JP6746945B2 - 情報処理装置、情報処理システム及び情報処理方法 - Google Patents

Description

本技術は、細胞の解析に利用される情報処理装置、情報処理システム及び情報処理方法に関する。

ｉＰＳ細胞の作製により（特許文献１参照）、再生医療、細胞治療、組織工学、細胞工学の分野の進歩が著しく、細胞の状態の評価や細胞を利用して薬物等の効果や影響の評価に対する要望が非常に大きくなっている。再生医療や細胞治療の分野では、細胞、組織や臓器を作製するために細胞を増殖させる必要があり、細胞周期（cell cycle)を評価し、管理することは正常な細胞、組織、臓器を作製するために重要となる。この際、作成した臓器等を人の体に戻すことを想定しているため、非破壊、非侵襲、非染色の評価手法が求められる。なお、細胞周期は、一つの細胞が細胞分裂により誕生してから細胞分裂に到るまでの周期である。

また組織工学や細胞工学により作製された細胞、組織を利用した薬剤等の疾患に対する治療効果を検討する場合も、細胞の状態を知るために、その重要な要素である細胞周期を評価することが非常に重要となる。特に抗がん剤など細胞傷害活性を検査する場合には細胞周期の評価は重要である。これらin vitroにおける細胞、組織を利用した試験においても、継時的な変化、薬剤と他分子の相互作用という観点から、非破壊、非侵襲、非染色の評価手法が求められる。

更に上記薬物等の効果や影響、治療の評価を検討する場合、ＡＴＰ量に対応する細胞内代謝状態や細胞内骨格である微小管の状態を評価することも求められる。特に、抗がん剤など細胞傷害活性の評価には細胞内代謝状態や細胞内骨格状態の評価が重要である。

細胞周期の評価方法としては、ＤＮＡを染色しフローサイトメトリーによりＤＮＡ量を定量することで評価する方法や、細胞周期に特異的に発現する分子に対する抗体を用いたフローサイトメトリーやイメージング手法がよく用いられている。また、その他、細胞周期を特異的に染色するレドックス色素（Cell clock: biocolor）や細胞周期特異的に発現するタンパク質を利用した蛍光タンパク質発現系(非特許文献１参照)が実現されている。細胞内代謝状態や細胞内骨格の状態を評価する方法としても同様に蛍光物質を利用した手法が一般的である。非染色で細胞周期が評価可能な手法としては、細胞を継時的に撮影し核の形態から核の分裂を捉える手法が提案されている(特許文献２参照)。

特開２０１１−１８８８６０号公報 特表２００９−５１５５３３号公報

Fucci: Sakaue-Sawano, A., et al., Cell 132, 487-498 (2008)

しかしながら、非特許文献１に記載されているような染色を必要とする評価方法は、再生医療や細胞治療などの分野で使用することは困難である。また、特許文献２に記載されているような核の形態から核の分裂を捉える手法では、核の分裂、つまりＭ期を捉えることが細胞周期を正確に評価するために必要となる。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、非染色状態において細胞内代謝状態や細胞内骨格の状態を評価することが可能であり、更に核の分裂を検出することに依存せずに細胞周期を評価することが可能な情報処理装置、情報処理システム及び情報処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る情報処理装置は、解析部を具備する。
上記解析部は、細胞を撮像した画像から単位時間当たりの動き量を算出し、上記単位時間当たりの動き量に基づいて、上記細胞の細胞周期に関する情報を特定する。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る情報処理システムは、撮像装置と、情報処理装置とを具備する。
上記情報処理装置は、上記撮像装置が細胞を撮像するように制御する撮像制御部と、上記撮像装置により上記細胞を撮像した画像から単位時間当たりの動き量を算出し、上記単位時間当たりの動き量に基づいて、上記細胞の細胞周期に関する情報を特定する解析部とを有する。

上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る情報処理方法は、
解析部が、細胞を撮像した画像から単位時間当たりの動き量を算出し、上記単位時間当たりの動き量に基づいて、上記細胞の細胞周期に関する情報を特定する。

以上のように、本技術によれば、非染色状態において細胞内代謝状態や細胞内骨格の状態を評価することが可能であり、更に核の分裂を検出することに依存せずに細胞周期を評価することが可能な情報処理装置、情報処理システム及び情報処理方法を提供することが可能である。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

本技術の第１の実施形態に係る情報処理システムの構成を示す模式図である。 同情報処理システムが備える情報処理装置の動作を示すフローチャートである。 同情報処理装置が備える解析部によって算出される動きベクトルの例である。 同情報処理装置が備える解析部によって抽出される動きベクトルの例である。 同情報処理装置が備える解析部によって算出される単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 同情報処理装置が備える出力部によって生成される単位時間当たりの動き量を可視化した画像である。 同情報処理装置のハードウェア構成を示す模式図である。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 本技術の実施例に係る、細胞周期の位置による単位時間当たりの動き量の違いを示すグラフである。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 本技術の実施例に係る撮像画像である。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量を可視化した画像である。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量の時間変化を示すグラフである。 本技術の実施例に係る、単位時間当たりの動き量を可視化した画像である。 本技術の第２の実施形態に係る情報処理システムが備える情報処理装置の動作を示すフローチャートである。 本技術の実施例に係る、何も投与していない比較細胞の位相差像である。 本技術の実施例に係る、何も投与していない比較細胞に対するカラーマップである。 本技術の実施例に係る、Paclitaxelを投与した細胞の位相差像である。 本技術の実施例に係る、Paclitaxelを投与した細胞に対するカラーマップである。 本技術の実施例に係る、Nocodazoleを投与した細胞の位相差像である。 本技術の実施例に係る、Nocodazoleを投与した細胞に対するカラーマップである。 本技術の実施例に係る、異なる３種類の条件で培養された細胞に対する相対動き領域のグラフである。 本技術の実施例に係る、異なる薬剤濃度でＣＣＣＰが投与され、培養された細胞に対する相対動き領域のグラフである。 本技術の実施例に係る、異なる薬剤濃度でＡＭＰ−ＰＮＰが投与され、培養された細胞に対する動き速度のグラフである。 本技術の実施例に係る、異なる薬剤濃度でＡＴＡが投与され、培養された細胞に対する動き速度のグラフである。

本技術の実施形態に係る情報処理システムについて説明する。

１．第１の実施形態
［情報処理システムの構成］
図１は、本実施形態に係る情報処理システム１の構成を示す模式図である。同図に示すように、情報処理システム１は、撮像装置１１及び情報処理装置１２を具備する。また、図１には、観察対象物Ｓを示す。観察対象物Ｓは、例えば培養容器中で培養されている細胞とすることができる。細胞の種類は特に限定されないが、がん細胞や幹細胞（ＥＳ細胞やｉＰＳ細胞）等の分裂細胞が情報処理システム１による解析の対象として好ましい。

撮像装置１１は、観察対象物Ｓを経時的に撮像し、画像を生成することが可能な装置である。撮像装置１１は、例えば顕微鏡光学系やイメージセンサを備える顕微鏡とすることができ、所定の撮像間隔（例えば１フレーム／秒以上）で画像（静止画）を撮像できるものであってもよく、連続的な画像（動画）を撮像できるものであってもよい。撮像装置１１は、情報処理装置１２によって撮像範囲や撮像間隔に対する制御を受けるものとすることができる。

撮像装置１１の撮像範囲は、一つの細胞を含む範囲や細胞群を含む範囲とすることができる。撮像装置１１の撮影方法は特に限定されず、明視野撮影、暗視野撮影、位相差撮影、蛍光撮影、吸収光イメージング、散乱光イメージング等の非染色で取得可能な光学的撮影
方法であればよい。以下、撮像装置１１によって撮影された画像を撮像画像とする。

情報処理装置１２は、撮像装置１１によって撮像された撮像画像を取得し、処理する。情報処理装置１２は例えばパーソナルコンピュータであるものとすることができる。なお、情報処理装置１２は、撮像装置１１に一体的に構成されていてもよく、撮像装置１１とは独立した装置であってもよい。

［情報処理装置の構成及び動作］
図１に示すように、情報処理装置１２は機能的構成として、撮像制御部１２１、画像取得部１２２、解析部１２３及び表示制御部１２４を備える。図２は、情報処理装置１２の動作を示すフローチャートである。

撮像制御部１２１は、撮像装置１１の撮像間隔や撮像範囲を決定し、撮像装置１１に撮像画像を撮像させる（Ｓｔ１０１）。例えば、撮像制御部１２１は、撮像画像の撮像間隔（各フレームの間隔）が１秒以下（１フレーム／秒以上）となるように制御することができる。細胞周期に関する細胞の動きは、細胞の移動等に比較して速いため、撮像間隔が１フレーム／秒未満であると、細胞周期に関する細胞の動きを捉えることが難しい。

撮像装置１１の視野範囲は、一つの細胞を含む範囲や細胞群を含む範囲、撮像装置１１の視野全体等とすることができる。また、撮像制御部１２１は、後述する解析部１２３による画像認識結果を利用して撮像装置１１を制御してもよい。例えば、撮像制御部１２１は、解析部１２３によって検出された特定の細胞を撮像するように、撮像装置１１の撮像範囲を制御することができる。

画像取得部１２２は、撮像画像（図１１参照）を取得する。画像取得部１２２は、撮像装置１１から直接に、又はストレージやネットワークを介して撮像画像を取得するものとすることができる。画像取得部１２２は取得した撮像画像を解析部１２３に供給する。

解析部１２３は、撮像画像から単位時間当たりの動き量を算出する（Ｓｔ１０２）。解析部１２３は、撮像時刻が異なる少なくとも二枚の撮像画像（フレーム）の比較を行い、動き量を算出する。例えば、解析部１２３は、細胞内構造を分離可能な解像度（５μｍ以下）で動き量を算出するものとすることができる。

具体的には解析部１２３は、撮像時刻が異なる少なくとも二枚の撮像画像の間で動きベクトルを抽出する。解析部１２３はブロックマッティング法や勾配法等を用いて動きベクトルを抽出することができる。図３は、解析部１２３によって抽出される動きベクトルの例である。同図に示すように解析部１２３は、撮像画像Ｇにおいて所定の抽出区画Ｈ毎に動きベクトルＢを抽出する。解析部１２３は、撮像画像の全体から動きベクトルを抽出してもよく、ユーザーによって指定された範囲から動きベクトルを抽出してもよい。

動きベクトルＢの長さが動き量であり、解析部１２３は動きベクトルＢを抽出した二枚の撮像画像の間隔（時間）から、単位時間当たりの動き量（動き速度）を算出することができる。なお、解析部１２３は必ずしも動きベクトルを抽出する必要はなく、他の方法で単位時間当たりの動き量を算出してもよい。

さらに、解析部１２３は、単位時間当たりの動き量に基づいて、細胞周期に関する情報を特定する。細胞周期は、細胞分裂により誕生した細胞が、成長し、細胞分裂を生じる周期であり、Ｇ１期、Ｓ期、Ｇ２期、Ｍ期の順で進行する。Ｓ期ではＤＮＡの複製が行われ、Ｍ期では細胞分裂が行われる。細胞周期に関する情報には、細胞周期の位置（特定の細胞が細胞周期のどの期にあるか）や細胞周期の長さ（Ｍ期から次のＭ期までの時間）が含まれる。

解析部１２３は、単位時間当たりの動き量の平均値、中央値、最大値、標準偏差等の動き量に関するパラメータを抽出し、当該パラメータに基づいて細胞周期に関する情報を特定することができる。

具体的には、解析部１２３は、撮像画像に対して画像認識処理を実行し、上記パラメータと画像認識処理結果を利用して細胞周期に関する情報を特定することが可能である。例えば、解析部１２３は、撮像画像と細胞内構造（顆粒、繊維、仮足等）のリファレンス画像とのパターンマッチング処理や学習系画像認識処理、輝度値分布による画像認識処理等によって撮像画像に含まれる細胞や細胞群、細胞内構造等を検出することができる。また、細胞の特定はユーザーによる撮像画像上の範囲の指定に基づき行われても良い。

解析部１２３は、画像認識処理又はユーザーの指定によって検出された細胞又は細胞内構造毎に単位時間当たりの動き量を算出（Ｓｔ１０３）することができる。図４は、細胞毎に算出される単位時間当たりの動き量を示す模式図である。同図に示すように、撮像画像Ｇにおいて細胞Ｃが認識されたとすると、解析部１２３は、撮像画像Ｇにおいて細胞Ｃの範囲に該当する領域から抽出された動きベクトルＢのみから動き量を算出するものとすることができる。

解析部１２３は、細胞又は細胞内構造毎に単位時間当たりの動き量に関するパラメータに基づいて、細胞周期に関する情報を特定する（Ｓｔ１０４）。

図５は、撮像画像に含まれる細胞について算出された単位時間当たりの動き量（動き速度）の平均値を示すグラフである。同図に示すように、細胞周期の位置に応じて単位時間当たりの動き量が変化するため、単位時間当たりの動き量に基づいて細胞周期に関する情報を特定することが可能である。

具体的には、解析部１２３は、各細胞の単位時間当たりの動き量の平均を算出し、その相関関係に基づいて細胞周期の位置を特定することができる。例えば、多くの細胞はＭ期の単位時間当たりの動き量が最も小さいため、単位時間当たりの動き量の推移からＭ期を特定することができる。さらに、Ｍ期移行直後の細胞は単位時間当たりの動き量が大きくなる傾向にあり、単位時間当たりの動き量の推移からＭ期開始を特定することも可能である。

また、解析部１２３は、予め細胞種類（がん細胞等）毎に特定された単位時間当たりの動き量の平均値を参照し、細胞周期の位置を特定することができる。具体的には、解析部２３は、実施例のように特定の時間間隔で単位時間当たりの動き量の平均値を継時的に取得し、その相対的な変化量から細胞周期の位置を特定することができる。または、解析部１２３は、あらかじめ対象となる細胞の波形データを取得し、その波形データを参照することで細胞周期の位置を特定することができる。

さらに、解析部１２３は、単位時間当たりの動き量の一定時間における波形情報（図５参照）を取得し、細胞周期の長さを特定することができる。例えば、波形情報からＭ期を特定できれば、Ｍ期から次のＭ期までの時間を細胞周期の長さとすることができる。なお、解析部１２３は、あらかじめ対象となる細胞の波形データを取得し、その波形データにフィッティングすることで、測定時間または測定回数を減らすことも可能である。解析部１２３は、特定した細胞周期に関する情報を表示制御部１２４に供給する。

表示制御部１２４は、細胞周期に関する情報を可視化して出力する（Ｓｔ１０５）。表示制御部１２４は、細胞周期に関する情報を撮像画像に重畳させた画像を生成することができ、例えば、細胞周期の位置（Ｇ１期やＭ期等）に応じて細胞をカラー表示することができる。重畳画像は、撮像時間の異なる複数の撮像画像に対して生成してもよく、また解析部１２３にて特定した個別細胞のみを抽出して生成してもよい。また、表示制御部１２４は、各細胞周期の位置にある細胞の個数を表示してもよく、単位時間当たりの動き量の一定時間における波形情報に各細胞周期をマッピング表示してもよい。表示制御部１２４は、これらの解析結果をディスプレイ等に出力し、ユーザーに提示する。

なお、情報処理装置１２は、撮像画像を撮像するステップ（Ｓｔ１０１）から細胞又は細胞内構造毎に単位時間当たりの動き量を算出するステップ（Ｓｔ１０３）を断続的に繰り返し、細胞又は細胞内構造の動き量の算出精度を向上させることが可能である。

［変形例］
表示制御部１２４は、解析部１２３によって算出された単位時間当たりの動き量のパラメータを可視化してもよい（Ｓｔ１０６）。図６は、図５に示した細胞毎の単位時間当たりの動き量の平均値を可視化した画像の例である。単位時間当たりの動き量の平均値が大きい領域を白色で示す。表示制御部１２４は、単位時間当たりの動き量のパラメータを可視化した画像をディスプレイ等に出力し、ユーザーに提示することができる。可視化画像は、撮像時間の異なる複数の撮像画像に対して生成してもよく、また解析部１２３にて特定した個別細胞のみを抽出して生成してもよい。ユーザーは、この画像を参照して単位時間当たりの動き量細胞周期に関する情報を推定することが可能となる。

以上のように、情報処理システム１は、細胞を撮像した画像から、単位時間当たりの動き量を利用することにより、細胞周期に関する情報を特定することが可能である。細胞に対する染色は必要なく、非破壊、非侵襲、非染色での細胞周期の評価を可能とする。情報処理システム１は、細胞の品質管理、細胞の分化状態の評価、増殖性の高い（遅い）特殊細胞の特定、異常細胞の検出、抗がん剤等の細胞障害活性の評価、薬剤の副作用の評価等に好適に利用することができる。

［情報処理装置のハードウェア構成］
上記のような情報処理装置１２の機能的構成は、以下に示すハードウェア構成によって実現することが可能である。

図７は、情報処理装置１２のハードウェア構成を示す模式図である。同図に示すように情報処理装置１２はハードウェア構成として、ＣＰＵ１５１、ＧＰＵ１５２、メモリ１５３、ストレージ１５４及び入出力部（Ｉ／Ｏ）１５５を有する。これらはバス１５６によって互いに接続されている。

ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５１は、メモリ１５３に格納されたプログラムに従って他の構成を制御すると共に、プログラムに従ってデータ処理を行い、処理結果をメモリ１５３に格納する。ＣＰＵ１５１はマイクロプロセッサであるものとすることができる。

ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）１５２は、ＣＰＵ１５１による制御を受けて、画像処理を実行する。ＣＰＵ１５１はＧＰＵ１５２に並列演算処理を実行させ、特徴量の抽出を高速に行うことが可能である。ＧＰＵ１５２はマイクロプロセッサであるものとすることができる。

メモリ１５３はＣＰＵ１５１によって実行されるプログラム及びデータを格納する。メモリ１５３はＲＡＭ（Random Access Memory）であるものとすることができる。

ストレージ１５４は、プログラムやデータを格納する。ストレージ１５４はＨＤＤ（hard disk drive）やＳＳＤ（solid state drive）であるものとすることができる。

入出力部１５５は情報処理装置１２に対する入力を受け付け、また情報処理装置１２の出力を外部に供給する。入出力部１５５は、キーボードやマウス等の入力機器やディスプレイ等の出力機器、ネットワーク等の接続インターフェイスを含む。

情報処理装置１２のハードウェア構成はここに示すものに限られず、情報処理装置１２の機能的構成を実現できるものであればよい。また、上記ハードウェア構成の一部又は全部はネットワーク上に存在していてもよい。

２．第２の実施形態
次に、本開示の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の「情報処理システムの構成」、「情報処理装置のハードウェア構成」は、第１の実施形態と同様である。第２の実施形態では、細胞周期に関する情報を特定するのではなく、細胞内代謝状態又は細胞内骨格の状態を評価する際に本開示を適用した場合について説明する。

発明者らは細胞周期と動きとの相関性の要因について検討を重ねた結果、細胞内顆粒、特にエンドソーム顆粒が細胞周期に依存して変化することを見出した。エンドソーム顆粒は代謝阻害により動きが抑制されることが知られており、エンドソーム顆粒を含む細胞内顆粒の動きを測定することにより細胞の代謝状態（ＡＴＰ産生量）を評価することが可能になる。また、エンドソーム顆粒は微小管上を運動することが知られており、エンドソーム顆粒を含む細胞内顆粒の動きを測定することにより細胞内骨格（微小管）の状態を放火することも可能となる。

［情報処理装置の構成及び動作］
第２の実施形態における情報処理装置の機能的構成は、第１の実施形態の図１に示す構成と同様である。また、情報処理装置１２の構成としての撮像制御部１２１及び画像取得部１２２、撮像装置１１も第１の実施形態と同様であるため、解析部１２３及び表示制御部１２４について具体的に説明する。図１８は、本実施形態に係る情報処理装置１２の動作を示すフローチャートである。

撮像制御部１２１が、撮像装置１１の撮像間隔や撮像範囲を決定し、撮像装置１１に撮像画像を撮像させる（Ｓｔ２０１）と、解析部１２３は、撮像画像から単位時間当たりの動き量を算出する（Ｓｔ２０２）。解析部１２３は、撮像時刻が異なる少なくとも二枚の撮像画像（フレーム）の比較を行い、動き量を算出する。例えば、解析部１２３は、細胞内構造を分離可能な解像度（５μｍ以下）で動き量を算出するものとすることができる。

具体的には解析部１２３は、撮像時刻が異なる少なくとも二枚の撮像画像の間で動きベクトルを抽出する。解析部１２３はブロックマッティング法や勾配法等を用いて動きベクトルを抽出することができる。図３は、解析部１２３によって抽出される動きベクトルの例である。同図に示すように解析部１２３は、撮像画像Ｇにおいて所定の抽出区画Ｈ毎に動きベクトルＢを抽出する。解析部１２３は、撮像画像の全体から動きベクトルを抽出してもよく、ユーザーによって指定された範囲から動きベクトルを抽出してもよい。

動きベクトルＢの長さが動き量であり、解析部１２３は動きベクトルＢを抽出した二枚の撮像画像の間隔（時間）から、単位時間当たりの動き量（動き速度）を算出することができる。なお、解析部１２３は必ずしも動きベクトルを抽出する必要はなく、他の方法で単位時間当たりの動き量を算出してもよい。

さらに、解析部１２３は、単位時間当たりの動き量に基づいて、細胞の代謝状態又は細胞内骨格を評価可能な動き量のパラメータを抽出する。動き量に関するパラメータとしては、単位時間当たりの動き量の平均値、中央値、最大値、標準偏差、相対動き領域等が抽出される。相対動き領域は、細胞領域に対する動き領域の割合を示すパラメータであり、薬剤評価時など比較対象と比較する場合有用な指標である。

具体的には、解析部１２３は、撮像画像に対して画像認識処理を実行し、上記パラメータを抽出することが可能である。例えば、解析部１２３は、撮像画像と細胞内構造（顆粒、繊維、仮足等）のリファレンス画像とのパターンマッチング処理や学習系画像認識処理、輝度値分布による画像認識処理等によって撮像画像に含まれる細胞や細胞群、細胞内構造等を検出することができる。また、細胞の特定はユーザーによる撮像画像上の範囲の指定に基づき行われても良い。

解析部１２３は、画像認識処理又はユーザーの指定によって検出された細胞又は細胞内構造毎に単位時間当たりの動き量を算出（Ｓｔ２０３）することができる。

表示制御部１２４は、解析部１２３によって算出された単位時間当たりの動き量のパラメータを可視化して出力する。（Ｓｔ２０４）。単位時間当たりの動き量のパラメータを可視化した画像はディスプレイ等に出力され、ユーザーに提示することができる。可視化画像は、撮像時間の異なる複数の撮像画像に対して生成してもよく、また解析部１２３にて特定した個別細胞のみを抽出して生成してもよい。ユーザーは、この画像を参照して細胞内代謝状態又は細胞内骨格状態を評価することが可能となる。

また、解析部１２３にて複数の異なる条件で培養された細胞の撮像画像それぞれに対して動き量のパラメータを算出した場合、表示制御部１２４は、それぞれの細胞に対して算出された動き量のパラメータをグラフ又は画像として出力することもできる。例えば、薬剤評価の場合には、少なくとも一種類の薬剤を投与した細胞と何も投与していない比較細胞とを撮像し、それぞれの動き量のパラメータをグラフ又は画像としてディスプレイ等に出力し、ユーザーに提示することができる。ユーザーはこのグラフにより、薬剤を投与した細胞と比較細胞との結果の違いを参照することで、薬剤による細胞内代謝状態又は細胞内骨格状態への影響を評価することが可能となる。

更に、解析部１２３にて予め取得された比較細胞に対する動き量のパラメータを参照し、薬剤を投与した細胞の動き量のパラメータから細胞内代謝状態又は細胞内骨格状態を推定することも可能である。表示制御部１２４は、解析部１２３にて推定された細胞内代謝状態又は細胞内骨格状態をディスプレイ等に出力し、ユーザーに提示する。

以上のように、情報処理システム１は、細胞を撮像した画像から、動き量のパラメータを利用することにより、細胞内代謝状態又は細胞内骨格の状態を評価可能な情報を出力することが可能である。細胞に対する染色は必要なく、非破壊、非侵襲、非染色での細胞内代謝状態又は細胞内骨格の状態の評価を可能とする。情報処理システム１は、細胞の品質管理、抗がん剤など細胞傷害活性の評価、薬剤の副作用の評価等に好適に利用することができる。

（実施例１：細胞周期に伴う動き速度の変化）
Ｕ２ＯＳ細胞を４８時間非血清培養液で培養した後、１０％のウシ胎児血清を加え、細胞間の細胞周期同調を行った。非血清培養液で培養すると細胞周期はＳ期の前で停止し、ウシ胎児血清を加えると細胞周期がＳ期から開始されるため、培養されているほとんどの細胞の細胞周期を同調させることが可能である。ウシ退治血清を加えた時点から１時間おきに経時的に位相差顕微鏡で画像（動画）を撮像した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間６０秒とした。

約１μｍ間隔で動きベクトルを算出し、撮像画像内の動き量の時空間的平均を算出した。撮像画像内の細胞が占める割合から細胞領域も算出した。

図８は、単位時間当たりの動き量（動き速度）の平均値（Motion speed Avg)と細胞領域(Cell area)の時間変化を示すグラフである。動き量平均値は血清刺激後８時間程度まで増加し、それ以降徐々に低下し、１７時間後程度から再上昇した。４時間後、３０時間後に染色手法（Cell clock: biocolor）により細胞周期の位置を確認すると、どちらもＧ１期の細胞が多く、その他の細胞周期の細胞も含まれていることが確認された。細胞領域は細胞の増殖を表しているが、動き速度が極大を迎え徐々に低下する９時間以降に増殖速度の増加が見られる。この時間帯にＧ２→Ｍ→Ｇ１期と移行し、分裂する細胞が多いために細部領域の速度増加が見られる。

（実施例２：Ｇ１期とＧ２期の動き速度比較）
位相差顕微鏡によりＵ２ＯＳ細胞の画像（動画）を撮像した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間６０秒とした。その後、染色手法（Cell clock: biocolor）によりＧ１期とＧ２期を識別した。

約１μｍ間隔で動きベクトルを算出し、Ｇ１期とＧ２期に識別されたそれぞれの細胞について、単位時間当たりの動き量（動き速度）の時空間的平均を算出した。

図９は、Ｇ１期とＧ２期のそれぞれの細胞について算出された動き速度の時空間的平均（Motion speed Avg)を示すグラフである。同図に示すように、Ｇ１期の細胞の方がＧ２期の細胞に比べて動き速度が統計的に有意に低いことがわかる。

（実施例３：接触抑制によるＧ１期停止）
Ｕ２ＯＳ細胞を高密度で播種し、１時間おきに継続的に位相差顕微鏡で画像（動画）を撮像した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間６０秒とした。約１μｍ間隔で動きベクトルを算出後、撮像画像内の単位時間当たりの動き量（動き速度）の時空間的平均を算出した。撮像画像内で細胞が占める割合から細胞領域も算出した。

図１０は、単位時間当たりの動き量（動き速度）の平均値（Motion speed Avg)と細胞領域(Cell area)の時間変化を示すグラフである。同図に示すように、１５時間程度で細胞領域が１００％に達し、細胞増殖が抑制されている。この接触による細胞増殖の抑制（接触抑制）により細胞周期はＧ１期で停止している。増殖が抑制されている１５時間以降、動き速度平均値が低下し、接触抑制によりＧ１期の細胞が増加することで動き速度が低下することが示されている。

（実施例５：細胞内構造の動き速度の可視化）
位相差顕微鏡によりＵ２ＯＳ細胞の画像（動画）を撮像した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間６０秒とした。図１１は、撮像された位相差画像とその拡大図を示す。位相差画像では、細胞の辺縁部（主に仮足）、細胞内顆粒及び細胞内繊維が観察される。

約１μｍ間隔で動きベクトルを算出後、各座標の単位時間当たりの動き量（動き速度）の時空間的平均を算出し、カラーマップを作成した。図１２は、当該カラーマップである。細胞内顆粒の動き速度が大きいこと、分裂期（Ｍ期）直後のＧ１期の細胞（四角枠内）の細胞内顆粒の動き速度が比較的小さいことが示されている。

（実施例６：細胞毎の動き速度の変化）
位相差顕微鏡によりＵ２ＯＳ細胞の画像（動画）を撮像した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間６０秒とした。約１μｍ間隔で動きベクトルを算出後、画像から３つの細胞を特定し、各細胞毎に単位時間当たりの動き量（動き速度）の平均を算出した。

図１３乃至図１５は、各細胞毎の単位時間当たりの動き量（動き速度）の平均値（Motion speed Avg)の時間変化を示すグラフである。図１６は、３つの細胞の単位時間当たりの動き量（動き速度）を平均したグラフである。これらの図に示すように、各細胞の単位時間当たりの動き量は、細胞周期に応じて変化し、細胞周期による傾向（Ｍ期では単位時間当たりの動き量が小さくなる等）が一致することがわかる。

図１７は、一つの細胞の単位時間当たりの動き量の平均値を可視化した画像である。単位時間当たりの動き量の平均値が大きい領域を白色で示す。細胞周期に応じて単位時間当たりの動き量の平均値が変動することを画像から把握することが可能である。

（実施例７：微小管破壊による動き速度の変化）
位相差顕微鏡により異なる条件で培養されたＵ２ＯＳ細胞の画像（動画）を撮像した。微小管を安定化するPaclitaxel ２μＭを投与した細胞、微小管を不安定化するNocodazole ２μＭを投与した細胞、何も投与していない比較細胞の３種類を準備した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間２０分とした。約１μｍ間隔で動きベクトルを算出後、各座標の単位時間当たりの動き量（動き速度）の時空間的平均を算出し、カラーマップを作成した。また、撮像画像内で細胞が占める割合から細胞領域、所定の動き速度以上の動き速度を示す動き領域を算出し、細胞領域に対する動き領域の割合を示す相対動き領域を特定し、グラフを作成した。

図１９は、何も投与していない比較細胞の位相差像であり、図２０はこの細胞に対するカラーマップである。図２１はPaclitaxelを投与した細胞の位相差像であり、図２２はこの細胞に対するカラーマップである。図２３は、Nocodazoleを投与した細胞の位相差像であり、図２４はこの細胞に対するカラーマップである。図２５は、これらの３種類の条件で培養された細胞に対する相対動き領域のグラフである。微小管を安定化するPaclitaxelを投与した細胞と比較細胞とでカラーマップ、相対動き領域の値に差はないが、微小管を不安定化するNocodazoleではカラーマップにおいて明らかな動き領域の減縮が見られ、相対動き領域の値が減少していることがわかる。

（実施例８：ミトコンドリア脱共役剤を用いた代謝阻害による動き速度の変化）
位相差顕微鏡により異なる薬剤濃度にて培養されたＵ２ＯＳ細胞の画像（動画）を撮像した。薬剤は代謝阻害剤として用いられるミトコンドリア脱共役剤であるＣＣＣＰを用い、０．５、５、５０μＭの三種類の薬剤濃度の細胞と何も投与していない比較細胞とを準備した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間２０分とした。約１μｍ間隔で動きベクトルを算出後、相対動き領域を算出し、グラフを作成した。

図２６は、異なる薬剤濃度で培養された細胞に対する相対動き領域のグラフである。ＣＣＣＰの濃度の増加に応じて相対動き領域の値が減少していることがわかる。

（実施例９：モータータンパク質阻害剤による動き速度の変化）
位相差顕微鏡により異なる薬剤濃度にて培養されたＵ２ＯＳ細胞の画像（動画）を撮像した。薬剤はＡＴＰを競合的に阻害するＡＴＰアナログであるＡＭＰ−ＰＮＰ、モータータンパク質阻害剤であるＡＴＡとを用い、それぞれの薬剤について６７、２００、６７０μＭ、１０、３０、１００μＭの三種類の薬剤濃度の細胞と何も投与していない比較細胞とを準備した。顕微鏡拡大倍率は２０倍、撮像間隔５フレーム／秒、撮像時間６０分とした。約１μｍ間隔で動きベクトルを算出後、単位時間当たりの動き量（動き速度）の平均を算出し、グラフを作成した。

図２７は異なる薬剤濃度でＡＭＰ−ＰＮＰを投与した細胞に対する動き速度のグラフであり、図２８は異なる薬剤濃度でＡＴＡ投与した細胞に対する動き速度のグラフである。これらの図から、薬剤濃度の増加に応じて動き速度の値が減少していることがわかる。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。

（１）
細胞を撮像した画像から単位時間当たりの動き量を算出し、上記単位時間当たりの動き量に基づいて、上記細胞の細胞周期に関する情報を特定する解析部
を具備する情報処理装置。

（２）
上記（１）に記載の情報処理装置であって、
請求項１に記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、上記画像から動きベクトルを抽出し、上記動きベクトルから上記単位時間当たりの動き量を算出する
情報処理装置。

（３）
上記（１）又は（２）に記載の情報処理装置であって、
請求項１に記載の情報処理装置であって、
上記細胞周期に関する情報を可視化する表示制御部
をさらに具備する情報処理装置。

（４）
上記（３）に記載の情報処理装置であって、
上記表示制御部は、上記細胞周期に関する情報を上記画像に重畳させた画像を生成する
情報処理装置。

（５）
上記（３）又は（４）に記載の情報処理装置であって、
上記表示制御部は、さらに、上記単位時間当たりの動き量を可視化する
情報処理装置。

（６）
上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、細胞周期の位置又は細胞周期の長さを上記細胞周期に関する情報として特定する
情報処理装置。

（７）
上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、上記単位時間当たりの動き量の平均値又は中央値を算出し、上記平均値又は中央値に基づいて上記細胞周期に関する情報を特定する
情報処理装置。

（８）
上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、上記画像上でユーザーにより指定された範囲から算出された上記単位時間当たりの動き量に基づいて上記細胞周期に関する情報を特定する
情報処理装置。

（９）
上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、上記画像に対する画像認識処理結果と上記単位時間当たりの動き量に基づいて上記細胞周期に関する情報を特定する
情報処理装置。

（１０）
上記（９）に記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、上記画像から上記少なくとも一つの細胞の範囲を特定し、上記画像において上記少なくとも一つの細胞の範囲に該当する領域から算出された上記単位時間当たりの動き量に基づいて上記細胞周期に関する情報を特定する
情報処理装置。

（１１）
上記（９）に記載の情報処理装置であって、
上記解析部は、上記画像から少なくとも一つの細胞の細胞内構造の範囲を特定し、上記画像において上記細胞内構造の範囲に該当する領域から算出された上記単位時間当たりの動き量に基づいて上記細胞周期に関する情報を特定する
情報処理装置。

（１２）
上記（１）から（１１）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記単位時間当たりの動き量が算出される画像の撮像間隔が１秒以下となるように撮像装置を制御する撮像制御部
をさらに具備する情報処理装置。

（１３）
上記（１）から（１２）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記細胞は、単一の分裂細胞又は分裂細胞群である
情報処理装置。

（１４）
上記（１）から（１３）のうちいずれか一つに記載の情報処理装置であって、
上記細胞は、がん細胞又は幹細胞である
情報処理装置。

（１５）
撮像装置と、
上記撮像装置が細胞を撮像するように制御する撮像制御部と、上記撮像装置により上記細胞を撮像した画像から単位時間当たりの動き量を算出し、上記単位時間当たりの動き量に基づいて、上記細胞の細胞周期に関する情報を特定する解析部とを有する情報処理装置と
を具備する情報処理システム。

（１６）
上記（１５）に記載の情報処理システムであって、
上記撮像制御部は、１秒以下の撮像間隔で上記単位時間当たりの動き量が算出される画像を撮像するように上記撮像装置を制御する
情報処理システム。

（１７）
解析部が、細胞を撮像した画像から単位時間当たりの動き量を算出し、上記単位時間当たりの動き量に基づいて、上記細胞の細胞周期に関する情報を特定する
情報処理方法。

１…情報処理システム
１１…撮像装置
１２…情報処理装置
１２１…撮像制御部
１２２…画像取得部
１２３…解析部
１２４…表示制御部

Claims (13)

1. 細胞を撮像した画像に対する画像認識処理結果に基づいて前記画像に含まれる細胞の範囲を特定し、前記画像において前記細胞の範囲に該当する領域から単位時間当たりの動き量を算出し、前記単位時間当たりの動き量の推移に基づいて前記細胞の細胞周期に関する情報を特定する解析部
   を具備する情報処理装置。
2. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記解析部は、前記画像から動きベクトルを抽出し、前記動きベクトルから前記単位時間当たりの動き量を算出する
   情報処理装置。
3. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記細胞周期に関する情報を可視化する表示制御部
   をさらに具備する情報処理装置。
4. 請求項３に記載の情報処理装置であって、
   前記表示制御部は、前記細胞周期に関する情報を前記画像に重畳させた画像を生成する
   情報処理装置。
5. 請求項３に記載の情報処理装置であって、
   前記表示制御部は、さらに、前記単位時間当たりの動き量を可視化する
   情報処理装置。
6. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記解析部は、細胞周期の位置又は細胞周期の長さを前記細胞周期に関する情報として特定する
   情報処理装置。
7. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記解析部は、前記単位時間当たりの動き量の平均値又は中央値を算出し、前記平均値又は中央値に基づいて前記細胞周期に関する情報を特定する
   情報処理装置。
8. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記単位時間当たりの動き量が算出される画像の撮像間隔が１秒以下となるように撮像装置を制御する撮像制御部
   をさらに具備する情報処理装置。
9. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
   前記細胞は、単一の分裂細胞又は分裂細胞群である
   情報処理装置。
10. 請求項１に記載の情報処理装置であって、
    前記細胞は、がん細胞又は幹細胞である
    情報処理装置。
11. 撮像装置と、
    前記撮像装置が細胞を撮像するように制御する撮像制御部と、前記撮像装置により前記細胞を撮像した画像に対する画像認識処理結果に基づいて前記画像に含まれる細胞の範囲を特定し、前記画像において前記細胞の範囲に該当する領域から単位時間当たりの動き量を算出し、前記単位時間当たりの動き量の推移に基づいて前記細胞の細胞周期に関する情報を特定する解析部とを有する情報処理装置と
    を具備する情報処理システム。
12. 請求項１１に記載の情報処理システムであって、
    前記撮像制御部は、１秒以下の撮像間隔で前記単位時間当たりの動き量が算出される画像を撮像するように前記撮像装置を制御する
    情報処理システム。
13. 解析部が、細胞を撮像した画像に対する画像認識処理結果に基づいて前記画像に含まれる細胞の範囲を特定し、前記画像において前記細胞の範囲に該当する領域から単位時間当たりの動き量を算出し、前記単位時間当たりの動き量の推移に基づいて前記細胞の細胞周期に関する情報を特定する
    情報処理方法。