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JP5489469B2 - 蛍光信号解析装置および蛍光信号解析方法 - Google Patents

蛍光信号解析装置および蛍光信号解析方法 Download PDF

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Description

本発明は、光信号解析装置および光信号解析方法に関する。
従来、LSM画像データを用いた光信号解析方法が「Image Correlation Spectroscopy. II. Optimization for Ultrasensitive Detection of Preexisting Platelet-Derived Growth Factor-β Receptor Oligomers on Intace Cells.」, Paul W. Wiseman and Nils o. Petersen, Biophysical Journal, Vol.76, P963, 1999.に開示されている。この文献において、相関演算に用いるLSM画像データは1枚からなる。データは異なる空間位置における蛍光強度の積算値を用いて、空間位置のずれによる相関性を検討したものである。
上記の従来技術のように、測定データが異なる空間位置における蛍光強度の積算値である場合、空間軸上の情報は有するが、時間軸上の揺らぎ情報は得られない。従って、時間軸における生細胞の挙動、相互作用の観察は不可能である。つまり、空間位置における蛍光強度画像のみでは、細胞内外で生じる反応、相互作用、細胞内のシグナル伝達などの時間経過による変化は観察不可能である。
本発明は、この様な実状を考慮して提案したものであり、その目的は、時間経過による変化を観察可能な蛍光信号解析装置および蛍光信号解析方法を提供することである。
本発明による蛍光信号解析装置は、試料の少なくとも一枚の蛍光画像が入力される画像入力手段と、前記画像入力手段に入力された前記少なくとも一枚の蛍光画像のデータを記憶する記憶手段と、前記少なくとも一枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、前記記憶手段に記憶された前記少なくとも一枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出する抽出手段と、前記蛍光強度のデータを利用して前記所望の領域における相関とフォトンカウンティングヒストグラムの少なくともいずれかを算出する解析手段とを含む。前記画像入力手段には、所定の時間間隔で繰り返し取得された試料の複数枚の蛍光画像が入力され、前記記憶手段は、前記複数枚の蛍光画像のデータを記憶し、前記抽出手段は、前記複数枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、前記記憶手段に記憶された前記複数枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出する。
本発明による蛍光信号解析方法は、試料の少なくとも一枚の蛍光画像のデータを記憶するステップと、前記少なくとも一枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、記憶した前記少なくとも一枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出するステップと、抽出した前記蛍光強度のデータを利用して前記所望の領域における相関とフォトンカウンティングヒストグラムの少なくともいずれかを算出するステップとを含む。前記記憶するステップは、所定の時間間隔で繰り返し取得された試料の複数枚の蛍光画像のデータを記憶し、前記抽出するステップは、前記複数枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、記憶した前記複数枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出する。
図1は、本発明の第一実施形態による光信号解析装置を概略的に示している。 図2は、図1に示される制御部の機能ブロック図である。 図3は、相関カーブにおける最小遅延時間τ0と分子拡散時間Dtを示している。 図4は、所定の時間間隔で取得される複数枚の蛍光画像を模式的に示している。 図5は、第一実施形態における光信号解析のフローチャートである。 図6は、解析結果のグラフを示している。 図7は、解析結果の輝度値を示している。 図8は、解析結果の表を示している。 図9は、解析結果の数値のピンポイント表示を示している。 図10は、第二実施形態における光信号解析のフローチャートである。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
<第一実施形態>
同一の所望の領域の抽出データによるFCS/FCCS
本実施形態は、試料における複数枚の蛍光画像のデータから同一空間位置におけるデータを抽出して解析する手法である。
図1は、本発明の第一実施形態による光信号解析システムを概略的に示している。図1に示すように、光信号解析システム100は、試料Sに励起光を照射する光照射部110と、試料Sの蛍光画像を所定の時間間隔で繰り返し取得する画像取得部130と、画像取得部130によって取得された蛍光画像に対して光信号解析を行う解析装置160とを有している。
光照射部110は光源112とミラー116とダイクロイックミラー122とガルバノミラー124と対物レンズ126とを含んでいる。光源112は、試料Sに含まれる蛍光色素を励起して試料Sから光(蛍光)を発せされるための励起光を発する。ミラー116は、光源112から発せられる励起光をダイクロイックミラー122に向けて反射する。ダイクロイックミラー122は、励起光をガルバノミラー124に向けて反射し、試料Sから発せられる蛍光を透過する。ガルバノミラー124は、励起光を対物レンズ126に向けて反射するとともに、その反射方向を変更する。対物レンズ126は、励起光を収束して試料S内の測定点に照射するとともに、試料S内の測定点からの光を取り込む。
画像取得部130は、対物レンズ126とガルバノミラー124とダイクロイックミラー122を光照射部110と共有している。画像取得部130はさらに、収束レンズ132とピンホール134とコリメートレンズ136と蛍光フィルター138と収束レンズ140と光検出器142とミラー制御部144と画像形成部146とを含んでいる。収束レンズ132は、ダイクロイックミラー122を透過した光を収束する。ピンホール134は、収束レンズ132の焦点に配置されている。つまり、ピンホール134は、試料S内の測定点に対して共役な位置にあり、測定点からの光だけを選択的に通す。コリメートレンズ136は、ピンホール134を通過した光を平行にする。蛍光フィルター138は、試料Sから発せられる蛍光だけを選択的に透過する。収束レンズ140は、蛍光フィルター138を透過した蛍光を収束する。収束レンズ140は、コリメートレンズ136と共同して、ピンホール134の像を光検出器142に投影する。光検出器142は、入射した光の強度に対応した信号を出力する。すなわち、光検出器142は、試料S内の測定点からの光の揺らぎに対応する揺らぎ信号を出力する。ミラー制御部144は、励起光の照射位置を試料Sの所定領域に対してラスター走査するようにガルバノミラー124を制御する。画像形成部146は、ミラー制御部144から入力される励起光の照射位置の情報と光検出器142の出力信号とから試料Sの所定領域の蛍光画像を形成する。
解析装置160は例えばパーソナルコンピューターで構成される。解析装置160は、試料Sの全体画像の取得と表示、観察領域の指定および最小遅延時間と最大遅延時間の設定の入力待ち、測定点の選定と位置の決定、解析(擬似分子数の算出)などを行う。
図1に示される解析装置の機能ブロックを図2に示す。解析装置160は、図2に示すように、画像入力部162と記憶部164と画像読出部166と表示部168と入力部170とデータ抽出部172と解析部174とを含んでいる。解析装置160は例えばパーソナルコンピューターで構成される。画像入力部162は、画像取得部130によって所定の時間間隔で繰り返し取得される複数枚の蛍光画像が入力される。記憶部164は、画像入力部162に入力される複数枚の蛍光画像のデータを記憶する。画像読出部166は、記憶部164に記憶された複数枚の蛍光画像のうちの少なくとも一枚を読み出す。表示部168は、画像読出部166によって読み出された蛍光画像を表示する。入力部170は、例えばマウスやキーボードを含み、表示部168と共同してGUIを構成する。このGUIは、例えば、表示部168に表示された蛍光画像上において操作者が光信号解析の対象となる所望の領域を指定することに利用される。データ抽出部172は、複数枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを記憶部164に記憶された複数枚の蛍光画像のデータから蛍光画像ごとに抽出する。解析部174は、データ抽出部172によって抽出された蛍光強度のデータを利用して所望の領域における相関とフォトンカウンティングヒストグラムを算出する。また、表示部168は、解析部174による解析結果(相関とフォトンカウンティングヒストグラム)を表示し、表示部168と入力部170とからなるGUIは、解析結果の表示の仕方の指定に利用される。
図1において、光源112から発せられた励起光は、ミラー116とダイクロイックミラー122とガルバノミラー124と対物レンズ126を経て試料S内の測定点に照射される。励起光が照射される測定点は、ガルバノミラー124によってラスター走査される。励起光を受けた試料Sは測定点から蛍光を発する。試料Sからの光(蛍光のほかに不所望な反射光などを含む)は、対物レンズ126とガルバノミラー124とダイクロイックミラー122と収束レンズ132を経てピンホール134に至る。ピンホール134は測定点と共役な位置にあるため、試料S内の測定点からの光だけがピンホール134を通過する。ピンホール134を通過した光すなわち試料S内の測定点からの光はコリメートレンズ136を経て蛍光フィルター138に至り、試料S内の測定点から発せられた蛍光だけが蛍光フィルター138を透過する。蛍光フィルター138を透過した蛍光は収束レンズ140を経て光検出器142に入射する。光検出器142は、試料S内の測定点から発せられた蛍光強度に対応する信号を画像形成部146に出力する。画像形成部146は、ミラー制御部144から入力される励起光の照射位置の情報と光検出器142の出力信号とから、励起光の照射に対して試料Sから発せられた蛍光強度の分布によって構成された蛍光画像を形成する。蛍光画像は、解析装置160に入力され、解析処理に供される。
本実施形態では、まず、ガルバノミラー124により試料Sの異なる部位に連続的に励起光を照射して1枚の蛍光画像を取得する。次に、蛍光画像の収集を1枚の蛍光画像の取得で終えるのではなく、同様の条件と同様の手順により所定の時間間隔で2枚目、3枚目と繰り返し、複数枚の蛍光画像を取得する。つまり、複数枚の蛍光画像は、同一試料の同一領域を同様な順番で繰り返し走査して得たものである。このため、同一の所望の領域における蛍光強度の時間変化の情報は、記憶された複数枚の蛍光画像のデータから蛍光画像ごとに抽出して得られる。
取得した複数枚の蛍光画像のデータは、画像入力部162に入力され、記憶部164に記憶される。記憶部164に記憶された複数枚の蛍光画像のデータは、同一の所望の領域における蛍光強度のデータが蛍光画像ごとにデータ抽出部172によって抽出される。抽出されたデータは解析部174に送られ、同一の所望の領域における相関解析およびフォトンカウンティングヒストグラム解析、あるいは同一の所望の領域におけるデータ再構成、相関解析およびフォトンカウンティングヒストグラム解析処理に用いられる。
以下、本実施形態における光信号解析について図5のフローチャートに沿って説明する。
[ステップS101]
取得しようとする蛍光画像の枚数を指定する。
蛍光画像の取得時間間隔(所定の時間間隔)を設定する。
図3から分かるように、蛍光画像の取得時間間隔は、相関カーブの最小プロット点の遅延時間τ0に相当する。試料Sの分子拡散時間DtはG(Dt)≒[G(τ0)−1]/2から推定できる。そのため、τ0>Dtの場合、描画される相関カーブからDtを推定するのは不可能で、フィッテングによる誤差も大きい。また、分子拡散時間Dtは試料によって異なる。このため、蛍光画像の取得時間間隔は、解析によって得ようとする最も短い試料の分子拡散時間Dtよりも短く設定する。
[ステップS102]
試料内の同一領域の蛍光画像を所定の時間間隔で繰り返し取得する。所定の時間間隔で取得される複数枚の蛍光画像を図4に模式的に示す。
[ステップS103]
取得した複数枚の蛍光画像を画像入力部162に入力する。
[ステップS104]
入力した複数枚の蛍光画像のデータを記憶部164に記憶する。
[ステップS105]
相関解析しようとする試料内の所望の領域(一つの画素からなる画素領域または隣接する複数の画素からなる画素領域)を指定する。
[ステップS106]
所望の領域が一つの画素からなる画素領域であるか否かを判断し、Yesの場合はステップS107に進み、Noの場合はステップS108に進む。
[ステップS106→S107→S109→S110]
所望の領域が一つの画素からなる画素領域である場合、ステップS107において、指定された所望の領域における蛍光強度のデータを、記憶部164に記憶された複数枚の蛍光画像のデータから蛍光画像ごとに抽出する。
ステップS109において、所望の領域における抽出した蛍光強度のデータにおいて、相関演算やフィッティングなどにより、分子数や拡散時間などを解析評価する。
測定点Pにおける自己相関解析式は、次の(1)式で表される。
ここで、Dは所望の領域Pにおけるデータ、Nはデータの総数である。
また、ステップS110において、所望の領域における抽出した蛍光強度のデータにおいて、フォトンカウンティングヒストグラム分析法を適用させる。
[ステップS106→S108→S109→S110]
所望の領域が一つの画素からなる画素領域でない場合、すなわち、所望の領域が隣接する複数の画素からなる画素領域の場合、ステップS108において、記憶された複数枚の蛍光画像のデータから、画素領域における蛍光強度のデータの統計値、例えば、積算値、平均値、最大値、最小値、相対差、絶対差のいずれかを蛍光画像ごとに算出する。
また、この複数枚のデータ再構成結果において、指定された同一の所望の領域(画素領域)におけるデータをそれぞれ抽出する。
複数枚のデータ再構成結果を用いて、ステップS109において、同一の所望の領域(画素領域)において、相関演算やフィッティングなどにより、分子数や拡散時間などを解析評価する。
複数枚のデータ再構成結果を用いて、ステップS110において、同一の所望の領域(画素領域)において、フォトンカウンティングヒストグラム分析法を適用させる。
[ステップS111]
各ステップで算出した結果を、例えば、図6に示すように、グラフとして、または、図7に示すように、輝度値として、または、図8に示すように、表として、または、図9に示すように、ピンポイント表示方式の数値として、表示部168に表示する。このましくは、算出結果を、輝度と表とグラフと数値の一つ以上の表示の仕方で表示部168に表示するとよい。
図6の上側は一つの所望の領域における相関曲線、図6の下側は一つの所望の領域の異なる時間におけるフォトンカウンティングデータまたは統計値を曲線で表示している。図7は一つの所望の領域の異なる時間におけるフォトンカウンティングデータまたは統計値を輝度値で表示している。または、複数の所望個所における統計値または相関パラメータ(例えば分子数)を輝度値で表示している。図8は一つの所望の領域の異なる時間におけるフォトンカウンティングデータまたは統計値を表で表示している。または、複数の所望個所における統計値または相関パラメータ(例えば分子数)を表で表示している。図9は一つの所望の領域の異なる時間におけるフォトンカウンティングデータまたは統計値を輝度値で表示するとともに、そのピンポイント値をさらにデータとして表示する。または、複数の所望個所における統計値または相関パラメータ(例えば分子数)を表で表示するとともに、そのピンポイント値をさらにデータとして表示する。
本実施形態では、所定の時間間隔をおいて取得した複数枚の蛍光画像から同一領域における蛍光強度のデータを抽出して、相関演算やフィッティングなどにより分子数や拡散時間などを解析評価したり、フォトンカウンティングヒストグラム解析法を適用させたりすることにより、試料S内外で生じる反応、相互作用、試料S内のシグナル伝達などの時間経過による変化を観察することが可能である。また、解析の諸結果を、グラフや輝度値や表やピンポイント表示として表示することにより、試料の物理的性質を多方面から観察や評価することが可能である。
ここでは、複数枚の蛍光画像のデータから解析する例を述べたが、一枚の蛍光画像のデータから解析してもよい。
<第二実施形態>
異なる所望の領域の抽出データによるFCS/FCCS
本実施形態は、試料における複数枚の蛍光画像のデータから異なる空間位置におけるデータを抽出して解析する手法である。
本実施形態による光信号解析システムは基本的に第一実施形態と同じ構成である。相違部分は、本実施形態では、同一の所望の領域のデータのみを複数枚の蛍光画像から抽出するのではなく、指定された異なる複数個の所望の領域のデータをそれぞれ抽出して相関解析を行う点である。
つまり、本実施形態において、複数枚の蛍光画像を取得して記憶する手順までは第一実施形態と同じである。
しかし、本実施形態では、記憶されたデータの解析は異なる所望の領域間におけるフォトンカウンティングヒストグラム解析法および相関解析法の適応が主な手法となる。
以下、本実施形態における光信号解析について図10のフローチャートに沿って説明する。
[ステップS201]
取得しようとする蛍光画像の枚数を指定する。
蛍光画像の取得時間間隔(所定の時間間隔)を設定する。
[ステップS202]
試料において所定の時間間隔を有する蛍光画像を取得する。
[ステップS203]
取得した複数枚の蛍光画像を画像入力部162に入力する。
[ステップS204]
入力した蛍光画像のデータを記憶部164に記憶する。
[ステップS205]
相関解析しようとする複数個の試料内の所望の領域(一つの画素からなる画素領域または隣接する複数の画素からなる画素領域)を指定する。
[ステップS206]
所望の領域が一つの画素からなる画素領域であるか否かを判断し、Yesの場合はステップS207に進み、Noの場合はステップS208に進む。
[ステップS206→S207→S209→S210]
所望の領域が一つの画素からなる画素領域である場合、ステップS207において、指定された複数個の所望の領域におけるデータを、記憶された複数枚の蛍光画像のデータから蛍光画像ごとに抽出する。
ステップS209において、同一の所望の領域間の抽出データまたは異なる所望の領域間の抽出データにおいて、相関演算やフィッティングなどにより、分子数や拡散時間などを解析評価する。
また、ステップS210において、同一の所望の領域間の抽出データまたは異なる所望の領域間の抽出データにおいて、フォトンカウンティングヒストグラム分析法を適用させる。
[ステップS206→S208→S209→S210]
複数個の所望の領域が一つの画素からなる画素領域でない場合、すなわち、複数個の所望の領域が隣接する複数の画素からなる画素領域の場合、ステップS208において、記憶された複数枚の蛍光画像のデータから、複数個の画素領域における蛍光強度のデータの統計値、例えば、積算値、平均値、最大値、最小値、ある画素に対する相対差、絶対差の統計値を蛍光画像ごとに算出する。
また、この複数枚の再構成結果において、指定された複数個の同一の所望の領域(画素領域)におけるデータをそれぞれ抽出する。
複数枚のデータ再構成結果を用いて、ステップS209において、同一の所望の領域または異なる所望の領域間の抽出データにおいて、相関演算やフィッティングなどにより、分子数や拡散時間などを解析評価する。
同一の所望の領域においては前述の(1)式を用い、異なる所望の領域においては、次の(2)式を用いて相関解析を行う。
ここで、Dは所望の領域Pにおけるデータ、Dは所望の領域Pにおけるデータ、N12はDとDのうちの少ない方のデータ数である。
複数枚のデータ再構成結果を用いて、ステップS210において、同一の所望の領域または異なる所望の領域間の抽出データにおいて、フォトンカウンティングヒストグラム分析法を適用させる。
[ステップS211]
各ステップで算出した結果を、例えば、図5に示すように、グラフとして、または、図6に示すように、輝度値で表現した画像として、または、図7に示すように、表として、または、図8に示すように、ピンポイント表示方式の数値として、表示部168に表示する。このましくは、算出結果を、輝度と表とグラフと数値の一つ以上の表示の仕方で表示部168に表示するとよい。
本実施形態では、所定の時間間隔をおいて取得した複数枚の蛍光画像から同一領域における蛍光強度のデータを抽出して、相関演算やフィッティングなどにより分子数や拡散時間などを解析評価したり、フォトンカウンティングヒストグラム解析法を適用させたりすることにより、試料S内外で生じる反応、相互作用、試料S内のシグナル伝達などの時間経過による変化を観察することが可能である。また、解析の諸結果を、グラフや輝度値や表やピンポイント表示として表示することにより、試料の物理的性質を多方面から観察や評価することが可能である。
ここでは、複数枚の蛍光画像のデータから解析する例を述べたが、一枚の蛍光画像のデータから解析してもよい。
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
上述した実施形態では、蛍光画像は、励起光の照射に対して前記試料から発せられた蛍光強度の分布によって構成されたものであるが、蛍光画像は、レーザ走査型顕微鏡によって得られたものであってもよい。
本発明によれば、時間経過による変化を観察可能な蛍光信号解析装置および蛍光信号解析方法が提供される。

Claims (17)

  1. 試料の少なくとも一枚の蛍光画像が入力される画像入力手段と、
    前記画像入力手段に入力された前記少なくとも一枚の蛍光画像のデータを記憶する記憶手段と、
    前記少なくとも一枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、前記記憶手段に記憶された前記少なくとも一枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出する抽出手段と、
    前記蛍光強度のデータを利用して前記所望の領域における相関とフォトンカウンティングヒストグラムの少なくともいずれかを算出する解析手段とを含み、
    前記画像入力手段には、所定の時間間隔で繰り返し取得された試料の複数枚の蛍光画像が入力され、前記記憶手段は、前記複数枚の蛍光画像のデータを記憶し、前記抽出手段は、前記複数枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、前記記憶手段に記憶された前記複数枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出する、蛍光信号解析装置。
  2. 前記所望の領域は、一つの画素からなる画素領域である、請求項1に記載の蛍光信号解析装置。
  3. 前記所望の領域は、複数の画素からなる画素領域である、請求項1に記載の蛍光信号解析装置。
  4. 前記蛍光強度のデータは、前記複数の画素の蛍光強度についての統計値である、請求項に記載の蛍光信号解析装置。
  5. 前記統計値は、前記複数の画素における蛍光強度の積算値、平均値、最大値、最小値、相対差、絶対差のいずれかである、請求項に記載の蛍光信号解析装置。
  6. 前記蛍光画像は、蛍光強度の分布によって構成されたものである、請求項1に記載の蛍光信号解析装置。
  7. 前記所望の領域を指定する領域指定手段をさらに有する、請求項1に記載の蛍光信号解析装置。
  8. 前記解析手段により算出された結果を、輝度と表とグラフと数値の少なくとも一つにより表示する表示手段をさらに含む、請求項1に記載の蛍光信号解析装置。
  9. 前記記憶手段に記憶された前記少なくとも一枚の蛍光画像のうちの少なくとも一枚を表示する表示手段と、
    前記表示手段に表示された蛍光画像上において前記所望の領域を指定するための領域指定手段とをさらに含む、請求項1に記載の蛍光信号解析装置。
  10. 試料の少なくとも一枚の蛍光画像のデータを記憶するステップと、
    前記少なくとも一枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、記憶した前記少なくとも一枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出するステップと、
    抽出した前記蛍光強度のデータを利用して前記所望の領域における相関とフォトンカウンティングヒストグラムの少なくともいずれかを算出するステップとを含み、
    前記記憶するステップは、所定の時間間隔で繰り返し取得された試料の複数枚の蛍光画像のデータを記憶し、前記抽出するステップは、前記複数枚の蛍光画像上の所望の領域における蛍光強度のデータを、記憶した前記複数枚の蛍光画像のデータから前記蛍光画像ごとに抽出する、蛍光信号解析方法。
  11. 前記所望の領域は、一つの画素からなる画素領域である、請求項10に記載の蛍光信号解析方法。
  12. 前記所望の領域は、複数の画素からなる画素領域である、請求項10に記載の蛍光信号解析方法。
  13. 前記蛍光強度のデータは、前記複数の画素の蛍光強度についての統計値である、請求項12に記載の蛍光信号解析方法。
  14. 前記統計値は、前記複数の画素における蛍光強度の積算値、平均値、最大値、最小値、相対差、絶対差のいずれかである、請求項13に記載の蛍光信号解析方法。
  15. 前記蛍光画像は、励起光の照射に対して前記試料から発せられた蛍光強度の分布によって構成されたものである、請求項10に記載の蛍光信号解析方法。
  16. 解析の結果を、輝度と表とグラフと数値の少なくとも一つにより表示するステップをさらに含む、請求項10に記載の蛍光信号解析方法。
  17. 前記少なくとも一枚の蛍光画像のうちの少なくとも一枚を表示するステップと、
    表示された蛍光画像上において前記所望の領域を指定するステップとをさらに含む、請求項10に記載の蛍光信号解析方法。
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