、説明のため誇張している部分があり、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。
【００１０】
［方法］
本発明は、１実施形態において、被験物質の細胞毒性を評価する方法であって、被験物質の存在下及び非存在下で細胞を培養する工程と、被験物質の存在下の細胞を撮像し、第１の画像を得る工程と、被験物質の非存在下の細胞を撮像し、第２の画像を得る工程と、第１の画像及び第２の画像を比較して、被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、を含み、第１の画像及び第２の画像が定量位相イメージングにより生成した定量位相画像である、方法を提供する。
【００１１】
被験物質としては、天然化合物、合成化合物等が挙げられるが、これに限定されない。
【００１２】
被験物質に曝露する細胞としては、特に限定されず、細菌等の原核生物の細胞；動物、植物、菌類、原生生物等の真核生物に分類される生物種の細胞；株化された細胞、人為的に操作された細胞等が挙げられる。被験物質の細胞への曝露は、ｉｎ  ｖｉｖｏ曝露でもｉｎ  ｖｉｔｒｏ曝露であってもよいが、以下詳述されるように、試験管内で扱われる細胞や、生体から取り出された初代培養細胞などが好適に利用される。細胞は、スライドグラスや、１２ウェルプレート、９６ウェルプレートで培養されたものでもよいが、これらに限定されない。オーガンチップ（Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ）上で培養された細胞などでもよい。一般的に、オーガンチップとは、人体の臓器の機能の一部を模倣したデバイスで、薬剤スクリーニングや、薬剤の評価に利用されている。
【００１３】
本実施形態において、第１の画像は、被験物質の存在下の細胞を対象として定量位相イメージングによって撮像される。また、第２の画像は、被験物質の非存在下の細胞を対象として定量位相イメージングによって撮像される。
【００１４】
定量位相イメージングは、後述する干渉方式の定量位相イメージングであってもよいし、後述する非干渉方式の定量位相イメージングであってもよい。
【００１５】
干渉方式の定量位相イメージングは、以下に示すような方法であってもよい。非干渉方式の定量位相イメージングにおいては、コヒーレント光源から射出された光ビームが、例えばビームスプリッタ等により、物体光と、参照光とに分割される。
【００１６】
コヒーレント光源から射出される光ビームは、レーザービームであっても良い。レーザービームは、例えば、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー等であってもよく、どのような種類のレーザー源であってもよい。
【００１７】
物体光は細胞等の生体サンプルに照射される。これに対し、参照光は、生体サンプルを通過せずに、例えばミラーや光ファイバー等の参照光学系を通る。
【００１８】
細胞等の生体サンプルを通過する前の、物体光の波面は既知である。物体光が透明な生体サンプルを通過するとき、生体は実質的に光を吸収しない。この生体サンプルを通過する光の光路によって、光路長に差が生じる。
【００１９】
生体サンプルを通過した物体光の波面の位相はシフトする。この光路長は、物理的／幾何学的厚さに屈折率を乗じて決まる。
【００２０】
生体サンプルを通過した物体光と、参照光とは、ビームスプリッタ等の光学素子によって重ね合わせられて干渉光を生成する。この干渉光の干渉縞を検出および解析することによって、例えば、生体サンプル物体光の情報を得ることができる。
【００２１】
この干渉縞は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのデジタルセンサによって検出される。検出された干渉縞は、ホログラムと呼ばれる。
【００２２】
上述の干渉縞を検出するために、例えばフーリエセットアップや、フレネルセットアップを使用することができる。フレネルセットアップが好ましく使用される。
【００２３】
検出した干渉縞から、生体サンプルを通過した波面の位相、振幅等の情報が再構築される。この再構築は、通常の再構築プロセスによって行われる。振幅情報を用いて、生体サンプルを通過した波面の焦点面を設定することができる。
【００２４】
再構築情報は、例えば、生体サンプルの２次元あるいは３次元画像を得るために使用することができる。この情報に基づいて、例えば、生体サンプルの形状と光学密度を決定することができる。
【００２５】
非干渉方式の定量位相イメージングは、以下に示すような方法であってもよい。
以下では、適宜図面を参照しながら、１実施形態の定量位相画像生成装置、定量位相画像生成方法、およびプログラム等について説明する。本実施形態の定量位相画像生成装置は、対象物における間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに、対物レンズの焦点（つまり、合焦面）を配置しつつ照明光を照射し、焦点が配置されたそれぞれの領域（つまり、それぞれの合焦面）からの光を検出し、当該検出により取得したデータに基づいて定量位相画像を作成するものであり、対物レンズの光軸方向に設定される当該間隔Δｚは、対物レンズの開口数、照明光の波長および対物レンズと対象物の間の屈折率などに基づいて設定する。
【００２６】
図１は、本実施形態の定量位相画像生成装置の構成を示す概念図である。定量位相画像生成装置１は、顕微鏡、すなわち定量位相顕微鏡であり、顕微鏡１００と、情報処理部４０とを備える。顕微鏡１００は、対象物Ｓに照明光を照射する透過照明光学系１０と、ステージ８と、結像光学系７と、落射照明光学系１１０と、検出部９とを備える。結像光学系７は、対物光学系２０と、フィルターキューブ１２０と、リレー光学系３０とを備える。
なお、情報処理部４０の機能は顕微鏡１００から物理的に離れたＰＣやサーバなどの電子計算機等に配置してもよい。
【００２７】
透過照明光学系１０は、光源１１と、レンズ１２と、バンドパスフィルター１３と、視野絞り１４と、レンズ１５と、開口絞り１６と、集光レンズ１７とを備える。対物光学系２０は、複数の対物レンズ２１を備える。対物レンズ２１としては、対物レンズ２１ａ，２１ｂ，および２１ｃの複数の対物レンズがターレット等により保持されており、いずれかを適宜選択して使用する。リレー光学系３０は、結像レンズ３１と、ビームスプリッタ３２と、ミラー３３ａ，３３ｂ，および３３ｃと、レンズ３４ａ，３４ｂ，３４ｃと、接眼レンズ３５とを備える。接眼レンズ３５はユーザの眼Ｅを近づけて覗き込むことができるように構成されている。
なお、交換可能な対物レンズ２１の数は特に限定されない。また、顕微鏡１００に含まれる光学系の態様は、対象物Ｓの所望の面の画像を取得することができれば特に限定されない。
【００２８】
図１において、顕微鏡１００の光学系の光軸を一点鎖線Ｌ１で示し、光源１１からの照明光（光束）を二点鎖線Ｌ２で模式的に示した。対物レンズ２１のうち、対象物Ｓの観察に使用されている対物レンズを対物レンズ２１ａとすると、後に詳述する対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏは、顕微鏡１００の光軸Ｌ１と一致しているため、これを図１においてＬ１（Ｌｏ）と示した。検出部９で検出された光の検出信号は、実線矢印Ａ１で示されるように、情報処理部４０に出力される。また、情報処理部４０は顕微鏡１００を制御するが、その制御を実線矢印Ａ２で模式的に示した。一点鎖線Ｌ１，Ｌ２、実線矢印Ａ１，Ａ２は以下の実施形態でも同様のものを示す。
【００２９】
光源１１は、ハロゲンランプ等の非コヒーレント光源を含み、情報処理部４０による制御のもと、対象物Ｓに照射する照明光Ｌ２として非コヒーレント光を出射する。本実施形態の透過照明光学系１０では、光源１１から出射された非コヒーレント光が、後述する開口絞り１６を含む各光学部材により、位相復元が可能な光軸に略垂直な波面を有する光とされて対象物Ｓに照射される構成となっている。「位相復元」とは、後に詳述するが、検出部９により計測した対象物Ｓからの光の強度から、強度輸送方程式を用いて対象物Ｓの構造を反映した位相値を算出することである。照明光Ｌ２は、対象物Ｓの構造を反映した位相の計測が可能であればどのような波長の光でも構わないが、可視光で見えづらい対象物の構造を反映した位相の計測により可視化できる観点では、そのまま可視光を使用することが簡素で好ましい。
なお、対象物Ｓに照射する照明光Ｌ２は、可視光でなくてもよく、紫外光や赤外光であってもよい。さらに、照明光Ｌ２の波面は光軸に略垂直でなくとも、波面の形状が既知であればよく、例えば、照明光Ｌ２の波面は略球面であってもよい。また、光源１１は、パルスレーザや連続発振（ＣＷ）レーザなどのコヒーレント光源を含み、照明光Ｌ２としてコヒーレント光を出射してもよい。
【００３０】
光源１１から出射した照明光Ｌ２は、レンズ１２に入射する。レンズ１２に入射した照明光Ｌ２は、レンズ１２により屈折され略平行な光となってレンズ１２を出射し、バンドパスフィルター１３に入射する。バンドパスフィルター１３に入射した照明光Ｌ２は、所望の波長範囲の波長成分の光のみがバンドパスフィルター１３により透過されて、視野絞り１４に入射する。ここで、バンドパスフィルター１３により透過される光の波長範囲は、軸上色収差によって発生する、位相を復元する際の、位相の実測値と実際の位相との誤差（後述の位相復元誤差）が大きくなり過ぎないように適宜設定される。バンドパスフィルター１３は透過照明光学系１０の光路に挿脱可能に構成されており、情報処理部４０の制御のもと、適宜光路外の位置Ｐ１に退避可能に構成される。バンドパスフィルター１３を透過照明光学系１０の光路に挿脱するバンドパスフィルター駆動部は、簡略化のため、図示を省略している。なお、バンドパスフィルター駆動部は必ずしも必要な構成でなく、例えば、ユーザが手動で、バンドパスフィルター１３を透過照明光学系１０の光路に挿脱してもよい。
なお、光源１１としてレーザ光等の波長範囲が狭い光源を用いる際は、バンドパスフィルター１３を光路に配置する必要は無い。また、バンドパスフィルター１３は用いずに、対象物Ｓに対して結像側に配置されたフィルターキューブ１２０のフィルターにより、検出部９で検出する光の波長範囲を制限してもよい。
【００３１】
視野絞り１４に入射した照明光Ｌ２は、その光束径が調節されて視野絞り１４を出射し、レンズ１５に入射する。レンズ１５に入射した照明光Ｌ２は、レンズ１５により収束されてレンズ１５を出射し、開口絞り１６に入射する。開口絞り１６に入射した照明光Ｌ２は、その波面が球面状になるように変換され、開口絞り１６を出射し、集光レンズ１７に入射する。集光レンズ１７に入射した照明光Ｌ２は、集光レンズ１７により屈折され、対象物Ｓに照射される際に、透過照明光学系１０の光軸Ｌ１に略垂直な波面を有する光となり、対象物Ｓに照射される。
【００３２】
対象物Ｓは、ステージ８上に配置される。対象物Ｓは、特に限定されないが、照明光Ｌ２が対象物Ｓに照射され透過する際に、振幅の変化の割合が比較的小さく、一方、位相の変化の割合が大きい場合に、本実施形態に係る位相計測の効果がより顕著に得られるので好ましい。このような物体を位相物体と呼ぶ。対象物Ｓとしては、上記の観点から、特に透過照明光Ｌ２を著しく吸収しない、単層の培養細胞等の細胞のような位相物体が好ましい。
【００３３】
ステージ８は、対物レンズ２１ａの光軸、および当該光軸に垂直な軸に沿って移動可能に構成されている。ここで、対物レンズ２１ａの光軸とは、対物レンズ２１ａの対象物Ｓ側のレンズ面の光学中心と対物レンズ２１ａの焦点を通る直線で示される軸Ｌｏ（図５参照）を指す。ステージ８は、モータ等の移動装置による電動駆動により、対象物Ｓを撮像する際に、対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏに沿った移動が可能に構成されている。図５では、対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏが、顕微鏡１００の光軸Ｌ１と一致している点を、Ｌｏ（Ｌ１）と示した。以下の実施形態では、図１に座標軸９００として示すように、顕微鏡１００の光軸Ｌ１、すなわち対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏに平行にｚ軸をとり、ｚ軸に垂直であって紙面に平行にｘ軸を取り、ｘ軸及びｚ軸に垂直にｙ軸をとる。情報処理部４０は、図示しないステージ駆動部を駆動して、対象物Ｓにおける観察対象部分またはその近傍に、透過照明光学系１０および対物レンズ２１ａの光軸が一致するようにステージ８を移動する。
【００３４】
対物光学系２０は、対物レンズ２１を含んで構成される。本実施形態では、対物レンズ２１としては、複数の対物レンズ２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備える。後述するように、定量位相画像生成装置１では、開口数ＮＡ等の異なる対物レンズ２１ａ，２１ｂ，および２１ｃを交換して対象物Ｓを撮像して、それぞれの対物レンズ２１により得たデータに基づいて位相計測を行う際、位相を復元する空間周波数を示すパラメータｋを揃える事で、得られる位相値のばらつきを抑制するように構成されている。対物レンズ２１を変更した際に計測される位相値の変化が大きいと、異なる対物レンズ２１を用いて取得したデータの間の比較が難しくなる。また、異なる対物レンズ２１を用いて取得したデータのうち、どの対物レンズ２１を用いて取得したデータが位相を復元する際の精度が高いのか判断が難しい等の理由により、一連の測定に係る作業に負担が生じる。
【００３５】
落射照明光学系１１０は、水銀ランプ等の光源１１１や、フィルターキューブ１２０等を含んで構成され、蛍光観察等のための励起光を出射する。光源１１１から出射した光は、フィルターキューブ１２０に入射する。
【００３６】
フィルターキューブ１２０は、励起フィルター１２１と、ダイクロイックミラー１２２と、吸収フィルター１２３とを含んで構成され、光源１１１から入射した光のうち、所定波長の光を励起光として対象物Ｓへと反射する一方、対象物Ｓから発せられる蛍光をリレー光学系３０へと透過させる。フィルターキューブ１２０は、落射光学系１１０の光路に挿脱可能に構成されており、情報処理部４０の制御のもと、光路外の位置Ｐ２に適宜退避できるように構成されている。フィルターキューブ１２０を落射光学系１１０の光路に挿脱するフィルターキューブ駆動部は、簡略化のため、図示を省略している。なお、フィルターキューブ駆動部は必ずしも必要な構成でなく、例えば、ユーザが手動で、フィルターキューブ１２０を落射光学系１１０の光路に挿脱してもよい。
【００３７】
励起フィルター１２１は、落射照明光学系１１０から入射した光のうち、所定の波長範囲の光を励起光として透過する。励起フィルター１２１の透過波長領域は、ダイクロイックフィルター１２２の反射波長領域に一致する。ダイクロイックフィルター１２２は、励起フィルター１２１を透過した励起光を対象物Ｓに向けて反射し、対物レンズ２１ａから入射した対象物Ｓからの蛍光を吸収フィルター１２３へと透過する。吸収フィルター１２３は、ダイクロイックフィルター１２２から入射した光のうち、対象物Ｓや光学系からの不要な散乱光や迷光を吸収し、必要な光、すなわち、対象物Ｓからの蛍光のみをリレー光学系３０の結像レンズ３１に出射する。
【００３８】
リレー光学系３０の結像レンズ３１は、フィルターキューブ１２０から入射した光を検出部９に結像するように屈折させてビームスプリッタ３２に出射する。ビームスプリッタ３２は、フィルターキューブ１２０から入射した光の一部を検出部９へと反射し、残りは透過させてミラー３３ａに出射する。ミラー３３ａで反射した光は、レンズ３４ａ、ミラー３３ｂ、レンズ３４ｂ、レンズ３４ｃおよびミラー３３ｃの順で、ミラーでの反射またはレンズでの屈折を経て接眼レンズ３５に入射する。接眼レンズ３５に入射した光は接眼レンズ３５により屈折されてユーザの眼Ｅに入射して知覚される。
【００３９】
検出部９は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子の検出器を含んで構成され、リレー光学系３０のビームスプリッタ３２により反射された光を検出する。固体撮像素子の例として、二次元センサや、リニアセンサなどが使用される。本実施形態では、二次元センサを用いている。検出した光に対応する検出信号は不図示のＡ／Ｄ変換器等により適宜Ａ／Ｄ変換されて情報処理部４０に出力される。言い換えると、検出部９は、対象物９の像を撮像する。  なお、定量位相画像生成装置１では、対象物Ｓの構造を反映した位相の計測に際し、検出部９が、透過照明光学系１０からの照明光Ｌ２が照射された対象物Ｓの像を撮像する構成にしたが、落射照明光学系１１０からの照明光が照射された対象物Ｓの像を撮像する構成にしてもよい。この場合、落射照明光学系１１０からの照明光は、対物レンズ２１ａ（対物光学系２０）を介して対象物Ｓに照射され、対象物Ｓで反射または散乱した光に基づく対象物Ｓの像を検出部９で撮像する。
【００４０】
図２は、情報処理部４０の構成を示した図である。情報処理部４０は、入力部４１と、表示部４２と、通信部４３と、記憶部４４と、制御部５０とを備える。制御部５０は、装置制御部５１と、解析部５２とを備える。これらはバス等により接続されているが、簡略化のため省略している。装置制御部５１は、最適条件計算部５１１を備える。解析部５２は、位相復元処理部５２１と、画像構築部５２２と、画像解析部５２３とを備える。
【００４１】
入力部４１は、キーボード、マウスおよび／またはタッチパネル等の入力装置により構成され、顕微鏡１００による対象物Ｓの撮像や解析部５２による当該撮像により得られたデータの解析に必要な情報等を含む入力データを受け付ける。入力部４１は、受け付けた入力データを、後述の記憶部４４に適宜記憶させる。
なお、入力データは、後述の通信部４３を介して取得してもよい。
【００４２】
表示部４２は、液晶モニタ等の表示装置により構成され、顕微鏡１００による撮像の条件、当該撮像により得られたデータに基づいて解析部５２が生成した解析結果および定量位相画像等を表示する。
【００４３】
通信部４３は、インターネット等の通信網を利用して通信を行う通信装置により構成され、顕微鏡１００による撮像の条件、当該撮像により得られたデータに基づいて解析部５２が生成した解析結果および定量位相画像等を送信したり、適宜必要なデータを送受信したりする。
【００４４】
記憶部４４は、不揮発性メモリ等の記憶装置により構成され、制御部５０に処理を行わせるプログラム、顕微鏡本体部１００による撮像に必要なデータ、当該撮像により得られたデータおよび当該データに基づいて解析部５２が生成した解析結果および定量位相画像等を記憶する。
【００４５】
制御部５０は、ＣＰＵ等のマイクロプロセッサ等を含むプロセッサにより構成され、定量位相画像生成装置１を制御する動作の主体として機能する。すなわち、記憶部４４等に搭載されているプログラムを実行することにより、顕微鏡１００による対象物Ｓの撮像を行う装置制御処理、当該撮像により得られたデータの位相復元処理等の解析処理、および出力処理等の各種処理を行う。
【００４６】
制御部５０の装置制御部５１は、ユーザにより入力された入力データに基づいて顕微鏡本体部１００による対象物Ｓの撮像に必要なパラメータを適宜算出するとともに、取得した当該パラメータおよび入力データ等に基づいて顕微鏡１００の各部の動作を制御する。
【００４７】
最適条件計算部５１１は、顕微鏡１００が対象物Ｓにおける複数の位置のそれぞれに対物レンズ２１ａの焦点を順次配置して検出部９により対象物Ｓからの光を検出する際に設定するための、当該複数の位置の間隔Δｚを算出する。対物レンズ２１ａの光軸Ｌ１に沿って設定されるこの間隔Δｚを焦点間隔と呼ぶ。焦点間隔Δｚは、精度よく位相計測を行うためのパラメータである。以下、この点に関し、強度輸送方程式を利用した位相計測の方法に基づいて説明する。
【００４８】
図３は、位相物体を透過した光の波面が変化する点を説明するための概念図である。対象物Ｓを通過後の波面の振幅変化は無視できても、波面が伝搬するに従って、強度分布は不均一になる。対象物Ｓは、細胞等の位相物体であり、対象物Ｓには、波面Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３により模式的に示されているように、互いに平行で、透過照明光学系１０の光軸Ｌ０に略垂直な波面を有する平面波が照射されている。平面波の進行方向は矢印Ａ３で示した。対象物Ｓを透過した光は、振幅は大きく変化しないものの、位相が変化することにより、等位相面、すなわち波面が変化する（波面Ｗ４）。ホイヘンス＝フレネルの原理で、曲線状の波面を構成する光は、実線矢印Ａ４で示されるように計測面ｉ１に到達する。ここで、後に詳述するように、一例として対物レンズ２１ａの焦点が配置される対象物Ｓにおける特定の面（言い換えると、対物レンズ２１ａの合焦面）を計測面ｉ１と称する。計測面ｉ１は、対物レンズ２１ａの光軸に実質的に垂直な面である。図３では、計測面ｉ１は平面波の波面Ｗ１〜Ｗ３と実質的に平行である。計測面ｉ１上では、上述のように対象物Ｓによる波面の変化に伴い所定の光の強度分布（以下、光強度分布と呼ぶ）が形成される。対象物Ｓによる透過光の位相の変化と光強度分布との関係に基づいて、透過光の強度を解析することにより、位相の変化を計測する方法が提案されている。本実施形態では、以下に説明する強度輸送方程式を用いた方法を利用する。
【００４９】
伝播する波動における、強度Ｉと位相φの関係は、強度輸送方程式により記述される。強度輸送方程式は、以下の式（１）および（２）による連立方程式である。詳細は、Paganin D and Nugent KA, “Noninterferometric Phase Imaging with Partially Coherent Light,” Physical Review Letters, Volume 80, pp.2586-2589を参照されたい。なお、この文献は、特段の定めのない限り、参照としてここに組み込まれる。
【数１】
2020190459.tif 000002
【数２】
2020190459.tif 000003
ここで、∇の添字であるｘｙは、ＸＹ平面（光の伝搬方向に垂直な平面、すなわち本実施形態ではｚ軸（光軸Ｌ１（Ｌ０））に垂直な平面）を示す。すなわち、式（２）の左辺に現れる∇ｘｙφは、ＸＹ平面における位相φの勾配（gradient）を示す。式（１）の左辺と式（２）の右辺に現れるΦは、式（１）をポアソン方程式の形にして計算しやすいように導入された関数であり、検出したＸＹ平面における強度Ｉのｚに関する微分係数の分布を得て、ポアソン方程式（１）を解くことにより導出できる。式（１）を解いて得た関数Φと光強度分布から、式（２）を解いて位相分布φを算出することができる。
【００５０】
図４は、位相分布φの算出のために行う対象物Ｓからの光の検出方法を説明するための図である。まず、対象物Ｓの計測面ｉ１における光強度分布および計測面ｉ１におけるｚに関する微分係数分布を得る必要がある。このため、装置制御部５１は、図４で示すように、対物レンズ２１ａの焦点が所望の計測面ｉ１に含まれるように設定して、結像光学系７、具体的には、対物レンズ２１およびレンズ３１により検出部９の検出面に対象物９の像を結像させて対象物Ｓからの光を検出部９に検出させる。検出部９の各画素からの検出信号は、制御部５０（図２）に入力され、位相復元処理部５２１により各画素の位置と、各画素で検出された光強度とが対応付けられた光強度分布データが生成される。
【００５１】
光強度分布データは、ある座標ｚの値に対応する計測面上での座標（ｘ、ｙ）の位置に対応する、検出部９における各画素で検出された光の強度分布を表すデータである。光強度分布データは、当該座標ｘ、ｙ、ｚの値に対応する光強度を示すデータであり、ルックアップテーブルの形式で構築されている。例えば、あるｚの値に対応する計測面上での光強度分布を色または階調で区別して二次元にマッピングすることにより、当該ｚの位置における光の強度分布を示す画像（以下、光強度画像）を作成することができる。
なお、所定の座標ｘ、ｙ、ｚの値に対応する光強度の値を取り出すことができれば、光強度分布データのデータ構造は特に限定されず、他の既存のデータ構造であってもよい。
【００５２】
計測面ｉ１の位置（言い換えると、対物レンズ２１ａの焦点位置）は、検出部９により検出される対象物Ｓからの光の光強度のコントラストに基づいた位置に設定されることが好ましい。ここで、検出部９により検出される対象物Ｓからの光の光強度のコントラストは、例えば、対象物Ｓが培養細胞の場合、細胞が存在する領域で検出される輝度値と、細胞が存在しない領域で検出される輝度値との信号の比を意味する。コントラスト値の一例として、シグマデルタ法で算出される値、すなわち、撮影された画像についてそれぞれ隣り合う画素値の差分の和であり一義的に決まる値などを使用してもよい。装置制御部５１は、事前に（本実施形態に係る位相計測の前に）取得した対象物Ｓの三次元の光強度分布データから算出したパラメータ（以下に示す分散ｖｚ等の対象物Ｓからの光の光強度のコントラストを示すパラメータ）に基づいて、計測面ｉ１の位置を設定することができる。上記三次元の光強度分布データを事前に撮像により取得する場合、この光強度分布データの取得のための撮像の際の対象物Ｓにおける焦点の位置は特に限定されず、適宜設定すればよい。
【００５３】
装置制御部５１は、事前に取得した三次元の光強度分布データについて、各ｚの値に対応した、ｘ方向およびｙ方向についての二次元の光強度分布をＩｚ（ｘ、ｙ）としたとき、各ｚの値に対応する光強度分布の分散値ｖｚを以下の式（１１）により算出する。
【数３】
2020190459.tif 000004
ここで、Ｎｘは事前に取得した光強度分布データのｘ方向のピクセル数、Ｎｙは事前に取得した光強度分布データのｙ方向のピクセル数、Ｉｚの上にバーが示されたものは各ｚの値に対応する、当該光強度分布データ上の全ての（ｘ，ｙ）についてのＩｚ（ｘ，ｙ）の算術平均等の平均値である。装置制御部５１は、算出した各ｚの値に対応する分散ｖｚに基づいて計測面ｉ１の位置、すなわち、対物レンズ２１ａの焦点位置を設定する。例えば、装置制御部５１は、算出した分散ｖｚのうち、極小となる分散ｖｚに対応するｚ方向の位置に計測面ｉ１の位置を設定する。言い換えると、装置制御部５１は、計測面ｉ１の位置をコントラストが低い光強度分布データに対応するｚの値に設置する。
【００５４】
装置制御部５１は、最適条件計算部５１１が算出した焦点間隔Δｚに基づいて、対物レンズ２１ａの焦点位置が、計測面ｉ１上の位置からｚ軸に沿って−Δｚおよび＋Δｚの距離ずれたそれぞれの位置となるように計測面ｉ２およびｉ３上に当該焦点位置を順次設定する。焦点間隔Δｚの具体的な値の決定方法は後述する。装置制御部５１は、これらの計測面ｉ２およびｉ３にそれぞれ対物レンズ２１ａの焦点を配置した際に、結像光学系７により検出部９の検出面に対象物Ｓの像を結像させて対象物Ｓからの光を検出部９に検出させる。計測面ｉ２およびｉ３に対物レンズ２１ａの焦点を配置したそれぞれの場合に対応する検出部９の各画素からの検出信号は、制御部５０（図２）に入力され、位相復元処理部５２１により各画素の位置と検出信号に基づいた光強度とが対応付けられた光強度分布データがそれぞれ生成される。なお、計測面ｉ１〜ｉ３上に配置される、それぞれの対物レンズ２１ａの焦点の位置は、それぞれ計測面ｉ１〜ｉ３上に存在すれば、ＸＹ平面上の位置は特に限定されない。
【００５５】
生成された計測面ｉ２と計測面ｉ３のそれぞれの計測面に対応するそれぞれの光強度分布データは、計測面ｉ１における光強度のｚに関する微分係数を算出するのに用いられる。位相復元処理部５２１は、計測面ｉ２上の点および計測面ｉ３上の点であって、ＸＹ平面上での座標が同じ位置等の互いに対応する位置にある２点の強度の値の差分を、計測面ｉ２およびｉ３の間の距離である２Δｚで割ることにより、計測面ｉ１における光強度のｚに関する微分係数に相当するｄＩ／ｄｚ＝（Ｉ３−Ｉ２）／２Δｚを算出する。位相復元処理部５２１は、算出された光強度のｚに関する微分係数分布に対応するデータ（以下、微分係数分布データと呼ぶ）を適宜記憶部４４等に記憶させる。微分係数分布データは、座標ｘ、ｙ、ｚの値に対応する光強度のｚに関する微分係数の分布を示すデータであり、ルックアップテーブルの形式で構築されている。
なお、所定の座標ｘ、ｙ、ｚの値に対応するｚに関する微分係数の値を取り出すことができれば、微分係数分布データのデータ構造は特に限定されず、他の既存のデータ構造であってもよい。
【００５６】
図５は、対象物Ｓを撮像する際の対物レンズ２１ａの焦点と計測面ｉ１〜ｉ３の配置例を示す。図５では、ステージ８上に対象物Ｓが載置されている。図５では、対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏに平行にｚ軸が設定され、対象物Ｓから対物レンズ２１ａへ向かう向きをｚ軸の＋の向きとしている。また、焦点位置Ｆから対物レンズ２１ａに入射する光の光束を二点鎖線Ｌ２００で模式的に示した。図５では、対物レンズ２１ａの焦点位置Ｆをｚ＝ｚ０とし、ｚ＝ｚ０の点を含んでｚ軸に垂直な面を計測面ｉ１として示している。
【００５７】
装置制御部５１は、モータ等の移動装置を介して電動駆動することによりステージ８を移動させ、計測面ｉ１，ｉ２，ｉ３上にそれぞれ対物レンズ２１ａの焦点位置を設定する。装置制御部５１は、対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏに沿って互いに焦点間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに対物レンズ２１ａの焦点を順次配置する。ここで、「対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏに沿って互いに焦点間隔Δｚ離れた複数の位置」とは、当該複数の位置を対物レンズ２１ａの光軸Ｌｏに射影した際に、互いにΔｚの距離離れる複数の位置を指す。また、対物レンズ２１ａは結像光学系７においてステージ８側にあるため、対物レンズ２１ａの焦点位置Ｆは対物光学系２０または結像光学系７の焦点位置と言い換えることもできる。
【００５８】
装置制御部５１の最適条件計算部５１１は、本実施形態における顕微鏡本体部１００の設定情報と、後に詳述するパラメータｋとを用い、焦点間隔Δｚを以下の式（１００）により算出する。ここで、顕微鏡１００の設定情報とは、定量位相画像の生成のために顕微鏡１００に設定される情報であり、例えば、対物レンズ２１ａの開口数、照明光Ｌ２の波長、対物レンズ２１ａと対象物Ｓとの間で使用される浸液の屈折率情報である。
【数４】
2020190459.tif 000005
ここで、λは照明光Ｌ２の波長であり、入力部４１へのユーザの入力等に基づいて装置制御部５１が設定する。ｎは対物レンズ２１ａと対象物Ｓとの間の屈折率であり、入力部４１へのユーザの入力等に基づいて装置制御部５１が設定する。装置制御部５１は、対物レンズ２１ａが乾燥対物レンズの場合、対物レンズ２１ａと対象物Ｓとの間の雰囲気は空気であるため、空気の屈折率として例えばｎ＝１．００に設定する。一方、対物レンズ２１ａが液浸対物レンズの場合、装置制御部５１は、対物レンズ２１ａと対象物Ｓとの間に満たされる浸液の屈折率を屈折率ｎとして設定する。ＮＡは対物レンズ２１ａの開口数であり、入力部４１へのユーザの入力等に基づいて装置制御部５１が設定する。そして、最適条件計算部５１１は、顕微鏡１００の設定情報に基づいて、焦点間隔Δｚを算出する。具体的には、最適条件計算部５１１は、式（１００）に示されたように、対物レンズ２１ａの開口数ＮＡ、照明光Ｌ２の波長λ、および対物レンズ２１ａと対象物Ｓとの間の屈折率ｎの情報に基づいて焦点間隔Δｚを算出する。
【００５９】
また、パラメータｋは１以上の値であり、式（１００）において、ｋ＝１の場合には、対物レンズ２１ａの性能を最大限に生かす遮断空間周波数まで、強度輸送方程式により位相復元を行うことができる。ｋの値が１より大きくなるに従って、強度輸送方程式により位相復元を行うことができる空間周波数は低くなる。以下では、パラメータｋを位相復元パラメータと呼ぶ。
【００６０】
なお、対象物Ｓの構造を反映した位相値と測定した位相値との差を位相復元誤差と称する。高い空間周波数で位相を復元すると、基本的に位相復元誤差が小さくなる。位相復元誤差が小さい場合には、実際の位相値により近い位相を（つまり、より高精度に位相を）復元することになるので、位相を復元する際の精度（位相復元精度と称する）が高いと言うことができる。
【００６１】
最適条件計算部５１１は、位相復元パラメータｋを、２５以下に設定することが好ましく、１６以下に設定することがより好ましい。位相復元パラメータｋが大きくなると、上記の通り、位相復元可能な空間周波数が低くなる。ｋ＝２５の場合における焦点間隔Δｚを採用した場合では、対物レンズ２１ａの遮断空間周波数の５分の１の空間周波数まで復元することに相当する性能となる。また、ｋ＝１６の場合における焦点間隔Δｚを採用した場合では、対物レンズ２１ａの遮断空間周波数の４分の１の空間周波数まで復元することに相当する性能となる。可視光での数μｍ〜数百μｍ程度の大きさの細胞等の対象物Ｓ（位相物体）の観察では、位相復元パラメータｋは２５以下の比較的大きい値に設定すると細胞全体を検出する上で好ましく、パラメータｋが１６以下だと、核等の細胞内の比較的大きい構造物を検出しやすくなるためさらに好ましい。
なお、上記の例においては、対物レンズ２１ａの遮断空間周波数の５分の１や４分の１の空間周波数まで復元することに相当するようにパラメータｋの値を決定したが、パラメータｋの値はこれらの値に限られることはなく、対象物Ｓの構造を反映した位相の計測に必要な分解能に応じて設定すればよい。
【００６２】
最適条件計算部５１１が、照明光Ｌ２の波長λが３４０ｎｍ、４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍおよび１３００ｎｍにおける焦点間隔Δｚを、位相復元パラメータｋを１〜１６の範囲として式（１００）に基づいて設定する場合の数値範囲の例を以下の表１に示す。
【００６３】
【表１】
2020190459.tif 000006
【００６４】
本実施形態に係る被験物質の細胞毒性を評価する方法は、第１の画像を得る工程及び第２の画像を得る工程で、異なる時間において、被験物質の存在下の細胞及び被験物質の非存在下の細胞を複数回撮像し、被験物質が細胞毒性を有するか否か判定する工程は、第１の画像と第２の画像の経時的な変化を比較することを含むものであってもよい。
【００６５】
具体的には、被験物質の存在下で培養した細胞を複数回撮像し、得られた画像を第１の画像とし、被験物質の非存在下で培養した細胞を複数回撮像し、得られた画像を第２の画像とする。細胞毒性を有する被験物質に曝露した場合、第１の画像と第２の画像の経時的な変化は異なる。また、細胞毒性を有しない被験物質に曝露した場合、第１の画像と第２の画像の経時的な変化はほぼ同一である。
すなわち、第１の画像と第２の画像の経時的な変化が異なる場合、被験物質は細胞毒性を有すると判定することができる。また、第１の画像と第２の画像の経時的な変化がほぼ同一である場合、被験物質は細胞毒性を有しないと判定することができる。
【００６６】
被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程は、被験物質の存在下の細胞及び被験物質の非存在下の細胞の、面積、体積、真円度若しくは縦横比を測定する工程を含んでもよい。また、細胞が複数個存在する場合には、細胞同士の間の間隙の面積を測定することもできる。
【００６７】
被験物質の存在下の細胞及び被験物質の非存在下の細胞は、Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ内に配置されていてもよい。
【００６８】
図６は、一例として、オーガンチップの一形態の構成を説明する模式断面図である。図７に示すように、オーガンチップ７００は、一方面がオーガンチップ７００の天井面７１１となる第１の基板７１０と、一方面がオーガンチップ７００の底面７２１となる第２の基板７２０と、第１の基板７１０と第２の基板７２０との間に、第１の基板７１０及び第２の基板７２０に略平行に配置された多孔膜８１１と、第１の基板７１０、第２の基板７２０及び多孔膜８１１とを支持する支持体（図示せず）とを有する。第１の基板７１０と多孔膜８１１との間の空間は第１の流路７４０を形成し、第２の基板７２０と多孔膜８１１との間の空間は第２の流路７５０を形成する。多孔膜８１１のうち、第１の基板７１０に対向する面上では、細胞Ｃが培養される。また、第１の流路７４０には培地８２０が流される。また、第２の流路７５０には培地８２１が流される。培地８２０又は培地８２１には試薬等が添加されてもよい。
【００６９】
第１の画像を得る工程及び第２の画像を得る工程は、それぞれ、次のようなものであってもよい。
【００７０】
第１の画像を得る工程は、対物レンズの光軸上に被験物質の存在下の細胞を配置する工程と、被験物質の存在下の細胞に照明光を照射する工程と、対物レンズの光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに対物レンズの焦点を配置して被験物質の存在下の細胞からの光を検出する工程と、検出した光に基づいて、複数の位置のそれぞれに対応する光強度分布データを生成する工程と、光強度分布データに基づいて、定量位相画像を生成する工程と、を含み、前記間隔Δｚは、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと被験物質の存在下の細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて設定されてもよい。
【００７１】
第２の画像を得る工程は、対物レンズの光軸上に被験物質の非存在下の細胞を配置する工程と、被験物質の非存在下の細胞に照明光を照射する工程と、対物レンズの光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに対物レンズの焦点を配置して被験物質の非存在下の細胞からの光を検出する工程と、検出した光に基づいて、複数の位置のそれぞれに対応する光強度分布データを生成する工程と、光強度分布データに基づいて、定量位相画像を生成する工程と、を含み、前記間隔Δｚは、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと被験物質の非存在下の細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて設定されてもよい。
【００７２】
また、前記間隔Δｚは、更にパラメータｋに基づいて設定され、前記ｋは、生成する前記定量位相画像において位相を復元する空間周波数を示す値であってもよい。
【００７３】
一態様において、前記間隔Δｚは、下記式（１００）に基づいて設定されてもよい。
【００７４】
【数５】
2020190459.tif 000007
［式（１００）中、ＮＡは前記対物レンズの開口数を表し、λは前記照明光の波長を表し、ｎは前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率を表し、ｋは前記定量位相画像の生成において位相を復元する空間周波数を示すパラメータを表し、前記パラメータｋの値は１〜２５である。］
【００７５】
被検物質の存在下の細胞の第１の画像と、被検物質の非存在下の細胞の第２の画像とを撮像する工程において、上述した定量位相画像生成装置１を用いることができる。第２の画像で計測したデータが、健常細胞の参照データを意味する。
【００７６】
非干渉方式の定量位相イメージングにより細胞を撮像するときの、細胞を収容する容器としては、例えば、ガラスを含んでいてもよいし、プラスチックを含んでいてもよい。非干渉方式の定量位相イメージングにおいては、光路上にプラスチックがあっても、撮像することができる。
【００７７】
干渉方式の定量位相イメージングにより細胞を撮像するときの、細胞を収容する容器としては、例えば、ガラスを含むものを挙げることができるが、光路上にプラスチックを含むものは、撮像視野内でも局所的なノイズが発生する事があった。そのノイズ由来は、プラスチック容器の屈折率が一様でない為に（異方性）、透過照明光が当たる場所毎に、偏光が回転してしまう為、物体光と参照光間で干渉強度が変化してしまい、細胞（位相物体）そのものだけを検出して、画像構築することができない。
【００７８】
本実施形態に係る被験物質の細胞毒性を評価する方法は、被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程において、第１の画像における被験物質の存在下の細胞の短軸方向の長さに対する被験物質の存在下の細胞の長軸方向の長さの比（以下、Ｒ１という場合がある）が、第２の画像における被験物質の非存在下の細胞の短軸方向の長さに対する被験物質の非存在下の細胞の長軸の長さの比（以下、Ｒ２という場合がある）と比較して低下した場合に、被験物質が細胞毒性を有すると判定する、方法であってもよい。ここで比較する細胞は、時間経過が異なる、同じ細胞を撮影した画像同士（第１と第２）を比較しても良いし、別のウェルで撮影した画像同士（第１と第２）を比較する事でも良い。前者ではタイムラプス観察の実施が多く、後者ではタイムラプス観察を実施しなくても、被検物質の細胞毒性を短期間で評価できる。
【００７９】
ここで、Ｒ１は下記式（Ａ１）により算出される。
Ｒ１＝（第１の画像における細胞の長軸方向の長さ）／（第１の画像における細胞の短軸方向の長さ）…（Ａ１）
【００８０】
また、Ｒ２は下記式（Ａ２）により算出される。
Ｒ２＝（第２の画像における細胞の長軸方向の長さ）／（第２の画像における細胞の短軸方向の長さ）…（Ａ２）
【００８１】
定量位相イメージングによって得られた画像における細胞の長軸方向の長さは、細胞の実際の長軸方向の長さを反映する。また、定量位相イメージングによって得られた画像における細胞の短軸方向の長さは、細胞の実際の短軸方向の長さを反映する。すなわち、定量位相イメージングによって得られた画像における短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの比は、細胞の短軸方向の実際の長さに対する長軸方向の実際の長さの比を反映する。
【００８２】
一般に、細胞は無色透明であるため、細胞を染色せずに、細胞の短軸方向の実際の長さ及び長軸方向の実際の長さを測定することは困難である。
【００８３】
実施例において後述するように、細胞を可視化するために細胞質を染色した場合、細胞質の染色の程度は、細胞の生命活動の強弱に依存することがある。
【００８４】
すなわち、細胞が毒性物質に曝露されていない場合であっても、個々の細胞の生命活動の強弱の程度に依存して、細胞が染色されないことがある。その結果、染色された細胞の形態を観察しても、被験物質の細胞毒性を正しく評価できない。
【００８５】
実施例において後述するように、発明者らは、細胞毒性を有する被験物質の存在下の細胞の定量位相イメージングの画像におけるＲ１は、Ｒ２と比較して、低下することを明らかにした。
【００８６】
すなわち、定量位相イメージングの画像に基づいて算出された、Ｒ１を低下させる被験物質は、細胞毒性を有すると推定することができる。
【００８７】
本実施形態に係る被験物質の細胞毒性を評価する方法は、被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程において、第１の画像において前記被験物質の存在下の細胞が存在しない領域の面積が、前記第２の画像において前記被験物質の非存在下の細胞が存在しない領域の面積と比較して増加した場合に、被験物質が細胞毒性を有すると判定する、方法であってもよい。
【００８８】
上述したように、細胞毒性を有する物質に細胞を曝露すると、一部の細胞は死に至り、結果として細胞数が減少する。一方、生存する細胞の形態については、形状等が変化し、健常細胞のそれと比較して球状に近づく。また、細胞数の減少に伴って、細胞を撮影した視野内（ＦОＶ：Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  ｖｉｅｗ）で、細胞が存在しない領域の面積は大きくなる。
【００８９】
定量位相イメージングによって得られた画像における細胞の面積は、実際の細胞の面積を反映する。面積内の全画素を積分する事で、細胞の体積を算出する事も可能である。また、定量位相イメージングによって得られた画像における細胞が存在しない領域の面積は、細胞が存在しない領域の実際の面積を反映する。
【００９０】
実施例において後述するように、細胞毒性を有する被験物質の存在下の細胞の定量位相イメージングの画像における、細胞が存在しない領域の面積は、細胞毒性を有する被験物質の非存在下の細胞の定量位相イメージングの画像における、細胞が存在しない領域の面積と比較して増加する。
【００９１】
すなわち、定量位相イメージングの画像に基づいて算出された、細胞が存在しない領域の面積を増加させる被験物質は、細胞毒性を有すると推定することができる。
【００９２】
上述したように、細胞毒性を有する被験物質の存在下にある細胞は、その一部は死に至り、また、生存する細胞は生命活動が低下する。その結果、生存する細胞の実際の形態は球状に近づく。
【００９３】
細胞が球体に近づくと、任意の断面において、その断面における細胞の短軸方向の実際の長さに対する細胞の長軸方向の実際の長さの比は低下すると考えられる。定量位相画像に基づいて生成された、細胞の任意の断面において、その断面における細胞の短軸方向の長さに対する細胞の長軸方向の長さの比は低下すると考えられる。
【００９４】
また、細胞が球体に近づくと、任意の断面において、その断面における細胞が存在しない領域の実際の面積は増加すると考えられる。定量位相画像に基づいて生成された、細胞の任意の断面において、その断面における細胞が存在しない領域の面積は増加すると考えられる。
【００９５】
そこで、細胞毒性評価方法は、次のようなものであってもよい。まず、第２の画像に基づいてｚ軸に平行な画像を生成し、第１の画像に基づいてｚ軸に平行な画像を生成する。ここで、上述したように、ｚ軸は光軸と平行である。
【００９６】
第１の画像に基づいたｚ軸に平行な画像における細胞の短軸方向の長さに対する細胞の長軸方向の長さの比が、第２の画像に基づいたｚ軸に平行な画像における細胞の短軸方向の長さに対する細胞の長軸方向の長さの比と比較して低下した場合に、被験物質が細胞毒性を有すると判定してもよい。
【００９７】
第１の画像に基づいたｚ軸に平行な画像における細胞が存在しない領域の面積が、第２の画像に基づいたｚ軸に平行な画像における細胞が存在しない領域の面積と比較して増加した場合に、被験物質が細胞毒性を有すると判定してもよい。
【００９８】
本実施形態に係る被験物質の細胞毒性を評価する方法は、被験物質の存在下で培養された細胞を異なる時間において複数回撮像し、定量位相イメージングにより複数の定量位相画像を生成する工程と、複数の定量位相画像における経時的な変化に基づいて、被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程と、を含む方法であってもよい。
【００９９】
具体的には、細胞を被験物質の存在下で培養し、異なる時間において、定量位相イメージングにより複数の定量位相画像を生成する。細胞を、細胞毒性を有する被験物質に曝露した場合、細胞の形態は経時的に変化すると考えられる。逆に、細胞を、細胞毒性を有しない被験物質に曝露した場合、細胞形態の経時的な変化量は顕著ではないと考えられる。
すなわち、被験物質に曝露した後、細胞形態が経時的に変化した場合、被験物質は毒性を有すると判定することができる。また、被験物質に曝露した後、細胞形態が経時的に顕著に変化しない場合、被験物質は毒性を有しないと判定することができる。
【０１００】
被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定する工程は、被験物質の存在下の細胞の、面積、体積、真円度若しくは縦横比を測定する工程を含んでもよい。また、細胞が複数個存在する場合には、細胞同士の間の間隙の面積を測定することもできる。
【０１０１】
被験物質の存在下の細胞は、Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ内に配置されていてもよい。
【０１０２】
本実施形態に係る被験物質の細胞毒性を評価する方法は、被験物質の存在下で培養された細胞を異なる時間において複数回撮像し、定量位相イメージングにより複数の定量位相画像を生成する工程が、対物レンズの光軸上に細胞を配置する工程と、細胞に照明光を照射する工程と、光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに対物レンズの焦点を配置して細胞からの光を検出する工程と、検出した光に基づいて、複数の位置のそれぞれに対応する光強度分布データを生成する工程と、光強度分布データに基づいて定量位相画像を生成する工程と、を含み、間隔Δｚは、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて設定されるものであってもよい。
【０１０３】
また、前記間隔Δｚは、更にパラメータｋに基づいて設定され、前記ｋは、生成する前記定量位相画像において位相を復元する空間周波数を示す値であってもよい。
【０１０４】
一態様において、前記間隔Δｚは、下記式（１００）に基づいて設定されてもよい。
【０１０５】
【数６】
2020190459.tif 000008
［式（１００）中、ＮＡは前記対物レンズの開口数を表し、λは前記照明光の波長を表し、ｎは前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率を表し、ｋは前記定量位相画像の生成において位相を復元する空間周波数を示すパラメータを表し、前記パラメータｋの値は１〜２５である。］
【０１０６】
［定量位相画像生成装置］
１実施形態において、本発明は、被験物質の細胞毒性を評価するための定量位相画像を生成する定量位相画像生成装置であって、顕微鏡と、装置制御部と、検出器と、画像生成部とを備え、前記顕微鏡は、細胞が配置されるステージと、前記細胞に照明光を照射する照明光学系と、対物レンズとを有し、前記装置制御部は、前記対物レンズの光軸に沿って互いに間隔Δｚ離れた複数の位置のそれぞれに前記対物レンズの焦点が配置されるように前記焦点の位置を調整するものであり、前記検出器は、前記照明光学系から照射された照明光により、前記細胞から生じる光を検出するものであり、前記画像生成部は、前記検出器が検出した前記光に基づいて、前記複数の位置に対応する光強度分布データを生成し、前記光強度分布データに基づいて、定量位相画像を生成するものであり、前記装置制御部は、前記対物レンズの開口数ＮＡ、前記照明光の波長λ、及び、前記対物レンズと前記細胞との間の屈折率ｎの少なくとも１つに基づいて前記間隔Δｚを設定するものである、定量位相画像生成装置を提供する。
【０１０７】
本実施形態に係る定量位相画像生成装置は、図１等を参照して上述した定量位相画像生成装置と同様の構成を有しており、顕微鏡１００と、装置制御部５１と、検出部（検出器）９と、解析部（画像生成部）５２とを備える。検出器９は、照明光学系（透過照明光学系１０又は落射照明光学系１１０）から照射された照明光により、ステージ上の細胞から生じる光を検出する。
【０１０８】
顕微鏡１００は、Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ上に配置された細胞が配置されるステージ８と、前記細胞に照明光を照射する照明光学系（透過照明光学系１０又は落射照明光学系１１０）と、対物レンズ２１を有する。
【０１０９】
本実施形態の定量位相画像生成装置のステージ８に配置される細胞は、スライドグラス、細胞培養容器、Ｏｒｇａｎ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ等に配置されていてもよい。細胞培養容器としては、例えば、ウェルプレート、シャーレ、スライドチャンバー等が挙げられる。
【０１１０】
本実施形態の定量位相画像生成装置によれば、細胞が細胞毒性を有する被験物質に曝露された場合に、細胞の、面積、体積、真円度若しくは縦横比、又は、前記細胞の間隙の面積の変化を明瞭に測定することができる。これにより、被験物質が細胞毒性を有するか否かを判定することができる。また、細胞を非侵襲的に観察することができる。
【実施例】
【０１１１】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【０１１２】
［実験例１］
（毒性物質を曝露した細胞の観察）
ヒト腎臓近位尿細管上皮細胞（ＲＰＴＥＣ）に対して、各濃度のシスプラチンを２４時間曝露し、カルセイン染色及びヘキスト染色を行った。各サンプルについて、位相差像、カルセイン染色画像、定量位相画像、ヘキスト染色画像を撮像した。シスプラチンは、近位尿細管上皮細胞を障害することで知られている。
【０１１３】
撮影した画像を図７〜１０に示す。図７は位相差像であり、図７（ａ）はＲＰＴＥＣをシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、図７（ｂ）はＲＰＴＥＣを１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図７（ｃ）はＲＰＴＥＣを５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図７（ｄ）はＲＰＴＥＣを１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【０１１４】
図８はカルセイン染色画像であり、図８（ａ）はＲＰＴＥＣをシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、図８（ｂ）はＲＰＴＥＣを１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図８（ｃ）はＲＰＴＥＣを５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図８（ｄ）はＲＰＴＥＣを１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【０１１５】
図９は定量位相画像であり、図９（ａ）はＲＰＴＥＣをシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、図９（ｂ）はＲＰＴＥＣを１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図９（ｃ）はＲＰＴＥＣを５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図９（ｄ）はＲＰＴＥＣを１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
【０１１６】
図１０はヘキスト染色画像であり、図１０（ａ）はＲＰＴＥＣをシスプラチンに曝露しなかった場合の像であり、図１０（ｂ）はＲＰＴＥＣを１０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図１０（ｃ）はＲＰＴＥＣを５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像であり、図１０（ｄ）はＲＰＴＥＣを１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の像である。
図中、丸枠と矢印で示される箇所は、同一視野において、ヘキスト染色画像をその他の各画像（位相差画像、定量位相画像、カルセイン染色画像）と比較した箇所である。ヘキスト染色画像と、位相差画像および定量位相画像との比較では、丸枠と矢印で示される領域に含まれる細胞は核を有する細胞であることが分かった。一方、細胞内エステラーゼの存在下で蛍光を発するカルセイン色素を用いた染色画像と、ヘキスト染色画像との比較では、カルセイン染色画像において、丸枠と矢印で示される領域に含まれる細胞の一部は観察されなかった。観察されなかった一部の細胞は死細胞であるが、細胞の構造を維持していたことが分かる。
【０１１７】
［実験例２］
（定量位相画像による細胞数のカウント）
実験例１で取得した画像を用いて、細胞数をカウントした。
（方法）ヘキスト染色画像について、個々の細胞核領域を抽出する画像処理により、細胞数のカウント値の正解値を求めた。次に、同一の細胞群に対しての定量位相画像について、個々の細胞領域を検出する画像処理を行って、ヘキスト染色画像から抽出された細胞核領域を含む細胞領域の数をカウントした。同様に、カルセイン染色画像について、個々の細胞領域を検出する画像処理を行って、ヘキスト染色画像から抽出された細胞核領域を含む細胞領域の数をカウントした。
【０１１８】
上記の画像処理で抽出し数値化した結果を図１１に示す。図１１（ａ）は、カルセイン染色陽性かつヘキスト染色陽性として検出された細胞数、定量位相画像で検出された細胞のうちヘキスト染色陽性として検出された細胞数、ヘキスト染色陽性として検出された細胞数を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、カルセイン染色陽性として検出された細胞数とヘキスト染色陽性として検出された細胞数の相関関係を示すグラフであり、図１１（ｃ）は、定量位相画像で検出された細胞数とヘキスト染色陽性として検出された細胞数の相関関係を示すグラフである。
【０１１９】
その結果、上記の画像処理で数値化した定量位相画像の細胞数とヘキスト染色画像の細胞数との相関性は、カルセイン染色画像の細胞数とヘキスト染色画像の細胞数との相関性よりも、高いことが明らかになった。
【０１２０】
また、上記の画像処理を用いて定量位相画像で検出された細胞のうちヘキスト染色画像から抽出された細胞核領域を含む細胞の数は、ヘキスト染色画像で検出された細胞数と、ほぼ同一であることが明らかになった。カルセイン染色画像から検出した細胞数と、ヘキスト染色画像から計測した細胞数とやや乖離があった。その理由として、カルセイン染色画像は定量位相画像と比較してシグナル輝度値と背景輝度値の比が低く、本画像処理を用いた解析に適さなかったことが考えられる。
【０１２１】
シスプラチンの曝露による細胞数の変化は、定量位相画像を用いた画像処理により抽出した細胞領域を解析することで定量化でき、評価できることが示された。
【０１２２】
［実験例３］
（毒性物質による細胞形態の変化）
実験例１で取得した画像を用いて、細胞形態を評価した。生細胞の細胞質を可視化するカルセインを用いた染色画像では、シスプラチンの濃度依存的に個々の細胞が徐々に球形に近くなっていく様子が示された。位相差画像でも、同様の傾向（形態変化の濃度依存性）が確認できる。
定量位相画像でも同様の傾向（形態変化の濃度依存性）が見られており、定量位相画像はカルセイン染色画像と同様に、細胞の形状を再現していることがわかった。
【０１２３】
これらの細胞形態を定量化するために、定量位相画像について画像処理を行い、個々の細胞領域を検出した。同様に、カルセイン染色画像について画像処理を行い、個々の細胞領域を検出した。各々の画像に対して、画像処理を行い、検出した異なる複数の細胞の長軸方向の長さと、各細胞の短軸方向の長さとを計測した。続いて、各細胞の短軸方向の長さに対する各細胞の長軸方向の長さの比を算出して、各細胞の平均値を算出した。以下に記述する「細胞」は、「画像処理で検出された細胞領域マスク」とする。
【０１２４】
具体的には、シスプラチンに曝露し、カルセイン染色された細胞について、ＲＣ１を下記式（Ｃ１）により算出した。
ＲＣ１＝（カルセイン染色された細胞の長軸方向の長さ）／（カルセイン染色された細胞の短軸方向の長さ）…（Ｃ１）
【０１２５】
また、シスプラチンに曝露しておらず、カルセイン染色された細胞について、ＲＣ２を下記式（Ｃ２）により算出した。
ＲＣ２＝（カルセイン染色された細胞の長軸方向の長さ）／（カルセイン染色された細胞の短軸方向の長さ）…（Ｃ２）
【０１２６】
また、上述したように、シスプラチンに曝露した細胞について定量位相画像を取得し、Ｒ１を下記式（Ａ１）により算出した。
Ｒ１＝（第１の画像における細胞の長軸方向の長さ）／（第１の画像における細胞の短軸方向の長さ）…（Ａ１）
【０１２７】
さらに、上述したように、シスプラチンに曝露していない細胞について定量位相画像を取得し、Ｒ２を下記式（Ａ２）により算出した。
Ｒ２＝（第２の画像における細胞の長軸方向の長さ）／（第２の画像における細胞の短軸方向の長さ）…（Ａ２）
【０１２８】
得られた結果から、曝露した各シスプラチンの濃度ごとにＲＣ１の平均値、ＲＣ２の平均値を算出した。また、曝露した各シスプラチンの濃度ごとにＲ１の平均値、Ｒ２の平均値を算出した。
【０１２９】
結果を図１２に示す。図１２は、カルセイン染色画像及び定量位相画像における、各細胞の短軸方向の長さに対する、同一細胞の長軸方向の長さの比を算出したデータ群に対して、平均値を算出した結果を示す図である。
その結果、シスプラチンの濃度が上昇しても、ＲＣ１の平均値はＲＣ２の平均値と比較して低下しないことが明らかになった。これに対し、シスプラチンの濃度が上昇すると、Ｒ１の平均値はＲ２の平均値と比較して低下することが明らかになった。
【０１３０】
細胞をシスプラチンに曝露しなかった場合、細胞は、容器の底面に張り付き、扁平な形状を示す。一方、細胞を曝露するシスプラチンの濃度が上昇すると、生存した細胞は、生命活動が低下した結果、本来の形態とは異なる球体に近い形状を示すようになることが、カルセイン染色画像、定量位相画像で示された。
【０１３１】
定量位相画像を用いた画像解析により、細胞形態の変化が定量的に示された。一方で、カルセイン染色画像を用いた画像解析では示すことができなかった。その理由として、カルセイン染色画像は定量位相画像と比較してシグナル輝度値と背景輝度値の比が低く、本画像処理を用いた解析に適さなかったことが考えられる。
【０１３２】
シスプラチンの曝露による細胞の形態の変化は、定量位相画像を用いた画像処理により抽出した細胞領域を解析することで定量化でき、評価できることが示された。
【０１３３】
［実験例３］
（毒性物質添加による細胞間隙面積の変化）
実験例１で取得した画像を用いて、細胞が存在しない領域面積を評価した。生細胞の細胞質を可視化するカルセインを用いた染色画像では、シスプラチンの濃度依存的に細胞が存在しない領域面積が増加していた。定量位相画像でも同様の傾向が見られており、定量位相画像はカルセイン染色画像と同様に、細胞のない領域について再現していることがわかった。
【０１３４】
細胞が存在しない領域面積を測定するために、定量位相画像について画像処理を行い、細胞のない領域の面積を算出した。同様に、カルセイン染色画像について画像処理を行い、細胞のない領域の面積を算出した。以下に記述数する「領域」は、「画像処理で抽出された領域」とする。
【０１３５】
結果を図１３に示す。図１３は、Ｈｏｃｈｅｓｔ染色画像における核が存在しない領域、カルセイン染色画像における細胞が存在しないように見える領域、定量位相画像における細胞が存在しない領域を可視化し、これらの領域を重ね合わせたものである。
【０１３６】
図１３（ａ）はシスプラチンに曝露しなかった場合の重ね合わせた画像であり、図１３（ｂ）は１０μＭ  シスプラチン曝露した場合の重ね合わせた画像であり、図１３（ｃ）は５０μＭ  シスプラチンに曝露した場合の重ね合わせた画像であり、図１３（ｄ）１００μＭ  シスプラチンに曝露した場合の重ね合わせた画像である。
【０１３７】
図１４（ａ）は、カルセイン染色画像において細胞が存在しない領域の面積、定量位相画像において細胞が存在しない領域の面積を示したグラフである。図１４（ｂ）は、得られた各画像に基づいて算出された各面積を、各画像全体に対する割合で示したグラフである。
【０１３８】
図１５は、カルセイン染色画像を用いた場合の細胞が存在しないように見える領域と、定量位相画像を用いた場合の細胞が存在しないように見える領域とを可視化した図である。
【０１３９】
その結果、カルセイン染色画像を用いた画像解析により定量化した場合は、シスプラチン濃度が上昇しても、細胞が存在しない領域の面積は広くならなかった。これに対し、定量位相画像を用いた画像解析により定量化した場合は、シスプラチン濃度の上昇に伴って、細胞が存在しない領域の面積は広くなった。
【０１４０】
細胞をシスプラチンに曝露させなかった場合、細胞は、容器の底面に張り付き、扁平な形状を示す。一方、細胞を曝露するシスプラチンの濃度が上昇すると、一部の細胞は、生命活動が低下した結果、本来の形態とは異なる球体に近い形状を示すようになる。すなわち、シスプラチンの濃度が上昇すると、実際の細胞が存在しない領域の面積は大きくなる。
【０１４１】
定量位相画像を用いた画像解析により、細胞の存在しない領域の面積の変化が定量的に示された。一方で、カルセイン染色画像を用いた画像解析では示すことができなかった。その理由として、カルセイン染色画像は定量位相画像と比較してシグナル輝度値と背景輝度値の比が低く、本画像処理を用いた解析に適さなかったことが考えられる。
【０１４２】
シスプラチンの曝露による細胞の存在しない領域の面積の変化は、定量位相画像を用いた画像処理により抽出した細胞領域を解析することで定量化でき、評価できることが示された。
定量位相画像における細胞が存在しない領域の面積は、細胞が実際に存在しない領域の面積を反映していると考えられる。
【符号の説明】
【０１４３】
７…結像光学系、８…ステージ、９…検出部（検出器）、１０…透過照明光学系、１１…光源、１２，１５…レンズ、１３…バンドパスフィルター、１４…視野絞り、１６…開口絞り、１７…集光レンズ、２０…対物光学系、２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…対物レンズ、３０…リレー光学系、３１…結像レンズ、３２…ビームスプリッタ、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…ミラー、３４ａ，３４ｂ，３４ｃ…レンズ、３５…接眼レンズ、４０…情報処理部、４１…入力部、４２…表示部、４３…通信部、４４…記憶部、５０…制御部、５１…装置制御部、５２…解析部（画像生成部）、１００…顕微鏡１００、１１０…落射照明光学系、１１１…水銀ランプ（光源）、１２０…フィルターキューブ、１２１…励起フィルター、１２２…ダイクロイックミラー、１２３…吸収フィルター、５１１…最適条件計算部、５２１…位相復元処理部、５２２…画像構築部、５２３…画像解析部、７００…オーガンチップ、７１１，７２１…面、７４０，７５０…流路、８１１…多孔膜、８２０、８２１…培地、９００…座標軸、Ｌ１（Ｌｏ）…光軸、Ｌ２…照明光、Ｐ１，Ｐ２…位置、Ｅ…眼、ｉ１，ｉ２，ｉ３…計測面、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ…３波面、Ｃ…細胞、Ｆ…焦点位置、Ｓ…対象物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020190459.tif 000023
【図１４】
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【図１５】
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