(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞の動き及び／又は特性を評価するための装置であって、
複数の細胞の複数の画像を獲得するための手段であって、当該細胞の少なくともいくつかが、調整された、律動的動きを示すものと、
前記複数の画像から前記複数の細胞に関する動きデータを導き出すための手段と、
前記動きデータを分解して、１つ又は複数の動き成分を生成するための手段と、
前記１つ又は複数の動き成分を評価して、前記複数の細胞のうちのどの細胞が、調整された律動的動きを示し、どの細胞が調整された律動的動きを示さないかを特定するか、又は、前記複数の細胞に適用された処置が、前記細胞の少なくともいくつかによって示された、調整された律動的動きを、変化させたか若しくは乱したかを特定するための手段と
を含む装置。
【請求項２】
細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかの前記評価に基づいて、前記１つ又は複数の細胞に適用された１つ又は複数の処置の効果を測定するための手段を含み、
前記処置が、前記細胞に適用された、物理的又は化学的刺激を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ又は複数の細胞に前記１つ又は複数の処置を適用するための手段を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかの前記評価に基づいて、前記複数の画像の１つ又は複数を区分けするための手段を含む、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかの前記評価に基づいて、前記１つ又は複数の細胞の前記いくつか又はすべての細胞の状態を特定するための手段を含む、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記複数の画像は、ビデオのフレーム又は順次の定期的画像のセットを含む、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記１つ又は複数の細胞は生体外の細胞を含む、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記生体外の細胞は前駆細胞又は筋細胞の少なくともいずれかを含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記１つ又は複数の細胞は生体内の細胞を含む、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記生体内の細胞は、モデル生物、組織サンプル又は細胞培養体のうちの少なくとも１つからの細胞を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記１つ又は複数の細胞は、単一の細胞、細胞のシートもしくはパネル、又は或る量の細胞を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記複数の画像は、拡大されて獲得される、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記動きデータを導き出すための手段は、
順次の各画像ペア間の前記動きを表すそれぞれの変位ベクトル図を生成するための手段と、
前記変位ベクトルダイアグラムを分析して、前記動きデータを導き出すための手段と
を含む、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記動きデータを導き出すための手段は、順次の画像間の前記動きを表すそれぞれのベクトル場を分析するための手段を含む、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記動きデータを分解するための手段は、因子分解技術を使用して導き出された１つ又は複数の成分に対して、当該分解を実行する、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
細胞の動き特性は、周波数、周期性、方向性、速度又は加速度のうちの１つ又は複数を含む、請求項１から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
細胞特性は、細胞年齢又は細胞分化の１つ又は複数を含む、請求項１から１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
１つ又は複数の、一時的ではない（non-transitory）コンピューター可読媒体上で提供され、プロセッサ上で実行されると、画像分析システムに、所定の動作を実行するように指令することとなる、コンピュータープログラムであって、当該画像分析システムが、
１つ又は複数の細胞を光学的に分析するように構成された画像生成部と、
前記画像生成部を介して前記１つ又は複数の細胞の画像を獲得するように構成されたデータ獲得回路と、
前記画像から前記それぞれの１つ又は複数の細胞に関する動きデータを導き出し、前記動きデータを分解して、１つ又は複数の動き成分を生成し、さらに前記１つ又は複数の動き成分に基づいて、細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかを評価するように構成されたデータ処理回路と
を備え、
前記所定の動作が、
複数の画像から複数の細胞に関する動きデータを導き出すステップであって、当該細胞の少なくともいくつかが、調整された、律動的動きを示すものと、
前記動きデータを分解して、１つ又は複数の動き成分を生成するステップと、
前記１つ又は複数の動き成分を評価して、前記複数の細胞のうちのどの細胞が、調整された律動的動きを示し、どの細胞が調整された律動的動きを示さないかを特定するか、又は、前記複数の細胞に適用された処置が、前記細胞の少なくともいくつかによって示された、調整された律動的動きを、変化させたか若しくは乱したかを特定するステップと、
を含む、コンピュータープログラム。
【請求項１９】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されたときに、前記複数の細胞の前記複数の画像を獲得させる、請求項１８に記載のコンピュータープログラム。
【請求項２０】
前記複数の画像の前記獲得が、拡大された状態下で（under magnification）起こる、請求項１９に記載のコンピュータープログラム。
【請求項２１】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されたときに、細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかの前記評価に基づいて、前記１つ又は複数の細胞に適用された１つ又は複数の処置の効果を測定させ、
前記処置が、前記細胞に適用された、物理的又は化学的刺激を含む、
請求項１８から２０のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２２】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されるときに、どの細胞が、調整された、律動的動きをを示し、どの細胞が示さないか、に基づいて、１つ又は複数の画像を区分けさせる、請求項１８から２１のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２３】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されるときに、どの細胞が、調整された、律動的動きをを示し、どの細胞が示さないかに基づいて、いくつか又はすべての細胞の状態を特定させる、請求項１８から２２のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２４】
前記複数の画像は、ビデオのフレーム、又は順次の周期的画像のセットを含む、請求項１８から２３のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２５】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されるときに、前記動きデータを導き出して、順次の各画像ペア間の前記動きを表すそれぞれの変位ベクトルダイアグラムを生成し、さらに前記変位ベクトルダイアグラムを分析して、前記動きデータを導き出す、請求項１８から２４のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２６】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されるときに、前記動きデータを導き出して、順次の画像間の前記動きを表すそれぞれのベクトル場を分析する、請求項１８から２５のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２７】
前記コンピュータプログラムが、前記プロセッサ上で実行されるときに、前記動きデータを分解して、因子分解技術を使用して導き出された１つ又は複数の成分に対して動作する、請求項１８から２６のいずれかに記載のコンピュータープログラム。
【請求項２８】
画像生成部と、
前記画像生成部を介して複数の細胞の画像を獲得するように構成されたデータ獲得回路であって、当該細胞の少なくともいくつかが、調整された、律動的動きを示すものと、
前記画像から前記複数の細胞に関する動きデータを導き出し、前記動きデータを分解して、１つ又は複数の動き成分を生成し、前記前記１つ又は複数の動き成分を評価して、前記複数の細胞のうちのどの細胞が、調整された律動的動きを示し、どの細胞が調整された律動的動きを示さないかを特定するか、又は、前記複数の細胞に適用された処置が、前記細胞の少なくともいくつかによって示された、調整された律動的動きを、変化させたか若しくは乱したかを特定するように構成されたデータ処理回路と
を備える画像分析システム。
【請求項２９】
前記画像生成部、前記データ獲得回路又は前記データ処理回路のうちの少なくとも１つの動作を制御するように構成されたシステム制御回路を含む、請求項２８の画像分析システム。
【請求項３０】
前記画像生成部は、拡大するように構成される、請求項２８又は２９のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３１】
前記データ処理回路は、細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかの前記評価に基づいて、前記それぞれの１つ又は複数の細胞に適用された１つ又は複数の処置の効果を測定するように構成され、
前記処置が、前記細胞に適用された、物理的又は化学的刺激を含む、
請求項２８から３０のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３２】
前記データ処理回路は、どの細胞が、調整された律動的動きを示し、どの細胞が調整された律動的動きを示さないかに基づいて、前記画像を区分するように構成される、請求項２８から３１のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３３】
前記データ処理回路は、どの細胞が、調整された律動的動きを示し、どの細胞が調整された律動的動きを示さないかに基づいて、前記１つ又は複数の細胞のいくつか又はすべての細胞の状態を特定するように構成される、請求項２８から３２のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３４】
前記画像は、ビデオのフレーム又は順次の周期的画像のセットを含む、請求項２８から３３のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３５】
前記データ処理回路は、順次の各画像ペア間の前記動きを表すそれぞれの変位ベクトルダイアグラムを生成することによって、前記動きデータを導き出し、さらに前記変位ベクトルダイアグラムを分析して、前記動きデータを導き出す、請求項２８から３４のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３６】
前記データ処理回路は、順次の画像間の前記動きを表すそれぞれのベクトル場を分析することによって、前記動きデータを導き出す、請求項２８から３５のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３７】
前記データ処理回路は、因子分解技術を使用して導き出された１つ又は複数の成分に対して動作を実行することによって、前記動きデータを分解する、請求項２８から３６のいずれかに記載の画像分析システム。
【請求項３８】
前記１つ又は複数の細胞は、シート又はパネル又は或る量として提供される基材の中で、又は該基材の上で培養される、請求項２８から３７のいずれかに記載の画像分析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、一般に、薬理学的効果を評価するのに使用されることが可能な細胞培養物、組織、及び生物の評定及び評価に関する。詳細には、本技術は、細胞の動きの評定及び評価の際に視覚的な動き分析を使用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
製薬業界の活動の中心は、通常、患者の疾病又は疾患を治療することに有効である新たな、医療的に役立つ薬品を開発することである。さらに、そのような新たな役立つ薬品が、副作用がより少ない、又は全くないことが、一般に望ましい。しかし、明白なとおり、薬品として役立つ可能性がある化合物の数は、最終的に開発される数をはるかに超える。その結果、製薬業界は、さらなる試験及び開発に値する数少ない化合物を選択しようと試みて、膨大な数の薬品候補を選別する。
【０００３】
１つのそのような選別技術は、単純な生物系ベースの評価、例えば、細胞検定を利用して、細胞培養体の１つ又は複数の特性に対する化合物の効果を特定する。そのような細胞アッセイは、生体動物実験と比べて比較的安価であり、したがって、化合物の大規模な選別を実行する費用対効果の高い方法を与える。特に、通常の細胞アッセイは、関心対象の化合物を細胞培養体に適用し、その後、その培養体を形成する細胞の１つ又は複数の特性を評価することを含むことが可能である。これらの特性の評価に基づき、その化合物の効果を評価することができる。
【０００４】
しかし、一部の実例では、関心対象の特性に対する化合物の効果を評価することが困難であり得る。例えば、一部の事例では、関心対象の特性は、単一の細胞に帰せられない可能性があり、そうではなく、細胞のグループの特性である可能性がある。そのような特性の１つの例が、心臓の鼓動などの、対応する臓器の律動的な動き又は周期的な動きに対応することが可能な、心臓細胞などの細胞の調整された動きである。
【０００５】
しかし、現在、そのような調整された動きを迅速で、客観的で、再現可能な仕方で有効に評価する方法は、全く存在しない。例えば、調整された細胞の動きに対する処置効果を評価するための現行の一技術は、或る化合物で処置した後の細胞培養体のビデオを観察者に観察させて、それらの細胞の調整された動きに対するその化合物の効果の評価を行わせることを含む。しかし、そのような観察者ベースの分析は、主観的で、遅く、一般に再現可能ではない。
【０００６】
代替として、培養体の細胞の１つ又は複数の電気的特性の総合領域測定を行うことが可能であり、その１つ又は複数の電気的特性の変化に基づいて、それらの細胞の動きに対するその化合物の効果の評価を行うことが可能である。しかし、そのような電気生理学的検定は、その検定を実行することにかかわる技術的困難、ならびに大量スクリーニングに適さないかもしれない比較的低い処理能力のため、問題がある可能性がある。さらに、総合電気測定と細胞の動きの間の相関が低い可能性がある。さらに、関心対象の特性が、単に細胞の動き全般ではなく、調整された動きである限りで、そのような総合電気測定は、細胞の動きの調整された性質を評価するのに役立たないこともある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、細胞に対する化合物の効果を特定する際に、細胞の動きに関連する特性などの、いくつかの細胞の特性をより有効に評価することができることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本技術によれば、１つ又は複数の細胞の画像から、動きデータが導き出される。この動きデータは、因子分解技術を使用するなどして分解されて、いくつかの実施形態では、分析するのがより容易である可能性がある動きデータのより低い次元の表現をもたらす、１つ又は複数の動き成分が生成される。次に、この１つ又は複数の動き成分を使用して、この１つ又は複数の動き成分に対して、時系列分析などの時間ベースの分析を実行することなどによって、その１つ又は複数の細胞の特性又は動きを評価することが可能である。それらの細胞の評価に基づいて、それらの細胞に施された処置の効果を評価することができ、及び／又は、それらの細胞の一部又はすべての状態を特定することができる。
【０００９】
本技術の一態様では、細胞の動き及び／又は細胞の特性を評価するための方法が提供される。この方法は、１つ又は複数の細胞の複数の画像を獲得する動作を含む。その１つ又は複数の細胞に関する動きデータは、この複数の画像から導き出される。この動きデータが分解されて、１つ又は複数の動き成分が生成される。細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかが、この１つ又は複数の動き成分に基づいて評価される。
【００１０】
本技術のさらなる態様では、１つ又は複数のコンピューター可読媒体上でコンピュータープログラムが提供される。このコンピュータープログラムは、複数の画像から１つ又は複数の細胞に関する動きデータを導き出すように構成されたルーチンを含む。さらに、このコンピュータープログラムは、動きデータを分解して、１つ又は複数の動き成分を生成するように構成されたルーチンを含む。さらに、このコンピュータープログラムは、この１つ又は複数の動き成分に基づいて、細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかを評価するように構成されたルーチンを含む。
【００１１】
本技術のさらなる態様では、画像分析システムが提供される。この画像分析システムは、１つ又は複数の細胞を光学的にスキャンするように構成された画像生成部（ｉｍａｇｅｒ）と、この画像生成部を介して１つ又は複数の細胞の画像を獲得するように構成されたデータ獲得回路とを含む。また、画像分析システムは、これらの画像から、それぞれの１つ又は複数の細胞に関する動きデータを導き出すように構成されたデータ処理回路も含む。データ処理回路は、この動きデータを分解して、１つ又は複数の動き成分を生成するようにも構成される。さらに、データ処理回路は、この１つ又は複数の動き成分に基づいて、細胞の動き特性又は細胞特性の少なくともいずれかを評価するように構成される。
【００１２】
本発明のこれらの、及びその他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明が、すべての図面にわたって同様の符号が同様の部分を表す添付の図面を参照して読まれる場合、よりよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本技術の態様による、細胞の画像データを獲得する際に使用するための例示的なシステムを示す図である。
【図２】本技術の態様による、培養された細胞に対する処置効果を特定するための動作を示す流れ図である。
【図３】本技術の態様による、図２の動作に関連して説明される或るデータを表す図である。
【図４】本技術の態様による、細胞成熟度を特定するための動作を示す流れ図である。
【図５】本技術の態様による、画像を区分するための動作を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本技術は、自動化された、又は半自動化された光学的方法を使用する、処置された細胞培養体及び／又は処置されていない細胞培養体の高い処理能力のスクリーニングを対象とする。例えば、例示的な実施形態において、本技術は、細胞の動きに対する化合物の処置効果を評価するのに利用されて、その結果、処置された細胞の動き、又はそのような細胞の動きの調整に対する或る化合物の効果に関する洞察がもたらされる。そのような例において、高い処理能力の顕微鏡を使用して、処置された細胞コレクションのビデオを得ることが可能である。このビデオのフレームが、光学技術を使用して順番に分析されて、経時的な細胞の動きを表す動きデータを生成することができる。次に、この動きデータが分析されて、細胞の動きに対する処置の効果を特定することが可能である。例えば、一実施形態では、この動きデータが、処置効果を特定するのに使用されることが可能な、１次動き成分、２次動き成分などの動き成分に分解されることが可能である。
【００１５】
このようにして、細胞の動きを、細胞の動きに対する効果が予期され得る様々な処置又は環境要因の評価の際に使用することができる。例えば、本明細書で説明される技術は、不整脈を誘発する可能性などに関して、心周期に対する効果に関して薬品候補を評価する際に役立ち得る。そのようなスクリーニングの文脈において、それらの様々な候補化合物が、ＱＴ間隔、又は関心対象の他の認識された心周期間隔に対する効果に関して評価される。例えば、薬品候補は、それらの薬品候補が、ＱＴ間隔を長くするかどうかを評価するように選別されることが可能であり、ＱＴ間隔を長くすることは、不整脈発生に結び付いていることが理論化されている。そのような実施形態において、これらの候補化合物は、処置されないと、所与の周波数で、調整された律動的な仕方で動くことになる成熟した心筋細胞のシート又はパネルに対する効果を特定するように検定され得る。その律動的な動きの周波数が上がる又は下がることをもたらすことによって、あるいはその動きの調整を乱すことによって、心筋細胞の律動的な動きを変化させる化合物は、心周期に対する効果の可能性に関してさらなる精査に値する可能性がある。
【００１６】
代替として、他の実施形態では、処置効果を特定する代わりに、動きデータ、又は動きデータのその後の分析を使用して、それぞれの細胞培養体の構成細胞の状態（成熟度、成育可能、分化状態、活性化状態など）をそれらの動き特性に基づいて特定することが可能である。例えば、調整された動きを示す細胞培養体は、成熟していると等級付けされ得るのに対して、調整された動きを示さない細胞培養体は、未成熟であると等級付けされ得る。同様に、一部の実施形態では、そのような成熟度等級付けを使用して、細胞培養体を区分することも可能である。例えば、動きデータ、又は動きデータの分析を使用して、成熟しており、調整された仕方で動く、心筋細胞などの培養体などの細胞培養体の部分が、未成熟であり、調整された仕方で動かない部分から区別される、又は区分される。この区分けに基づき、成熟した細胞が、１つの仕方で処置される、又は分析されるのに対して、未成熟の細胞は、異なる仕方で処置される、又は分析されるように、差別的な処置又は分析を適用することが可能である。
【００１７】
以上のことに留意して、本技術に従って動作することができる例示的な画像生成システム１０が、図１に示される。一般に、画像生成システム１０は、信号を検出し、それらの信号を、下流のプロセッサによって処理されることが可能なデータに変換する画像生成部１２を含む。後でより完全に説明されるとおり、画像生成部１２は、画像データを作成するために、光学原理などの様々な物理的原理に従って動作することが可能である。一般に、画像生成部１２は、写真フィルムなどの従来の媒体において、又はデジタル媒体において、任意の次元の画像データを生成する。例えば、一部の実施形態では、画像生成部１２は、画像データの１つの、又は限られた数の線又は部分線、すなわち、実質的に１次元の画像データを生成することができる。他の実施形態では、画像生成部１２は、或る領域、すなわち、円形の領域、正方形の領域、長方形の領域、又は類似した領域を包含する実質的に２次元の画像データを生成することができる。さらに、一実施形態では、画像生成部１２は、いくらかの度合いの拡大をもたらすことが可能であるのに対して、他の実施形態では、画像生成部１２は、拡大をほとんど又は全くもたらさない。例えば、一実施形態では、画像生成部１２は、適切な光波長（可視の光波長、赤外線の光波長、及び／又は紫外線の光波長などの）で拡大されている画像獲得及び／又はビデオ獲得に適した、高い処理能力の顕微鏡などの顕微鏡であり得る。例えば、画像生成部１２は、ライン・スキャン・カメラ、蛍光顕微鏡、共焦点蛍光顕微鏡、共焦点レーザ走査顕微鏡、又は全反射蛍光顕微鏡を含む、任意の適切な画像ングデバイスであることが可能である。
【００１８】
図示される実施形態では、画像生成部１２は、３７℃及び５％のＣＯ２などの適切な培養条件下で、１００μｍ×１００μｍの培養基プレートなどの適切な培養基プレート１８上で培養された筋細胞又は他の適切な細胞１６の培養体などの、細胞培養体１４を撮像するように構成される。そのような細胞のコレクション（プレート）は、この１つ又は複数の細胞１６が提供され得る可能な１つの基材であるが、この１つ又は複数の細胞１６は、代替として、他のサイズ又は構成の基材上で提供又は培養されてもよく、さらに、一部の実施形態では、分析のための或る量として提供されてもよい。細胞培養体１４は、通常、所望される検定を実行するのに、又はそれ以外で、所望される処置効果を評価するのに適した細胞タイプ及び成熟度である。一部の実施形態では、細胞培養体１４は、筋細胞などの所望される細胞タイプに成熟させられる、又は培養される前駆細胞又は他の細胞を含むことが可能である。そのような実施形態では、後に説明するとおり、本技術の態様は、前駆細胞又は成熟細胞の状態（すなわち、成熟度、成育可能、分化状態、活性化状態など）を評価すること、及び／又は細胞１６の特定された状態に基づいて、培養体１４の獲得された画像データを分離することを含むことが可能である。
【００１９】
一実施形態では、画像生成部１２は、システム制御回路２２の制御下で動作する。システム制御回路２２は、画像生成プロセスにおいて使用するための様々なタイプの電磁放射（可視光、赤外線、紫外線、Ｘ線、電子ビームなど）の放出を制御する回路などの、多種多様な回路を含むことが可能である。同様に、一部の実施形態では、システム制御回路２２は、タイミング回路、サンプルの動きと連携してデータ獲得を調整するための回路、並びに、画像生成部１２の位置、及び／又は撮像されているサンプルを制御するための回路などを含むことが可能である。
【００２０】
この文脈において、画像生成システム１０は、システム制御回路２２によって、さらに／又はデータ獲得回路２６及び／又はデータ処理回路２８などのシステム１０の関連する構成要素によって実行されるプログラム及びルーチンを格納するために、磁気記憶媒体又は光記憶媒体などのメモリー要素２４を含むこともできる。格納されたプログラム及びルーチンは、本技術のすべて又は一部を実行するためのプログラム又はルーチンを含むことが可能である。
【００２１】
図示される実施形態において、データ獲得回路２６が、画像生成部１２から画像データを獲得するのに使用される。光学の実施形態において、データ獲得回路２６は、画像生成部１２上に又は画像生成部１２内に配置されたデジタルカメラにおいて見られることが可能であるような１つ又は複数の光検出要素を介して画像データを獲得するように構成され得る。獲得される画像データの性質は、デジタルであっても、アナログであってもよく、さらにそのような画像データは、一部の実施形態では、一連の画像であっても、そのような一連の画像から成るビデオであってもよい。最初に獲得される画像データの性質がアナログである実施形態において、データ獲得回路２６は、アナログデータをデジタルフォーマットに変換するように構成されることも可能である。同様に、データ獲得回路２６は、所望される場合、デジタルダイナミックレンジの調整、データの平滑化又は鮮明化、ならびにデータストリーム及びデータファイルの集約などの、獲得された画像データのいくらかの初期処理を提供するように構成され得る。
【００２２】
データ獲得回路２６によって獲得された画像データは、図示される実施形態におけるデータ処理回路２８などによって、処理されることが可能である。例えば、いくつかの実施形態において、データ処理回路２８は、順序付け、鮮明化、平滑化、特徴認識などの、画像データの様々な変換又は分析を実行することが可能である。処理に先立って、又は処理の後に、画像データは、メモリー要素２４に、あるいは、有線ネットワーク接続又は無線ネットワーク接続を介するなどして画像生成システム１０に接続されたピクチャー・アーカイビング通信システム又はピクチャー・アーカイビング・ワークステーションなどの遠隔デバイスなどに格納され得る。
【００２３】
生の画像データ又は処理された画像データは、一部の実施形態では、オペレーターワークステーション３２に供給され、又はワークステーション３２上で表示されることが可能である。そのような実施形態において、オペレーターワークステーション３２は、オペレーターがシステム制御回路２２とのインターフェースを介するなどして、画像生成システム１０の前述した動作及び機能を制御し、さらに／又は監視することを可能にするように構成され得る。オペレーターワークステーション３２は、汎用コンピューター又は特定用途向けコンピューター３４として提供され得る。プロセッサに加えて、コンピューター３４は、磁気大容量記憶デバイス及び光大容量記憶デバイス、ＲＡＭチップなどの内部メモリーを含め、様々なメモリー構成要素及び／又は記憶構成要素を含むこともできる。これらのメモリー構成要素及び／又は記憶構成要素は、コンピューター３４によって、又は画像生成システム１０の関連する構成要素によって実行される、本明細書で説明される技術を実行するためのプログラム及びルーチンを格納するために使用され得る。代替として、これらのプログラム及びルーチンは、コンピューター３４から遠隔であるが、コンピューター３４上に存在するネットワークインターフェース及び／又は通信インターフェースによってアクセス可能であるコンピューターアクセス可能なストレージ及び／又はメモリーの上に格納されてもよい。
【００２４】
オペレーターワークステーション３２のコンピューター３４は、様々なＩ／Ｏ（入出力）インターフェース、ならびに様々なネットワークインターフェース又は通信インターフェースを含むことも可能である。これらの様々なＩ／Ｏインターフェースは、構成情報を見るため、及び入力するため、さらに／又は画像生成システム１０を操作するために使用されることが可能なディスプレイ３６、キーボード３８、マウス４０、及び／又はプリンター４２などの、オペレーターワークステーション３２のユーザインターフェースデバイスとの通信を可能にすることができる。これらの様々なネットワークインターフェース及び通信インターフェースは、ローカルエリアとワイドエリアのイントラネット及びストレージネットワーク、ならびにインターネットへの接続を可能にすることができる。これらの様々なＩ／Ｏインターフェース及び通信インターフェースは、適宜、又は所望に応じて、配線、回線、又は適切な無線インターフェースを利用することができる。
【００２５】
簡明のために単一のオペレーターワークステーション３２が示されているものの、画像生成システム１０は、実際には、複数のそのようなオペレーターワークステーション３２と通信状態にあることが可能である。例えば、画像ングスキャナー又は画像ングステーションが、画像データ獲得手続きにかかわるパラメーターを調整するために使用されるオペレーターワークステーション３２を含むことができ、異なるオペレーターワークステーション３２が、結果を見るため及び評価するために提供されることが可能である。
【００２６】
説明の目的で、本技術のいくつかの機能及び態様は、別個で、異なるものとして、又はいくつかの構造又は回路に関連するものとして説明されてきた。しかし、そのような区別は、あくまで説明を簡略化するために行われており、限定するものと見なされるべきではない。例えば、簡明のため、前述の説明は、別々の画像生成システム１０とオペレーターワークステーション３２を介する実施について説明する。しかし、理解されるとおり、データ獲得、データ処理、システム制御などの、画像生成システム１０によって実行されるものとして説明されるいくつかの機能は、代わりに、オペレーターワークステーション３２上で実行されてもよく、あるいはいくつかが、画像生成システム１０上で実行され、他のいくつかが、オペレーターワークステーション３２上で実行される、異なる態様を有していてもよい。事実、実際には、画像生成部１２に帰せられる機能を可能な例外として、画像生成システム１０に帰せられる実質的にすべての機能が、オペレーターワークステーション３２上で実行されることが可能である。つまり、データ獲得回路２６、メモリー２４、データ処理回路２８、及び／又はシステム制御回路２２は、オペレーターワークステーション３２において提供されるハードウェア又はファームウェアとして、さらに／又はオペレーターワークステーション３２によって実行可能なソフトウェアとして提供されてもよい。例えば、本明細書で説明される回路の一部又はすべては、オペレーターワークステーション３２のコンピューター３４の適切なプロセッサ又はコプロセッサの上で実行されるルーチンとして提供されてもよい。事実、本明細書で使用される回路という用語は、説明される機能を実施するのに適した専用又は汎用のハードウェア実施形態又はファームウェア実施形態、及び／又はプロセッサによって実行可能なソフトウェア実施形態を包含するものと理解されたい。
【００２７】
以上のことに鑑みて、次に図２を参照すると、本技術の一態様を示す例示的な動作が、説明される。図示される実施形態において、１つ又は複数の細胞１６が、所望される化学的刺激又は物理的刺激で処置されて（ブロック５０）、それぞれの１つ又は複数の処置された細胞５２がもたらされる。これらの細胞１６は、哺乳類細胞、人間細胞、不死化細胞株、筋細胞（心筋細胞などの）、前駆細胞などを含む、任意の適切な細胞タイプであってよい。この１つ又は複数の細胞１６は、一部の実施形態では、生体外で、すなわち、細胞培養体１４（図１）の一部として提供され得、他の実施形態では、生体内の細胞（モデル生物又は組織サンプルの細胞などの）が使用されることが可能である。例えば、一実施形態では、内部光学検査に資するモデル生物の細胞が使用され得る。そのような生物の一例が、内臓器官、組織、及び細胞が視覚的に観察されることを許す、半透明の特性を有するゼブラフィッシュである。可能なモデル生物の他の例には、Ｃａｅｎｏｒｈａｂｄｉｔｉｓ  ｅｌｅｇａｎｓ、Ｄｒｏｓｏｐｈｉｌａ属の様々な種などが含まれる。そのような生体内の実施形態では、このモデル生物、又はこれらのモデル生物は、これらの生物に所望される処置を適用する前に、又は適用した後に、概ね透明の基材に固定されて、これらの生物が不動にされ得る。次に、これらの固定された生物における関心対象の内部細胞、組織、又は臓器が、顕微鏡によって観察される。
【００２８】
理解されるとおり、本明細書で使用される「処置」という用語は、細胞１６に適用される様々な物理的刺激又は化学的刺激を包含することが可能である。例えば、処置には、細胞１６の物理的環境を電気的に変化させること、力学的に変化させること、温度的に変化させること、及びその他の変化をさせることが含まれる。同様に、処置には、細胞１６に調査されている化合物を適用することが含まれる。そのような化合物は、薬理学的効果又は副作用に関して調査されている試験化合物又は薬品候補であり得る。そのような化学的処置実施形態において、施される化合物は、細胞培養体１４に対する効果に関して試験されるべき、天然又は合成の任意の分子、例えば、タンパク質、オリゴペプチド（例えば、約５から約２５までのアミノ酸の長さの）、有機小分子、多糖、脂質、脂肪酸、ポリヌクレオチド、オリゴヌクレオチドなどであることが可能である。この試験化合物は、十分な範囲の化合物構造多様性をもたらす組み合わせライブラリ又はランダム化されたライブラリなどの、試験化合物のライブラリの形式であることが可能である。さらに、一部の実施形態では、細胞は、様々な代謝性又は家族性の細胞障害を模倣するために、特定の遺伝子を「ノックアウトすること」、つまり、沈黙させることによって遺伝子操作されることが可能である。
【００２９】
処置された細胞５２が作成されると、これらの処置された細胞の画像５６が獲得される（ブロック５４）。一実施形態では、画像５６は、所与の時間間隔（１／２秒ごとに、１秒ごとに、２秒ごとになど）などで順次に獲得されることができる。代替として、画像５６は、ビデオの一部として獲得されてもよく、すなわち、画像５６は、ビデオのフレームであることが可能である。一実施形態では、画像５６が生成される頻度は、観察されている動きの周波数の約２倍（又はそれ以上）である。例として、心筋細胞の動きが、観察されており、そのような動きが、約４Ｈｚの周波数を有すると考えられていたとする場合、画像５６が生成されるレートは、この例では、約８Ｈｚ以上、すなわち、毎秒８フレーム以上である。画像５６が、高い処理能力の顕微鏡を使用するなどして、拡大されて獲得される実施形態において、画像５６は、２×、４×、８×、１６×、３２×、又は他の何らかの適切な拡大率で、処置された細胞を表すことが可能である。
【００３０】
画像５６に基づいて、動きデータ６０を生成することができる（ブロック５８）。図示される実施形態では、動きデータ６０は、動きデータ５６を生成するのに使用される画像５６の獲得間の間隔における、処置された細胞５２の動きを表す。つまり、動きデータ５６は、ビデオのフレーム間などの、画像５６間の各細胞の変位を表す。このようにして、画像の系列｛Ｉｔ｝ｔが与えられると、すべての動き場Ｖｔ、すなわち、動きデータ６０が、連続する２つのフレーム又は画像５６、Ｉｔ及びＩｔ−１に基づいて計算される。理解されるとおり、総合動きデータセット６０は、動きの周期性もしくは周波数、動きの方向、動きの速度及び／又は加速度などの、様々な動き特性についての情報を含むことができる。１つの例示的な実施形態では、動きデータ６０は、連続する画像５６間の変位の存在及び方向を示す一連の変位ベクトル図として与えられることができる。
【００３１】
様々な技術が、動きデータ６０を抽出するように適用されることが可能である。一部の実施形態では、画像５６から動きデータ６０を抽出するのに、従来のオプティカル・フロー・アルゴリズムが適用される。そのような実施形態では、輝度制約などの制約を使用して、抽出された動きデータ６０に対して或る程度の品質管理（均一性又は平滑性などに関する）が執行される。他の実施形態では、他の動き抽出技術が使用される。そのような代替の動き抽出技術の例は、変形可能な位置合わせアルゴリズム、又はそのようなアルゴリズムの変形されたバージョンを使用して、動き場を抽出する。そのような技術は、通常、連続する画像の中の、細胞又は細胞のグループなどの、対応する領域を同定し、各画像の中でこれらの領域が同定される位置の違いに基づいて、第１の画像から第２の画像を生成するのに必要な平行移動又は動き、すなわち、変形を算出する。したがって、そのような実施形態では、連続する画像間の同定された変形は、抽出されている動き場に対応する。
【００３２】
動きデータ６０は複雑である可能性があるため、分析を容易にするように、その複雑さのいくらかを取り除く又は減らすことが望ましいことがある。例えば、複雑な２次元又は３次元の動きデータが、分析を簡単にするように、それぞれ、１次元形態又は２次元形態で表される。このことは様々な仕方で達成可能である。例えば、図示される実施形態において、動きデータ６０は、観察される動きを評価する、又は特徴付けるのに使用されることが可能なそれぞれの動き成分６４を生じさせるように分解される（ブロック６２）。特に、例示的な実施形態では、複雑で高次元の動き情報が、分析のための時系列データを抽出するように低次元の部分空間に投影される。例示的な実施形態では、動きデータ６０の分解は、ＰＣＡ（主成分分析）又はＩＣＡ（独立成分分析）などの因子分解技術を介して達せられる。例えば、１つのそのような実施形態では、動き場のセットの主成分、すなわちＶｔｔを使用して、１次元投影又は２次元投影などの、低次元空間への投影が計算される。
【００３３】
この低次元部分空間において、動き情報は、１次元の時系列などの１次元のデータ系列として表されることができる。例えば、一実施形態では、それぞれの動き場Ｖｔは、スカラー値ωｔを計算するように第１の主成分に投影される。スカラー値の、もたらされる時系列、すなわち｛ωｔ｝ｔを分析して、１つ又は複数の処置された細胞５２の動きの変化に帰せられる局所周波数の変化を検出することができる。特に、時系列のデータの変化を検出するために役立つ従来の線形システム理論又は類似した技術を使用して、スカラー値の時系列に基づいて、１つ又は複数の処置された細胞５２の明らかな動きの周波数の変化を検出することが可能である。したがって、ブロック５０で適用された処置の効果が調査されている実施形態において、処置効果は、もたらされる時系列のデータの分析などを使用して、動き成分６４に基づいて特定されること（ブロック６６）が可能である。
【００３４】
前述の技術の図表による例が図３で与えられる。この例では、処置された細胞５２の例示的な連続する画像５６Ａ及び５６Ｂが示される。共通関心領域７０内の、それぞれ細胞、又はそれぞれの細胞グループの位置の観察された違いに基づいて、動きデータ６０が生成される。図示される実施形態において、動きデータ６０は、画像５６Ａと画像５６Ｂの間で認識できる動きが全くない（又は動きが計算されなかった）領域が「＋」によって示される変位ベクトルダイアグラム７２として与えられる。逆に、それぞれの細胞、又はそれぞれの細胞グループが動いている、すなわち、それぞれの細胞が、それぞれの画像５６Ａ及び５６Ｂにおいて異なる位置にある領域は、それぞれの矢印によって示され、その矢印が指す方向は、それぞれの細胞の動きのベクトルを示す。
【００３５】
図示される例では、連続する各画像ペア５６Ａと５６Ｂの間の動きを表すそれぞれの変位ベクトルダイアグラム７２などの、画像５６間の動きを表す動きデータ６０が、ＰＣＡ又はＩＣＡなどによって分解されて、低次元の部分空間への投影が可能にされる。このようにして、変位ベクトルダイアグラム７２の中に存在するベクトル場は、変異の主要な様態、すなわち、第１の主成分又は第１の独立成分に関して、分析されることが可能である。図示される実施形態では、分解された動きデータ６０は、この場合、波形７４として表される１次元の時系列として提示される。そのような波形７４は、処置効果、あるいは細胞の動きと関係すると考えられる他の何らかの要因を評価するように、時系列における変化を検出するための従来の技術を使用して、容易に評価され又は分析されることが可能である。
【００３６】
例えば、ＰＣＡを使用する一実施形態では、時刻ｔにおける動きＭは、以下のとおり特徴付けられることが可能である。
【００３７】
【数１】
0005383670.tif 000002
【００３８】
ただし、第１の主成分ＰＣ１及び第２の主成分ＰＣ２は、分解プロセスにおいて生成される。そのような実施形態において、ＰＣ１の係数ａ１は、１次元の実施形態、すなわち、第１の主成分ＰＣ１だけが利用される実施形態において、細胞の動きの周波数を推定するのに使用される。例えば、図３の波形７４を参照すると、第１の係数ａ１が時間に対してグラフ化されて、波形７４が生成される。つまり、第１の係数ａ１の経時的な変化が、１つ又は複数の処置された細胞５２の動きに関連する周波数の変化を同定するように分析される時系列を構成する。
【００３９】
他の実施形態では、明らかに、ＰＣ２などのさらなる主成分及びｂｔなどのそれぞれの係数が、この周波数推定に組み込まれる。一般に、本技術は、分解中に生成された１つ又は複数の成分が、より低い次元の空間に投影され得るように、動き信号又は動きデータを分解することを包含する。関心対象の成分を、より低い次元の空間に投影することによって、動き分析は、この分析が、通常の次元の空間、又はより高い次元の空間において実行されたとする場合と比べて、比較的より容易である。
【００４０】
以上の説明は、生体内の細胞、又は生体外の細胞に対する処置効果を評価するために役立つ本技術の例示的な実施形態を説明するが、他の実施形態も想定される。例えば、次に、図４を参照して、観察された細胞の動きに基づいて細胞状態（すなわち、成熟度、成育可能、分化状態、活性化状態など）を特定するための例示的な動作を説明する。そのような実施形態において、生体内の状態、又は生体外の状態にある細胞１６が、前述したとおり、ビデオの連続するフレーム、又は他の連続する画像５６を獲得するように撮像される（ブロック５４）。同様に、前述したとおり、動きデータ６０が生成され（ブロック５８）、動き成分６４を生成するように分解される（ブロック６２）。次に、動き成分６４が、細胞１６の観察された動き特性に基づいて、１つ又は複数の細胞１６の状態を評価するのに使用される（ブロック８０）。
【００４１】
そのような実施形態は、前述したとおり、検定手続きにおいて使用されるべき１つ又は複数の細胞１６が、成熟又は分化の異なる度合いを有する可能性があり、さらに成熟又は分化の度合いが、検定結果に影響を及ぼす可能性がある場合に役立ち得る。例えば、前駆細胞が心筋細胞を形成するように培養される文脈において、細胞培養体が、成熟した心筋細胞から成るか、又は未成熟の心筋細胞から成るかを知ることが望ましいことがある。特に、成熟した心筋細胞は、調整された、律動的な動きを示すのに対して、未成熟な心筋細胞の動きは、対照的に、調整されていない。したがって、施される処置の効果を評価する際に、処置された細胞が、処置より前に、調整された動きを示していたか否かを知ることが望ましい。事実、未成熟な心筋細胞の細胞培養体は、それらの心筋細胞が未成熟であるため、所望される動き効果を特定することができない可能性があるので、全く処置の対象とされないことがある。このようにして、本技術は、細胞１６が、検定手続き又はスクリーニング手続きにおいて使用するのに適しているかどうかを判定する初期スクリーニングとして使用されることができ、未成熟の細胞培養体は、所望される成熟度を示す十分な調整された動きが検出されるまで、さらなる処置及びスクリーニングが見合わせられる。
【００４２】
さらに、プレート１８（図１）などの細胞培養体が、成熟した細胞と未成熟な細胞を有する可能性がある限りで、本技術は、未成熟な領域をさらなる分析から除外しながら、検定手続き又はスクリーニング手続きにおける成熟した領域の使用を許すように、そのような培養体を区分するのに使用されることが可能である。次に、図５を参照して、観察された細胞の動きに基づいて細胞培養体を区分するために判定するための例示的な動作を説明する。そのような実施形態において、生体内の状態、又は生体外の状態にある細胞１６が、前述したとおり、ビデオの連続するフレーム、又は他の連続する画像５６を獲得するように撮像される（ブロック５４）。同様に、前述したとおり、動きデータ６０が生成され（ブロック５８）、動き成分６４を生成するように分解される（ブロック６２）。次に、動き成分６４が、細胞１６の観察された動き特性に基づいて、細胞１６が成熟しているか、未成熟であるかを評価し、さらに細胞培養体の画像５６を空間的に区分して（ブロック９０）、差別的に処理されることが可能な区分された画像９２を生成するのに使用される。
【００４３】
このようにして、動き成分を導き出すための本技術は、細胞培養体の異なる空間領域における細胞の分化及び／又は成熟度を評価するのに使用されることもできる。この区分けに基づいて、細胞培養体は、前述したとおり、化合物で処置され得、さらに成熟した細胞を含んでいた細胞培養体内の空間的場所に対応する、もたらされた画像５６の部分だけが、その後、処置効果に関して分析されることが可能であり、すなわち、細胞培養体は、成熟した細胞と未成熟の細胞に区分され、成熟した細胞に属する画像データだけが分析される。
【００４４】
例えば、前駆細胞が筋細胞（心筋細胞などの）を形成するように培養される文脈において、細胞の培養体全体が分化の同一の度合いにあるかどうか、又はプレート１８（図１）にわたって分化の度合いにばらつきがあるかどうかを知ることが望ましいことがある。例として、成熟した心筋細胞は、調整され且つ律動的な動きを示すのに対して、未成熟な心筋細胞の動きは、対照的に、比較的調整されていない。したがって、施される処置の効果を評価する際に、処置された細胞が、処置より前に、調整された動きを示していたか否かを知ることが望ましい。また、動き成分を導き出すための本技術は、細胞の動きの調整及び／又は律動的な性質を評価して、細胞培養体内のいずれの場所が、成熟した心筋細胞、すなわち、調整された律動的な動きを有し、いずれの場所が、未成熟の心筋細胞を有する、すなわち、調整された動きを有さないかを特定するのに使用されることも可能である。この区分けに基づいて、細胞培養体は、前述したとおり、化合物で処置されることができ、さらに成熟した細胞を含んでいた細胞培養体内の空間的場所だけが、その後、処置効果に関して分析されることが可能であり、すなわち、細胞培養体は、成熟した細胞と未成熟の細胞に区分され、成熟した細胞に属するデータだけが分析される。
【００４５】
理解されるとおり、本説明は、簡明のため、区分けに関する２つの細胞カテゴリ、すなわち、成熟と未成熟だけについて説明したものの、一部の実施形態では、細胞成熟度のより細かい段階が、細胞の動きに基づいて評価されてもよい。したがって、そのような実施形態において、区分けは２つ以上のカテゴリに関してもよい。例えば、心筋細胞の例において、未分化の細胞は全く動きを示さないことがあり、分化しているが未成熟である心筋細胞は、調整されていない動きを示すことが可能であり、さらに成熟した心筋細胞は、調整された動きを示すことができる。したがって、区分けは、これら３つのグループを区別することができ、未分化の細胞の後の分析は行われず、成熟した心筋細胞と未成熟の心筋細胞それぞれの別々の分析が行われる。
【００４６】
本発明のいくつかの特徴だけが本明細書で図示され、説明されてきたが、多くの変形及び変更が当業者には想起されよう。したがって、理解されるとおり、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるすべてのそのような変形及び変更を範囲に含むことを意図している。
【図１】
0005383670.tif 000003
【図２】
0005383670.tif 000004
【図３】
0005383670.tif 000005
【図４】
0005383670.tif 000006
【図５】
0005383670.tif 000007