DE29824468U1 - Chromosome classification device - Google Patents
Chromosome classification deviceInfo
- Publication number
- DE29824468U1 DE29824468U1 DE29824468U DE29824468U DE29824468U1 DE 29824468 U1 DE29824468 U1 DE 29824468U1 DE 29824468 U DE29824468 U DE 29824468U DE 29824468 U DE29824468 U DE 29824468U DE 29824468 U1 DE29824468 U1 DE 29824468U1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- chromosome
- chromosomes
- regions
- vectors
- banding
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 210000000349 chromosome Anatomy 0.000 title claims description 715
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 157
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 64
- 239000003086 colorant Substances 0.000 claims description 52
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 35
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 33
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 26
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 245
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 122
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 107
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 47
- 210000003917 human chromosome Anatomy 0.000 description 47
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 35
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 33
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 32
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 description 30
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 30
- 208000031404 Chromosome Aberrations Diseases 0.000 description 27
- 238000002509 fluorescent in situ hybridization Methods 0.000 description 27
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 description 26
- 231100000005 chromosome aberration Toxicity 0.000 description 25
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 24
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 24
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 22
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 21
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 21
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 20
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 description 19
- 230000005945 translocation Effects 0.000 description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 17
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 16
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 16
- 230000006870 function Effects 0.000 description 16
- 230000031864 metaphase Effects 0.000 description 16
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 15
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 15
- 230000003902 lesion Effects 0.000 description 13
- FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 4',6-Diamino-2-phenylindol Chemical compound C1=CC(C(=N)N)=CC=C1C1=CC2=CC=C(C(N)=N)C=C2N1 FWBHETKCLVMNFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 12
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 11
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 11
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 241000894007 species Species 0.000 description 9
- 230000002759 chromosomal effect Effects 0.000 description 8
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 8
- 230000003211 malignant effect Effects 0.000 description 8
- 208000026350 Inborn Genetic disease Diseases 0.000 description 7
- 208000037280 Trisomy Diseases 0.000 description 7
- 208000016361 genetic disease Diseases 0.000 description 7
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 7
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 239000003298 DNA probe Substances 0.000 description 6
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 6
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 6
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 6
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 description 6
- 238000007901 in situ hybridization Methods 0.000 description 6
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 6
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 238000012217 deletion Methods 0.000 description 5
- 230000037430 deletion Effects 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000029087 digestion Effects 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 210000004940 nucleus Anatomy 0.000 description 5
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 5
- 238000003752 polymerase chain reaction Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 5
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 5
- MPLHNVLQVRSVEE-UHFFFAOYSA-N texas red Chemical compound [O-]S(=O)(=O)C1=CC(S(Cl)(=O)=O)=CC=C1C(C1=CC=2CCCN3CCCC(C=23)=C1O1)=C2C1=C(CCC1)C3=[N+]1CCCC3=C2 MPLHNVLQVRSVEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 5
- 210000004881 tumor cell Anatomy 0.000 description 5
- 244000309464 bull Species 0.000 description 4
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 4
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 201000010374 Down Syndrome Diseases 0.000 description 3
- 102000004533 Endonucleases Human genes 0.000 description 3
- 108010042407 Endonucleases Proteins 0.000 description 3
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 3
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 3
- 230000011855 chromosome organization Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- BFMYDTVEBKDAKJ-UHFFFAOYSA-L disodium;(2',7'-dibromo-3',6'-dioxido-3-oxospiro[2-benzofuran-1,9'-xanthene]-4'-yl)mercury;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Na+].O1C(=O)C2=CC=CC=C2C21C1=CC(Br)=C([O-])C([Hg])=C1OC1=C2C=C(Br)C([O-])=C1 BFMYDTVEBKDAKJ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 3
- 230000002489 hematologic effect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 3
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 3
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 3
- 230000000306 recurrent effect Effects 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 2
- 206010008805 Chromosomal abnormalities Diseases 0.000 description 2
- 230000004544 DNA amplification Effects 0.000 description 2
- 230000007023 DNA restriction-modification system Effects 0.000 description 2
- 230000001594 aberrant effect Effects 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 210000002230 centromere Anatomy 0.000 description 2
- 238000007635 classification algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000010367 cloning Methods 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 238000009223 counseling Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 2
- 210000002308 embryonic cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000012252 genetic analysis Methods 0.000 description 2
- 238000007903 genomic in situ hybridization Methods 0.000 description 2
- 210000004754 hybrid cell Anatomy 0.000 description 2
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 2
- 210000000265 leukocyte Anatomy 0.000 description 2
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 2
- 230000021121 meiosis Effects 0.000 description 2
- 230000011278 mitosis Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 2
- 210000005259 peripheral blood Anatomy 0.000 description 2
- 239000011886 peripheral blood Substances 0.000 description 2
- 238000003793 prenatal diagnosis Methods 0.000 description 2
- 239000013615 primer Substances 0.000 description 2
- 238000000513 principal component analysis Methods 0.000 description 2
- 238000003906 pulsed field gel electrophoresis Methods 0.000 description 2
- PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N rhodamine B Chemical compound [Cl-].C=12C=CC(=[N+](CC)CC)C=C2OC2=CC(N(CC)CC)=CC=C2C=1C1=CC=CC=C1C(O)=O PYWVYCXTNDRMGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 208000010839 B-cell chronic lymphocytic leukemia Diseases 0.000 description 1
- 208000011691 Burkitt lymphomas Diseases 0.000 description 1
- 241000282693 Cercopithecidae Species 0.000 description 1
- 108010077544 Chromatin Proteins 0.000 description 1
- 208000035970 Chromosome Breakpoints Diseases 0.000 description 1
- 208000031639 Chromosome Deletion Diseases 0.000 description 1
- 208000016718 Chromosome Inversion Diseases 0.000 description 1
- 108020004635 Complementary DNA Proteins 0.000 description 1
- 208000032170 Congenital Abnormalities Diseases 0.000 description 1
- 239000003155 DNA primer Substances 0.000 description 1
- AHCYMLUZIRLXAA-SHYZEUOFSA-N Deoxyuridine 5'-triphosphate Chemical compound O1[C@H](COP(O)(=O)OP(O)(=O)OP(O)(O)=O)[C@@H](O)C[C@@H]1N1C(=O)NC(=O)C=C1 AHCYMLUZIRLXAA-SHYZEUOFSA-N 0.000 description 1
- SHIBSTMRCDJXLN-UHFFFAOYSA-N Digoxigenin Natural products C1CC(C2C(C3(C)CCC(O)CC3CC2)CC2O)(O)C2(C)C1C1=CC(=O)OC1 SHIBSTMRCDJXLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000034826 Genetic Predisposition to Disease Diseases 0.000 description 1
- 238000002738 Giemsa staining Methods 0.000 description 1
- 206010066476 Haematological malignancy Diseases 0.000 description 1
- 208000002250 Hematologic Neoplasms Diseases 0.000 description 1
- 206010064912 Malignant transformation Diseases 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 101100384865 Neurospora crassa (strain ATCC 24698 / 74-OR23-1A / CBS 708.71 / DSM 1257 / FGSC 987) cot-1 gene Proteins 0.000 description 1
- 241000577979 Peromyscus spicilegus Species 0.000 description 1
- 108091081062 Repeated sequence (DNA) Proteins 0.000 description 1
- 108091081400 Subtelomere Proteins 0.000 description 1
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 1
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 1
- 102000004142 Trypsin Human genes 0.000 description 1
- 108090000631 Trypsin Proteins 0.000 description 1
- 102000044209 Tumor Suppressor Genes Human genes 0.000 description 1
- 108700025716 Tumor Suppressor Genes Proteins 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 208000036878 aneuploidy Diseases 0.000 description 1
- 231100001075 aneuploidy Toxicity 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 1
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 1
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 210000000481 breast Anatomy 0.000 description 1
- 238000000339 bright-field microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000010804 cDNA synthesis Methods 0.000 description 1
- AIYUHDOJVYHVIT-UHFFFAOYSA-M caesium chloride Chemical compound [Cl-].[Cs+] AIYUHDOJVYHVIT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- CZPLANDPABRVHX-UHFFFAOYSA-N cascade blue Chemical compound C=1C2=CC=CC=C2C(NCC)=CC=1C(C=1C=CC(=CC=1)N(CC)CC)=C1C=CC(=[N+](CC)CC)C=C1 CZPLANDPABRVHX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 210000004252 chorionic villi Anatomy 0.000 description 1
- 210000003483 chromatin Anatomy 0.000 description 1
- 210000001072 colon Anatomy 0.000 description 1
- 238000004040 coloring Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002299 complementary DNA Substances 0.000 description 1
- 230000002380 cytological effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- QONQRTHLHBTMGP-UHFFFAOYSA-N digitoxigenin Natural products CC12CCC(C3(CCC(O)CC3CC3)C)C3C11OC1CC2C1=CC(=O)OC1 QONQRTHLHBTMGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SHIBSTMRCDJXLN-KCZCNTNESA-N digoxigenin Chemical compound C1([C@@H]2[C@@]3([C@@](CC2)(O)[C@H]2[C@@H]([C@@]4(C)CC[C@H](O)C[C@H]4CC2)C[C@H]3O)C)=CC(=O)OC1 SHIBSTMRCDJXLN-KCZCNTNESA-N 0.000 description 1
- 208000037765 diseases and disorders Diseases 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000006911 enzymatic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001317 epifluorescence microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000001605 fetal effect Effects 0.000 description 1
- 238000000684 flow cytometry Methods 0.000 description 1
- GNBHRKFJIUUOQI-UHFFFAOYSA-N fluorescein Chemical compound O1C(=O)C2=CC=CC=C2C21C1=CC=C(O)C=C1OC1=CC(O)=CC=C21 GNBHRKFJIUUOQI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012757 fluorescence staining Methods 0.000 description 1
- 230000004077 genetic alteration Effects 0.000 description 1
- 231100000722 genetic damage Toxicity 0.000 description 1
- 239000005556 hormone Substances 0.000 description 1
- 229940088597 hormone Drugs 0.000 description 1
- 238000011532 immunohistochemical staining Methods 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003426 interchromosomal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012177 large-scale sequencing Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 230000036244 malformation Effects 0.000 description 1
- 230000036212 malign transformation Effects 0.000 description 1
- 230000008774 maternal effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000001531 micro-dissection Methods 0.000 description 1
- 230000000394 mitotic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000011527 multiparameter analysis Methods 0.000 description 1
- 239000003471 mutagenic agent Substances 0.000 description 1
- 231100000707 mutagenic chemical Toxicity 0.000 description 1
- 230000003505 mutagenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 239000002773 nucleotide Substances 0.000 description 1
- 125000003729 nucleotide group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005535 overpotential deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 1
- 210000004214 philadelphia chromosome Anatomy 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005316 response function Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 1
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000012588 trypsin Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6813—Hybridisation assays
- C12Q1/6816—Hybridisation assays characterised by the detection means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J2003/2866—Markers; Calibrating of scan
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Description
# Anmelder: Applied Spectral Imaging Ltd.# Applicant: Applied Spectral Imaging Ltd.
f' Unser Zeichen: 50411 DE f ' Our reference: 50411 DE
VORRICHTUNG ZUR CHROMOSOMEN-KLASSIFIZIERUNG
GEBIET UND HINTERGRUND DER ERFINDUNGCHROMOSOME CLASSIFICATION DEVICE
FIELD AND BACKGROUND OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft die Klassifizierung von in situ angefärbten Chromosomen in einen Färb- (Spektral-) Karyotyp. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Identifizieren auffallender interner Referenz-Spektren um eine derartige Klassifizierung vorzunehmen. The present invention relates to the classification of in situ stained chromosomes into a staining (spectral) karyotype. In particular, the present invention relates to a method for identifying prominent internal reference spectra to perform such classification.
Die Verwendung fluoreszierender Farbstoffe (d.h. fluoreszierender Sonden bzw. Marker, Fluorophore, Fluorochrome, die alle in diesem Dokument in untereinander austauschbarer Weise verwendet werden) stellt eines der wirkungsvollsten und häufigsten Arbeitsmittel zum Analysieren von Geweben und Zellen dar. Die Fluoreszenz-Mikroskopie ist deshalb eines der wichtigsten in der Lichtmikroskopie verwendeten experimentellen Verfahren [Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, Plenum Press, New York, London (1983)].The use of fluorescent dyes (i.e. fluorescent probes or markers, fluorophores, fluorochromes, all used interchangeably in this document) represents one of the most powerful and common tools for analyzing tissues and cells. Fluorescence microscopy is therefore one of the most important experimental techniques used in light microscopy [Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, Plenum Press, New York, London (1983)].
Der Vorteil fluoreszierender Sonden beruht hauptsächlich auf der großen Vielfalt an biologischen Strukturen, an die bestimmte Farbstoffe gebunden werden können [Waggoner, Applications of fluorescence in the biomedical sciences, Taylor et al. (Hrsgb.), New York: Alan Liss, Inc., (1986)The advantage of fluorescent probes is mainly due to the wide variety of biological structures to which certain dyes can be bound [Waggoner, Applications of fluorescence in the biomedical sciences, Taylor et al. (eds.), New York: Alan Liss, Inc., (1986)
3-28]. Für eine ausführliche Zusammenfassung über fluoreszierende Sonden, siehe Mason ^ (Hrsgb.) Fluorescent and Luminescent Probes for Biological Activity, Biological Techniques Series, herausgegeben von Sattelle, Academic Press Limited, London (1993), und Ploem und Tanke, Introduction to Fluorescence Microscopy, Oxford University Press, Royal Microscopical Society (1987).3-28]. For a detailed review of fluorescent probes, see Mason ^ (ed.) Fluorescent and Luminescent Probes for Biological Activity, Biological Techniques Series, edited by Sattelle, Academic Press Limited, London (1993), and Ploem and Tanke, Introduction to Fluorescence Microscopy, Oxford University Press, Royal Microscopical Society (1987).
Die rasche Entwicklung neuer und hochentwickelterer, vielfarbig fluoreszierender Farbstoffmoleküle erzeugt kontinuierlich einen Bedarf nach fortgeschritteneren Fluoreszenz-Abbildungstechniken (fluorescence imaging techniques), die das ganze Potential dieser Farbstoffe ausnützen können. Für eine Erläuterung der revolutionären Auswirkung, die fluoreszierende Farbstoffe bis dato hatten und weiterhin auf die derzeit durchgeführte Forschung haben werden, wird auf Taylor et al., The New Vision of Light Microscopy, American Scientist, Vol. 80 (1992) 322-335 verwiesen.The rapid development of new and more sophisticated multicolor fluorescent dye molecules continually creates a need for more advanced fluorescence imaging techniques that can exploit the full potential of these dyes. For an explanation of the revolutionary impact that fluorescent dyes have had and will continue to have on the research currently being conducted, see Taylor et al., The New Vision of Light Microscopy, American Scientist, Vol. 80 (1992) 322-335.
Ein wichtiges Beispiel, bei dem der Nachweis mehrerer fluoreszierender Sonden einen signifikanten Vorteil darstellen kann, ist FISH (fluoreszierende-irt-j/ta-Hybridisierung) [Emanuel, Growth Genetics and Hormones 9 (1993) 6-12], die zur Analyse von Genen auf chromosomaler Ebene und zum Auffinden möglicher genetischer Schädigungen verwendet wird, wie Gen/Chromosomen Amplifikation, Deletion, Translokation, Umlagerung und anderer mit Genen und/oder Chromosomen assoziierter Abnormalitäten.An important example where the detection of multiple fluorescent probes can provide a significant advantage is FISH (fluorescent-irt-j/ta hybridization) [Emanuel, Growth Genetics and Hormones 9 (1993) 6-12], which is used to analyze genes at the chromosomal level and to detect possible genetic lesions, such as gene/chromosome amplification, deletion, translocation, rearrangement, and other gene and/or chromosome-associated abnormalities.
Bestimmte Krankheiten und Störungen, einschließlich vieler Krebsarten und angeborener Schädigungen, sind genetische Störungen, die von Schädigungen (d.h. Mutationen) in einem oder mehreren Genen verursacht werden. Bei vielen anderen Erkrankungen liegen bekanntermaßen oder vermutetermaßen eine (mehrere) genetische Komponente(n) vor, d.h. es existieren eine (mehrere) genetische Schädigung(en), welche die Erkrankung von sich aus nicht verursacht (verursachen), jedoch zu ihr beiträgt (beitragen) oder die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung der Erkrankung zu einem späteren Zeitpunkt im Leben erhöht (erhöhen). Diese Phänomene sind im Stand der Technik als multifaktorielle Erkrankungen und genetische; Veranlagungen bekannt.Certain diseases and disorders, including many cancers and congenital defects, are genetic disorders caused by lesions (i.e., mutations) in one or more genes. Many other diseases are known or suspected to have a genetic component(s), i.e., there is a genetic lesion(s) that does not cause the disease on its own, but contributes to it or increases the likelihood of developing the disease later in life. These phenomena are known in the art as multifactorial diseases and genetic predispositions.
Eine Korrelation sichtbarer genetischer Schädigung mit bekannten Erkrankungen würde Ärzten das Stellen aussagekräftiger Diagnosen ermöglichen und eine frühzeitige Erfassung und Behandlung vieler Erkrankungen gestattet. Genetische Beratungen können zukünftige Eltern und gefährdete Personen auf die Möglichkeit potentiell ernsthafter medizinischer Probleme in der Zukunft aufmerksam machen, wobei geeignete Maßnahmen ermöglicht werden:Correlating visible genetic damage with known diseases would enable doctors to make meaningful diagnoses and allow early detection and treatment of many diseases. Genetic counseling can alert prospective parents and at-risk individuals to the possibility of potentially serious medical problems in the future, allowing appropriate interventions to be made:
Mehr als 8000 genetische Störungen wurden bis dato identifiziert, wobei viele mit multiplen genetischen Schädigungen assoziiert sind. Aus der Erkenntnis heraus, daß Chromosomen die Träger der Erbinformation sind, folgerten Wissenschaftler, daß es möglich sein sollte, sichtbare Schädigungen in Chromosomen, die für bestimmte Erkrankungen verantwortlich sind, zu dokumentieren.More than 8,000 genetic disorders have been identified to date, many of which are associated with multiple genetic lesions. Knowing that chromosomes carry genetic information, scientists concluded that it should be possible to document visible lesions in chromosomes that are responsible for certain diseases.
In den 1960er Jahren wurden Anfärbe-Techniken zur Klassifizierung von Metaphase-Chromosomen-Spreads bzw. -Spreitzungen bzw. -Ausbreitungen auf Basis der Mikroskopie entwickelt. Während mehrerer Jahrzehnte wurde eine visuelle Analyse der Chromosomen-Bandenmuster zum Korrelieren menschlicher, genetischer Störungen mit beobachteten, strukturellen Abnormalitäten in Metaphase-Chromosomen verwendet. Um kennzeichnende helle und dunkle Banden entlang ihrer Länge aufzuzeigen, werden Chromosomen gewöhnlich nach Giemsa-Anfärbung (G-Banding) mit Hellfeld-Mikroskopie oder nach Fluoreszenz-Anfarbung (R-Banding) mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Ein sorgfältiger Vergleich eines Bandenmusters eines Patienten mit demjenigen normaler Chromosomen kann Abnormalitäten,In the 1960s, staining techniques for classifying metaphase chromosome spreads based on microscopy were developed. For several decades, visual analysis of chromosome banding patterns has been used to correlate human genetic disorders with observed structural abnormalities in metaphase chromosomes. To reveal distinctive light and dark bands along their length, chromosomes are usually examined by Giemsa staining (G-banding) using brightfield microscopy or by fluorescence staining (R-banding) using fluorescence microscopy. Careful comparison of a patient's banding pattern with that of normal chromosomes can reveal abnormalities,
wie Translokationen (Austausch genetischen Materials zwischen oder innerhalb von Chromosomen), Deletionen (fehlende(s) Chromosom(en) oder Fragment(e) davon), Additionen, Inversionen und andere Mißbildungen und genetische Erkrankungen verursachende Schädigungen aufzeigen. Bislang sind herkömmliche Chromosomen-Banding-Techniken bzw. Techniken zur experimentellen Erzeugung und Färbung von Chromosomenbanden hinsichtlich der Auflösung begrenzt.such as translocations (exchange of genetic material between or within chromosomes), deletions (missing chromosome(s) or fragment(s) thereof), additions, inversions and other malformations and damages causing genetic diseases. To date, conventional chromosome banding techniques or techniques for the experimental generation and staining of chromosome bands are limited in terms of resolution.
Die fluoreszierende in situ Hybridisierung (FISH) hat sich während der letzten 25 Jahre durch die Verbesserung einer Anzahl ergänzender Techniken entwickelt. Ihre Entstehung wurde vom Wunsch der Zellgenetiker vorangetrieben, bessere Werkzeuge zur Kartierung des genauen Ortes der Gene auf den Chromosomen zu entwickeln und sehr kleine, bei einer großflächigen Anfärbung der Chromosomen nicht sichtbare genetische Schädigungen nachzuweisen.Fluorescent in situ hybridization (FISH) has evolved over the past 25 years through the improvement of a number of complementary techniques. Its emergence was driven by the desire of cell geneticists to develop better tools to map the precise location of genes on chromosomes and to detect very small genetic lesions that are not visible when large areas of chromosomes are stained.
Das Human Genom Projekt (HGP), eine breite Initiative zur Identifizierung und Kartierung aller menschlichen Gene, zeigte Interesse an FISH und beschleunigte die.Entwicklung von viel benötigten Sonden. Gängige FISH-Techniken wurden zudem durch die konkurrierende Entwicklung wirkungsvoller immunologischer Sonden, durch eine wachsende Vielzahl an exzellenten Fluoreszenz-Farbstoffen für Mikroskopie und Spektroskopie und durch dramatische Verbesserungen an den, für Fluoreszenzmikroskopie verwendeten Objektiven, Illuminatoren und Filtern möglich gemacht.The Human Genome Project (HGP), a broad initiative to identify and map all human genes, showed interest in FISH and accelerated the development of much-needed probes. Common FISH techniques were also made possible by the competitive development of powerful immunological probes, by a growing variety of excellent fluorescent dyes for microscopy and spectroscopy, and by dramatic improvements in the objectives, illuminators, and filters used for fluorescence microscopy.
Die Leistungsfähigkeit und Nützlichkeit von FISH wird durch viele Faktoren bedingt: (1) FISH kann nicht nur bei isolierten Chromosomen und Kernen verwendet werden, sondern auch an ganzen Zellen, in fixierten, in Paraffin eingebetteten Gewebeschnitten, (2) vergleichsweise kleine Schädigungen können nachgewiesen werden (die Fähigkeit des Nachweisens kleinerer Schädigungen nimmt konstant zu), (3) Ergebnisse können vergleichsweise schnell zur Verfügung gestellt werden, (4) die moderaten Kosten erlauben die Verwendung in den meisten diagnostischen Laboratorien und Forschungslaboratorien, (5) Adaptierung an verschiedene Sonden und Untersuchungsmaterial-Typen kann entwickelt werden, und (6) hohe Spezifität und Empfindlichkeit kann (7) innerhalb kurzer Zeit, gewöhnlich im Bereich von zwei Stunden, erreicht werden.The power and usefulness of FISH is determined by many factors: (1) FISH can be used not only on isolated chromosomes and nuclei, but also on whole cells in fixed, paraffin-embedded tissue sections, (2) relatively small lesions can be detected (the ability to detect small lesions is constantly increasing), (3) results can be made available relatively quickly, (4) the moderate cost allows use in most diagnostic and research laboratories, (5) adaptation to different probes and test material types can be developed, and (6) high specificity and sensitivity can (7) be achieved within a short time, usually in the range of two hours.
Viele FISH Anwendungen erfordern von dem Zellgenetiker lediglich, daß er durch das Okular eines Mikroskops oder auf die Abbildung am Monitor blickt und daß er bestimmt, ob eine fluoreszierende Markierung vorliegt oder fehlt. Bei wenig komplexeren Untersuchungsmaterialien kann eine einfache Zählung von einer oder zwei farbigen Markierungen erfolgen. Die Fähigkeit zum Bearbeiten digitaler Abbildungen, um aus ihnen numerische Daten zu gewinnen,Many FISH applications require the cell geneticist to simply look through the eyepiece of a microscope or at the image on the monitor and determine whether a fluorescent label is present or absent. For less complex specimens, a simple count of one or two colored labels may be performed. The ability to manipulate digital images to extract numerical data from them,
fugt einen umfangreichen, neuen Satz von Möglichkeiten zu den FISH Techniken hinzu.adds a comprehensive new set of capabilities to the FISH techniques.
Ein geeignetes Abbildungsverfahren kann sehr schwache FISH-Abbildungen verstärken, so daß die markierten Chromosomen und Loci klar identifizierbar sind. Unter einfach erreichbaren Versuchsbedingungen kann die Anzahl an markierten Stellen automatisch gezählt werden. Zusätzlich kann die Intensität an jeder markierten Stelle erfaßt und die Menge an DNA errechnet werden, um beispielsweise die von einem bestimmten Gen vorliegende Anzahl an Kopien aufzuzeigen.A suitable imaging technique can enhance very faint FISH images so that the labeled chromosomes and loci can be clearly identified. Under easily accessible experimental conditions, the number of labeled sites can be counted automatically. In addition, the intensity at each labeled site can be recorded and the amount of DNA calculated to show, for example, the number of copies of a particular gene present.
Wie vorstehend diskutiert, stellt FISH Information über den Ort der markierten Sonde, die Anzahl markierter Stellen auf jedem Chromosom und die Intensität der Markierung (die Menge an genetischem Material) an jeder Stelle zur Verfügung. Zentromerische Sonden (repetitve DNA) und Chromosomen-Anfarbungsmittel (chromosome paints) werden zum Markieren und Zählen der vorliegenden Anzahl an Kopien von jedem als Ziel gewählten Chromosom verwendet. Locus-spezifische Sonden werden zum Kartieren des Orts kleiner Regionen genetischen Materials verwendet. Diese Sonden-Typen können an einem intakten Interphase-Kern, ebenso wie an Metaphase-Chromosomen-Spreads verwendet werden und können durch einen geeigneten Algorithmus visuell oder automatisch gezählt werden. Sie werden routinemäßig zum Identifizieren genetischer Erkrankungen verwendet, die dadurch gekennzeichnet sind, daß sie zu viele oder zu wenige Kopien eines bestimmten Chromosoms, Chromosomen-Fragments oder Gens aufweisen.As discussed above, FISH provides information about the location of the labeled probe, the number of labeled sites on each chromosome, and the intensity of labeling (the amount of genetic material) at each site. Centromeric probes (repetitive DNA) and chromosome paints are used to label and count the number of copies present on each targeted chromosome. Locus-specific probes are used to map the location of small regions of genetic material. These types of probes can be used on an intact interphase nucleus as well as on metaphase chromosome spreads and can be counted visually or automatically by an appropriate algorithm. They are routinely used to identify genetic disorders characterized by having too many or too few copies of a particular chromosome, chromosome fragment, or gene.
In sehr frühen Stadien einiger Krebsarten, lange bevor die Zellen als abnormal erkannt werden, kann ein zahlenmäßiges Anwachsen bestimmter Gene auftreten, ein im Fachgebiet als Gen-Amplifikation bekanntes Phänomen, das unter Verwendung Locus-spezifischer Sonden als homogen angefärbte Regionen (homogenously stained regions) (HSR) und/oder Double-minute-Chromosomen nachweisbar sind. Bei Verwendung von FISH zum Nachweis von Chromosomen-Abnormalitäten in krebsartigen Zellen können Hinweise über das Entwicklungsstadium der Erkrankung erhalten werden, was das Auswählen der geeignetste(n) Behandlung(en) ermöglicht, wobei viele der Behandlungen Stadien-spezifisch wirksam sind.In very early stages of some cancers, long before the cells are recognized as abnormal, an increase in the number of certain genes may occur, a phenomenon known in the art as gene amplification, which can be detected as homogenously stained regions (HSR) and/or double minute chromosomes using locus-specific probes. Using FISH to detect chromosomal abnormalities in cancerous cells can provide clues about the stage of disease development, allowing selection of the most appropriate treatment(s), with many of the treatments being stage-specific in their effectiveness.
Es ist möglich die gesamte Oberfläche eines bestimmten Chromosoms einheitlich bzw. gleichformig zu markieren, indem das Chromosom isoliert wird (beispielsweise unter Verwendung von Durchflußzytometrie), auf physikalischem Wege (beispielsweise durch Ultraschallbehandlung) oder auf enzymatischem Wege (beispielsweise durch Endonukleasen), wobei es zerstückelt und ein Satz an Sonden gegenüber allen Fragmenten erzeugt wird. Vollständige Chromosomen-Sonden, auch als Chromosomen-Anfarbungsmittel bekannt, markieren in fluoreszierender WeiseIt is possible to label the entire surface of a particular chromosome uniformly by isolating the chromosome (for example, using flow cytometry), physically (for example, by sonication), or enzymatically (for example, by endonucleases), breaking it up and generating a set of probes against all the fragments. Whole chromosome probes, also known as chromosome stains, label in a fluorescent manner
alle Kopien ihres Ziel-Chromosoms. Eine wichtige Anwendung der Chromosomen-Anfärbung ist der Nachweis einer Translokation genetischen Materials zwischen zwei Chromosomen, die in kennzeichnender Weise in den früheren Stadien bestimmter Krebsarten auftritt, wobei jedoch andere Chromosomen-Aberrationen ebenfalls nachweisbar sind.
5all copies of their target chromosome. An important application of chromosome staining is to detect translocation of genetic material between two chromosomes, which occurs characteristically in the earlier stages of certain cancers, but other chromosomal aberrations can also be detected.
5
Falls beispielsweise Chromosom A spezifisch mit einem grünen Anfärbungsmittel (paint) und Chromosom B spezifisch mit einem roten Anfärbungsmittel markiert wird, so wird eine Translokation genetischen Materials von A nach B als ein grüner Bereich, der neben einem roten Bereich angeordnet ist erscheinen (und umgekehrt).For example, if chromosome A is specifically labeled with a green paint and chromosome B is specifically labeled with a red paint, a translocation of genetic material from A to B will appear as a green region adjacent to a red region (and vice versa).
Gewöhnlich werden von normalen Chromosomen erzeugte Chromosomen-Anfärbungsmittel zum Nachweis von Deletionen oder Translokationen an abnormalen (Patienten-) Chromosomen verwendet. Die reverse Chromosomen-Anfärbung verwendet Sonden, die von einem abnormalen Chromosom erzeugt wurden, um DNA von verschiedenen normalen Chromosomen zu identifizieren, die Material zu dem abnormalen Chromosom beisteuerten.Typically, chromosome stains generated from normal chromosomes are used to detect deletions or translocations on abnormal (patient) chromosomes. Reverse chromosome staining uses probes generated from an abnormal chromosome to identify DNA from several normal chromosomes that contributed material to the abnormal chromosome.
Das, wie nachstehend im Beispiels-Abschnitt als Beispiel aufgeführte, erfindungsgemäße Verfahren, ermöglicht eine Anfärbung der 24 unterschiedlichen, den menschlichen Karyotyp (d.h. Genom) umfassenden Chromosomen, ein jedes in einer unterschiedlichen Farbe, und gleichzeitig den Nachweis, die Identifizierung und sinngemäße Darstellung eines menschlichen Farb-Karyotyps unter Verwendung eines einzelnen Hybridisierungsverfahrens, gefolgt von einer einzelnen kurzen Erfassung.The method of the invention, as exemplified in the Examples section below, enables staining of the 24 different chromosomes comprising the human karyotype (i.e., genome), each in a different color, and simultaneously detecting, identifying and representing a human color karyotype using a single hybridization procedure followed by a single brief detection.
Die Einfuhrung kombinatorischer Fluoreszenz-Strategien (beispielsweise kombinatorisches Markieren und kombinatorische Hybridisierung), bei der verschiedene Kombinationen von ein paar wenigen Basis-Fluoreszenz-Farbstoffe verwendet werden, stellt eine merkliche Verbesserung der zum Markieren von Chromosomen-Anfärbungsmitteln verwendeten Vielfarben-Fluoreszenz-Farbstoffe dar. Zu weiteren Einzelheiten über kombinatorisches Markieren, siehe Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging spectroscopy, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89 (1992) 1388-1392; und Ried, Fluoreszenz in situ Hybridsierung in der genetischen Diagnostik, Fakultät für Theoretische Medizin, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg (Jan. 1994), wobei beide durch Bezugnahme mit aufgenommen werden, als ob sie hier vollständig offenbart wurden. Für weitere Einzelheiten über kombinatorische Hybridisierung, siehe du-Manoir et al., Detection of complete and partial chromosome gains and losses by comparative genomic in situ hybridization. Hum. Genet. 90 (1993) 590-610, was durch Bezugnahme mit aufgenommen wird, als ob vollständig hierin offenbart).The introduction of combinatorial fluorescence strategies (e.g., combinatorial labeling and combinatorial hybridization) using various combinations of a few basic fluorescent dyes represents a marked improvement over the multicolor fluorescent dyes used to label chromosome stains. For further details on combinatorial labeling, see Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging spectroscopy, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 (1992) 1388-1392; and Ried, Fluorescence in situ hybridization in genetic diagnostics, Faculty of Theoretical Medicine, Ruprecht-Karls-University Heidelberg (Jan. 1994), both of which are incorporated by reference as if fully disclosed herein. For further details on combinatorial hybridization, see du-Manoir et al., Detection of complete and partial chromosome gains and losses by comparative genomic in situ hybridization. Hum. Genet. 90 (1993) 590-610, which is incorporated by reference as if fully disclosed herein).
Zur Verwendung in FISH-Assays sind zahlreiche Verfahren zum Markieren von DNA-Sonden verfügbar, einschließlich indirekter Methoden, wodurch unter Verwendung enzymatischer Reaktionen ein Hapten, wie Biotin oder Digoxigenin in die DNA eingebaut wird. Im Anschluß an die Hybridisierung zu einem Metaphase-Chromosomen-Spread oder einem Interphase-Kern, wird unter Verwendung immunologischer Verfahren eine fluoreszierende Markierung an das Hybrid angebracht. Kürzlich wurden Fluoreszenz-Farbstoffe direkt in Sonden eingebaut und ohne Verwendung eines Zwischenschritts erfaßt. Standard-FISH-Farbstoffe beinhalten Fluorescein, Rhodamin, Texas-Rot und Cascade-Blau und ein Multisonden-FISH-Analyseverfahren kann durch Markieren unterschiedlicher Sonden mit unterschiedlichen Haptenen oder Fluoreszenz-Farbstoffen und Kombinationen davon erreicht werden, was im Stand der Technik als kombinatorisches Markieren bekannt ist [siehe Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging microscopy, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89, (1992) 1388-1392; und Ried, Fluoreszenz in situ Hybiidsierung in der genetischen Diagnostik, Fakultät für Theoretische Medizin, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg (Jan. 1994), die beide durch Bezugnahme eingegliedert werden, als wären sie vollständig hierin bekannt gemacht worden.] Alternativ kann ein Pool einer gegebenen Sonde in Teilpools aufgeteilt werden, wobei jeder mit einem unterschiedlichen Fluorophoren markiert wird, worauf die Unterpools umgruppiert werden, um ansonsten bzw. andernfalls ähnliche Hybridisierungsergebnisse zu erzielen, ein Verfahren, das im Stand der Technik als kombinatorische Hybridisierung bekannt ist [siehe du-Manoir et al., Detection of complete and partial chromosome gains and losses by comparative genomic in situ hybridization, Hum. Genet. 90, (1993) 590-610, was durch Bezugnahme eingegliedert wird, als ob vollständig hierin bekannt gemacht worden wäre]. Gemäß beiden Markierungsstrategien werden kombinatorische Sonden erhalten. Falls einer der Begriffe "Kombination von Fluorophoren" oder "kombinatorische Fluoreszenz-Strategie" in diesem Dokument und insbesondere in den nachstehenden Ansprüchen verwendet wird, so wird folglich, wie vorstehend beschrieben, sowohl auf kombinatorisches Markieren als auch auf kombinatorische Hybridisierung Bezug genommen.Numerous methods for labeling DNA probes are available for use in FISH assays, including indirect methods whereby a hapten such as biotin or digoxigenin is incorporated into the DNA using enzymatic reactions. Following hybridization to a metaphase chromosome spread or an interphase nucleus, a fluorescent label is attached to the hybrid using immunological methods. Recently, fluorescent dyes have been incorporated directly into probes and detected without the use of an intermediate step. Standard FISH dyes include fluorescein, rhodamine, Texas red and cascade blue, and a multiprobe FISH analysis method can be achieved by labeling different probes with different haptens or fluorescent dyes and combinations thereof, which is known in the art as combinatorial labeling [see Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging microscopy, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, (1992) 1388-1392; and Ried, Fluorescence in situ hybridization in genetic diagnostics, Faculty of Theoretical Medicine, Ruprecht-Karls-University Heidelberg (Jan. 1994), both of which are incorporated by reference as if fully set forth herein.] Alternatively, a pool of a given probe can be divided into subpools, each labeled with a different fluorophore, and the subpools regrouped to otherwise achieve similar hybridization results, a process known in the art as combinatorial hybridization [see du-Manoir et al., Detection of complete and partial chromosome gains and losses by comparative genomic in situ hybridization, Hum. Genet. 90, (1993) 590-610, both of which are incorporated by reference as if fully set forth herein]. According to both labeling strategies, combinatorial probes are obtained. Consequently, when either of the terms "combination of fluorophores" or "combinatorial fluorescence strategy" is used in this document and in particular in the claims below, reference is made to both combinatorial labeling and combinatorial hybridization as described above.
Die Verwendung kombinatorischer Fluorophore für Chromosomen-Anfärbung und Karyotypisierung, Vielfarben-Chromosomen-Banding und vergleichende Genom-Hybridisierung wird ausführlich in der U.S. Patentanmeldung No. 08/635,820 eingereicht am 22.April 1996, und in der Zeitschrift Science beschrieben [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science 273 (1996) 494-497], die beide durch Bezugnahme mit aufgenommen werden werden, als wären sie hier vollständig offenbart wurden.The use of combinatorial fluorophores for chromosome staining and karyotyping, multicolor chromosome banding, and comparative genomic hybridization is described in detail in U.S. Patent Application No. 08/635,820 filed April 22, 1996, and in the journal Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science 273 (1996) 494-497], both of which are incorporated by reference as if fully disclosed herein.
Der in Science beschriebene hauptsächliche Fortschritt besteht darin, daß eine vollständigeThe main advance described in Science is that a complete
Genom-Durchmusterung (scanning) durch Spektral-Abbildung eine sofortige Sichtbarmachung definierter Emissionsspektren für jedes menschliche Chromosom nach Fluoreszenz-m-siYw-Hybridisierung (FISH) ermöglicht. Mittels Computer-Auftrennung (Klassifizierung) von Spektren, werden spektral-überlappende Chromosomen-spezifische DNA-Sonden aufgelöst und alle menschlichen Chromosomen werden gleichzeitig identifiziert.Genome scanning by spectral imaging enables instant visualization of defined emission spectra for each human chromosome after fluorescence m-siYw hybridization (FISH). By computer separation (classification) of spectra, spectrally overlapping chromosome-specific DNA probes are resolved and all human chromosomes are identified simultaneously.
Dieser dort beschriebene Ansatz der Spektral-Abbildung kombiniert Fourier-Spektroskopie, Ladungstransferspeicher- (charge coupled device) (CCD)-Abbildung, und optische Mikroskopie um gleichzeitig an allen Punkten in der Probe Emissionsspektren im sichtbaren Spektralbereich und im nahen Infrarot-Spektralbereich zu erfassen. Dies ermöglicht die Verwendung mehrfach spektral überlappender Proben. Der Ansatz basiert auf der Erfassung eines diskreten Spektrums (anhand einer an jedem Pixel bei vielen verschiedenen Wellenlängen erfaßten Sequenz von Intensitäten identifiziert), was die Unterscheidung multipler Fluorophore erleichtert. In dramatischem Gegensatz zur herkömmlichen Epifluoreszenz- bzw. Auflichtfluoreszenz-Mikroskopie, bei der die Unterscheidung des Fluorochroms auf der Erfassung der Fluoreszenz-Intensität durch eine geringe Anzahl Fluorochrom-spezifischer, optischer Schmalband-Filter basiert [siehe Speicher et al., Nature Genetics (1996) 12:358-375], ermöglicht es die Verwendung spektraler Karyotypisierung, wie hier beschrieben, daß die gesamte, verfügbare Information, die in den emittierten Photonen innerhalb des Spektrums an emittiertem Licht vorliegt, für die Analyse verwendet wird.The spectral imaging approach described therein combines Fourier spectroscopy, charge coupled device (CCD) imaging, and optical microscopy to simultaneously acquire visible and near-infrared emission spectra at all points in the sample. This allows the use of multiple spectrally overlapping samples. The approach is based on the acquisition of a discrete spectrum (identified by a sequence of intensities acquired at each pixel at many different wavelengths), which facilitates the discrimination of multiple fluorophores. In dramatic contrast to conventional epifluorescence microscopy, where fluorochrome discrimination is based on detection of fluorescence intensity through a small number of fluorochrome-specific narrow-band optical filters [see Speicher et al., Nature Genetics (1996) 12:358-375], the use of spectral karyotyping as described here allows all available information contained in the emitted photons within the spectrum of emitted light to be used for analysis.
Das spektral-basierende Verfahren zur Unterscheidung spektral überlappender Fluorophore (Klassifizierung) kann unter der Voraussetzung, daß meßbare und konsistente Unterschiede im Emissionsspektrums jedes Fluorochroms vorliegen, in einfacher Weise auf eine große Anzahl an Fluorochromen ausgedehnt werden.The spectral-based method for distinguishing spectrally overlapping fluorophores (classification) can be easily extended to a large number of fluorochromes, provided that measurable and consistent differences in the emission spectrum of each fluorochrome exist.
Eine gleichzeitige Identifizierung jedes menschlichen Chromosoms in Metaphase-Präparationen, ein Ansatz, der als spektrale Karyotypisierung bezeichnet wird, wird ebenfalls berichtet. Zu diesem Zweck werden Chromosom-spezifische, durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR) aus durchflußsortierten (flow-sorted) menschlichen Chromosomen erzeugte, zusammengesetzte Bibliotheken (composite libraries) unmittelbar mit Nukleotiden markiert, die mit fünf unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon konjugiert bzw. verbunden sind. Ein, alle 24 Chromosomen enthaltender, zusammengesetzter Sonden-Satz wird anschließend mit Metaphase-Chromosomen hybridisiert. Chromosomen-spezifisches Markieren wird durch Suppressions-Hybridisierung (suppression hybridization) erreicht. Durch Zugabe eines Überschusses an nicht-markierter, menschlicher Cot-1 DNA werden speziell repetitive Sequenzen in den zusammengesetzten Bibliotheken blockiert.Simultaneous identification of every human chromosome in metaphase preparations, an approach termed spectral karyotyping, is also reported. For this purpose, chromosome-specific composite libraries generated by polymerase chain reaction (PCR) from flow-sorted human chromosomes are immediately labeled with nucleotides conjugated to five different fluorophores or combinations thereof. A composite probe set containing all 24 chromosomes is then hybridized to metaphase chromosomes. Chromosome-specific labeling is achieved by suppression hybridization. Specifically, repetitive sequences in the composite libraries are blocked by the addition of an excess of unlabeled human Cot-1 DNA.
Die Hybridisierung wird sowohl in RGB-Anzeige, als auch in Klassifizierungsfarben gezeigt. Anzeige-Farben ermöglichen, daß alle menschlichen Chromosomen nach Spektral-Abbildung einfach sichtbar gemacht werden und auf Basis spektraler Erfassungen an jedem Pixel wird ein Chromosomen-Klassifizierungs-Algorithmus zur Spektral-Karyotypisierung aller menschlichen Chromosomen angewendet. Einer der wichtigsten Analyse-Algorithmen ist der spektralbasierende Klassifizierungs-Algorithmus, der ermöglicht, daß multiple bzw. mehrere unterschiedliche Spektren in der Abbildung identifiziert werden und in Klassifzierungs-Farben hervorgehoben werden. Dies ermöglicht die Zuweisung einer spezifischen Klassifizierungs-Farbe an alle menschlichen Chromosomen, die auf ihren Spektren basiert. Dieser Algorithmus geht von der Annahme aus, daß das (Referenz-)Spektrum eines jeden Chromosoms erfaßt und in einer Referenz-Bibliothek im Computer gespeichert wurde. Jedem Pixel in der Abbildung wird eine unterscheidbare Klassifizierungsfarbe zugewiesen, gemäß der Klassifizierungs-Farbe, die dem Referenz-Spektrum zugewiesen wurde, das dem Spektrum an diesem gegebenen Pixel am ähnlichsten ist. Ein minimaler quadratischer Fehler (minimal square error)-Algorithmus, wie in Gleichung 1 gezeigtThe hybridization is shown in both RGB display and classification colors. Display colors allow all human chromosomes to be easily visualized after spectral imaging and based on spectral detections at each pixel, a chromosome classification algorithm is applied to spectral karyotype all human chromosomes. One of the most important analysis algorithms is the spectral-based classification algorithm, which allows multiple or several different spectra to be identified in the image and highlighted in classification colors. This allows a specific classification color to be assigned to all human chromosomes based on their spectra. This algorithm assumes that the (reference) spectrum of each chromosome has been acquired and stored in a reference library in the computer. Each pixel in the image is assigned a distinguishable classification color according to the classification color assigned to the reference spectrum that is most similar to the spectrum at that given pixel. A minimum square error algorithm as shown in Equation 1
X2X2 XlXL
wird für jedes Pixel berechnet, wobei Ix,y(X) das normierte Spektrum bei den Pixelkoordinaten x, y ist und &Igr;&eegr;(&lgr;) das normierte Referenzspektrum für jedes der Chromosomen &eegr; = 1,2,..., 23,24 darstellt. Nach Berechnung des Sx,y,n -Werts für alle Referenzspektren wird der geringste Wert gewählt und eine künstliche Klassifizierungsfarbe wird diesem Pixel, in Übereinstimmung mit der, dem ähnlichsten Referenzspektrum zugewiesenen Klassifizierungsfarbe, zugewiesen.is calculated for each pixel, where I x , y (X) is the normalized spectrum at pixel coordinates x, y and Λ η (λ) represents the normalized reference spectrum for each of the chromosomes η = 1,2,..., 23,24. After calculating the S x ,y, n value for all reference spectra, the smallest value is chosen and an artificial classification color is assigned to this pixel, in accordance with the classification color assigned to the most similar reference spectrum.
Das Potential der Spektral-Karyotypisierung als ein Screening-Verfahren für chromosomale Aberrationen wurde weiter erforscht, indem klinische Proben von mehreren Laboratorien analysiert wurden, an denen zunächst herkömmliche Banding-Verfahren oder FISH mit Chromosomen-Anfarbungs-Sonden durchgeführt wurden. In allen Fällen wiesen G-Banding und Spektral-Karyotypisierung konsistente Ergebnisse auf. In einigen Fällen reichte Giemsa-Banding nicht aus, um die chromosomalen Aberrationen gänzlich zu interpretieren. In diesen Fällen wurde die Diagnose der chromosomalen Aberrationen über Spektral-Karyotypisierung mit herkömmlichem Dual-Farben-FISH-Analyseverfahren bestätigt. Die kleinste unterscheidbare Aberration, die für diesen Bericht analysiert wurde, war eine Translokation t(l;ll)(q44;pl5.3), bei der die reziproke Translokation bei herkömmlichem Banding-Analyseverfahren nichtThe potential of spectral karyotyping as a screening method for chromosomal aberrations was further explored by analyzing clinical specimens from several laboratories that had previously performed conventional banding or FISH with chromosome staining probes. In all cases, G-banding and spectral karyotyping showed consistent results. In some cases, Giemsa banding was not sufficient to fully interpret the chromosomal aberrations. In these cases, the diagnosis of chromosomal aberrations was confirmed via spectral karyotyping using conventional dual-color FISH analysis. The smallest distinguishable aberration analyzed for this report was a translocation t(l;ll)(q44;pl5.3), where the reciprocal translocation was not detected by conventional banding analysis.
erkennbar waren. Der Ursprung des chromosomalen Materials, das zu der reziproken Translokation beitrug, war korrekt klassifiziert. Die translozierten Segmente auf den Chromosomen 1 und 11 wurden durch Subtelomer-spezifische Cosmid-Sonden für die Chromosomen Iq und 1 Ip bestätigt. Auf der Basis des Locus der verwendeten Sonden wurde die Größe der Veränderung auf > 1500 kb geschätzt. In einem zweiten Fall deutete das Banding-Analyseverfahren auf eine Translokation eines Segments von Chromosom 4 nach Chromosom 12 hin. Spektral-Karyotypisierung identifizierte und klassifizierte eindeutig die Herkunft des zusätzlichen chromosomalen Materials als von Chromosom 4 abstammend. Zur Bestimmung der Empfindlichkeitsgrenze der Spektral-Karyotypisierung wurde ein Fall mit einer submikroskopischen Translokation (sowohl an Metaphase- als auch an Prometaphase-Chromosomen nicht erkennbar) unter Beteiligung der Chromosomenlo und 17 untersucht. Diese t(16;17) wurde zuvor durch FISH mit Cosmid-Sonden nachgewiesen und der reziproke Chromatin-Austausch wurde auf ungefähr 500 kb geschätzt. Durch Spektral-Karyotypisierung mit Metaphase-Chromosomen dieses Patienten gelang es nicht die bekannte t(16;17) zu identifizieren, was andeutet, daß die Empfindlichkeit des Metaphase-Chromosomen-Analyseverfahrens mit derzeit erhältlichen Anfärbungssonden zwischen 500-1500 kb liegt.were recognizable. The origin of the chromosomal material contributing to the reciprocal translocation was correctly classified. The translocated segments on chromosomes 1 and 11 were confirmed by subtelomere-specific cosmid probes for chromosomes Iq and 1 Ip. Based on the locus of the probes used, the size of the alteration was estimated to be > 1500 kb. In a second case, the banding analysis procedure indicated a translocation of a segment from chromosome 4 to chromosome 12. Spectral karyotyping clearly identified and classified the origin of the additional chromosomal material as being from chromosome 4. To determine the limit of sensitivity of spectral karyotyping, one case with a submicroscopic translocation (not recognizable on either metaphase or prometaphase chromosomes) involving chromosomes Io and 17 was examined. This t(16;17) was previously detected by FISH with cosmid probes and the reciprocal chromatin exchange was estimated to be approximately 500 kb. Spectral karyotyping using metaphase chromosomes from this patient failed to identify the known t(16;17), suggesting that the sensitivity of the metaphase chromosome analysis method with currently available staining probes is between 500-1500 kb.
Eine Hybridisierung zuvor mittels G-Banding behandelter Chromosomen wurde durchgeführt, um den Nachweis zu erbringen, daß Spektral-Karyotypisierung ein Ansatz ist, der zur Ergänzung herkömmlicher Banding-Analyseverfahren verwendet werden kann. Aufgrund des für G-Banding erforderlichen Trypsin-Aufschlusses, war die Signalintensität wahrscheinlich im Vergleich zu Metaphasen, die zuvor nicht mittels G-Banding behandelt wurden, geringfügig reduziert. Der Verlust an Signalintensität betrug ungefähr 10 % und konnte deshalb einfach durch verlängerte Expositions-Zeiten kompensiert werden. Ein geringfügig erhöhtes Rauschen an den Rändern zuvor mittels G-Banding behandelter Chromosomen, die mit nicht mittels G-Banding behandelten Chromosomen verglichen wurden, wurde ebenfalls beobachtet. Die Klassifizierung der Metaphase konnte jedoch in einfacher Weise erzielt werden.Hybridization of previously G-banded chromosomes was performed to demonstrate that spectral karyotyping is an approach that can be used to complement conventional banding analysis methods. Due to the trypsin digestion required for G-banding, signal intensity was likely slightly reduced compared to metaphases not previously G-banded. The loss in signal intensity was approximately 10% and could therefore be easily compensated by increasing exposure times. Slightly increased noise at the edges of previously G-banded chromosomes compared to non-G-banded chromosomes was also observed. However, metaphase classification was readily achieved.
Als erstes werden, gemäß dem vorstehend beschriebenen Ansatz, folglich Chromosomen eines einzelnen normalen Karyotyps durch eine herkömmliche Chromosomen-Banding-Technik (beispielsweise G-Banding oder R-Banding) identifiziert. Als zweites werden dieselben Chromosomen mit Chromosomen-Farben, wie vorstehend beschrieben, hybridisiert. Als drittes werden die das Durchschnitts-Spektrum kennzeichnenden Pixel, wie zuvor durch Chromosomen-Banding bestimmt, einem Chromosomen-Typ zugeordnet (beispielsweise 1-22, X und Y bei männlichen Menschen) und die resultierenden Spektren (beispielsweise 24 bei Menschen) bilden eine Bibliothek an Referenzspektren. Als viertes werden die Referenzspektren anschließend zur Klassifizierung von Pixeln von neuen Karyotypen in ihre Chromosomen verwendet.Thus, according to the approach described above, first, chromosomes of a single normal karyotype are identified by a conventional chromosome banding technique (e.g., G-banding or R-banding). Second, the same chromosomes are hybridized with chromosome dyes as described above. Third, the pixels characterizing the average spectrum, as previously determined by chromosome banding, are assigned to a chromosome type (e.g., 1-22, X, and Y in human males), and the resulting spectra (e.g., 24 in humans) form a library of reference spectra. Fourth, the reference spectra are then used to classify pixels of new karyotypes into their chromosomes.
&iacgr;&ogr;&iacgr;&ogr;
Wie experimentell beobachtet, ist dieser Ansatz dennoch nicht immer erfolgreich. Mit anderen Worten, es eine geeignete Klassifizierung von neuen Karyotypen mißlang in einigen Fällen. Dies ist insbesondere dann der Fall, falls abnormale oder aberrierende Karyotypen, wie Karyotypen von Krebszellen, analysiert werden. Dies kann aufgrund einer oder mehrerer der folgenden Gründe erfolgen. Erstens, unterschiedliche (differential) Hybridisierungs-Wirksamkeit. Zweitens, verhalten sich Chromosomen unterschiedlicher Quellen hinsichtlich der Hybridisierung, Lichtemission, etc. durchweg in unterschiedlicher Weise. Und drittens ist das Erfassungsgerät bei jeder Erfassung nicht identisch kalibriert.However, as observed experimentally, this approach is not always successful. In other words, appropriate classification of new karyotypes fails in some cases. This is particularly the case when abnormal or aberrant karyotypes, such as karyotypes of cancer cells, are analyzed. This may occur due to one or more of the following reasons. First, different (differential) hybridization efficiency. Second, chromosomes from different sources consistently behave differently in terms of hybridization, light emission, etc. And third, the acquisition device is not calibrated identically for each acquisition.
Trotzdem wurde weiter beobachtet, daß dann, wenn Referenzspektren zur Karyotypisierung der Chromosomen, von denen sie abgeleitet waren, verwendet wurden, die besten Klassifizierungs-Ergebnisse erzielt wurden. Mit anderen Worten, die besten Ergebnisse wurden dann erzielt, wenn die verwendeten Referenzspektren interne Spektren sind. Wie vorstehend beschrieben, erfordert dies jedoch die Identifizierung der Chromosomen über die herkömmliche Chromosomen-Banding-Technik vor Klassifizierung. Dieses wiederum schränkt den Bereich der Verwendung des Klassifizierungsverfahrens ein, da (i) das Verfahren nicht einfach automatisierbar ist, (ii) ein hochqualifizierter Zellgenetiker für die Analyse der herkömmlichen Bandenmuster der Chromosomen erforderlich ist, und (iii) bei vielen Fällen aberriender Karyotypen, wie Krebszellen-Karyotypen, das herkömmliche Bandenmuster nicht aussagekräftig und deshalb nicht schlüssig ist.Nevertheless, it was further observed that the best classification results were obtained when reference spectra were used to karyotype the chromosomes from which they were derived. In other words, the best results were obtained when the reference spectra used were internal spectra. However, as described above, this requires identification of the chromosomes via the conventional chromosome banding technique prior to classification. This in turn limits the scope of use of the classification method since (i) the method is not easily automated, (ii) a highly skilled cell geneticist is required to analyze the conventional banding patterns of the chromosomes, and (iii) in many cases of aberrant karyotypes, such as cancer cell karyotypes, the conventional banding pattern is not informative and therefore inconclusive.
Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zur Identifizierung aufallenderer Referenzspektren zur Chromosomen-Klassifizierung, wobei die Referenzspektren im wesentlichen automatisch, aus der von jedem Karyotyp abgeleiteten spektralen Information, für jeden Karyotyp berechnet werden. Mit anderen Worten ist die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Identifizierung interner Referenzspektren zur Chromosomen-Klassifizierung, wobei die Referenzspektren im wesentlichen automatisch für jeden Karyotyp berechnet werden. Die Verwendung interner Referenzspektren zur Klassifizierung überwindet die vorstehend beschriebenen Beschränkungen des Stands der Technik.The present invention is a method for identifying internal reference spectra for chromosome classification, wherein the reference spectra are calculated substantially automatically for each karyotype from the spectral information derived from each karyotype. In other words, the present invention is a method for identifying internal reference spectra for chromosome classification, wherein the reference spectra are calculated substantially automatically for each karyotype. The use of internal reference spectra for classification overcomes the limitations of the prior art described above.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Klassifizierung von in situ angefärbten Chromosomen in Färb- (Spektral-) Karyotypen und ein Verfahren zur Identifizierung auffallender interner Referenzspektren zum Vornehmen einer derartigen Klassifizierung zurAccording to the present invention, a method for classifying in situ stained chromosomes into staining (spectral) karyotypes and a method for identifying prominent internal reference spectra for making such classification are provided.
11
Verfügung gestellt.11
made available.
Gemäß weiterer Merkmale bevorzugter Ausfuhrungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung, wird ein Verfahren zum Auffinden von L internen Referenzvektoren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen von einer Zelle zur Verfügung gestellt, wobei die L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, bei dem jedes bzw. jeder der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit nur einem der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, während jedes bzw. jeder der anderen L-K der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einer unterschiedlichen Kombination der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung (multi-band collection device) zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören, und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um so K Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der K Basis-Klassen zum Erzielen von K Basis-Vektoren, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind, (d) Verwenden der K Basis-Vektoren zum Identifizieren von Pixeln, die den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören, und (e) Verwenden der, den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehörenden Pixel zur Berechnung der anderen L-K internen Referenzvektoren, wobei dadurch alle internen Referenzvektoren aufgefunden werden.According to further features of preferred embodiments of the invention described below, there is provided a method for finding L internal reference vectors for classifying L chromosomes or chromosome regions from a cell, the L chromosomes or chromosome regions being stained with K different fluorophores or combinations thereof, wherein each of the K base chromosomes or chromosome regions of the L chromosomes or chromosome regions is stained with only one of the K different fluorophores, while each of the other L-K of the L chromosomes or chromosome regions is stained with a different combination of the K different fluorophores, the method comprising the steps of: (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the L chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels corresponding to each of the K basic chromosomes or chromosome regions, and defining the pixels as basic pixels so as to obtain K basic classes of the basic pixels, (c) using at least one basic pixel from each of the K basic classes to obtain K basis vectors, the K basis vectors being K internal reference vectors, (d) using the K basis vectors to identify pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions, and (e) using the pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions to calculate the other L-K internal reference vectors, thereby finding all internal reference vectors.
Gemäß weiterer Merkmale bevorzugter Ausfuhrungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung wird ein Verfahren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfügung gestellt, wobei die L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, bei dem jedes bzw. jeder der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit nur einem der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, während jedes bzw. jeder der anderen L-K der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, mit einer unterschiedlichen Kombination der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Auffinden L interner Referenzvektoren durch (i) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (ii) Identifizieren von Pixeln, die jedem der K Basis Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören, und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um derart K Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (iii) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder derAccording to further features of preferred embodiments of the invention described below, there is provided a method for classifying L chromosomes or chromosome regions of a cell, the L chromosomes or chromosome regions being stained with K different fluorophores or combinations thereof, in which each of the K basic chromosomes or chromosome regions of the L chromosomes or chromosome regions is stained with only one of the K different fluorophores, while each of the other L-K of the L chromosomes or chromosome regions is stained with a different combination of the K different fluorophores, the method comprising the steps of: (a) finding L internal reference vectors by (i) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the L chromosomes or chromosome regions, (ii) identifying pixels corresponding to each of the K basic chromosomes or chromosome regions, and defining the pixels as base pixels to obtain K base classes of the base pixels, (iii) using at least one base pixel from each of the
K Basis-Klassen zum Erzielen von K Basis-Vektoren, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind, (iv) Verwenden der K Basis-Vektoren zum Identifizieren von Pixeln, die anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören, und (v) Verwenden der, den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehörenden Pixel zur Berechnung der anderen L-K internen Referenzvektoren, wobei dadurch alle internen Referenzvektoren aufgefunden werden, und (b) Verwenden der L Referenzvektoren zur Klassifizierung eines jeden Pixels in eine der L Klassifizierungs-Klassen.K basis classes to obtain K basis vectors, where the K basis vectors are K internal reference vectors, (iv) using the K basis vectors to identify pixels belonging to other L-K chromosomes or chromosome regions, and (v) using the pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions to calculate the other L-K internal reference vectors, thereby finding all internal reference vectors, and (b) using the L reference vectors to classify each pixel into one of the L classification classes.
Gemäß weiterer Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung wird ein Verfahren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfügung gestellt, wobei die L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, bei dem jedes bzw. jeder der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit nur einem der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, während jedes bzw. jeder der anderen L-K der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einer unterschiedlichen Kombination der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die jedem der K Basis Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um derart K Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der K Basis-Klassen zum Erzielen von K Basis-Vektoren, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind, und (d) Verwenden der K Basis-Vektoren zum Identifizieren von Pixeln, die anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.According to further features of preferred embodiments of the invention described below, there is provided a method for classifying L chromosomes or chromosome regions of a cell, the L chromosomes or chromosome regions being stained with K different fluorophores or combinations thereof, wherein each of the K basic chromosomes or chromosome regions of the L chromosomes or chromosome regions is stained with only one of the K different fluorophores, while each of the other L-K of the L chromosomes or chromosome regions is stained with a different combination of the K different fluorophores, the method comprising the steps of: (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the L chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions and defining the pixels as basis pixels to obtain K basis classes of the basis pixels, (c) using at least one basis pixel from each of the K basis classes to obtain K basis vectors, the K basis vectors being K internal reference vectors, and (d) using the K basis vectors to identify pixels belonging to other L-K chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausfuhrungsformen umfaßt das Verfahren weiter den Schritt, bei dem jeder der Klassen von klassifizierten Pixeln eine unterscheidbare, künstliche Farbe zugeordnet wird.According to still further features in the described preferred embodiments, the method further comprises the step of assigning a distinguishable artificial color to each of the classes of classified pixels.
Gemäß weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfugung gestellt, wobei die L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, bei dem jedes bzw. jeder der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit nur einem der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, während jedes bzw. jeder der anderen L-K der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einerAccording to further features in the described preferred embodiments, a method is provided for classifying L chromosomes or chromosome regions of a cell, wherein the L chromosomes or chromosome regions are stained with K different fluorophores or combinations thereof, in which each of the K basic chromosomes or chromosome regions of the L chromosomes or chromosome regions is stained with only one of the K different fluorophores, while each of the other L-K of the L chromosomes or chromosome regions is stained with a
unterschiedlichen Kombination der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die jedem der K Basis-Chromosomen 5 oder Chromosomen-Bereiche angehören, und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um so K Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der K Basis-Klassen zum Erzielen von K Basis-Vektoren, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind, und (d) Verwenden der K Basis-Vektoren zum Identifizieren von Pixeln, die den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.different combination of the K different fluorophores, the method comprising the steps of: (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the L chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels belonging to each of the K basic chromosomes 5 or chromosome regions and defining the pixels as basic pixels so as to obtain K basic classes of the basic pixels, (c) using at least one basic pixel from each of the K basic classes to obtain K basic vectors, the K basic vectors being K internal reference vectors, and (d) using the K basic vectors to identify pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird ein Verfahren zur Klassifizierung von Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfugung gestellt, wobei die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, so daß jedes bzw. jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um derart Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der Basis-Klassen zum Erzielen von Basis-Vektoren, wobei die Basis-Vektoren interne Basis-Referenzvektoren sind, und (d) Verwenden der internen Basis-Referenzvektoren zum Identifizieren von Pixeln, die den anderen Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.According to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a method for classifying chromosomes or chromosome regions of a cell, wherein the chromosomes or chromosome regions are stained with different fluorophores or combinations thereof, such that each of the chromosomes or chromosome regions is stained with a different fluorophore or combination of fluorophores, the method comprising the steps of: (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels belonging to base chromosomes or chromosome regions and defining the pixels as base pixels, so as to obtain base classes of the base pixels, (c) using at least one base pixel of each of the base classes to obtain base vectors, the base vectors being internal are basis reference vectors, and (d) using the internal basis reference vectors to identify pixels belonging to the other chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausmhrungsforrnen wird die Klassifizierung eines jeden der Pixel in eine der L Klassifizierungs-Klassen unter Verwendung der L Referenzvektoren durch einen Linearzerlegungs-Algorithmus bewirkt, der zum Auffinden von Binär-Vektoren für jedes der, den L Chromosomen oder der Chromosomen-Bereiche angehörenden Pixel verwendet wird.According to still further features in the described preferred embodiments, the classification of each of the pixels into one of the L classification classes using the L reference vectors is effected by a linear decomposition algorithm used to find binary vectors for each of the pixels belonging to the L chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Nachweis von Chromosomen-Aberrationen unter Verwendung des vorstehenden Verfahrens zur Chromosomen-Klassifizierung zur Verfügung gestellt.
35According to still further features in the described preferred embodiments, a method is provided for detecting chromosomal aberrations using the above method for chromosome classification.
35
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen ist die Multi-Banden-Sammelvorrichtung ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus einer Spektral-According to still further features in the described preferred embodiments, the multi-band collection device is selected from a group consisting of a spectral
Abbildungsvorrichtung (spectral imager) kombiniert mit einem Filterwürfel und einer Vorrichtung, die mehrere zusätzliche Filterwürfel (filter cubes) beinhaltet, und zusätzlichen Emissions- und Anregungsfiltern.Spectral imager combined with a filter cube and a device containing several additional filter cubes and additional emission and excitation filters.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen beinhaltet jeder der ersten Vektoren N Elemente (items), wobei N eine ganze Zahl, ausgewählt aus dem Bereich von 3-150 ist.According to still further features in the described preferred embodiments, each of the first vectors includes N items, where N is an integer selected from the range 3-150.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen stellt jeder der ersten Vektoren ein Spektrum dar.According to still further features in the described preferred embodiments, each of the first vectors represents a spectrum.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen ist jeder der ersten Vektoren normiert.According to still further features in the described preferred embodiments, each of the first vectors is normalized.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird die Identifizierung der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören durch ein Verfahren bewirkt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus (a) Identifizieren der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören unter Verwendung eines herkömmlichen Bandenmusters der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören unter Verwendung eines RGB-Algorithmus, und (c) Identifizieren der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören unter Verwendung von K externer Basisvektoren aus einer Bibliothek.According to still further features in the described preferred embodiments, the identification of the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions is effected by a method selected from the group consisting of (a) identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using a conventional banding pattern of the L chromosomes or chromosome regions, (b) identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using an RGB algorithm, and (c) identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using K external basis vectors from a library.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen bevorzugten Ausfuhrungsformen ist jeder der K Basis-Vektoren ein Mittelwert mehrerer Basis-Pixel, die einer der Basis-Klassen angehören.According to still further features in the described preferred embodiments, each of the K basis vectors is an average of several basis pixels belonging to one of the basis classes.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird die Identifizierung der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören, unter Verwendung der externen Basisvektoren aus der Bibliothek bewirkt durch (a) Verwenden eines Linearzerlegungs-Algorithmus bzw. Dekompositions-Algorithmus zum Definieren eines Zerlegungs-K-Vektors für jedes Pixel der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Verwenden eines hohen Schnittwerts (cut off value), um jeden der Zerlegungs-K-Vektoren in einen transformierten Binär-K-Vektor zu transformieren, und (c) Vergleichen eines jeden der transformierten Binär-K-Vektoren mit K definierten Binär-K-Vektoren, Definieren jedes der K unterschiedlichen Fluorophore, um dadurch die Pixel zu identifizieren, die jedem derAccording to still further features in the described preferred embodiments, the identification of the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using the external basis vectors from the library is accomplished by (a) using a linear decomposition algorithm to define a decomposition K vector for each pixel of the L chromosomes or chromosome regions, (b) using a high cut off value to transform each of the decomposition K vectors into a transformed binary K vector, and (c) comparing each of the transformed binary K vectors to K defined binary K vectors defining each of the K different fluorophores to thereby identify the pixels belonging to each of the
K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören.K basic chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen ist die Zelle von einem Menschen.
5According to still further features in the described preferred embodiments, the cell is from a human.
5
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird die Identifizierung der Pixel, die den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und die Berechnung der anderen L-K internen Referenzvektoren bewirkt durch (a) Verwenden eines Linearzerlegungs-Algorithmus zum Definieren eines Zerlegungs-K-Vektors für jedes Pixel der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Verwenden eines niedrigen Schnittwerts oder -bereichs, um jeden der Zerlegungs-K-Vektoren in einen transformierten Binär-K-Vektor zu transformieren, und (c) Vergleichen jedes der transformierten Binär-K-Vektoren mit K-L definierten Binär-K-Vektoren, Definieren jeder der Kombinationen der K unterschiedlichen Fluorophore, um dadurch die Pixel zu identifizieren, die jedem der L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.According to still further features in the described preferred embodiments, the identification of the pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions and the calculation of the other L-K internal reference vectors is effected by (a) using a linear decomposition algorithm to define a decomposition K vector for each pixel of the L chromosomes or chromosome regions, (b) using a low cut value or range to transform each of the decomposition K vectors into a transformed binary K vector, and (c) comparing each of the transformed binary K vectors to K-L defined binary K vectors, defining each of the combinations of the K different fluorophores to thereby identify the pixels belonging to each of the L-K chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine Abbildung aller Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche einer Zelle umfaßt, wobei jedes bzw. jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt ist, wobei die Abbildung die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterschiedlichen, unterscheidbaren (distinctive) Farben darstellt, wobei jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterschiedlichen, unterscheidbaren Farben zugewiesen wird.According to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a display comprising an image of all of the chromosomes or chromosome regions of a cell, each of the chromosomes or chromosome regions being stained with a different fluorophore or combination of fluorophores, the image representing the chromosomes or chromosome regions in different, distinctive colors, each of the chromosomes or chromosome regions being assigned one of the different, distinctive colors.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine zusammengesetzte Abbildung von zumindest einigen Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle umfaßt, wobei jedes bzw. jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt und mit einer Chromosomen-Banding-Technik ein Banding erfolgt (banded) ist, um ein kennzeichnendes Bandenmuster (Schattierung (shading)) für jedes bzw. jeden der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche zu erhalten, wobei die Abbildung die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterscheidbaren Farben zeigt, wobei jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterscheidbaren Farben zugewiesen wird und bei dem weiter jede der unterscheidbaren Farben ein Intensitäts-Muster in Übereinstimmung mit dem Bandenmuster von einem jeden der Chromosomen oder von Chromosomen-Bereiche erwirbt, so daß sowohl die unterscheidbarenAccording to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a display comprising a composite image of at least some chromosomes or chromosome regions of a cell, each of the chromosomes or chromosome regions being stained with a different fluorophore or combination of fluorophores and banded with a chromosome banding technique to obtain a distinctive banding pattern (shading) for each of the chromosomes or chromosome regions, the image showing the chromosomes or chromosome regions in distinguishable colors, each of the chromosomes or chromosome regions being assigned one of the distinguishable colors, and further wherein each of the distinguishable colors acquires an intensity pattern in accordance with the banding pattern of each of the chromosomes or chromosome regions, such that both the distinguishable
Farben, als auch die Bandenmuster von jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche überlagert sind.Colors as well as the banding patterns of each of the chromosomes or chromosome regions are superimposed.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen wird eine Anzeige zur Verfugung gestellt, die eine zusammengesetzte Abbildung von zumindest einigen Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle umfaßt, wobei jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt und mit einer Chromosomen-Banding-Technik ein Banding durchgeführt wird, um ein kennzeichnendes Bandenmuster und Form für jedes bzw. jeden der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche zu erzielen, wobei die Abbildung die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterscheidbaren Farben zeigt, wobei jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterscheidbaren Farben zugewiesen ist und wobei weiter jedes bzw. jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche die kennzeichnende Form erwirbt, so daß sowohl die unterscheidbaren Farben, als auch die Formen jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche überlagert sind.According to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a display comprising a composite image of at least some chromosomes or chromosome regions of a cell, wherein each of the chromosomes or chromosome regions is stained with a different fluorophore or combination of fluorophores and banded using a chromosome banding technique to achieve a distinctive banding pattern and shape for each of the chromosomes or chromosome regions, wherein the image shows the chromosomes or chromosome regions in distinguishable colors, wherein each of the chromosomes or chromosome regions is assigned one of the distinguishable colors, and further wherein each of the chromosomes or chromosome regions acquires the distinctive shape so that both the distinguishable colors and the shapes of each of the chromosomes or chromosome regions are superimposed.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausfuhrungsformen wird eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine zusammengesetzte Abbildung eines Chromosoms oder eines Bereichs eines Chromosoms umfaßt, wobei das Chromosom oder der Bereich eines Chromosoms in einer Farbe gezeigt werden, wobei die Farbe ein Bandenmuster von abwechselnd helleren und dunkleren Banden einschließt, wobei sowohl die Farbe, als auch das Bandenmuster auf den Chromosom-Bereich der Chromosom-Identifikation hinweist.According to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a display comprising a composite image of a chromosome or a region of a chromosome, the chromosome or region of a chromosome being shown in a color, the color including a banding pattern of alternating lighter and darker bands, both the color and the banding pattern being indicative of the chromosome region of chromosome identification.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen wird eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine Abbildung eines Chromosoms oder eines Bereich eines Chromosoms umfaßt, wobei das Chromosom oder der Bereich eines Chromosoms in einer Farbe gezeigt wird, wobei die Farbe Hinweise zur Identifikation des Chromosoms oder des Bereichs eines Chromosoms gibt, wobei das Chromosom oder der Bereich eines Chromosoms eine Form aufweist, die ähnlich seiner Form nach erfolgtem Banding (banded) unter Verwendung einer Chromosomen-Banding-Technik ist.According to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a display comprising an image of a chromosome or a region of a chromosome, the chromosome or region of a chromosome shown in a color, the color providing cues for identifying the chromosome or region of a chromosome, the chromosome or region of a chromosome having a shape similar to its shape after being banded using a chromosome banding technique.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausfuhrungsformen wird eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine zusammengesetzte Abbildung eines Chromosoms oder eines Bereich eines Chromosoms umfaßt, wobei die zusammengesetzte Abbildung eine Färb-Abbildung und eine Abbildung nach erfolgtem Banding des Chromosoms oder des Bereichs eines Chromosoms beinhaltet.According to still further features in the described preferred embodiments, there is provided a display comprising a composite image of a chromosome or a region of a chromosome, the composite image including a staining image and a banding image of the chromosome or region of a chromosome.
Gemäß noch weiterer Merkmale in bevorzugten Ausführungsformen der nachstenend beschriebenen Erfindung, wird ein Gerät zum Anzeigen von Chromosomen zur Verfügung gestellt, wobei das Gerät umfaßt, (a) eine Multi-Banden-Sammelvorrichtung, die mit Algorithmen ergänzt ist, um eine visuelle Präsentationsvorrichtung mit einer Abbildung aller Chromosomen 5 oder Chromosomen-Bereiche einer Zelle zur Verfügung stellen, wobei jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt ist, wobei die Abbildung die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterschiedlichen, unterscheidbaren Farben zeigt, wobei jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterschiedlichen, unterscheidbaren Farben zugeordnet ist, und (b) eine visuelle Präsentationsvorrichtung zum Anzeigen der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche. According to still further features in preferred embodiments of the invention described below, there is provided an apparatus for displaying chromosomes, the apparatus comprising (a) a multi-band collection device supplemented with algorithms to provide a visual presentation device with an image of all of the chromosomes or chromosome regions of a cell, each of the chromosomes or chromosome regions being stained with a different fluorophore or combination of fluorophores, the image showing the chromosomes or chromosome regions in different, distinguishable colors, each of the chromosomes or chromosome regions being associated with one of the different, distinguishable colors, and (b) a visual presentation device for displaying the chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den bevorzugten Ausführungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung wird ein Gerät zum Anzeigen von Chromosomen zur Verfügung gestellt, wobei das Gerät umfaßt (a) eine Multi-Banden-Sammelvorrichtung, die mit Algorithmen ergänzt ist, um eine visuelle Präsentationsvorrichtung mit einer zusammengesetzten Abbildung zumindest einiger Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche einer Zelle zur Verfügung zu stellen, wobei jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt und mit einer Chromosomen-Banding-Technik ein Banding erfolgt ist, um ein kennzeichnendes Bandenmuster für jeden der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche zu erzielen, wobei die Abbildung die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterscheidbaren Farben zeigt, wobei einem jeden der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterscheidbaren Farben zugeordnet ist, und wobei weiter jede der unterscheidbaren Farben ein Intensitätsmuster erwirbt, das in Übereinstimmung mit dem Bandenmuster eines jeden der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche steht, so daß sowohl die unterscheidbaren Farben, als auch die Bandenmuster eines jeden der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche überlagert sind, und (b) eine visuelle Präsentationsvorrichtung zum Anzeigen der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche.According to still further features in the preferred embodiments of the invention described below, there is provided an apparatus for displaying chromosomes, the apparatus comprising (a) a multi-band collection device supplemented with algorithms to provide a visual presentation device with a composite image of at least some chromosomes or chromosome regions of a cell, each of the chromosomes or chromosome regions being stained with a different fluorophore or combination of fluorophores and banded using a chromosome banding technique to achieve a distinctive banding pattern for each of the chromosomes or chromosome regions, the image showing the chromosomes or chromosome regions in distinguishable colors, each of the chromosomes or chromosome regions being associated with one of the distinguishable colors, and further wherein each of the distinguishable colors acquires an intensity pattern consistent with the banding pattern of each of the chromosomes or chromosome regions so that both the distinguishable colors and the banding patterns of each of the chromosomes or chromosome regions are superimposed, and (b) a visual presentation device for displaying the chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in bevorzugten Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Erfindung wird ein Gerät zum Anzeigen von Chromosomen zur Verfügung gestellt, wobei das Gerät umfaßt, (a) eine Multi-Banden-Sammelvorrichtung, die mit Algorithmen ergänzt ist, um eine visuelle Präsentationsvorrichtung mit einer Abbildung zumindest einiger Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche einer Zelle zur Verfügung zu stellen, wobei jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt ist und mit einer Chromosomen Banding-Technik ein Banding erfolgt ist, um ein kennzeichnendes Bandenmuster und Form für jedes bzw. jeden derAccording to still further features in preferred embodiments of the invention described above, there is provided an apparatus for displaying chromosomes, the apparatus comprising (a) a multi-band collection device supplemented with algorithms to provide a visual presentation device with an image of at least some chromosomes or chromosome regions of a cell, each of the chromosomes or chromosome regions being stained with a different fluorophore or combination of fluorophores and banded using a chromosome banding technique to provide a characteristic banding pattern and shape for each of the
Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche zu erzielen, wobei die Abbildung die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterscheidbaren Farben zeigt, wobei jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterscheidbaren Farben zugeordnet ist, und wobei weiter jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche die kennzeichnende Form erwirbt, so daß sowohl die unterscheidbaren Farben, als auch die Formen von jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche überlagert sind, und (b) eine visuelle Präsentationsvorrichtung zum Anzeigen der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche.chromosomes or chromosome regions, the image showing the chromosomes or chromosome regions in distinguishable colors, each of the chromosomes or chromosome regions being associated with one of the distinguishable colors, and further each of the chromosomes or chromosome regions acquiring the distinctive shape so that both the distinguishable colors and the shapes of each of the chromosomes or chromosome regions are superimposed, and (b) a visual presentation device for displaying the chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in bevorzugten Ausführungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung wird ein Gerät zum Anzeigen von Chromosomen zur Verfügung gestellt, wobei das Gerät umfaßt, (a) eine Multi-Banden-Sammelvorrichtung, die mit Algorithmen ergänzt ist, um eine visuelle Präsentationsvorrichtung mit einer zusammengesetzten Abbildung eines Chromosoms öder Bereichs eines Chromosoms zur Verfügung zu stellen, wobei das Chromosom oder der Bereich eines Chromosoms in einer Farbe gezeigt wird, wobei die Farbe ein Bandenmuster abwechselnd hellerer und dunklerer Banden beinhaltet, wobei sowohl die Farbe, als auch das Bandenmuster auf den Chromosom-Bereich der Chromosom-Identifikation hinweist, und (b) eine visuelle Präsentationsvorrichtung zum Anzeigen der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche. According to still further features in preferred embodiments of the invention described below, there is provided an apparatus for displaying chromosomes, the apparatus comprising (a) a multi-band collection device supplemented with algorithms to provide a visual presentation device with a composite image of a chromosome or region of a chromosome, the chromosome or region of a chromosome being shown in a color, the color including a banding pattern of alternating lighter and darker bands, both the color and the banding pattern indicative of the chromosome region of chromosome identification, and (b) a visual presentation device for displaying the chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in bevorzugten Ausführungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung wird ein Gerät zum Anzeigen von Chromosomen zur Verfügung gestellt, wobei das Gerät umfaßt, (a) eine Multi-Banden-Sammelvorrichtung, die mit Algorithmen ergänzt ist, um eine visuelle Präsentationsvorrichtung mit einer zusammengesetzten Abbildung eines Chromosoms oder Bereichs eines Chromosoms zur Verfügung zu stellen, wobei das Chromosom oder der Bereich eines Chromosoms in einer Farbe gezeigt werden, wobei die Farbe Hinweise zur Identifikation des Chromosoms oder des Chromosom-Bereichs gibt, wobei das Chromosom oder der Chromosom-Bereich eine Form aufweist, die ähnlich seiner Form nach erfolgtem Banding unter Verwendung einer herkömmlichen Chrornosomen-Banding-Technik ist, und (b) eine visuelle Präsentationsvorrichtung zum Anzeigen der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche. According to still further features in preferred embodiments of the invention described below, there is provided an apparatus for displaying chromosomes, the apparatus comprising (a) a multi-band collection device supplemented with algorithms to provide a visual presentation device with a composite image of a chromosome or region of a chromosome, the chromosome or region of a chromosome being shown in a color, the color providing cues for identifying the chromosome or chromosome region, the chromosome or chromosome region having a shape similar to its shape after banding using a conventional chromosome banding technique, and (b) a visual presentation device for displaying the chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in bevorzugten Ausführungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung wird ein Gerät zum Anzeigen von Chromosomen zur Verfügung gestellt, wobei das Gerät umfaßt (a) eine Multi-Banden-Sammelvorrichtung, die mit Algorithmen ergänzt ist, um eine visuelle Präsentations vorrichtung mit einer zusammengesetzten Abbildung eines Chromosoms oder Bereichs eines Chromosoms zur Verfügung zu stellen, wobei die zusammengesetzte Abbildung eine Farbabbildung und eine Abbildung nach erfolgtem BandingAccording to still further features in preferred embodiments of the invention described below, there is provided an apparatus for displaying chromosomes, the apparatus comprising (a) a multi-band collection device supplemented with algorithms to provide a visual presentation device with a composite image of a chromosome or region of a chromosome, the composite image comprising a color image and a banded image
des Chromosoms oder Bereichs eines Chromosoms beinhaltet, und (b) eine visuelle Präsentationsvorrichtung zum Anzeigen der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche.of the chromosome or region of a chromosome, and (b) a visual presentation device for displaying the chromosomes or chromosome regions.
Die vorliegende Erfindung überwindet erfolgreich die Nachteile der gegenwärtig bekannten Konfigurationen, in dem ein Verfahren zur Chromosomen-Klassifizierung zur Verfügung gestellt wird, das interne Referenzvektoren zur Pixel-Klassifizierung verwendet, wobei diese internen Referenzvektoren gewöhnlich eine bessere Leistung ergeben. Das Verfahren ist einfach automatisierbar. Unter Verwendung dieses Verfahrens wird es deshalb halb- oder nicht qualifizierten Zellgenetikern ermöglicht, klare und informative Karyotypen zu gewinnen, die überlagernde spektrale oder räumliche Information beinhalten können.The present invention successfully overcomes the disadvantages of the currently known configurations by providing a method for chromosome classification which uses internal reference vectors for pixel classification, which internal reference vectors usually give better performance. The method is easily automated. Using this method, therefore, semi- or unskilled cell geneticists are enabled to obtain clear and informative karyotypes which may include superimposed spectral or spatial information.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die Erfindung wird hier lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:The invention is described herein by way of example only with reference to the accompanying drawings, in which:
FIG. 1 ein Blockdiagramm ist, das die Hauptkomponenten eines Abbildungs-Spektrometers veranschaulicht, das gemäß U.S. Patentanmeldung No. 08/392,019, nunmehr U.S. Pat. No. 5,539,517 (Stand der Technik) aufgebaut ist;FIG. 1 is a block diagram illustrating the major components of an imaging spectrometer constructed in accordance with U.S. Patent Application No. 08/392,019, now U.S. Pat. No. 5,539,517 (prior art);
FIG. 2 ein Sagnac-Interferometer veranschaulicht, wie es in einem Abbildungs-Spektrometer gemäß U.S. Patentanmeldung No. 08/392,019, nunmehr U.S. Pat. No. 5,539,517 (Stand der Technik) verwendet wird;FIG. 2 illustrates a Sagnac interferometer as used in an imaging spectrometer according to U.S. Patent Application No. 08/392,019, now U.S. Pat. No. 5,539,517 (prior art);
FIG. 3 a Chromosomen zeigt, die gemäß dem Klassifizierungsverfahren des Stands der Technik, das in der U.S. Patentanmeldung No. 08/635,820, eingereicht am 22.Aprü 1996 und in der Zeitschrift Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497] beschrieben wurde, unter Verwendung künstlicher Farben klassifiziert wurden;FIG. 3 a shows chromosomes classified according to the prior art classification method described in U.S. Patent Application No. 08/635,820, filed April 22, 1996, and in the journal Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497] using artificial colors;
FIG. 3b die Chromosomen aus Figur 3a zeigt, die mit DAPI einem R-Banding unterworfen wurden;FIG. 3b shows the chromosomes from Figure 3a subjected to R-banding with DAPI;
FIG. 3c den angeordneten (arranged) Karyotyp der Chromosomen aus Figur 3a zeigt;FIG. 3c shows the arranged karyotype of the chromosomes of Figure 3a;
FIG. 4a-b die Chromosomen aus den Figuren 3 a-c zeigt, die nun unter Verwendung eines RGB-FIG. 4a-b shows the chromosomes from Figures 3 a-c, which have now been imaged using an RGB
Algorithmus klassifiziert wurden, gemäß dem Stand der Technik, beschrieben in der U.S. Patentanmeldung No. 08/635,820, eingereicht am 22.April 1996 und in der Zeitschrift Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497], als ein Spread und als ein Karyotyp;
5Algorithm classified, according to the prior art described in US Patent Application No. 08/635,820, filed April 22, 1996 and in the journal Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497], as a spread and as a karyotype;
5
FIG. 5 ein Besipiel der gewichteten Funktionene wT , wg, Wb für den RGB-Algorithmus zeigt;FIG. 5 shows an example of the weighted functions w T , w g , W b for the RGB algorithm;
FIG. 6 die Schritte der Integration von RGB-Abbildungen zur Chromosomen-Klassifizierung zeigt, wobei Wx, wg, w\> einfache quadratische Wichtungsfunktionen sind;
10FIG. 6 shows the steps of integrating RGB maps for chromosome classification, where W x , w g , w\> are simple quadratic weighting functions;
10
FIG.7 die fünf externen Basis-Spektren zeigt, die unter Verwendung des als Beispiel ausgeführten experimentellen Verfahrens abgeleitet wurden, bei dem die Fluorophore und Basis-Chromosomen spezifiziert sind;FIG.7 shows the five external base spectra derived using the exemplary experimental procedure in which the fluorophores and base chromosomes are specified;
FIG. 8a-e Zeichnungen zeigt, welche die Anzahl der Pixel darstellen, die einen Wert (0-1.0) der Zerlegungs Koeffizienten &agr; bzw.&bgr; bzw .&ggr; bzw.5 bzw. &egr; aufweisen,FIG. 8a-e shows drawings representing the number of pixels having a value (0-1.0) of the decomposition coefficients α, β, γ, 5, ε, respectively,
FIG. 9a-c Chromosomen eines normalen Mannes zeigt, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren klassifiziert wurden; Chromosomen desselben Mannes werden in RGB gezeigt; und ein kombinierter Karyotyp, in j eweiliger Weise,FIG. 9a-c shows chromosomes of a normal man classified according to the method of the invention; chromosomes of the same man are shown in RGB; and a combined karyotype, in each case,
FIG. 10a-b einen RGB-Chromosomen-Spread zeigt, der ähnlich wie der Spread in Figur 4a analysiert wurde und dessen Bandenmuster, das Ergebnis von herkömmlichem R-Banding (DAPI) ist, in jeweiliger Weise, und
25FIG. 10a-b shows an RGB chromosome spread analyzed similarly to the spread in Figure 4a and whose banding pattern is the result of conventional R-banding (DAPI) in each case, and
25
FIG. lla-b zwei Abbildungen zeigen, die erfindungsgemäße, überlagerte Komposite (zusammengesetzte Abbildung) der Figuren 10a und 10b sind.FIGS. 11a-b show two images which are superimposed composites (composite image) of Figures 10a and 10b according to the invention.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung in situ angefärbter Chromosomen in einen Färb- (Spektral-) Karyotyp, der zum Auffinden von chromosomalen Aberrationen verwendet werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Identifizieren auffallender interner Referenzspektren für eine derartige Klassifizierung, wobei die internen Referenzspektren verwendet werden, um bessere Klassifizierungs-Ergebnisse zur Verfugung zu stellen.The present invention relates to a method for classifying in situ stained chromosomes into a staining (spectral) karyotype that can be used to detect chromosomal aberrations. In particular, the present invention relates to a method for identifying prominent internal reference spectra for such classification, wherein the internal reference spectra are used to provide better classification results.
•«•«
Die Prinzipien und die Durchfuhrung des erfindungsgemäßen Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahrens werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die begleitenden Beschreibungen besser verständlich.
5The principles and operation of the chromosome classification method of the present invention will be better understood by reference to the drawings and accompanying descriptions.
5
Spektral-Abbildung ist die Technologie, die die Erfassung des Lichtspektrums ermöglicht, das von jedem Punkt (Pixel) eines Objekts emittiert wird. Eine Spektral-Abbildungsvorrichtung (auf die hier auch als Abbildungs-Spektrometer Bezug genommen wird) ist ein Instrument, welches das, von jedem Punkt des, in sein Sichtfeld eingebrachten Objekts emittierte Lichtspektrum erfaßt und zum späteren Wiederabruf im Speicher speichert. Eine Spektral-Abbildung ist eine Sammlung von durch eine Spektral-Abbildungsvorrichtung erfaßten Spektren des Objekts. Sie ist gewöhnlich als eine, in einem dreidimensionalen Raum definierte Intensitätsfunktion aufgebaut, bei der zwei Dimensionen von einer Abbildung (x und y) sind, und eine von einer spektralen Achse (&lgr;) ist. Als solche wird auf eine Spektral-Abbildung gewöhnlich als ein Daten-"Würfel" oder ein "spektraler Würfel" Bezug genommen.Spectral imaging is the technology that enables the detection of the spectrum of light emitted by each point (pixel) of an object. A spectral imaging device (also referred to herein as an imaging spectrometer) is an instrument that detects the spectrum of light emitted by each point of the object placed within its field of view and stores it in memory for later retrieval. A spectral map is a collection of spectra of the object captured by a spectral imaging device. It is usually constructed as an intensity function defined in three-dimensional space where two dimensions are an image (x and y) and one is a spectral axis (λ). As such, a spectral map is usually referred to as a data "cube" or a "spectral cube."
Das Spektrum eines jeden Pixels ist tatsächlich ein N-Vektor, wobei N eine ganze Zahl ist, die von dem Spektral-Bereich und der spektralen Auflösung der Abbildungsvorrichtung abhängt.The spectrum of each pixel is actually an N vector, where N is an integer that depends on the spectral range and spectral resolution of the imaging device.
Der Stand der Technik lehrt unterschiedliche Verfahren zum Erfassen spektraler Abbildungen (d.h. spektraler Würfel). Vorrichtungen, die gemäß diesen Verfahren entworfen wurden, beinhalten gewöhnlich lichtsammelnde optische Elemente (light collection optics), ein Dispersionselement (beispielsweise ein Gitter oder Prisma), ein (oder mehrere) Filter (beispielsweise AOTF oder LCTF) oder ein Interferometer, fokussierende optische Elemente, und ein zweidimensionaler Detektoranordnung (gewöhnlich ein CCD im sichtbaren Bereich und andere Detektortypen im Infrarot-Bereich).The prior art teaches different methods for acquiring spectral images (i.e., spectral cubes). Devices designed according to these methods typically include light collection optics, a dispersion element (e.g., a grating or prism), a filter (or several filters) (e.g., AOTF or LCTF) or an interferometer, focusing optical elements, and a two-dimensional detector array (usually a CCD in the visible range and other types of detectors in the infrared range).
Jedes Verfahren weist Vorteile und Nachteile auf, jedoch weist eine, auf einem speziellen Dreiecks-Interferometer-Typ (type of triangular interferometer) basierende Spektral-Abbildungs-Vorrichtung hinsichtlich Empfindlichkeit, Kompaktheit und Stabilität Vorteile auf, die herkömmlichere Spektral-Abbildungsvorrichtungen nicht besitzen, wie ersichtlich in der U.S. Patentanmeldung No. 08/392,019 von Cabib et al., eingereicht am 21. Februar 1995, nunmehr U.S. Patent No. 5,539,517, ausgegeben am 23. Juli 1996, und in Journal of Microscopy [182 (1996) 133-140], die beide unter Bezugnahme aufgenommen werden, als wären sie hier vollständig offenbart. Jedoch sei angemerkt, daß ein N Vektor für jedes Pixel ebenfalls unter Verwendung von Schmalband- und/oder Breitbandemissions-Filtern in Kombination mit in geeigneter Weise ausgewählten Anregungsfiltern erzielt werden kann, die alle mit den verwende-Each method has advantages and disadvantages, but a spectral imaging device based on a special type of triangular interferometer has advantages in terms of sensitivity, compactness and stability that more conventional spectral imaging devices do not possess, as can be seen in U.S. Patent Application No. 08/392,019 by Cabib et al., filed February 21, 1995, now U.S. Patent No. 5,539,517, issued July 23, 1996, and in Journal of Microscopy [182 (1996) 133-140], both of which are incorporated by reference as if fully disclosed herein. However, it should be noted that an N vector for each pixel can also be achieved using narrowband and/or broadband emission filters in combination with appropriately selected excitation filters, all of which can be used with the
22 22
ten Fluorophoren zusammenpassen. Folglich können mit jedem Emissionsfilter für jedes Pixel Intensitätswerte erzielt werden, wobei die Werte einen N Vektor für jedes Pixel bilden, wobei N gleich der Zahl der verwendeten Emissionsfilter ist. Falls nicht ein einzelnes Anregungsfilter in Kombination mit allen Emissionsfiltern verwendet wird, stellt dieser Vektor nicht das dar, was als ein Niedrigauflösungs-Spektralvektor betrachtet würde. Eine sorgfältige Auswahl der Filter und Fluorophore ermöglicht es jedoch, N Vektoren zu erzielen, die es ermöglichen zwischen den Fluorophoren zu unterscheiden. Deshalb kann das Klassifizierungsverfahren, wie hier beschrieben, auch auf diese Vektoren angewendet werden.ten fluorophores. Consequently, intensity values can be obtained for each pixel with each emission filter, the values forming an N vector for each pixel, where N is equal to the number of emission filters used. Unless a single excitation filter is used in combination with all emission filters, this vector does not represent what would be considered a low-resolution spectral vector. However, careful selection of filters and fluorophores makes it possible to obtain N vectors that allow distinguishing between the fluorophores. Therefore, the classification procedure described here can also be applied to these vectors.
Ein Verfahren zur Chromosomen-Klassifizierung unter Verwendung von hauptsächlich Schmalbandfiltern wird in Speicher R. M., Ballard S. G. und Ward C. D., Karyotyping human chromosomes by combinatorial multi-flour FISH, Nature genetics (1996) 12:368-375 offenbart, was unter Bezugnahme mit aufgenommen wird, als ob vollständig hier offenbart. In diesem Fall beträgt die Anzahl der Anregungsfilter sechs und die erfassten N-Vektoren sind deshalb in der Tat 6-Vektoren.A method for chromosome classification using mainly narrow band filters is disclosed in Speicher R. M., Ballard S. G. and Ward C. D., Karyotyping human chromosomes by combinatorial multi-flour FISH, Nature genetics (1996) 12:368-375, which is incorporated by reference as if fully disclosed herein. In this case the number of excitation filters is six and the N-vectors detected are therefore in fact 6-vectors.
Eine Spektral-Abbildungsvorrichtung gemäß der in der U.S. Pat. No. 5,539,517 offenbarten Erfindung wurde von Applied Spectral Imaging Ltd., Industrial Park, Migdal Haemek, Israel entwickelt und im hier Nachstehenden wird hierauf als SpectraCube™ Bezug genommen. Dieses Instrument kann N Vektoren zur Verfugung stellen, wobei im sichtbarem Bereich, N gleich ungefähr 30-50, gewöhnlich 40 ist.A spectral imaging device according to the invention disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,517 was developed by Applied Spectral Imaging Ltd., Industrial Park, Migdal Haemek, Israel and is hereinafter referred to as SpectraCube™. This instrument can provide N vectors, where in the visible range, N is equal to approximately 30-50, usually 40.
Die Bedeutung einer Spektral-Abbildungs-Erfassung ist darin zu sehen, daß das Licht-Spektrum Informationen über die Zusammensetzung der Materie, aus der das Objekt gebildet ist, in sich trägt und deshalb zum Kartieren und Sichtbarmachen in anderer Weise nicht ersichtlicher oder unterscheidbarer Phänomene verwendet werden kann. Da eine Farb-Abbildung nach einer Schwarz-Weiß-Abbildung der nächste Schritt ist, ist eine Spektral-Abbildung der nächste Schritt nach einer Farb-Abbildung. Vergleichbar mit dem Unterschied der grünen Farbtöne von Blättern zweier unterschiedlicher Baumtypen oder eines jungen und eines alten Blatts, erscheinen zwei fluoreszierende Farbstoffe, wie Texas-Rot oder Rhodamin, dem menschlichen Auge als gleiche Farbe, können jedoch durch einen Spektrograph mit einer Auflösung von 10 Nanometer gut unterschieden werden. Ein komplexes biologisches System, wie die mit Giemsa angefärbte weiße Blutkörperchenzelle, erscheint dem Auge durch das Mikroskop bei Transmission weißen Lichts, als ein Objekt mit Strukturen, die aus Regionen purpurfarbener, blauer und rötlicher Farben unterschiedlichen Intensitätsgrades zusammengestellt ist. Da die Farben, wie sie durch das menschliche Auge wahrgenommen werden, aus den Kombinationen von lediglich drei Farben, rot, grün und blau (RGB) zusammengesetzt sind, ist die Anzahl der unterschiedlichen RegionenThe importance of spectral imaging is that the spectrum of light carries information about the composition of the matter from which the object is formed and can therefore be used to map and visualize phenomena that are otherwise not apparent or distinguishable. Since color imaging is the next step after black and white imaging, spectral imaging is the next step after color imaging. Like the difference in the green tones of leaves of two different types of trees, or of a young and an old leaf, two fluorescent dyes, such as Texas red or rhodamine, appear to the human eye as the same color but can be easily distinguished by a spectrograph with a resolution of 10 nanometers. A complex biological system, such as a Giemsa-stained white blood cell, appears to the eye through the microscope when white light is transmitted as an object with structures composed of regions of purple, blue, and reddish colors of varying degrees of intensity. Since the colors as perceived by the human eye are composed of combinations of only three colors, red, green and blue (RGB), the number of different regions
in der Zelle, die durch Farbe klassifiziert werden können, begrenzt. Für jeden Punkt derselben Zelle mißt eine Spektral-Abbildungsvorrichtung ein Spektrum oder anderen Vektor, der von den, an diesem Punkt vorliegenden, chemischen Materialien abhängt, wobei dies eine Funktion der Wellenlänge ist, welche die Größenordnung von fünfzig Daten beinhaltet (abhängig von spektraler Auflösung), anstelle von nur drei wie für eine Farb-Abbildung. Als Ergebnis können geringe spektrale Unterschiede oder Verschiebungen zwischen Pixeln durch eine Spektral-Abbildungsvorrichtung unterschieden werden, die das Auge als der gleichen Farbe zugehörig erkennen würde und deshalb können im Vergleich zum menschlichen Auge erheblich mehr Klassen biologischer Strukturen oder Komponenten in der Zelle unter Verwendung einer Spektral-Abbildungsvorrichtung unterschieden werden.in the cell that can be classified by color. For each point in the same cell, a spectral imaging device measures a spectrum or other vector depending on the chemical materials present at that point, as a function of wavelength, which involves on the order of fifty data (depending on spectral resolution), rather than just three as for a color image. As a result, small spectral differences or shifts between pixels can be distinguished by a spectral imaging device that the eye would recognize as belonging to the same color, and therefore considerably more classes of biological structures or components in the cell can be distinguished using a spectral imaging device compared to the human eye.
Beispielsweise wird in Fluorescence Imaging Spectroscopy and Microscopy, herausgegeben von X. F. Wang und B. Herman, Vol. 137, Seiten 87-124, 1996, John Wiley & Sons gezeigt, daß sich eine Kernwand vom Rest des Kerns in einer Spektral-Abbildung, im Gegensatz zu einer einfachen Farb-Abbildung, bei der die Wand als Teil des Kerns wahrgenommen wird, scharf unterscheidet, (siehe ibidem Figur 4 .1Od auf Seite 115).For example, in Fluorescence Imaging Spectroscopy and Microscopy, edited by X. F. Wang and B. Herman, Vol. 137, pages 87-124, 1996, John Wiley & Sons, it is shown that a nuclear wall is sharply distinguished from the rest of the nucleus in a spectral image, in contrast to a simple color image in which the wall is perceived as part of the nucleus (see ibidem Figure 4.1Od on page 115).
In E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497, wird gezeigt, wie eine Spektral-Abbildungsvorrichtung, wie in U.S. Pat. No. 5,539,517 offenbart, in Kombination mit Fluoreszeiiz-/H-s#«-Hybridisierungs-(FISH)-Techniken zum Analysieren von in kombinatorischer Weise angefärbten Chromosomen (menschlich und von Tieren) verwendet werden kann, so daß Karyotypisierung und chromosomale Aberrationen nachgewiesen und charakterisiert werden können.In E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497, it is shown how a spectral imaging device as disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,517 can be used in combination with fluorescence/H-stain hybridization (FISH) techniques to analyze combinatorially stained chromosomes (human and animal) so that karyotyping and chromosomal aberrations can be detected and characterized.
Gemäß dieser Technik, die in dem hier vorstehenden Hintergrundsabschnitt und in dem nachstehenden Beispielsabschnitt weiter beschrieben ist, ist jedes Chromosom mit komplementärem DNA-Material hybridisiert, das eine unterschiedliche Kombination fluoreszierender Farbstoffe aus einem größerem Farbstoff-Satz enthält, derart, daß jedes Chomosom eines Metaphase-Spreads ein unterschiedliches Fluoreszenz-Spektrum im wesentlichen gleichförmig über seine Oberfläche emittiert. Gewöhnlich ist jedes Chromosom mit einer unterschiedlichen Kombination von bis zu vier Farbstoffen (beispielsweise ein, zwei, drei oder vier Farbstoffe) ausgewählt aus einem Satz von fünf Farbstoffen markiert, woraus sich 24 unterschiedliche Fluoreszenz-Spektren ergeben, eines für jedes Chromosom. Dies wird mit menschlichen (24 unterschiedliche Spektren oder 24 Farbstoffkombinationen erforderlich) Maus-und Affen-Chromosomen (wofür die Anzahl sich von 24 unterscheidet) und mit gesunden und kranken (beispielsweise kanzerösen) Zellen durchgeführt. Die Erfassung und Identifizierung von Translokationen während der Verwendung dieses Verfahrens ist unmittelbar und verläßlich, da das unterschiedliche Spektrum einerAccording to this technique, which is further described in the Background section above and in the Examples section below, each chromosome is hybridized with complementary DNA material containing a different combination of fluorescent dyes from a larger set of dyes, such that each chromosome of a metaphase spread emits a different fluorescence spectrum substantially uniformly across its surface. Typically, each chromosome is labeled with a different combination of up to four dyes (e.g., one, two, three, or four dyes) selected from a set of five dyes, resulting in 24 different fluorescence spectra, one for each chromosome. This is done with human (24 different spectra or 24 dye combinations required), mouse and monkey chromosomes (the number of which differs from 24), and with healthy and diseased (e.g., cancerous) cells. The detection and identification of translocations using this method is immediate and reliable, since the different spectrum of a
Translokation aus dem umgebenden Chromosom klar hervorsteht, während die durch die heute zur Chromosomen-Klassifizierung weitverbreitete G-Banding-Technik erbrachte Information für diesen Zweck weit weniger klar ist.translocation clearly stands out from the surrounding chromosome, whereas the information provided by the G-banding technique, which is widely used today for chromosome classification, is far less clear for this purpose.
Die Begriffe "Spread" und "Karyotyp" werden in diesem Dokument in untereinander auswechselbarer Weise verwendet, um auf die Sichtbarmachung von Chromosomen hinzuweisen. In den meisten Fällen wird der Begriff "Spread" verwendet, um auf Chromosomen vor ihrer Umlagerung zu Chromosomen-Paaren hinzuweisen und der Begriff "Karyotyp" wird verwendet, um auf Chromosomen nach derartiger Umlagerung hinzuweisen. Es ist jedoch damit nicht beabsichtigt die identische Bedeutung dieser Begriffe einer Begrenzung zu unterwerfen, die auf einen Chromosomen-Satz Bezug nehmen, von denen jeder identifiziert ist.The terms "spread" and "karyotype" are used interchangeably in this document to refer to the visualization of chromosomes. In most cases, the term "spread" is used to refer to chromosomes before they have been rearranged into chromosome pairs and the term "karyotype" is used to refer to chromosomes after such rearrangement. However, this is not intended to limit the identical meaning of these terms to refer to a set of chromosomes, each of which is identified.
Wie jedoch in dem vorstehenden Hintergrundsabschnitt weiter beschrieben ist, basiert das dort verwendete Klassifizierungsverfahren auf einem universalen Referenzspektrum, das von einem normalen Karyotyp abgeleitet ist, der anschließend zur Klassifizierung von Chromosomen in anderen Karyotypen verwendet wird. Wie vorstehend weiter erwähnt, ist dieser Ansatz nicht immer erfolgreich, da in einigen Fällen neue Karyotypen nicht in geeigneter Weise klassifiziert werden können oder nur teilweise klassifiziert werden können.However, as further described in the Background section above, the classification method used there is based on a universal reference spectrum derived from a normal karyotype, which is subsequently used to classify chromosomes in other karyotypes. As further mentioned above, this approach is not always successful because in some cases new karyotypes cannot be classified appropriately or can only be partially classified.
Da die besten Klassifizierungsergebnissse unter Verwendung interner Referenzspektren erhalten werden, ist die vorliegende Erfindung dahingehend ausgerichtet, ein Verfahren zur Errechnung von Referenzspektren zur Verfügung zustellen, dessen Berechnung unabhängig von PräKlassifizierung unter Verwendung von Standard-Chromosomen-Klassifizierungs-Techniken ist (beispielsweise G-Banding oder R-Banding), wie es im Stand der Technik der Fall ist.Since the best classification results are obtained using internal reference spectra, the present invention is directed to providing a method for calculating reference spectra whose calculation is independent of preclassification using standard chromosome classification techniques (e.g. G-banding or R-banding), as is the case in the prior art.
Folglich wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Auffinden von L internen Referenzvektoren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfügung gestellt. Der Begriff "Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche" wie hier und in den Ansprüchen verwendet, bezieht sich auf Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, die von L Arten oder Typen in einer Zelle vorliegender Chromosomen abgeleitet sind, oder jegliche Fraktion oder Teilmenge dieser Chromosomen. Jeder dieser Typen liegt jedoch gewöhnlich in zwei Kopien vor. In einigen pathologischen Fällen (beispielsweise Krebs) ist das Ergebnis chromosomaler Aberrationen, daß sie Typ(en) von einem (oder mehreren) Chromosom(en) aufweisen, die in mehr oder weniger als zwei Kopien vorliegen, bei dem Bereiche oder ganze Chromosomen beispielsweise dupliziert oder fehlend sind. Falls die gewählte Zelle von einem Mensch ist und falls alle Chromosomen analysiert sind, würde L in den meisten Fällen gleich 24 bei Männern und gleich 23 bei Frauen sein.Accordingly, a method according to the invention is provided for finding L internal reference vectors for classifying L chromosomes or chromosome regions of a cell. The term "chromosomes or chromosome regions" as used herein and in the claims refers to chromosomes or chromosome regions derived from L types or kinds of chromosomes present in a cell, or any fraction or subset of these chromosomes. However, each of these types is usually present in two copies. In some pathological cases (e.g. cancer), the result of chromosomal aberrations is to have type(s) of one (or more) chromosome(s) present in more or less than two copies, with regions or entire chromosomes, for example, duplicated or missing. If the cell chosen is from a human and if all chromosomes are analyzed, L would in most cases be equal to 24 in males and equal to 23 in females.
MFMF
Die Erfindung btrifft jedoch auch das Analysieren einer Teilmenge der Chromosomen einer Zelle, deshalb kann "L" jegliche ganze Zahl sein, die kleiner ist als die Zahl der Chromosomen, welche die analysierte Zelle kennzeichnen. Verfahrensgemäß sind weiter die L Chromosomen 5 oder Chromosomen-Bereiche mit K, beispielsweise 5, unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt, wobei K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, jeder mit nur einem der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, während die anderen L-K, beispielsweise 19, fur einen männlichen Mensch, der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche jeweils mit einer unterschiedlichen Kombination von K unterschiedlichen Fluorophor angefärbt sind. Chromosomen-Anfärbung wird unter Verwendung eines kombinierten Markierungs-Ansatzes ausgeführt, bei dem es sich beispielsweise um kombiniertes Markieren oder kombinierte Hybridisierung, wie weiter hier beschrieben, handeln kann. Vorzugsweise wird eine kombinierte Hybridisierung gewählt.However, the invention also relates to analyzing a subset of the chromosomes of a cell, therefore "L" can be any integer smaller than the number of chromosomes characterizing the cell analyzed. According to the method, furthermore, the L chromosomes 5 or chromosome regions are stained with K, for example 5, different fluorophores or combinations thereof, wherein K basic chromosomes or chromosome regions of the L chromosomes or chromosome regions are each stained with only one of the K different fluorophores, while the other L-K, for example 19, for a male human having L chromosomes or chromosome regions are each stained with a different combination of K different fluorophores. Chromosome staining is carried out using a combined labeling approach, which can be, for example, combined labeling or combined hybridization, as further described herein. Preferably, combined hybridization is chosen.
Die Schritte des Verfahrens sind wie folgt. Ein Multi-Banden-Sammelvorrichrung wird zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel eines jeden der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche verwendet. Anschließend werden die Pixel identifiziert, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und die Pixel werden als Basis-Pixel definiert, so daß K Basis-Klassen von Basis-Pixel erzielt werden. Mindestens ein Basis-Pixel von jeder der K Basis-Klassen wird zum Erzielen der K Basis-Vektoren verwendet, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind. Die K Basis-Vektoren werden dann zum Identifizieren der Pixel verwendet, die den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören. Schließlich werden die Pixe, die den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören zur Berechnung der anderen L-K internen Referenzvektoren verwendet, um dadurch alle der L [K+ (L-K)] internen Referenzvektoren aufzufinden.The steps of the method are as follows. A multi-band collector is used to collect a first vector for each pixel of each of the L chromosomes or chromosome regions. Then the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions are identified and the pixels are defined as basic pixels so that K basic classes of basic pixels are obtained. At least one basic pixel from each of the K basic classes is used to obtain the K basic vectors, the K basic vectors being K internal reference vectors. The K basic vectors are then used to identify the pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions. Finally, the pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions are used to calculate the other L-K internal reference vectors, thereby finding all of the L [K+ (L-K)] internal reference vectors.
Bei den meisten Anwendungen kann K gleich 5 sein. Jedoch sind auch andere Kombinationen von Fluorophoren anwendbar, in Abhängigkeit von ihrem Typ, spektralen Kennzeichen und der Anzahl L der analysierten Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das vorstehend beschriebene Verfahren zur Klassifizierung der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche einer Zelle verwendet. Zu diesem Zweck werden die Chromosomen mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon, wie vorstehend beschrieben, angefärbt. Zur Chromosomen-Klassifizierung werden L interne Referenzvektoren, wie vorstehend beschrieben, aufgefunden und werden für die Klassifizierung eines jeden Pixels in eine der L Klassifizierungs-Klassen verwendet.In most applications, K may be equal to 5. However, other combinations of fluorophores are also applicable, depending on their type, spectral characteristics and the number L of chromosomes or chromosome regions analyzed. According to a preferred embodiment of the invention, the method described above is used to classify the L chromosomes or chromosome regions of a cell. For this purpose, the chromosomes are stained with K different fluorophores or combinations thereof as described above. For chromosome classification, L internal reference vectors are found as described above and are used to classify each pixel into one of the L classification classes.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jeder der Klassen von klassifiziertenIn a preferred embodiment of the invention, each of the classes of classified
Pixeln eine unterscheidbare, künstliche Farbe zugewiesen. Vorzugsweise wird die Klassifizierung eines jeden Pixels in eine der L Klassifizierungs-Klassen unter Verwendung der L Referenzvektoren durch einen Linearzerlegungs-Algorithmus bewirkt, der zum Auffinden von Binär-Vektoren für jedes der, den L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehörenden Pixel verwendet wird, alles wie weiter hier nachstehend im Beispielsabschnitt beschrieben. Das Verfahren zur Chromosomen-Klassifizierung kann zum Nachweis von Chromosomen-Aberrationen verwendet werden.pixels are assigned a distinguishable artificial color. Preferably, the classification of each pixel into one of the L classification classes using the L reference vectors is effected by a linear decomposition algorithm used to find binary vectors for each of the pixels belonging to the L chromosomes or chromosome regions, all as described further hereinafter in the Examples section. The method for chromosome classification can be used to detect chromosomal aberrations.
Gemäß weiterer Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der nachstehend beschriebenen Erfindung, wird ein Verfahren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfügung gestellt, wobei die L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, bei dem jedes bzw. jeder der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit nur einem der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, während jedes bzw. jeder der anderen L-K der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einer unterschiedlichen Kombination der K unterschiedlichen Fluorophore angefärbt sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um so K Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der K Basis-Klassen zum Erzielen von K Basis-Vektoren, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind, und (d) Verwenden der K Basis-Vektoren zum Identifizieren von Pixeln, die anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.According to further features of preferred embodiments of the invention described below, there is provided a method for classifying L chromosomes or chromosome regions of a cell, the L chromosomes or chromosome regions being stained with K different fluorophores or combinations thereof, wherein each of the K basic chromosomes or chromosome regions of the L chromosomes or chromosome regions is stained with only one of the K different fluorophores, while each of the other L-K of the L chromosomes or chromosome regions is stained with a different combination of the K different fluorophores, the method comprising the steps of: (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the L chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions and defining the pixels as basis pixels so as to obtain K basis classes of the basis pixels, (c) using at least one basis pixel from each of the K basis classes to obtain K basis vectors, where the K basis vectors are K internal reference vectors, and (d) using the K basis vectors to identify pixels belonging to other L-K chromosomes or chromosome regions.
Gemäß noch weiterer Merkmale in den beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen umfaßt das Verfahren weiter den Schritt, daß jeder der Klassen von klassifizierten Pixeln eine unterscheidbare, künstliche Farbe zugeordnet wird.According to still further features in the described preferred embodiments, the method further comprises the step of assigning a distinguishable artificial color to each of the classes of classified pixels.
Die erfindungsgemäße Klassifizierung von Chromosomen kann durch eine Klassifizierung auf der Basis von Basis-Pixeln bewirkt werden, bei der der Schritt der Klassifizierung der Identifizierung interner Referenzvektoren übersprungen wird. Gemäß dieser Ausführungsform, wird ein Verfahren zur Klassifizierung von L Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfügung gestellt, die mit K unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind wie vorstehend beschrieben, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedesThe classification of chromosomes according to the invention can be effected by a classification based on base pixels, in which the step of classifying the identification of internal reference vectors is skipped. According to this embodiment, a method is provided for classifying L chromosomes or chromosome regions of a cell stained with K different fluorophores or combinations thereof as described above, the method comprising the steps of (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each
27 * ·*27 * ·*
Pixel von jedem der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um so K Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der K Basis-Klassen zum Erzielen von K Basis-Vektoren, wobei die K Basis-Vektoren K interne Referenzvektoren sind, und (d) Verwenden der K Basis-Vektoren zum Identifizieren von Pixeln, die anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.pixels from each of the L chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions and defining the pixels as basic pixels, thereby obtaining K basic classes of the basic pixels, (c) using at least one basic pixel from each of the K basic classes to obtain K basic vectors, the K basic vectors being K internal reference vectors, and (d) using the K basic vectors to identify pixels belonging to other L-K chromosomes or chromosome regions.
Wie weiter nachstehend unter Beispiel 3 beschrieben, sind in einigen Fällen die Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche und deshalb die Basis-Pixel und Referenzvektoren mit mehr als einem einzelnen Fluorophor assoziiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird deshalb weiter ein Verfahren zur Klassifizierung von Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle zur Verfügung gestellt, wobei die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit unterschiedlichen Fluorophoren oder Kombinationen davon angefärbt sind, so daß jedes der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche mit einem unterschiedlichen Fluorophor angefärbt ist, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: (a) Verwenden einer Multi-Banden-Sammelvorrichtung zum Erfassen eines ersten Vektors für jedes Pixel von jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Identifizieren von Pixeln, die den Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und Definieren der Pixel als Basis-Pixel, um derart Basis-Klassen der Basis-Pixel zu erzielen, (c) Verwenden mindestens eines Basis-Pixels von jeder der Basis-Klassen zum Erzielen von Basis-Vektoren, wobei die Basis-Vektoren interne Basis-Referenzvektoren sind, und (d) Verwenden der internen Basis-Referenzvektoren zum Identifizieren von Pixeln, die anderen Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.As described further below in Example 3, in some cases the base chromosomes or chromosome regions, and therefore the base pixels and reference vectors, are associated with more than a single fluorophore. According to the present invention, therefore, there is further provided a method for classifying chromosomes or chromosome regions of a cell, wherein the chromosomes or chromosome regions are stained with different fluorophores or combinations thereof such that each of the chromosomes or chromosome regions is stained with a different fluorophore, the method comprising the steps of: (a) using a multi-band collection device to detect a first vector for each pixel of each of the chromosomes or chromosome regions, (b) identifying pixels belonging to the base chromosomes or chromosome regions and defining the pixels as base pixels so as to obtain base classes of the base pixels, (c) using at least one base pixel of each of the base classes to obtain base vectors, the base vectors being internal base reference vectors, and (d) using the internal Base reference vectors for identifying pixels that belong to other chromosomes or chromosome regions.
Vorzugsweise ist die Multi-Banden-Sammelvorrichtung entweder eine Spektral-Abbildungsvorrichtung kombiniert mit einem Filterwürfel und einer Vorrichtung, die mehrere zusätzliche Filterwürfel beinhaltet und zusätzlichen Emissions- und Anregungsfiltern, wie weiter hier vorstehend beschrieben.Preferably, the multi-band collection device is either a spectral imaging device combined with a filter cube and a device including a plurality of additional filter cubes and additional emission and excitation filters as further described hereinabove.
Vorzugsweise beinhaltet weiter ein jeder der vorstehend erwähnten, ersten Vektoren N Elemente, wobei N eine ganze, aus dem Bereich von 3-150 ausgewählte Zahl ist, welcher vorzugsweise normiert ist, wie weiter ausführlich im Beispielsabschnitt nachstehend beschrieben. Vorzugsweise stellt weiter jeder der ersten Vektoren ein Spektrum dar.Preferably, each of the above-mentioned first vectors further comprises N elements, where N is an integer selected from the range 3-150, which is preferably normalized as further described in detail in the Examples section below. Preferably, each of the first vectors further represents a spectrum.
In einer bevorzugten Ausführungsformen wird die Identifizierung der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören, durch ein Verfahren bewirkt,In a preferred embodiment, the identification of the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions is effected by a method
wie Identifizieren der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören unter Verwendung eines herkömmlichen Bandenmusters der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche. Oder derart, wie Identifizieren der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören, unter Verwendung eines RGB-Algorithmus. Alternativ, derart wie Identifizieren der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören, unter Verwendung von K externer Basisvektoren aus einer Bibliothek. In jedem Fall ist vorzugsweise jeder der K Basis-Vektoren ein Mittelwert mehrerer Basis-Pixel, die einer der Basis-Klassen angehören.such as identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using a conventional banding pattern of the L chromosomes or chromosome regions. Or such as identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using an RGB algorithm. Alternatively, such as identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using K external basis vectors from a library. In any case, preferably each of the K basis vectors is an average of a plurality of basis pixels belonging to one of the basis classes.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Identifizierung der Pixel, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören, unter Verwendung der externen Basisvektoren aus der Bibliothek bewirkt unter (a) Verwenden eines Linearzerlegungs-Algorithmus zum Definieren eines Zerlegungs-K-Vektors für jedes Pixel der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, (b) Verwenden eines hohen Schnittwerts, um jeden der Zerlegungs-K-Vektoren in einen transformierten Binär-K-Vektor zu transformieren, und (c) Vergleichen eines jeden der transformierten Binär-K-Vektoren mit K definierten Binär-K-Vektoren, Definieren jedes der K unterschiedlichen Fluorophore, wobei dadurch die Pixel identifiziert werden, die jedem der K Basis-Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören.In a further preferred embodiment of the invention, the identification of the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions using the external basis vectors from the library is accomplished by (a) using a linear decomposition algorithm to define a decomposition K vector for each pixel of the L chromosomes or chromosome regions, (b) using a high cut value to transform each of the decomposition K vectors into a transformed binary K vector, and (c) comparing each of the transformed binary K vectors to K defined binary K vectors defining each of the K different fluorophores, thereby identifying the pixels belonging to each of the K basic chromosomes or chromosome regions.
hi noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Identifizierung der Pixel, die den anderen L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche angehören und die Berechnung der anderen L-K internen Referenzvektoren bewirkt durch (a) Verwenden eines Linearzerlegungs-Algorithmus zum Definieren eines Zerlegungs-K-Vektors für jedes Pixel der L Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche, Verwenden eines niedrigen Schnitt-Werts oder -Bereichs, um jeden der Zerlegungs-K-Vektoren in einen transformierten Binär-K-Vektor zu transformieren, und (c) Vergleichen eines jeden der transformierten Binär-K-Vektoren mit L-K definierten Binär-K-Vektoren, Definieren jeder der Kombinationen der K unterschiedlichen Fluorophore, um dadurch die Pixel zu identifizieren, die jedem der L-K Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen angehören.In yet another preferred embodiment of the invention, the identification of the pixels belonging to the other L-K chromosomes or chromosome regions and the calculation of the other L-K internal reference vectors is effected by (a) using a linear decomposition algorithm to define a decomposition K vector for each pixel of the L chromosomes or chromosome regions, using a low cut value or range to transform each of the decomposition K vectors into a transformed binary K vector, and (c) comparing each of the transformed binary K vectors to L-K defined binary K vectors, defining each of the combinations of the K different fluorophores to thereby identify the pixels belonging to each of the L-K chromosomes or chromosome regions.
Erfindungsgemäß werden weiter farbige Chromosomen-Karyotypen zur Verfügung gestellt. Ein derartiger, farbiger Karyotyp ist eine Anzeige, die eine Abbildung aller Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche einer Zelle beinhaltet. Jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche ist mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt. Die Abbildung zeigt die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterschiedlichen unterscheidbaren Farben, wobei jedem der Chromosomen oder Chromosomen-According to the invention, colored chromosome karyotypes are further provided. Such a colored karyotype is a display that includes an image of all the chromosomes or chromosome regions of a cell. Each of the chromosomes or chromosome regions is colored with a different fluorophore or a combination of fluorophores. The image shows the chromosomes or chromosome regions in different distinguishable colors, with each of the chromosomes or chromosome regions
Bereiche eine der unterschiedlichen, unterscheidbaren Farben zugewiesen wird. Der Begriff "Anzeige" (display), wie hier verwendet, betrifft jegliche sichtbarmachende Darstellung wie, jedoch nicht eingeschränkt auf, eine Fotografie, einen Druck, Bildschirmanzeige oder Monitoranzeige.
5areas are assigned one of the different, distinguishable colors. The term "display" as used herein refers to any visual representation such as, but not limited to, a photograph, print, screen display or monitor display.
5
Ein weiterer, erfindungsgemäßer Farb-Karyotyp ist eine Anzeige, die eine zusammengesetzte Abbildung von zumindest einigen Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle beinhaltet. Jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche ist mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt und mit einer Chromosomen-Banding-Technik ist ein Banding erfolgt, um ein kennzeichnendes Bandenmuster für jedes der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche zu erhalten. Die Abbildung zeigt die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterscheidbaren Farben, bei der jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterscheidbaren Farben zugewiesen ist und bei der weiter jede der unterscheidbaren Farben ein Intensitäts-Muster in Übereinstimmung mit den Bandenmuster von einem jedem der Chromosomen oder Bereich von Chromosomen erwirbt, so daß sowohl die unterscheidbaren Farben, als auch die Bandenmuster von jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche überlagert sind.Another color karyotype according to the invention is a display that includes a composite image of at least some chromosomes or chromosome regions of a cell. Each of the chromosomes or chromosome regions is stained with a different fluorophore or combination of fluorophores and banded using a chromosome banding technique to obtain a characteristic banding pattern for each of the chromosomes or chromosome regions. The image shows the chromosomes or chromosome regions in distinguishable colors, wherein each of the chromosomes or chromosome regions is assigned one of the distinguishable colors, and wherein each of the distinguishable colors acquires an intensity pattern in accordance with the banding patterns of each of the chromosomes or region of chromosomes such that both the distinguishable colors and the banding patterns of each of the chromosomes or chromosome regions are superimposed.
Noch ein weiterer, erfindungsgemäßer Farb-Karyotyp ist eine Anzeige, die eine zusammengesetzte Abbildung von zumindest einigen Chromosomen oder Chromosomen-Bereichen einer Zelle beinhaltet. Jedes bzw. jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche ist mit einem unterschiedlichen Fluorophor oder einer Kombination von Fluorophoren angefärbt und ein Banding mit der Chromosomen-Banding-Technik ist erfolgt, um ein kennzeichnendes, Bandenmuster und Form für jedes bzw. jeden der Chromosome oder Chromosomen-Bereiche zu erzielen. Die Abbildung zeigt die Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche in unterscheidbaren Farben, bei der jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche eine der unterscheidbaren Farben zugewiesen wurde und bei der weiter jeder der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche die kennzeichnende Form erworben hat, so daß sowohl die unterscheidbaren Farben, als auch die Formen von jedem der Chromosomen oder Chromosomen-Bereiche überlagert sind.Yet another color karyotype according to the invention is a display that includes a composite image of at least some chromosomes or chromosome regions of a cell. Each of the chromosomes or chromosome regions is stained with a different fluorophore or combination of fluorophores and banded with the chromosome banding technique to achieve a distinctive banding pattern and shape for each of the chromosomes or chromosome regions. The image shows the chromosomes or chromosome regions in distinguishable colors, wherein each of the chromosomes or chromosome regions has been assigned one of the distinguishable colors and wherein further each of the chromosomes or chromosome regions has acquired the distinctive shape such that both the distinguishable colors and the shapes of each of the chromosomes or chromosome regions are superimposed.
Erfindungsgemäß wird weiter eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine zusammengesetzte Abbildung eines Chromosoms oder eines Bereichs eines Chromosoms beinhaltet. Das Chromosom oder der Bereich des Chromosoms wird in einer Farbe gezeigt, wobei die Farbe ein Bandenmuster von abwechselnd helleren und dunkleren Banden einschließt, wobei sowohl die Farbe als auch das Bandenmuster Hinweise auf den Chromosom-Bereich der Chromosom-Identifikation gibt (d.h. Chromosomen-Nummer und/oder Region).According to the invention there is further provided a display comprising a composite image of a chromosome or a region of a chromosome. The chromosome or region of the chromosome is shown in a color, the color including a banding pattern of alternating lighter and darker bands, both the color and the banding pattern providing indications of the chromosome region of chromosome identification (i.e., chromosome number and/or region).
Erfindungsgemäß wird weiter noch eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine Abbildung eines Chromosoms oder eines Bereichs eines Chromosoms beinhaltet. Das Chromosom oder der Bereichs eines Chromosoms wird in einer Farbe gezeigt, die Hinweise zur Identifikation des Chromosoms oder des Bereichs eines Chromosoms gibt. Wobei das Chromosom oder der Bereich eines Chromosoms eine Form aufweist, die ähnlich seiner Form (Umriß) nach erfolgtem Banding, unter Verwendung herkömmlicher Banding-Techniken (beispielsweise G-Banding, R-Banding (DAPI), etc.) geformt ist.According to the invention there is further provided a display which includes an image of a chromosome or a region of a chromosome. The chromosome or the region of a chromosome is shown in a color which provides clues for identifying the chromosome or the region of a chromosome. The chromosome or the region of a chromosome has a shape which is similar to its shape (outline) after banding using conventional banding techniques (e.g. G-banding, R-banding (DAPI), etc.).
Erfindungsgemäß wird weiter noch eine Anzeige zur Verfügung gestellt, die eine zusammengesetzte Abbildung eines Chromosoms oder eines Bereichs eines Chromosoms beinhaltet, wobei die zusammengesetzte Abbildung die Überlagerung einer Färb-Abbildung und einer Abbildungnach-Banding (banded image) des Chromosoms oder des Bereichs eines Chromosoms beinhaltet.According to the invention there is further provided a display comprising a composite image of a chromosome or a region of a chromosome, the composite image comprising the superposition of a staining image and a banded image of the chromosome or the region of a chromosome.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist gegenüber den Verfahren des Stands der Technik erhebliche Vorteile auf, die durch die Einführung der Chromosomen-Klassifizierung bedingt werden, die interne Referenzvektoren zur Pixel-Klassifizierung verwendet, wobei die internen Referenzvektoren gewöhnlich eine bessere Leistung liefern. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Verfahren einfach automatisiert werden kann. Unter Verwendung dieses Verfahrens werden deshalb halb- oder nicht qualifizierte Zellgenetiker in die Lage versetzt, klare und informative Karyotypen zu erhalten, was eine Überlagerung spektraler und räumlicher Information einschließen kann.The method of the present invention has significant advantages over prior art methods due to the introduction of chromosome classification using internal reference vectors for pixel classification, where the internal reference vectors usually provide better performance. Another advantage of the present invention is that the method can be easily automated. Using this method, therefore, semi- or unskilled cell geneticists are enabled to obtain clear and informative karyotypes, which may include a superposition of spectral and spatial information.
Nachstehend wird nun auf die Beispiele Bezug genommen, die zusammen mit der vorstehenden Beschreibung die Erfindung in nicht-einschränkender Weise erläutern.Reference is now made to the examples which, together with the foregoing description, illustrate the invention in a non-limiting manner.
Beispiel 1 Chromosomen-Präparation zur Erfassung Example 1 Chromosome preparation for detection
Die Entstehung der Vielfarben-FISH hat die Anwendungen der molekularen Zellgenetik in Grundlagenforschung und genetischer Diagnose erweitert. Alle existierenden Vielfarben-FISH-Techniken erfordern die Verwendung fluoreszierender Sonden, deren Emissionspektren mit optischen Filtern getrennt werden können. [Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging spectroscopy, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89 (1992) 1388-1392; und Ried, Fluoreszenz-/«-.sziw-Hybridsierung in der genetischen Diagnostik, Fakultät für Theoretische Medizin, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg (Jan. 1994), die beide durch Bezugnahme eingegliedertThe advent of multicolor FISH has expanded the applications of molecular cell genetics in basic research and genetic diagnosis. All existing multicolor FISH techniques require the use of fluorescent probes whose emission spectra can be separated with optical filters. [Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging spectroscopy, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 (1992) 1388-1392; and Ried, Fluorescence/fluorescence hybridization in genetic diagnostics, Faculty of Theoretical Medicine, Ruprecht-Karls-University Heidelberg (Jan. 1994), both incorporated by reference.
werden, als wären sie vollständig hierin bekannt gemacht worden]. Diese Anforderung schränkt die Anzahl an Farbstoffen ein, die in einer gegebenen Probe unterschieden werden können. Ein neuer Ansatz für FISH, wobei das SpectraCube ™ System zum Erfassen und Analysieren mehrfach spektral überlappender, markierter Sonden (einfach und kombinatorisch), zum Klassifizieren von Chromosomen und deshalb zum Nachweisen von chromosomalen Aberrationen verwendet wird, wurde kürzlich eingeführt [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497].as if they were fully disclosed herein]. This requirement limits the number of dyes that can be distinguished in a given sample. A new approach to FISH, using the SpectraCube™ system to detect and analyze multiple spectrally overlapping labeled probes (single and combinatorial), to classify chromosomes and therefore to detect chromosomal aberrations, has recently been introduced [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497].
Gemäß diesem neuen Ansatz wurde Bio-Spektral-Abbildung verwendet, welche eine Kombination von Fourier-Spektroskopie, CCD-Abbildung und optischer Mikroskopie darstellt, wobei die Erfassung genauer spektraler Daten gleichzeitig an allen Punkten einer biologischen Probe ermöglicht wird, um eine auf Hybridisierung basierende Vielfarben-Erscheinung aller (d.h. 24) Typen menschlicher Chromosomen sichtbar zu machen und eine Farbkarte des menschlichen Karyotyps zu erzeugen (ein Farb-/Spektral-Karyotyp).
15According to this new approach, bio-spectral imaging, which is a combination of Fourier spectroscopy, CCD imaging and optical microscopy, was used to acquire accurate spectral data simultaneously at all points of a biological sample to visualize a hybridization-based multicolor appearance of all (i.e., 24) types of human chromosomes and to generate a color map of the human karyotype (a color/spectral karyotype).
15
Nachstehend wird eine Beschreibung der Farbstoffe und ihrer Kombinationen aufgeführt, die gegenwärtig bevorzugt sind, wobei diese Farbstoffe und Kombinationen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahrens verwendet wurden.Below is a description of the dyes and their combinations which are presently preferred, which dyes and combinations have been used to carry out the chromosome classification method of the invention.
Folglich wurden 24 Chromosomen-Anfärbungsmittel (1 bis 22, X und Y, Tafel 1), wobei jeder mit einer unterschiedlichen Kombination von vier oder weniger unterschiedlichen Fluorophoren markiert ist, die ausgewählt sind aus einem Satz von fünf Fluorophoren, gemäß dem kombinatorischen Hybridisierungs-Ansatz (a bis e, Tafel 1), (siehe Tafel 1 für die unterschiedlichen Fluorophore und ihre spekralen Kennzeichen und Tafel 2 für die Zuweisung der, in Tafel 1 aufgeführten Fluorophore zum Erzielen der 24 Chromosomen-Anfärbungsmittel) gleichzeitig mit menschlichen mitotischen Chromosomen-Spreads von wenigen nichtverwandten (non-related), männlichen, weißen Blutkörperchenzellen hybridisiert, die im wesentlichen wie in Ried et al. beschrieben [Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging spectroscopy, Proc. Natl. Acad. Sei. USA 89 (1992) 1388-1392] für eine Hybridisierung vorbereitet waren.Thus, 24 chromosome stains (1 to 22, X and Y, Panel 1), each labeled with a different combination of four or fewer different fluorophores selected from a set of five fluorophores according to the combinatorial hybridization approach (a to e, Panel 1) (see Panel 1 for the different fluorophores and their spectral characteristics and Panel 2 for the assignment of the fluorophores listed in Panel 1 to yield the 24 chromosome stains) were simultaneously hybridized to human mitotic chromosome spreads from a few non-related male white blood cell cells prepared essentially as described in Ried et al. [Ried et al., Simultaneous visualization of seven different DNA probes by in situ hybridization using combinatorial fluorescence and digital imaging spectroscopy, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 (1992) 1388-1392] were prepared for hybridization.
Hybridisierte Chromosomen wurden durch ein invertiertes, mit dem SpectraCube™ System verbundenes Fluoreszenz-Mikroskop betrachtet und wurden analysiert.
35Hybridized chromosomes were viewed through an inverted fluorescence microscope connected to the SpectraCube™ system and were analyzed.
35
Es ist für einen durchschnittlichen Fachmann klar, daß andere Fluorophore, andere Kombinationen von Fluorophoren und unterschiedliche Markierungs-Ansätze (beispielsweiseIt is clear to one of ordinary skill in the art that other fluorophores, other combinations of fluorophores and different labeling approaches (e.g.
kombinatorisches Markieren) in ähnlicher Weise verwendet werden können. Folglich ist das, hier nachstehend in Tafel 1 und 2 aufgeführte Informationsmaterial lediglich illustrativer Natur und eine Begrenzung des Bereichs der Erfindung auf die aufgeführten Fluorophore und/oder Markierungs-Technik ist nicht beabsichtigt.combinatorial labeling) can be used in a similar manner. Consequently, the information presented in Tables 1 and 2 below is merely illustrative in nature and is not intended to limit the scope of the invention to the fluorophores and/or labeling techniques listed.
TAFELl:TABLE:
AnfärbungsmittelChromosome
Staining agents
AnfärbungsmittelChromosome
Staining agents
BEISPIEL 2 Das Erfassungs-Gerät EXAMPLE 2 The capture device
Figur 1 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung der Hauptkomponenten eines Abbildungs-Spektrometers des Stands der Technik, das in der U.S. Patentanmeldung No. 08/392,019 von Cabib et al. offenbart wurde, eingereicht am 21. Februar 1995, nunmehr U.S. Patent No. 5,539,517, ausgegeben am 23. Juli 1996, was durch Bezugnahme eingegliedert wird, als ob vollständig hierin bekannt gemacht worden wäre. Dieses Abbildungs-Spektrometer ist für eine Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in sehr geeigneter Weise konstruiert, da es hohe spektrale (Ca. 4-14 nm abhängig von der Wellenlänge) und räumliche (Ca. 30/M &mgr;&eegr;&igr; wobei M die effektive Mikroskop- oder fore-optics-Vergrößerung (the effective microscope or fore optics magnification) Auflösungen aufweist.Figure 1 is a block diagram illustrating the major components of a prior art imaging spectrometer disclosed in U.S. Patent Application No. 08/392,019 by Cabib et al., filed February 21, 1995, now U.S. Patent No. 5,539,517, issued July 23, 1996, which is incorporated by reference as if fully set forth herein. This imaging spectrometer is very suitably constructed for carrying out the method of the invention because it has high spectral (ca. 4-14 nm depending on wavelength) and spatial (ca. 30/M μηλ where M is the effective microscope or fore optics magnification) resolutions.
Folglich beinhaltet das Abbildungs-Spektrometer von Figur 1: ein optisches Sammel System, allgemein als 20 bezeichnet; einen ein-dimensionalen Scanner, wie durch Block 22 angezeigt; eine Vorrichtung zur Erzeugung einer optischen Wegdifferenz (OPD) oder Interferometer, wie durch Block 24 angezeigt; einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Detektor-Anordnung (detector array), wie in Block 26 angezeigt; und einen Signal-Prozessor und Anzeige, wie durch Block 28 angezeigt.Thus, the imaging spectrometer of Figure 1 includes: an optical collection system, generally designated 20; a one-dimensional scanner, as indicated by block 22; an optical path difference (OPD) generator or interferometer, as indicated by block 24; a one-dimensional or two-dimensional detector array, as indicated in block 26; and a signal processor and display, as indicated by block 28.
Ein entscheidendes Element in System 20 ist der OPD-Erzeuger oder das Interferometer 24, der bzw. das moduliertes Licht ausgibt, das einem vorbestimmten Satz von Linearkombinationen der spektralen Intensität des von jedem Pixel emittierten Lichtes der zu analysierenden Szene entspricht. Die Ausgabe des Interferometers wird auf die Detektoranordnung 26 fokussiert.A critical element in system 20 is the OPD generator or interferometer 24, which outputs modulated light corresponding to a predetermined set of linear combinations of the spectral intensity of the light emitted by each pixel of the scene being analyzed. The output of the interferometer is focused on the detector array 26.
Folglich werden alle erforderlichen optischen Phasendifferenzen gleichzeitig für alle Pixel des Sichtfelds durchgemustert (scanned), um die gesamte erforderliche Informationen zum Rekonstruieren des Spektrums zu erhalten. Die Spektren von allen Pixeln in der Szene werden folglich gleichzeitig mit der Abbildungs-Information gesammelt, wobei dadurch Analyse der Abbildung in einer Echtzeit-Weise ermöglicht wird.Consequently, all required optical phase differences are scanned simultaneously for all pixels of the field of view to obtain all the information required to reconstruct the spectrum. The spectra from all pixels in the scene are thus collected simultaneously with the image information, thereby enabling analysis of the image in a real-time manner.
Das Gerät gemäß U.S. Pat. No. 5,539,517 kann in einer großen Vielfalt von Konfigurationen eingesetzt werden. Insbesondere kann das verwendete Interferometer mit anderen Spiegeln, wie in den relevanten Figuren von U.S. Pat. No. 5,539,517 beschrieben, kombiniert werden.The device according to U.S. Pat. No. 5,539,517 can be used in a wide variety of configurations. In particular, the interferometer used can be combined with other mirrors as described in the relevant figures of U.S. Pat. No. 5,539,517.
Folglich können gemäß U.S. Pat. No. 5,539,517 alternative Typen von Interferometern verwendet werden. Diese beinhalten (1) einen beweglichen Typ eines Interferometers, bei dem die OPD zur Modulation des Lichts variiert wird, namentlich ein Fabry-Perot-Interferometer mit gescannter Schichtdicke, (2) ein Interferometer vom Michelson-Typ, das einen Stahlenspalter beinhaltet, der den Strahl von einem optischen Sammelsystem und einem Scanner empfängt und den Strahl in zwei Wege aufspaltet: (3) ein Sagnac-Interferometer, optionsweise mit anderen optischen Mitteln kombiniert, wobei in dem Interferometer die OPD mit dem Einfallswinkel der ankommenden Strahlung variiert, derart wie der Vier-Spiegel (four-mirror) zusammen mit Strahlenspalter-Interferometer, wie weiter in der zitierten U.S. Patentschrift beschrieben (siehe Figur 14 dort).Thus, according to U.S. Pat. No. 5,539,517, alternative types of interferometers may be used. These include (1) a movable type of interferometer in which the OPD is varied to modulate the light, namely a Fabry-Perot scanned layer thickness interferometer, (2) a Michelson type interferometer which includes a beam splitter which receives the beam from an optical collection system and a scanner and splits the beam into two paths: (3) a Sagnac interferometer, optionally combined with other optical means, in which interferometer the OPD varies with the angle of incidence of the incoming radiation, such as the four-mirror combined beam splitter interferometer as further described in the cited U.S. patent (see Figure 14 therein).
Figur 2 veranschaulicht ein Abbildungs-Spektrometer, das gemäß U.S. Pat. No. 5,539,517 konstruiert wurde, wobei ein Interferometer verwendet wird, in dem die OPD mit dem Einfallswinkel der ankommenden Strahlung variiert. Ein Strahl, der in das Interferometer unter einem kleinen Winkel zu der optischen Achse eintritt, erfährt eine OPD, die sich im wesentlichen linear mit diesem Winkel verändert.Figure 2 illustrates an imaging spectrometer constructed in accordance with U.S. Pat. No. 5,539,517 using an interferometer in which the OPD varies with the angle of incidence of the incoming radiation. A beam entering the interferometer at a small angle to the optical axis experiences an OPD that varies substantially linearly with that angle.
In dem Interferometer von Figur 2, wird die gesamte Strahlung von Quelle 30 in allen Pixel, nach erfolgter Kollimation bzw. parallel Ausrichtung durch ein optisches Sammelsystem 31, von einem mechanischen Scanner 32 durchgemustert. Das Licht geht dann durch einen Strahlenspalter 33, zu einem ersten Reflektor 34 und dann zu einem zweiten Reflektor 35, der das Licht zurück durch den Strahlenspalter 33 reflektiert, und dann durch eine fokussierendeIn the interferometer of Figure 2, all radiation from source 30 in all pixels, after collimation by an optical collection system 31, is scanned by a mechanical scanner 32. The light then passes through a beam splitter 33, to a first reflector 34 and then to a second reflector 35, which reflects the light back through the beam splitter 33, and then through a focusing
Linse 36 zu einer Anordnung von Detektoren 37 (beispielsweise ein CCD). Dieser Strahl interferiert mit dem Strahl der von 33, dann durch zweiten Reflektor 35, und schließlich durch ersten Reflektor 34 reflektiert wird.Lens 36 to an array of detectors 37 (for example a CCD). This beam interferes with the beam reflected by 33, then by second reflector 35, and finally by first reflector 34.
Am Ende von einem Scan wurde jedes Pixel der Szene durch alle OPDen erfaßt und deshalb kann das Spektrum eines jeden Pixels durch Fourier-Transformation rekonstruiert werden. Ein Strahl parallel zu der optischen Achse wird kompensiert und ein Strahl unter einem Winkel (&THgr;) bezüglich der optischen Achse erfährt eine OPD, die eine Funktion der Schichtdicke des Strahlenspalters 33, seines Refraktionsindex und des Winkels &thgr; ist. Die OPD ist für kleine Winkel proportional zu &THgr;. Durch Anwenden einer geeigneten Inversion und durch sorgfältige Buchführung, wird das Spektrum eines jeden Pixels berechnet.At the end of a scan, every pixel of the scene has been covered by all OPDs and therefore the spectrum of each pixel can be reconstructed by Fourier transform. A ray parallel to the optical axis is compensated and a ray at an angle (θ) with respect to the optical axis experiences an OPD which is a function of the layer thickness of the beam splitter 33, its refractive index and the angle θ. The OPD is proportional to θ for small angles. By applying a suitable inversion and by careful bookkeeping, the spectrum of each pixel is calculated.
In der Konfiguration von Figur 2, durchläuft der, auf den Strahlenspalter unter einen Winkel &bgr; (&bgr; = 45° in Figur 2) einfallende Strahl das Interferometer mit einer OPD = O, während ein Strahl, der unter einem allgemeinen Winkel &bgr; - &thgr; einfällt, eine OPD erfährt, die von Gleichung 2 gegeben wird:In the configuration of Figure 2, the beam incident on the beam splitter at an angle β (β = 45° in Figure 2) passes through the interferometer with an OPD = O, while a beam incident at a general angle β - θ experiences an OPD given by Equation 2:
(2) OPD(ß,0 ,*,«) = f[(«2-sin2(ß+e))0·5 - («2-sin2(ß-0))°·5 + 2sinßsine] (2) OPD(ß,0 ,*,«) = f[(« 2 -sin 2 (ß+e)) 0 · 5 - (« 2 -sin 2 (ß-0))°· 5 + 2sinßsine]
wobei &thgr; der Winkelabstand eines Strahls von der optischen Achse oder Interferometer Rotationswinkel hinsichtlich der zentralen Position ist; t ist die Schichtdicke des Strahlenspalters und &eegr; ist der Refraktionsindex des Strahlenspalters.where θ is the angular distance of a beam from the optical axis or interferometer rotation angle with respect to the central position; t is the layer thickness of the beam splitter and η is the refractive index of the beam splitter.
Aus Gleichung 2 folgt, daß man durch Durchmustern, sowohl positiver als auch negativer Winkel hinsichtlich der zentralen Position, ein doppelseitiges Interferogramm für jedes Pixel erhält, das Phasenfehler zu eliminieren hilft, wobei genauere Ergebnisse in der Fourier-Transform-Rechnung erhalten werden. Die Durchmusterungs-Amplitude bestimmt die maximal erreichte OPD, die mit der spektralen Auflösung der Erfassung in Relation steht. Die Größe der Winkelschritte bestimmt den OPD Schritt, der wiederum von der kürzesten Wellenlänge, auf die das System empfindlich ist, bestimmt wird. In der Tat muß dieser OPD-Schritt, gemäß dem sampling-Theorem [siehe Chamberlain, The principles of interferometrie spectroscopy, John Wiley and Sons, (1979) 53-55] kleiner als die Hälfte der kürzesten Wellenlänge sein, bei der das System empfindlich ist.From equation 2 it follows that by sampling both positive and negative angles with respect to the central position, one obtains a double-sided interferogram for each pixel, which helps to eliminate phase errors and gives more accurate results in the Fourier transform calculation. The sampling amplitude determines the maximum OPD achieved, which is related to the spectral resolution of the acquisition. The size of the angular steps determines the OPD step, which in turn is determined by the shortest wavelength to which the system is sensitive. In fact, according to the sampling theorem [see Chamberlain, The principles of interferometrie spectroscopy, John Wiley and Sons, (1979) 53-55], this OPD step must be less than half the shortest wavelength to which the system is sensitive.
Ein anderer Parameter, der in Betracht gezogen werden sollte, ist die begrenzte Größe eines Detektor-Elements in der Matrix. Durch die fokussierenden optischen Bestandteile begrenzt (subtends) das Element eine begrenzte OPD in dem Interferometer, was die Auswirkung desAnother parameter that should be considered is the limited size of a detector element in the matrix. Due to the focusing optical components, the element subtends a limited OPD in the interferometer, which reduces the effect of the
Zusammenrollens (convolving) des Interferogramms mit einer Rechteck-Funktion hat. Dies führt in der Folge zu einer Reduktion der System-Empfindlichkeit bei kurzen Wellenlängen, die bei Wellenlängen gleich oder unterhalb der, durch das Element begrenzten OPD zu Null abfällt. Aus diesem Grund muß sicher gestellt werden, daß die Modulations-Transfer-Funktion (modulation transfer function, MTF) Bedingung erfüllt ist, d.h. daß die OPD, die durch ein Detektorelement in dem Interferometer begrenzt wird, kleiner sein muß als die kürzeste Wellenlänge bei der das Instrument empfindlich ist.convolving the interferogram with a rectangular function. This leads to a reduction in the system sensitivity at short wavelengths, which drops to zero at wavelengths equal to or below the OPD limited by the element. For this reason, it must be ensured that the modulation transfer function (MTF) condition is met, i.e. that the OPD limited by a detector element in the interferometer must be smaller than the shortest wavelength at which the instrument is sensitive.
Folglich messen die, in Übereinstimmung mit der in U.S. Pat. No. 5,539,517 offenbarten Erfindung konstruierten, Abbildungs-Spektrometer nicht bloß die, von jedem Pixel im Sichtfeld kommende Intensität des Lichts, sondern erfassen ebenfalls das Spektrum jedes Pixels in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich. Sie nutzen ebenfalls besser die gesamte Strahlung, die von jedem Pixel im Sichtfeld zu einem gegebenen Zeitpunkt emittiert wird und ermöglichen deshalb, wie vorstehend erklärt, eine signifikante Abnahme der Einzelbild- bzw. Datenübertragungsblock-Zeit (frame time) und/oder eine signifikante Zunahme der Empfindlichkeit;des Spektrometer. Derartige Abbildungs-Spektrometer können verschiedene Typen von Interferometern und optische, sammelnde und fokussierende, Systeme beinhalten und können deshalb in einer großen Vielfalt an Anwendungen, einschließlich medizinischer Diagnostik und Therapie und biologischer Forschungsanwendungen, so wie zur Fernerkundung für geologische und landwirtschaftliche Untersuchen und dergleichen, verwendet werden. Wie vorstehend erwähnt wurde eine Spektral-Abbildungsvorrichtung gemäß der in der U.S. Pat. No. 5,539,517 offenbarten Erfindung von Applied Spectral Imaging Ltd, Industrial Park, Migdal Haemek, Israel entwickelt und hierauf wird hier als SpectraCube™ Bezug genommen.Thus, imaging spectrometers constructed in accordance with the invention disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,517 not only measure the intensity of light emanating from each pixel in the field of view, but also capture the spectrum of each pixel in a predetermined wavelength range. They also make better use of all of the radiation emitted by each pixel in the field of view at a given time and therefore, as explained above, enable a significant decrease in frame time and/or a significant increase in the sensitivity of the spectrometer. Such imaging spectrometers may incorporate various types of interferometers and optical collecting and focusing systems and therefore may be used in a wide variety of applications including medical diagnostics and therapy and biological research applications, as well as remote sensing for geological and agricultural surveys and the like. As mentioned above, a spectral imaging device in accordance with the invention disclosed in U.S. Pat. No. 5,539,517 disclosed invention of Applied Spectral Imaging Ltd, Industrial Park, Migdal Haemek, Israel and is referred to herein as SpectraCube™.
Das optisch mit einem Mikroskop verbundene SpectraCube™ System wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Chromosomen-Klassifizierung verwendet. Das SpectraCube™ System weist folgende oder bessere Kennzeichen auf, die nachstehend in Tafel 3 aufgeführt sind.The SpectraCube™ system optically connected to a microscope is used to carry out the chromosome classification method of the invention. The SpectraCube™ system has the following or better characteristics, which are listed below in Table 3.
TAFEL 3TABLE 3
Räumliche Auflösung: 30/M &mgr;&eegr;&igr; (M= wirksame Mikroskop- oder fore-optics-VergrößerungSpatial resolution: 30/M μηι (M= effective microscope or fore-optics magnification
(effective microscope or fore optics magnification))(effective microscope or fore optics magnification))
Sichtfeld: 15/M MillimeterField of view: 15/M millimeters
Empfindlichkeit: 20 MilliLux (bei 100 msec Integrationszeit, nimmt bei längerenSensitivity: 20 milliLux (at 100 msec integration time, decreases with longer
Integrationszeiten linear mit 4&tgr; zu)Integration times linear with 4&tgr; to)
Spektralbereich: 400-1000 nmSpectral range: 400-1000 nm
Spektrale Auflösung: 4 nm bei 400 nm (16 ran bei 800 nm)
Erfassungszeit.· 5-50 see, typisch 25 seeSpectral resolution: 4 nm at 400 nm (16 ran at 800 nm)
Capture time.· 5-50 see, typically 25 see
FFT Bearbeitungszeit: 20-180 see, typisch 60 seeFFT processing time: 20-180 see, typically 60 see
Das SpectraCube™ System des Stands der Technik wird hier zum Erfassen eines N Vektors von spektralen Daten (ein Spektrum in diesem Fall) von jedem Metaphase-Pixel in situ angefärbter Chromosomen, wie vorstehend beschrieben, verwendet. Wie vorstehend ausgeführt, kann jedoch jegliche Spektral-Abbildungsvorrichtung, d.h. ein Instrument das mißt und das für einen späteren Abruf und Analyse das Spektrum des Lichtes speichert, das von jedem Punkt eines in sein Sichtfeld eingebrachten Objekts emittiert wird, einschließlich Spektral-Abbildungsvorrichtungen auf Basis von Filter (beispielsweise akkusto-optisch abstimmbare Filter (AOTF) oder Flüssigkristall-abstimmbare Filter (LCTF) und dispersivem Element (beispielsweise Gitter oder Prisma) oder anderer Spektraldaten- oder Multibanden-Sammel-Vorrichtungen (beispielsweise eine Vorrichtung gemäß der Offenbarung von Speicher R. M., Ballard S. G. und Ward C. D., Karyotyping human chromosomes by combinatorial multi-flour FISH, Nature genetics (1996) 12:368-375), zum Erfassen der erforderlichen Spektraldaten verwendet werden. Es ist deshalb nicht beabsichtigt, den Bereich der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Verwendungen eines spezifischen Typs von Spektraldatensammel-Vorrichtungen oder eines spezifischen Typs von Spektral-Abbildungsvorrichtungen einzuschränken.The prior art SpectraCube™ system is used here to acquire an N vector of spectral data (a spectrum in this case) from each metaphase pixel of in situ stained chromosomes as described above. However, as stated above, any spectral imaging device, i.e. an instrument that measures and stores for later retrieval and analysis the spectrum of light emitted from any point of an object placed in its field of view, including filter-based spectral imaging devices (e.g. acousto-optical tunable filters (AOTF) or liquid crystal tunable filters (LCTF) and dispersive element (e.g. grating or prism) or other spectral data or multi-band collection devices (e.g. a device according to the disclosure of Speicher RM, Ballard SG and Ward CD, Karyotyping human chromosomes by combinatorial multi-flour FISH, Nature genetics (1996) 12:368-375), may be used to acquire the required spectral data. It is therefore not intended to limit the scope of the present invention to the uses of any specific type of spectral data collection device or any specific type of spectral imaging devices.
Identifizierung interner Referenzvektoren zur Chromosomen-Klassifizierung 20Identification of internal reference vectors for chromosome classification 20
1. Definitionen und vorbereitende Behandlung der Spektraldaten1. Definitions and preparatory treatment of spectral data
Ein Spektrum kann als ein Vektor der Größe N dargestellt werden, bei dem jede Komponente oder jedes Element die Lichtintensität bei einer gewählten Wellenlänge darstellt. Die Anzahl der Komponenten (N) aus denen ein Spektrum zusammengesetzt ist, hängt von dem Spektralbereich ab (beispielsweise Bereich des sichtbaren Lichts, .400-750 nm) und von der spektralen Auflösung des Erfassungsgerätes. Beispielsweise wird ein Spektrum durch einen 151-Vektor dargestellt, bei einer über einen Spektralbereich von, sagen wir 400 nm bis 700 nm, homogen verteilten 2 nm spektralen Auflösung.A spectrum can be represented as a vector of size N, where each component or element represents the intensity of light at a chosen wavelength. The number of components (N) that make up a spectrum depends on the spectral range (e.g. visible light range, .400-750 nm) and on the spectral resolution of the acquisition device. For example, a spectrum is represented by a 151 vector with a 2 nm spectral resolution homogeneously distributed over a spectral range of, say, 400 nm to 700 nm.
Falls deshalb der Begriff "Spektrum" (oder Spektren im Plural) in der Beschreibung und den nachstehenden Ansprüchen verwendet wird, so bezieht er sich auf den N-Vektor, der dieses Spektrum darstellt. In einigen Fällen wird der äquivalente Begriff "Spektral-Vektor" verwendet.Therefore, when the term "spectrum" (or spectra in the plural) is used in the specification and the claims below, it refers to the N-vector representing that spectrum. In some cases, the equivalent term "spectral vector" is used.
Ein anderer Begriff ein "normiertes Spektrum" (oder Spektren im Plural) wird ebenfalls hier verwendet. Ein normiertes Spektrum wird aus dem ursprünglichen Spektrum berechnet, nach Teilen der Intensität an jedem Wert durch die integrierte Intensität des gesamten Spektrums. Dieses Verfahren sichert, daß ein normiertes Spektrum eine gesamte integrierte Intensität von genau gleich 1 aufweist. Dadurch wird es möglich die spektrale Form von zwei unterschiedlichen Spektren ohne Berücksichtigung ihrer Intensität zu vergleichen. In vielen Fällen stellt die Form des Spektrums, vielmehr als seine Intensität, einen besseren Klassifizierer bzw. ein besseres Klassifizierungs-Kriterium dar. Normierte Spektren werden vorzugsweise zum Ausschließen variabler Intensitäts-Effekte, der Unregelmäßigkeiten, die mit der untersuchten Probe, dem Markierungs-Verfahren oder den optischen Erfassungs-Elementen assoziiert bzw. verbunden sind, verwendet.Another term, a "normalized spectrum" (or spectra in the plural), is also used here. A normalized spectrum is calculated from the original spectrum by dividing the intensity at each value by the integrated intensity of the entire spectrum. This procedure ensures that a normalized spectrum has a total integrated intensity equal to exactly 1. This makes it possible to compare the spectral shape of two different spectra without considering their intensity. In many cases, the shape of the spectrum, rather than its intensity, is a better classifier or classification criterion. Normalized spectra are preferably used to exclude variable intensity effects, irregularities associated with the sample under investigation, the labeling procedure or the optical detection elements.
Weiterhin werden alle hier beschriebenen, mathematischen Verfahren vorzugsweise nach einem Verfahren der Hintergrund-Subtraktion durchgeführt. Hintergrund-Subtraktion ist ein mathematisches Verfahren, bei dem ein Spektrum eines Pixels oder ein Durchschnitts-Spektrum von einigen oder allen in dem Hintergrundbereich befindlichen Pixel von dem Spektrum eines jeden Pixels abgezogen wird. Als Ergebnis, werden Hintergrund-Fluoreszenz-Signale, die allen Pixel gemeinsam sind, abgezogen, wobei dadurch die Klassifizierungs-Spezifität der Signale erhöht wird. Weiterhin sind die Hintergrund-Pixel nun durch Spektren gekennzeichnet, die alle nahe an der Null-Intensität bei allen Wellenlängen sind, wobei die Pixel vorzugsweise für jegliche weitere Betrachtung eliminiert werden. Deshalb werden nur Pixel in weitere Betrachtung einbezogen, die mit den Chromosomen assoziiert sind.Furthermore, all mathematical procedures described herein are preferably performed using a background subtraction procedure. Background subtraction is a mathematical procedure in which a spectrum of a pixel or an average spectrum of some or all of the pixels located in the background region is subtracted from the spectrum of each pixel. As a result, background fluorescence signals common to all pixels are subtracted, thereby increasing the classification specificity of the signals. Furthermore, the background pixels are now characterized by spectra that are all close to zero intensity at all wavelengths, and the pixels are preferably eliminated for any further consideration. Therefore, only pixels associated with the chromosomes are included in further consideration.
2. Identifizierung externer Basis-Spektral-Vektoren2. Identification of external basis spectral vectors
Der Begriff "Basis"-, wie er hier in Zusammenhang mit anderen Begriffen, derart wie Spektren, Pixel, Chromosom, Cluster, Klasse etc. verwendet wird, bezieht sich in den meisten Fällen auf einen Zustand, an dem ein einzelner Fluorophor beteiligt ist, im Gegensatz zu einer Kombination von Fluorophoren. Da fünf Fluorophore in den hier gegebenen Beispielen verwendet werden, gibt es fünf Klassen von Basis-Elementen (basics), wobei jede Klasse mit einem unterschiedlichen Fluorophor assoziiert ist. Jedoch wird es Würdigung finden, daß bei einigen Anwendungen ein Basis-Merkmal (beispielsweise Chromosom, Pixel, Klasse, etc.) sich auf ein Merkmal bezieht, bei dem mehr als ein Fluorophor beteiligt ist. Bei den vorliegenden Beispielen beziehen sich sie die Basis-Merkmale auf solche, die mit einem einzelnen Fluorophor assoziiert sind, wobei trotz dieses Vorgehens nicht beabsichtigt wird, den Bereich der vorliegenden Erfindung auf derartige Fälle zu begrenzen. Folglich kann eine, wie hier vorstehend beschriebeneThe term "basic" as used herein in conjunction with other terms such as spectra, pixel, chromosome, cluster, class, etc., refers in most cases to a state involving a single fluorophore, as opposed to a combination of fluorophores. Since five fluorophores are used in the examples given herein, there are five classes of basics, each class being associated with a different fluorophore. However, it will be appreciated that in some applications a basic feature (e.g., chromosome, pixel, class, etc.) refers to a feature involving more than one fluorophore. In the present examples, the basic features refer to those associated with a single fluorophore, although this approach is not intended to limit the scope of the present invention to such cases. Thus, a
und nachstehend weiter beschriebene und beispielhaft ausgeführte Linearzerlegung unter Verwendung von Basis-Pixeln, die Basis-Klassen bilden, die Basis-Chromosomen angehören, die von mehr als einem Fluorophor angefärbt wurden, ausgeführt werden.and linear decomposition, further described and exemplified below, is performed using basis pixels forming basis classes belonging to basis chromosomes stained by more than one fluorophore.
Wie vorstehend in Tafel 1 und 2 von Beispiel 1 gezeigt, sind die fünf Basis- Chromosomen im angegebenen Beispiel die Chromosomen mit Nummer 2, 8,14, 17 und 20, die mit Cy5.5 (e) bzw. Spektrum-Grün bzw. (d) bzw. Texas-Rot (b) bzw. Cy5™ (c) bzw. Spektrum-Orange (a) markiert sind.As shown above in Panels 1 and 2 of Example 1, the five basic chromosomes in the given example are chromosomes numbered 2, 8, 14, 17 and 20, which are labeled with Cy5.5 (e) or Spectrum Green (d) or Texas Red (b) or Cy5™ (c) or Spectrum Orange (a), respectively.
Daher sind Basis-Pixel solche, die mit einem einzelnen Fluorophor markiertes, genetisches Material zeigen, in diesem Fall genetisches Material, das von den vorstehend spezifizierten Chromosomen abgeleitet wurde. Deshalb liegen fünf Klassen von Basis-Pixeln vor.Therefore, basic pixels are those that display genetic material labeled with a single fluorophore, in this case genetic material derived from the chromosomes specified above. Therefore, there are five classes of basic pixels.
Basis-Spektralvektoren, wie auf sie hier Bezug genommen wird, sind Spektralvektoren von Pixeln, bei denen das genetische Material durch einen einzelnen Fluorophoren markiert (beispielsweise angefärbt) ist. &Ggr;&eegr; dem vorliegenden Beispiel gibt es deshalb fünf Klassen von Basis-Spektralvektoren. Im vorliegenden Beispiel sind dies Spektralvektoren von Pixeln, die genetisches Material darstellen, das von den vorstehend spezifizierten fünf Chromosomen abgeleitet wurden.
20Basic spectral vectors, as referred to herein, are spectral vectors of pixels in which the genetic material is labelled (e.g., stained) by a single fluorophore. In the present example, there are therefore five classes of basic spectral vectors. In the present example, these are spectral vectors of pixels representing genetic material derived from the five chromosomes specified above.
20
Externe Basis-Spektralvektoren sind Basis-Spektralvektoren, die von einem präklassifizierten Referenz-Farb-(Spektral-)Karyotyp abgeleitet wurden, gewöhnlich einem normalen Mann.External basis spectral vectors are basis spectral vectors derived from a preclassified reference color (spectral) karyotype, usually a normal male.
Die externen Basis-Spektralvektoren werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auffinden interner Basis-Spektralvektoren eines gegenwärtig klassifizierten Karyotyps verwendet, die anschließend für eine verbesserte Chromosomen-Klassifizierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wie nachstehend weiter beschrieben, werden interne Basis-ReferenzvektorenThe external basis spectral vectors are used according to the method of the invention to find internal basis spectral vectors of a currently classified karyotype, which are subsequently used for an improved chromosome classification according to the method of the invention. According to another embodiment of the invention, as further described below, internal basis reference vectors
unmittelbar von dem untersuchten Karyotyp abgeleitet.
30directly derived from the karyotype examined.
30
Gemäß der vorliegenden Erfindung, liegen wenige Ansätze zur Identifizierung der externen Basis-Spektralvektoren vor.According to the present invention, there are few approaches to identifying the external basis spectral vectors.
Der erste Ansatz, der hierin unter Bezug auf die Figuren 3a-c beschrieben wird, die einen normalen Farb-Karyotyp eines männlichen Menschen zeigen, wurde unter Verwendung des, in der am 22. April 1996 eingereichten U.S. Patentanmeldung Nummer 08/635,820 und in der Zeitschrift Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes,The first approach, described herein with reference to Figures 3a-c, which show a normal color karyotype of a human male, was performed using the technique described in U.S. Patent Application No. 08/635,820, filed April 22, 1996, and in the journal Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes,
Science, 273 (1996) 494-497] beschriebenen Verfahrens des Standes der Technik zur Chromosomen-Klassifizierung abgeleitet, wobei beide Schriften durch Bezugnahme eingegliedert werden, als wären sie vollständig hierin bekannt gemacht worden. Die genauen Typen und Kombinationen der verwendeten Fluorophore sind in Tafel 1 und 2 unter dem vorstehenden Beispiel 1 aufgeführt.Science, 273 (1996) 494-497], both documents being incorporated by reference as if fully disclosed herein. The exact types and combinations of fluorophores used are listed in Tables 1 and 2 under Example 1 above.
Der Karyotyp aus den Figuren 3a-c wurde wie folgt erhalten. Als erstes wurden die Chromosomen mit Chromosomen-Anfärbungsmitteln hybridisiert, die wie vorstehend in Tafel 1 und 2 beschrieben und mit DAPI für R-Banding markiert sind. Als zweites wurden, wie in Figur 3b ersichtlich, Chromosomen des Karyotyps durch die herkömmliche Chromosomen-R-Banding-Technik identifiziert. Als drittes wurden die gemittelte, normierte Spektren kennzeichnenden Pixel, die einem der 24 Chromosomen-Typen (das heißt 1-22, X und Y ) zugeordnet sind, wie durch Chromosomen-R-Banding bestimmt, berechnet und die als Ergebnis erhaltenen 24 gemittelten, normierten Spektren wurden zur Bildung einer Bibliothek von Referenzspektren verwendet. Als viertes wurden die Referenzspektren zur Klassifizierung der Pixel dieses Karyotyps verwendet, wobei das Ergebnis der Klassifizierung in Figur 3a gezeigt ist. Wie in Figur 3c gezeigt, werden die Chromosomen anschließend, wie im Fachgebiet bekannt, in Sequenz angeordnet.The karyotype of Figures 3a-c was obtained as follows. First, the chromosomes were hybridized with chromosome stains described above in Panels 1 and 2 and labeled with DAPI for R-banding. Second, as shown in Figure 3b, chromosomes of the karyotype were identified by the conventional chromosome R-banding technique. Third, the averaged, normalized spectra characterizing pixels assigned to one of the 24 chromosome types (i.e., 1-22, X and Y ) as determined by chromosome R-banding were calculated and the resulting 24 averaged, normalized spectra were used to form a library of reference spectra. Fourth, the reference spectra were used to classify the pixels of that karyotype, the result of the classification being shown in Figure 3a. As shown in Figure 3c, the chromosomes are then arranged in sequence as is known in the art.
Zur Klassifizierung wurde das normierte Spektrum jedes Pixels in der Abbildung mit jedem der 24 unterschiedlichen Referenzspektren der Referenzbibliothek verglichen und die Ähnlichkeit davon (beispielsweise minimale Differenz, wie beispielsweise durch eine Minimal-Quadrat-Fehler-(minimal square error)-Verfahren abgeleitet), mit einem der Referenzspektren wurde bestimmt. Jedem Pixel wurde dann eine künstliche vorbestimmte Unterscheidungsfarbe gemäß seiner Klassifizierung zugeordnet. Das Ergebnis ist ein Farb-Karyotyp, bei dem jedes der Chromosomen mit einer unterschiedlichen, künstlichen Farbe angefärbt ist (insgesamt 24 unterschiedliche Farben).For classification, the normalized spectrum of each pixel in the image was compared to each of the 24 different reference spectra of the reference library and the similarity of it (e.g. minimum difference, as derived e.g. by a minimum square error method) to one of the reference spectra was determined. Each pixel was then assigned an artificial predetermined distinguishing color according to its classification. The result is a color karyotype in which each of the chromosomes is colored with a different, artificial color (24 different colors in total).
Wie erwähnt verwendet die Klassifizierung verschiedene Spektren als Referenzspektren und färbt jedes Pixel einer angezeigten Abbildung mit einer unterschiedlichen, vorbestimmten, künstlichen Farbe, gemäß seiner Klassifizierung als Ähnlichstes in Bezug auf eines der verschiedenen Referenzspektren.As mentioned, the classification uses different spectra as reference spectra and colors each pixel of a displayed image with a different, predetermined, artificial color, according to its classification as most similar with respect to one of the different reference spectra.
Es ist bekannt, daß verschiedene Algorithmen in der Klassifizierung wichtig (prominent) sind, beispielsweise betrachte Gleichungen (3-6),It is known that various algorithms are important (prominent) in classification, for example consider equations (3-6),
1 &igr;&eegr;&igr;&ugr; 1 &igr;&eegr;&igr;&ugr;
(3)(3)
g^=—, ■ ——-^ &tgr; (5) g^ = —, ■ ——-^ &tgr; (5)
;-·;-·
_l_ UHlX/ _l_ UHlX/ II
++ /40 )/40 )
wobei Imax die maximale Intensität der Abbildung ist, Gx* die Helligkeit ist, mit der ein Pixel der (mit Koordinaten &khgr; und y) auf dem Schirm abgebildet ist, Ix# (X) sein Spektrum ist, < Ix, (X) > der Mittelwert von I^ (X) über die Gruppe der 3x3 benachbarten Pixel ist. Smax ist die Peak-Intensität von Ix, (X), Tmax ist die Peak-Intensität von < Ix, (X) >, Rx das Referenzspektrum, auf das bezogen die Ähnlichkeits-Karte berechnet wird, Rmax die Peak-Intensität des Referenzspektrums Rx ist und &eegr; die Anzahl der. Wellenlängen der Erfassung ist.where I max is the maximum intensity of the image, G x * is the brightness with which a pixel (with coordinates &khgr; and y) is imaged on the screen, I x # (X) is its spectrum, < I x , (X) > is the average of I^ (X) over the group of 3x3 neighboring pixels, S max is the peak intensity of I x , (X), T max is the peak intensity of < I x , (X) >, Rx is the reference spectrum with respect to which the similarity map is calculated, R max is the peak intensity of the reference spectrum R x and η is the number of wavelengths of the detection.
Alternativ kann die nachstehende Gleichung 7 zum Beschreiben des Grades der ÄhnlichkeitAlternatively, equation 7 below can be used to describe the degree of similarity
verwendet werden:be used:
\\
wobei Ix# (X) das normierte Spektrum von Pixel x, y ist, IR (X) das normierte Referenzspektrum und N die Anzahl der Wellenlängen ist. In dieser Gleichung nimmt S ab, falls die Ähnlichkeit zwischen den Spektren zunimmt und umgekehrt. Im Grenzfall, falls beide Spektren identisch sind, wird S gleich Null.where I x # (X) is the normalized spectrum of pixel x, y, I R (X) is the normalized reference spectrum and N is the number of wavelengths. In this equation, S decreases if the similarity between the spectra increases and vice versa. In the limit, if both spectra are identical, S becomes zero.
Bei Durchführung dieser Berechnung mit k unterschiedlichen Referenzspektren werden k unterschiedliche Werte von S für jedes Pixel, d.h. S1, S2, ..,. Sk erhalten. Der geringste von diesen zeigt, welches der Referenzspektren, das ähnlichste zu den Spektren des Pixels ist. Dennoch wird ein durchschnittlichen Fachmann würdigen, daß andere Gleichungen, die die Ähnlichkeit widerspiegeln ebenfalls bekannt und anwendbar sind. Die Klassifizierung kann folglich auch unter Verwendung eines einfachen Minimal-Quadrat-Fehler-Abstand-AlgorithmusBy performing this calculation with k different reference spectra, k different values of S are obtained for each pixel, i.e. S 1 , S 2 , .., S k . The least of these indicates which of the reference spectra is the most similar to the spectra of the pixel. Nevertheless, one of ordinary skill in the art will appreciate that other equations reflecting the similarity are also known and applicable. The classification can thus also be performed using a simple minimum square error distance algorithm.
(minimal square error distance algorithm) oder einer komplizierten Hauptkomponenten-Analyse (principal component analysis) durchgeführt werden.(minimal square error distance algorithm) or a complicated principal component analysis.
Unter Verwendung dieses Ansatzes können die externen Basis-Spektralvektoren identifiziert werden, fünf im vorliegenden Beispiel. Es sei angemerkt, daß ein jeglicher der externen Basis-Spektralvektoren von jeglichem spezifischen Basis-Pixel sein kann, das den Basis-Spektralvektor oder vorzugsweise den Durchschnitt der Spektralvektoren von zwei oder mehr Basis-Pixeln einer einzelnen Basis-Pixel-Klasse zeigt.Using this approach, the external basis spectral vectors can be identified, five in the present example. Note that any of the external basis spectral vectors can be of any specific basis pixel, showing the basis spectral vector or, preferably, the average of the spectral vectors of two or more basis pixels of a single basis pixel class.
Trotzdem sei angemerkt, daß eine derartige Identifizierung darauf basiert, daß zuerst die Chromosomen unter Verwendung einer herkömmlichen Banding-Technik identifiziert werden (DAPI für R-Banding im vorliegenden Fall). Deshalb ist dieser Ansatz weniger vorteilhaft.Nevertheless, it should be noted that such identification is based on first identifying the chromosomes using a conventional banding technique (DAPI for R-banding in this case), which makes this approach less advantageous.
Falls jedoch ein Universal-Versuchsprotokoll aufrechterhalten wird, muß die Identifizierung der externen Referenz-Spektralvektoren einmal für alle weiteren Chromosomen-Klassifizierungen durchgeführt werden, wie hier unter Bezug auf einige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.However, if a universal experimental protocol is maintained, the identification of the external reference spectral vectors must be performed once for all further chromosome classifications, as described herein with reference to some embodiments of the method of the invention.
Die zweite Ansatz wird hier unter Bezug auf die Figuren 4a-b beschrieben,,die einen normalen Farb-Karyotyp eines desselben männlichen Menschen darstellen, abgeleitet unter Verwendung eines anderen Verfahrens des Stands der Technik zur Chromosomen-Klassifizierung, beschrieben in der am 22. April 1996 eingereichten U.S. Patentanmeldung Nummer 08/635,820 und in der Zeitschrift Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497]. Die genauen Typen und Kombinationen der verwendeten Fluorophore sind vorstehend in Tafel 1 und 2 unter Beispiel 1 aufgelistet.The second approach is described herein with reference to Figures 4a-b, which depict a normal color karyotype of the same human male derived using another prior art method for chromosome classification described in U.S. Patent Application Serial No. 08/635,820 filed April 22, 1996, and in the journal Science [E. Schroeck et al., Multicolor spectral karyotyping of human chromosomes, Science, 273 (1996) 494-497]. The exact types and combinations of fluorophores used are listed above in Tables 1 and 2 under Example 1.
Gemäß dem zweiten Ansatz wurde ein RGB-Algorithmus verwendet, der das optische Signal über den Spektralbereich (beispielsweise von 400 nm bis 760 nm) der CCD-Anordnung integriert, um eine RGB-Abbildung der Chromosomen zu erzielen, bei der jedem Pixel gemäß den drei Wichtungsfunktionen, {wr (&lgr;), we (&lgr;), w^ (&lgr;)}, die den Tristimulus-Antwort-Funktionen für rot (R), grün (G), blau (B) entsprechen, eine Kombination von Rot-, Grün- und Blau-Intensitäten zugeordnet wird.According to the second approach, an RGB algorithm was used that integrates the optical signal over the spectral range (e.g., from 400 nm to 760 nm) of the CCD array to obtain an RGB image of the chromosomes in which each pixel is assigned a combination of red, green, and blue intensities according to three weighting functions, {w r (λ), w e (λ), w^ (λ)}, which correspond to the tristimulus response functions for red (R), green (G), blue (B).
Figur 5 zeigt ein Beispiel der Wirkkraft dieses einfachen Algorithmus. Betrachtet wird, daß {wr (&lgr;), Wg (&lgr;), Mh0 (&lgr;)} derart gewählt sind, daß es sich um Gauß'sche oder andere Funktionen handelt, die "innenseitig" eines betrachteten Spektrums verteilt sind, wobei die so erhaltene Pseudo-Farb-Abbildung, die in diesem Fall angezeigt wird, nur Daten in den, denFigure 5 shows an example of the effectiveness of this simple algorithm. Consider that {w r (λ), Wg (λ), Mh 0 (λ)} are chosen in such a way that they are Gaussian or other functions distributed "inside" a spectrum under consideration, whereby the pseudo-color image thus obtained, which is displayed in this case, contains only data in the
Wichtungsfunktionen entsprechenden Spektralbereichen hervorhebt, wodurch ermöglicht wird, daß die spektralen Unterschiede in diesen drei Bereichen klarer nachgewiesen werden können.weighting functions, thereby enabling the spectral differences in these three regions to be more clearly detected.
Figur 6 zeigt die Wirkkraft des RGB-Algorithmus zur Chromosomen-Klassifizierung. In diesem Fall sind wr (&lgr;), ws (X), Wb (&lgr;) einfache quadratische Wichtungsfunktionen (square weighting functions), worin fur wT (rot) &lgr;&igr; = 640 nm und %2 = 750 nm, für vvg (grün) &lgr;&igr; = 555 nm und %2 = 640 nm und für Wb (blau) &lgr;&igr; = 450 nm und Xz - 555 nm ist. Die einfachen Wichtungsfunktionen wr, wg, w\, werden integriert, um eine RGB-Abbildung der Chromosomen, wie rechts gezeigt zu erzeugen.Figure 6 shows the effectiveness of the RGB algorithm for chromosome classification. In this case, w r (λ), w s (X), Wb (λ) are simple square weighting functions, where for w T (red) λγ = 640 nm and %2 = 750 nm, for vv g (green) λγ = 555 nm and %2 = 640 nm, and for Wb (blue) λγ = 450 nm and Xz - 555 nm. The simple weighting functions w r , w g , w\ are integrated to produce an RGB map of the chromosomes as shown on the right.
Bei vorbestimmten, experimentellen Bedingungen und vordefinierten Wichtungsfunktionen für die RGB-Farben, können die Basis-Chromosomen und die Basis-Pixel unterschieden werden, genauso die meisten oder alle anderen Chromosomen. Insbesondere werden die experimentellen Bedingungen, d.h. die Typen und Kombinationen von den Fluorophoren und die RGB-Wichtungsfünktionen derart gewählt, daß den Basis-Pixeln einzigartige Farben (d.h. Basis-Farben) zugewiesen werden, die sie klar voneinander und von allen anderen (19 in diesem Fall) "Nicht-Basis"-Chromosomen/Pixel unterscheiden. Tafel 4 faßt die, für das vorliegende Beispiel gewählte Assoziation der Fluorophore, Basis-Chromosomen und Basis-Farben zusammen.Given predetermined experimental conditions and predefined weighting functions for the RGB colors, the basic chromosomes and the basic pixels can be distinguished, as can most or all other chromosomes. In particular, the experimental conditions, i.e. the types and combinations of the fluorophores and the RGB weighting functions are chosen such that the basic pixels are assigned unique colors (i.e. basic colors) that clearly distinguish them from each other and from all other (19 in this case) "non-basic" chromosomes/pixels. Table 4 summarizes the association of fluorophores, basic chromosomes and basic colors chosen for the present example.
2020
TAFEL 4TABLE 4
vonAmershambyAmersham
Figur 7 zeigt die fünf externen Basis-Spektren, die unter Verwendung des, als Beispiel angeführten, experimentellen Verfahrens abgeleitet wurden, wobei die Fluorophore und Basis-Chromosomen angegeben sind.Figure 7 shows the five external base spectra derived using the example experimental procedure, with the fluorophores and base chromosomes indicated.
Die Verwendung des RGB-Ansatzes zur Identifizierung der externen Basis-Spektralvektoren weist einen Vorteil gegenüber dem hier vorstehend beschriebenen Klassifizierungs-Ansatz auf, da keine vorherige Identifikation der Chromosomen durch herkömmliche Banding-TechnikenThe use of the RGB approach to identify the external basis spectral vectors has an advantage over the classification approach described above, since no prior identification of the chromosomes by conventional banding techniques is required.
(beispielsweise R-Banding) erforderlich ist, wo es erforderlich ist, eine externe Referenz-Bibliothek gemäß dem vorstehend beschriebenen Klassifizierungs-Ansatz zu erzeugen. Dies ist der Fall, da das genaue experimentelle Verfahren (beispielsweise das Verfahren der vorstehenden Tafeln 1 und 2) und die gegebenen Wichtungsfunktionen und die vorgewählte Drei-Farben-Ausgabe (beispielsweise RGB) derart gewählt werden kann, daß jedes der einen Basis-Spektralvektor aufweisenden Pixel hochgradig unterscheidbar gefärbt sein wird. Tatsächlich kann, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, die Verwendung des RGB-Ansatzes unmittelbar zum Auffinden interner Basis-Spektralvektoren verwendet werden, die anschließend zum Auffinden aller anderen Referenzspektren zur Klassifizierung verwendet werden.
10(e.g. R-banding) is required where it is necessary to generate an external reference library according to the classification approach described above. This is the case because the precise experimental procedure (e.g. the procedure of Tables 1 and 2 above) and the given weighting functions and the preselected three-colour output (e.g. RGB) can be chosen such that each of the pixels having a basis spectral vector will be highly distinguishably coloured. In fact, as described in more detail below, the use of the RGB approach can be used directly to find internal basis spectral vectors which are subsequently used to find all other reference spectra for classification.
10
3. Identifizierung Interner Basis-Spektralvektoren3. Identification of internal basis spectral vectors
Unter Verwendung der externen Basis-Spektralvektoren wird ein Verfahren zur Identifizierung der internen Basis-Spektralvektor eingeleitet. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zu diesem Zweck ein Linearzerlegungs (linear decomposition)-Algorithmus ausgeführt.Using the external basis spectral vectors, a process for identifying the internal basis spectral vectors is initiated. According to the present invention, a linear decomposition algorithm is carried out for this purpose.
In dem vorliegenden Beispiel wird die Linearzerlegung unter Verwendung der fünf externen Basis-Spektralvektoren, die hier als A, B, C, D und E definiert wurden, zum Erzielen eines Zerlegungs-K-Vektors (ein Zerlegungs-5-Vektor im vorliegenden Beispiel) der Zerlegungs-Koeffizienten für jedes Pixel in der Abbildung durchgeführt.In the present example, the linear decomposition is performed using the five external basis spectral vectors, defined here as A, B, C, D, and E, to obtain a decomposition-K vector (a decomposition-5 vector in the present example) of the decomposition coefficients for each pixel in the image.
Daher wird während dieses mathematischen Verfahren für jedes Pixel in der Abbildung ein Satz von fünf Zerlegungs-Koeffizienten &agr; bzw. &bgr; bzw. &ggr; bzw. &dgr; bzw. &egr; berechnet. Die &agr;-&egr; Koeffizienten werden derart gewählt, daß indem ein jeder der A-E externen Basis-Spektralvektoren in seinen entsprechenden Koeffizienten multipliziert wird, und indem die Multiplikationsergebnis-Spektralvektoren summiert werden, ein Spektrum (ein Spektralvektor) resultiert, der im wesentlichen identisch mit dem Spektrum dieses Pixels ist. Deshalb kann jeder der Pixel in der Abbildung als ein Zerlegungs-K-Vektor dargestellt werden, im vorliegenden Beispiel als ein Zerlegungs-5-Vektor, der aus den &agr;-&egr; Zerlegungs-Koeffizienten zusammengesetzt ist. Von den solchermaßen berechneten Zerlegungs-5-Vektoren werden die internen Basis-Pixel definitionsgemäß durch Basis-Zerlegungs-5-Vektoren dargestellt. Diese Vektoren werden hier als externe Basis-Zerlegungs-K-Vektoren definiert, da sie unter Verwendung K externer Basis-Spektral-Vektoren definiert werden.Therefore, during this mathematical process, for each pixel in the image, a set of five decomposition coefficients α, β, γ, δ, ε are calculated. The α-ε coefficients are chosen such that by multiplying each of the A-E external basis spectral vectors into its corresponding coefficients and summing the multiplication result spectral vectors, a spectrum (a spectral vector) results which is substantially identical to the spectrum of that pixel. Therefore, each of the pixels in the image can be represented as a decomposition K-vector, in the present example as a decomposition 5-vector composed of the α-ε decomposition coefficients. Of the decomposition 5-vectors thus calculated, the internal basis pixels are by definition represented by basis decomposition 5-vectors. These vectors are defined here as external basis decomposition K vectors because they are defined using K external basis spectral vectors.
Dies kann mathematisch für jegliche Anzahl an erforderlichen Zerlegungs-Koeffizienten beschrieben werden. Falls Q die Koeffizient-Vektoren sind, wobei J= 1 ... k (k gleich 5 im vorliegenden Beispiel), dann:This can be described mathematically for any number of decomposition coefficients required. If Q are the coefficient vectors, where J= 1 ... k (k equals 5 in the present example), then:
&phgr;&phgr;&phgr;&phgr; &phgr;·&phgr;· · · ·&phgr;&phgr;&phgr;&phgr; φ·φ· · · ·
• * · ft · · * &igr;• * · ft · · * &igr;
• * «ft · · ♦ &igr;• * «ft · · ♦&igr;
(8)(8th)
wobei / (Xj) das Spektrum eines bestimmten Pixels ist, und Ij (XJ die Vektoren sind.where / (Xj) is the spectrum of a particular pixel, and Ij (XJ are the vectors.
Aufgrund des Rauschens, könnte es praktisch nicht möglich sein, einen Satz von Koeffizienten zu erzielen, der genau die vorstehenden Gleichung erfüllt (to match) und deshalb muß ein kleiner Restwert (residual) addiert werden. Aufgrund der Qualität der Ergebnisse und dem mit dem SpectraCube™ System erzielbaren hohen Signal-Rausch-Verhältnises ist dieser Restwert relativ gering.Due to noise, it may be practically impossible to obtain a set of coefficients that exactly matches the above equations and therefore a small residual must be added. Due to the quality of the results and the high signal-to-noise ratio achievable with the SpectraCube™ system, this residual is relatively small.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren weisen die zur Identifizierung interner Basis-Pixel verwendeten Linearzerlegungs-Koeffizienten &agr;-&egr;, die, durch Definition, interne Basis-Spektralvektoren aufweisen, die hier als A1 bzw. B' bzw. C bzw. D' bzw. E1 definiert sind.According to the method of the invention, the linear decomposition coefficients used to identify internal basis pixels comprise α-ε, which, by definition, comprise internal basis spectral vectors defined here as A 1 , B', C, D', and E 1 , respectively.
Unter Bezug auf die Figuren 8a-e werden nun Zeichnungen gezeigt, welche die Anzahl an Pixel darstellen, die einen Wert (0-1.0) der Zerlegungs-Koeffizienten &agr; bzw.ß bzw .&ggr; bzw.5 bzw. &egr; aufweisen.Referring now to Figures 8a-e, drawings are shown which represent the number of pixels having a value (0-1.0) of the decomposition coefficients α, β, γ, 5, and ε, respectively.
Wie in den Figuren 8a-e gezeigt, ist die Zeichnung für jeden der &agr;-&egr; Zerlegungs-Koeffizienten durch zwei Peaks gekennzeichnet, die durch ein dazwischen liegendes Tal getrennt sind. Der erste Peak stellt Pixel dar, die geringe Zerlegungs-Koeffizienten-Werte (beispielsweise 0-0,3) aufweisen, während der zweite Peak Pixel darstellt, die hohe Zerlegungs-Koeffizienten-Werte (beispielsweise 0,3-1,0) aufweisen. Die in dem zweiten Peak eines der Zerlegungs-Koeffizienten (&agr;-&egr;) dargestellten Pixel weisen eine hohe Wahrscheinlichkeit auf den Fluorophor zu beinhalten, der mit diesem Koeffizienten assoziiert ist.As shown in Figures 8a-e, the plot for each of the α-ε decomposition coefficients is characterized by two peaks separated by a valley therebetween. The first peak represents pixels having low decomposition coefficient values (e.g., 0-0.3), while the second peak represents pixels having high decomposition coefficient values (e.g., 0.3-1.0). The pixels represented in the second peak of one of the decomposition coefficients (α-ε) have a high probability of containing the fluorophore associated with that coefficient.
Wie nachstehend in Tafel 5 gezeigt, kann auf Basis der Fluorophor Zusammensetzung (a-e) ein Basis-Binär-K-Vektor, im vorliegenden Beispiel ein Basis-Binär-5-Vektor, für jeden der internen Basis-Spektralvektor A'-E1 definiert werden. Zur Transformierung eines der fünf Basis-Zerlegungs-5-Vektoren in einen Basis-Binär-5-Vektor unter Verwendung der definierten Basis-Binär-5-Vektoren und eines hohen Schnittwerts, beispielsweise ungefähr 0,75, können die Basis-Pixel ausgewählt werden, welche die internen Basis-Spektralvektor A'-E' aufweisen.As shown in Table 5 below, based on the fluorophore composition (ae), a basis binary K vector, in the present example a basis binary 5 vector, can be defined for each of the internal basis spectral vectors A'-E 1 . To transform one of the five basis decomposition 5 vectors into a basis binary 5 vector using the defined basis binary 5 vectors and a high cut value, for example about 0.75, the basis pixels having the internal basis spectral vectors A'-E' can be selected.
46
Tafel 546
Table 5
Aufgrund der gewählten, hohen Schnittwerte ist die Wahrscheinlichkeit der richtigen Auswahl interne Basis-Spektralvektoren aufweisender, interner Basis-Pixel äußerst hoch.Due to the chosen high cut values, the probability of correctly selecting internal basis pixels with internal basis spectral vectors is extremely high.
Nach Auffinden der, interne Basis-Spektralvektoren (A-F) aufweisenden Basis-Pixel können interne Referenz-Basis-Spektralvektoren berechnet werden, indem beispielsweise in getrennter Weise die Basis-Spektralvektor der, jeder Basis-Klasse angehörenden Basis-Pixel gemittelt werden. Alternativ können die internen Basis-Spektralvektoren von ausgewählten Pixeln (5 in diesem Fall, einer für jede Basis-Klasse) unmittelbar als interne Referenz-Basis-Spektralvektoren verwendet werden.After finding the basis pixels having internal basis spectral vectors (A-F), internal reference basis spectral vectors can be calculated, for example by separately averaging the basis spectral vectors of the basis pixels belonging to each basis class. Alternatively, the internal basis spectral vectors of selected pixels (5 in this case, one for each basis class) can be used directly as internal reference basis spectral vectors.
In jedem Fall werden, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren, die solchermaßen definierten, internen Referenz-Basis-Spekralvektoren zum Berechnen der internen Zerlegungs-K-Vektoren (beispielsweise 5-Vektoren) für ein jedes der Pixel in der Abbildung verwendet, ähnlich wie unter Bezugnahme auf die externen Basis-Spektralvektoren hier vorstehend beschrieben.In any case, according to the method of the invention, the internal reference basis spectral vectors thus defined are used to calculate the internal decomposition K-vectors (e.g., 5-vectors) for each of the pixels in the image, similarly as described with reference to the external basis spectral vectors hereinbefore.
Es folgt die mathematische Beschreibung des Linearzerlegungs-Algorithmus. Praktisch werden die Koeffizienten der Linearzerlegungs-Algorithmen wie folgt berechnet.The following is the mathematical description of the linear decomposition algorithm. In practice, the coefficients of the linear decomposition algorithms are calculated as follows.
Unter der Annahme, daß / (KJ das Spektrum eines bestimmten Pixels ist und daß / ein Index des Wellenlängenindexes i = 1..JV ist, wobei N die Gesamtzahl der Wellenlängen in dem Spektrum ist und unter der Annahme, daß ein Satz von K Basis Referenzspektren gegeben ist, Ij (Ki)J = 1...K. Gesucht wird ein Satz von K Koeffizienten, Cj so daß:Assuming that / (KJ is the spectrum of a particular pixel and that / is an index of the wavelength index i = 1..JV, where N is the total number of wavelengths in the spectrum and assuming that a set of K basis reference spectra is given, Ij (Ki)J = 1...K. We seek a set of K coefficients, Cj such that:
(9)(9)
wobei &egr; ß-0 der geringste mögliche Fehler ist.where ε ß-0 is the smallest possible error.
Es ist wichtig anzumerken, das Gleichung 9 für eine jede der N Wellenlängen &lgr;, gültig sein sollte. Diese Gleichung kann ebenfalls so geschrieben werden:It is important to note that equation 9 should be valid for any of the N wavelengths λ,. This equation can also be written as:
oder durch Summieren über alle N Wellenlängen.or by summing over all N wavelengths.
Da das Quadrat des Rests immer positiv ist, muß man nun nach dem Satz Cj suchen, so JV Since the square of the remainder is always positive, one must now look for the set Cj , so JV
daß JV(;L·) minimiert wird. Diese Lösung kann gefunden werden, indem die partielle Ableitung Ml that JV(;L·) is minimized. This solution can be found by taking the partial derivative Ml
der rechten Seite von Gleichung 11 relativ zu bzw. nach jeder der Komponenten Cj genommen wird und der Wert gleich Null gesetzt wird. Dies führt zu einem Satz von K Gleichungen, die K Unbekannte aufweisen, Cj. Diese Gleichungen können in ein Matrizenrechnungs-Format geschrieben werden. Die Ableitung y-.n der rechten Seite von Gleichung 11 ergibt:the right-hand side of equation 11 relative to each of the components Cj and set equal to zero. This results in a set of K equations having K unknowns, Cj. These equations can be written in a matrix format. The derivative y-. n of the right-hand side of equation 11 is:
(12)(12)
Gleichung 12 wird gleich Null gesetzt und nach einer unterschiedlichen Umformung ergibt sich:Equation 12 is set equal to zero and after a different transformation we get:
/V/V
/=1 Iy-I/=1 Iy-I
/= I/= I
Gleichung 13 kann nun in einem Matrizen-Format geschrieben werden (14):Equation 13 can now be written in a matrix format (14):
• ··
&Sgr;'fa,&Sgr;'fa, .=1.=1
&sgr;'.(&lgr;,&sgr;'.(&lgr;,
Xz2(X7)Z1(X,) ...Xz 2 (X 7 )Z 1 (X,) ...
J=I .V J=I .V
&Sgr; &Lgr; (&lgr;,·)· &zgr;, (&lgr;,.)&Sgr;&Lgr; (λ,·)· ζ, (λ,.)
/=1/=1
N &iacgr;=&Igr; N Î=&Igr;
&Sgr;&zgr;,(&khgr;.)·&Sgr;&zgr;,(&khgr;.)·
Gleichung 14 kann als Ä · C = F geschrieben werden, wobei ^4 eine symmetrische Matrix ist und alle ihre Elemente direkt berechnet werden können. Durch Auffinden der inversen Matrix (reciprocal matrix) ÄA und Multiplizieren von Links, erhält man:Equation 14 can be written as Ä · C = F, where ^4 is a symmetric matrix and all its elements can be calculated directly. By finding the reciprocal matrix Ä A and multiplying from left to right, we get:
C = A-V (15)
Die Komponenten Cj sind deshalb gefunden. C = AV (15)
The components Cj are therefore found.
4. Identifizierung aller 4. Identification of all internen internal Referenz-SpektralvektorenReference spectral vectors
Wie vorstehend erwähnt können die K, sagen wir 5, internen Basis-Spektralvektor-als Referenz-Spektralvektoren zur Klassifizierung von Pixeln dienen, die genetisches Material zeigen, das lediglich durch einen einzelnen Fluorophor a bzw. b bzw. c bzw. d bzw. e markiert sind. Trotzdem sind für eine vollständige Klassifizierung weiter zusätzliche Referenz-Spektralvektoren erforderlich, welche die, zur Hybridisierung (siehe Tafel 2) verwendeten, Kombinationen der a-e Fluorophore darstellen.As mentioned above, the K, say 5, internal base spectral vectors can serve as reference spectral vectors for classifying pixels showing genetic material labeled only by a single fluorophore a or b or c or d or e. Nevertheless, for a complete classification, additional reference spectral vectors are required representing the combinations of the a-e fluorophores used for hybridization (see Table 2).
Erfindungsgemäß werden die K internen Basis-Spektralvektoren deshalb zur Identifizierung von Pixeln verwendet, die einen der zusätzlich erforderlichen (19 in diesem Fall) internen Referenz-Spektralvektoren aufweisen.According to the invention, the K internal basis spectral vectors are therefore used to identify pixels that have one of the additionally required (19 in this case) internal reference spectral vectors.
Zu diesem Zweck wird, wie in Tafel 6 gezeigt, als erstes jeder erforderlicheFor this purpose, as shown in Table 6, each required
Referenzspektralvektor als ein Binär-5-Vektor definiert, gemäß den damit assoziiertenReference spectral vector defined as a binary-5 vector, according to the associated
Fluorophoren. Zur Erinnerung, wird darauf verwiesen, daß die Basis-Binär-Vektoren bereits vorstehend in Tafel 4 definiert wurden.Fluorophores. As a reminder, the basic binary vectors have already been defined in Table 4 above.
TAFEL 6TABLE 6
Nr.No.
AnfärbuColoring
ngsmittelng agent
Anschließend wird unter Verwendung der Häufigkeits-Zeichnungen (abundance plots) der Figuren 8a-e und eines zweiten, niedrigeren Schwellenwerts (beispielsweise ungefähr 0,3) oder vorzugsweise eines Schwellenwertbereichs (beispielsweise ungefähr 0,25-0,35), der vorzugsweise im wesentlichen in dem Tal zwischen dem ersten und zweiten Peak der Auftragung positioniert ist, jeder der neuen Zerlegungs-K-Vektoren von jedem der Pixel in einen transformierten Binär-K-Vektor transformiert. Im vorliegenden Beispiel werden für männliche Karyotypen 24 Typen von transformierten Binär-5-Vektoren und für weibliche Karyotypen 23 erwartet. In Fällen, bei denen ein Schwellenwertbereich verwendet wird, fehlt einigenThen, using the abundance plots of Figures 8a-e and a second, lower threshold (e.g., about 0.3) or preferably a threshold range (e.g., about 0.25-0.35) preferably positioned substantially in the valley between the first and second peaks of the plot, each of the new decomposition K vectors from each of the pixels is transformed into a transformed binary K vector. In the present example, 24 types of transformed binary 5 vectors are expected for male karyotypes and 23 for female karyotypes. In cases where a threshold range is used, some are missing
solchermaßen erhaltenen Binär-5-Vektoren eine oder mehrere binäre Komponenten (0 oder 1) für einen oder mehreren der Zerlegungs-Koeffizienten. Dies ist der Fall, da Werte innerhalb des Schwellenbereichs nicht in einen Binär-Term (0 oder 1) klassifiziert werden.The binary 5-vectors thus obtained have one or more binary components (0 or 1) for one or more of the decomposition coefficients. This is because values within the threshold range are not classified into a binary term (0 or 1).
Gemäß einem vorbestimmten, mit den definierten Binär-Vektoren der vorstehend aufgeführten Tafel 6 assoziierten Muster, wird zur Darstellung eines Farb-Karyotyps Pixeln, die identische transformierte Binär-K-Vektoren aufweisen, eine identifizierende, künstlichen Farbe zugewiesen (24 unterschiedliche Farben für Männer, 23 für Frauen).According to a predetermined pattern associated with the defined binary vectors of Table 6 above, to represent a color karyotype, pixels having identical transformed binary K-vectors are assigned an identifying artificial color (24 different colors for males, 23 for females).
Alternativ, werden die Spektral-Vektoren von einigen oder allen Pixeln, die identische, transformierte Binär-K-Vektoren aufweisen gemittelt, um 24 (oder 23 für Frauen) interne Referenz-Spektral-Vektoren zu erzielen, die anschließend zur Klassifizierung, beispielsweise wie unter Bezug auf Gleichungen 3-7 vorstehend beschrieben, oder für ein anderes, geeignetes Klassifizierungsverfahren (beispielsweise minimaler quadratischer Fehler (minimal square error), Hauptkomponenten-Analyse etc.) verwendet werden, wobei ein Spektrum eines Pixels in eine Klasse klassifiziert wird, gemäß seiner höchsten Ähnlichkeit mit einem, der zur Klassifizierung verwendeten Referenzspektralvektoren.Alternatively, the spectral vectors of some or all pixels having identical transformed binary K-vectors are averaged to yield 24 (or 23 for females) internal reference spectral vectors, which are subsequently used for classification, for example as described with reference to Equations 3-7 above, or for another suitable classification method (e.g., minimum square error, principal component analysis, etc.), whereby a spectrum of a pixel is classified into a class according to its highest similarity to one of the reference spectral vectors used for classification.
Alternativ, werden die Zerlegungs-K-Vektoren von einigen oder allen Pixeln, die identische, transformierte Binär-K-Vektoren aufweisen gemittelt, um L (24 für männliche oder 23 für weibliche Menschen) interne Referenzvektoren zu erzielen, die anschließend zur Klassifizierung, beispielsweise wie unter Bezug auf Gleichungen 3-7 vorstehend beschrieben, oder für ein anderes, geeignetes Klassifizierungsverfahren (beispielsweise minimaler quadratischer Fehler) verwendet werden, wobei ein Zerlegungs-K-Vektor eines Pixels in eine Klasse klassifiziert wird, gemäß seiner höchsten Ähnlichkeit mit einem, der zur Klassifizierung verwendeten, L internen Referenzspektralvektoren.Alternatively, the decomposition K-vectors of some or all pixels having identical transformed binary K-vectors are averaged to yield L (24 for male or 23 for female humans) internal reference vectors, which are subsequently used for classification, for example as described with reference to Equations 3-7 above, or for another suitable classification method (e.g., minimum square error), wherein a decomposition K-vector of a pixel is classified into a class according to its highest similarity to one of the L internal reference spectral vectors used for classification.
Unter Bezug auf Figur 9a wird nun ein normaler, männlicher Chromosomen-Spread gezeigt, der wie hier vorstehend beschrieben klassifiziert wurde. Figur 9b zeigt den gleiche Spread in RGB, wie unter Bezug auf die Figuren 4a-b vorstehend beschrieben. Während Figur 9c einen Seite an Seite kombinierten Farb-Karyotyp der Chromosomen aus Figuren 9a und 9b zeigt, wobei klassifizierte Chromosomen links und RGB-Chromosomen rechts gezeigt werden.Referring now to Figure 9a, there is shown a normal male chromosome spread classified as described hereinabove. Figure 9b shows the same spread in RGB as described with reference to Figures 4a-b above. While Figure 9c shows a side-by-side combined color karyotype of the chromosomes from Figures 9a and 9b, with classified chromosomes shown on the left and RGB chromosomes on the right.
Bei sorgfältiger Beurteilung der Figuren 9a und 9c bemerkt man, daß einige der mit den Chromosomen assoziierten Pixel falsch klassifiziert sind, einige andere nicht klassifiziert sind, dennoch gegenüber dem Untergrund nicht ersichtlich sind, da diesen eine schwarze Farbe zugewiesen wurde. Der Grund hierfür ist, daß einige der Pixel nicht in eine der KlassenBy carefully examining Figures 9a and 9c, one notices that some of the pixels associated with the chromosomes are wrongly classified, some others are not classified but are not visible against the background because they have been assigned a black color. The reason for this is that some of the pixels do not belong to one of the classes
klassifiziert werden können, d.h. in einen der 24 Typen von Binär-5-Vektoren (theoretisch gibt es 8 zusätzliche derartige Vektoren), während andere Pixel in die falsche Klasse falsch-klassifiziert werden. In einigen Fällen wurden einige der 24 Typen von Binär-5-Vektoren mit einer sehr kleinen Anzahl an Pixeln assoziiert, was zu der Schlußfolgerung führt, daß es sich um ein Artfakt handelt, (nicht gezeigt).can be classified, i.e. into one of the 24 types of binary-5 vectors (theoretically there are 8 additional such vectors), while other pixels are misclassified into the wrong class. In some cases, some of the 24 types of binary-5 vectors were associated with a very small number of pixels, leading to the conclusion that this is an artifact (not shown).
Das Folgende zeigt weiter dieses Problem. Eine Pixel - Binär-5-Vektor - Assoziations-Tafel wurde berechnet. Jedes der Pixel (1,1 bis x,y) wird mit einem der 24 Binär-5-Vektoren assoziiert (siehe Tafel 5). Anschließend wird die Gesamtzahl an Pixeln, die mit einem der 1 bis 24 Binär-5-Vektoren assoziiert ist, gezählt. Einige Vektoren werden anschließend sehr wenige assoziierte Pixel aufweisen. Einige Pixel werden nicht mit einem der 1 bis 24 Binär-5-Vektoren assoziiert sein. Beide Fälle sind Artefakte, die durch die willkürliche Auswahl des Schwellenwert-Bereichs, wie vorstehend beschrieben, bedingt sind.The following further illustrates this problem. A pixel - binary-5 vector association table has been computed. Each of the pixels (1,1 to x,y) is associated with one of the 24 binary-5 vectors (see Table 5). Then the total number of pixels associated with any of the 1 to 24 binary-5 vectors is counted. Some vectors will then have very few associated pixels. Some pixels will not be associated with any of the 1 to 24 binary-5 vectors. Both cases are artifacts due to the arbitrary selection of the threshold range as described above.
4. Spektral-räumlich basierende Autosegmentation4. Spectral-spatial based autosegmentation
Bis zu diesem Punkt wurde die gesamte spektrale Information bereits zur Klassifizierung ausgenutzt. Die räumliche Information wurde jedoch bislang nicht verwendet. Man sollte bedenken, daß die Verteilung der Pixel Klassifizierungsinformation beinhaltet,.da angrenzende oder naheliegende Pixel eine höhere Wahrscheinlichkeit aufweisen, einem Pixel-Cluster anzugehören, der genetisches Material zeigt, das von einem bestimmten Chromosomen oder Bereich davon abgeleitet ist und deshalb sollten sie theoretisch in ähnlicher Weise klassifiziert werden. Weiterhin wird jede Zelle durch eine gegebene Anzahl von Chromosomen gekennzeichnet, wobei jede eine kennzeichnende Erscheinung, beispielsweise in Bezug auf Größe (beispielsweise Länge) und relative Lage des Zentromers aufweist.Up to this point, all the spectral information has been exploited for classification. However, the spatial information has not been used. It should be remembered that the distribution of pixels contains classification information, since adjacent or nearby pixels have a higher probability of belonging to a pixel cluster showing genetic material derived from a particular chromosome or region thereof and therefore should theoretically be classified in a similar way. Furthermore, each cell is characterized by a given number of chromosomes, each having a distinctive feature, for example in terms of size (e.g. length) and relative position of the centromere.
Gewöhnlich beträgt die Anzahl der Cluster bei einem wohl gespreiteten bzw. ausgebreiteten (well spread) (keine überlappenden Chromosomen vorliegend) normalen, menschlichen Karyotyp 46 (eines für jedes Chromosom). Diese Cluster werden in 24 Klassen für Männer und 23 für Frauen aufgeteilt. Falls Translokationen auftreten, nimmt die Gesamtzahl der Cluster zu. In kanzerösen Zellen, insbesondere falls sie über mehrere Generationen kultiviert werden, kann die Anzahl von Clustern, die durch Translokationen bedingt wird, hundert oder mehr erreichen.Typically, the number of clusters in a well-spread (no overlapping chromosomes present) normal human karyotype is 46 (one for each chromosome). These clusters are divided into 24 classes for males and 23 for females. If translocations occur, the total number of clusters increases. In cancerous cells, especially if they are cultured for several generations, the number of clusters caused by translocations can reach a hundred or more.
Es sei in Erinnerung gerufen sei, daß jedes der Pixel in der Abbildung durch einen Zerlegungs-K-Vektor dargestellt wird (unter Verwendung entweder externer oder vorzugsweise interner Basis-Spektralvektoren und des zweiten Schnittwerts, wie vorstehend beschriebenen erzielt). Deshalb kann ein Clustering (Bündelungs)- Verfahren eingeleitet werden.Recall that each of the pixels in the image is represented by a decomposition K-vector (obtained using either external or preferably internal basis spectral vectors and the second intersection value as described above). Therefore, a clustering procedure can be initiated.
Zu diesem Zweck werden Variationen unter den Zerlegungs-K-Vektoren angrenzender Pixel aufgezeigt. Diese Variationen werden für das Clustering verwendet. Wenn beispielsweise die K-Vektoren-Schwankung (variation) (beispielsweise wie es vorbestimmt ist, durch beispielsweise minimalen quadratischen Fehler) zwischen zwei beliebigen angrenzenden Pixeln unter einer vorbestimmten Schwelle liegt, so sind sie zu einem Clustern angehäuft, während sie als zu unterschiedlichen Clustern angehörig angesehen werden, falls die Schwankung zwischen zwei angrenzenden Pixeln einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Das Ergebnis des Clustering-Verfahrens ist die Erzeugung von Pixel-Clustern die ähnliche Zerlegungs-K-Vektoren aufweisen. In ähnlicher Weise kann das Clustering unter Verwendung normierter Spektralvektoren von den Pixeln bewirkt werden. Tatsächlich ist Clustering ein Klassifizierungs-Typ. For this purpose, variations among the decomposition K-vectors of adjacent pixels are detected. These variations are used for clustering. For example, if the K-vector variation (e.g. as predetermined, e.g. by minimum square error) between any two adjacent pixels is below a predetermined threshold, they are clustered into one cluster, while if the variation between two adjacent pixels exceeds a predetermined threshold, they are considered to belong to different clusters. The result of the clustering process is the generation of pixel clusters having similar decomposition K-vectors. Similarly, clustering can be accomplished using normalized spectral vectors from the pixels. In fact, clustering is a type of classification.
Unter Verwendung eines dritten Schwellenwerts, kann jeder der identifizierten Cluster in einen transformierten Binär-K-Vektor transformiert werden und dadurch mit einem der 24 definierten Binär-K-Vektoren von Tafel 5 assoziiert, werden. Mit anderen Worten gesagt, falls die relative Anzahl von Pixeln eines gegebenen, mit einem der 24 definierten Binär-K-Vektoren assoziierten Clusters oberhalb der dritten Schwelle (beispielsweise oberhalb von ungefähr 80 %) liegt, dann wird dieser Cluster mit diesem Vektor assoziiert. Optimalerweise sollte ein normaler Karyotyp 46 Cluster aufweisen, die mit 24 (männlichen) oder 23 (weiblichen) von Binär-K-Vektor-Typen assoziiert sind. Folglich wird für einen Mann erwartet, daß jeder der 1 bis 22 Binär-K-Vektoren mit zwei Clustern assoziiert ist, während bei dem dreiundzwanzigsten und vierundzwanzigsten Binär-K-Vektoren erwartet wird, daß sie mit Clustern genetischen Materials assoziiert sind, die von den Chromosomen X bzw. Y abgeleitet wurden.Using a third threshold, each of the identified clusters can be transformed into a transformed binary K-vector and thereby associated with one of the 24 defined binary K-vectors of Table 5. In other words, if the relative number of pixels of a given cluster associated with one of the 24 defined binary K-vectors is above the third threshold (e.g., above about 80%), then that cluster is associated with that vector. Optimally, a normal karyotype should have 46 clusters associated with 24 (male) or 23 (female) binary K-vector types. Thus, for a male, each of the 1 to 22 binary K-vectors is expected to be associated with two clusters, while the twenty-third and twenty-fourth binary K-vectors are expected to be associated with clusters of genetic material derived from chromosomes X and Y, respectively.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden weiter, zum Erzielen interner Referenzvektoren zur Klassifizierung, die Spektren oder die Zerlegungs-K-Vektoren einiger oder aller Pixel von Clustern, die mit jedem bestimmten Binär-K-Vektor assoziiert sind, gemittelt.According to the method of the invention, to obtain internal reference vectors for classification, the spectra or the decomposition K-vectors of some or all pixels of clusters associated with each particular binary K-vector are further averaged.
Diese 23 oder 24 gemittelten Vektoren sind zur Klassifizierung der gegenwärtig analysierten Abbildung hoch geeignet, da sie von Pixeln innerhalb der Abbildung selbst abgeleitet sind, wobei bei diesem Vorgang, jedoch kein Bedarf zur Verwendung herkömmlicher Chromosomen-Banding-Klassifizierung entsteht.These 23 or 24 averaged vectors are highly suitable for classifying the image currently being analyzed, since they are derived from pixels within the image itself, but this process does not require the use of conventional chromosome banding classification.
In einigen Fällen werden jedoch wenige Cluster nicht klassifiziert. Durch Definition fehlt einem nicht-klassifizierten Cluster eine Gruppe von Pixeln, die mit einem der Binär-K-Vektoren assoziiert ist, der oberhalb der Schwelle der Cluster-Klassifizierung ist. Als Ergebnis haben inHowever, in some cases, a few clusters are not classified. By definition, an unclassified cluster is missing a group of pixels associated with one of the binary K vectors that is above the threshold of cluster classification. As a result, in
einigen Fällen einige Binär-K-Vektoren keine damit assoziierten Cluster und einige interne Referenzvektoren zur Klassifizierung fehlen deshalb weiter.In some cases, some binary-K vectors have no associated clusters and some internal reference vectors for classification are therefore still missing.
Die nicht-klassifizierten Cluster beinhalten gewöhnlich Pixel, die nicht mit einem der 24 definierten Binär-K-Vektoren assoziiert sind, das sie zumindest eine (gewöhnlich eine) nichtklassifizierte Binär-Komponente beinhalten, die sich aus dem verwendeten Schwellenbereich ergibt. Durch Definition kann die nicht-klassifizierte Binär-Komponente entweder 1 oder 0 betragen.The unclassified clusters typically include pixels that are not associated with any of the 24 defined binary K vectors because they contain at least one (usually one) unclassified binary component resulting from the threshold range used. By definition, the unclassified binary component can be either 1 or 0.
hi einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die zwei Möglichkeiten gegenüber allen definierten Binär-K-Vektoren untersucht, die bislang nicht mit einem Cluster assoziiert wurden. In den meisten Fällen paßt eine der beiden Möglichkeiten derart, daß ein Vektor und dieses Pixel, dadurch mit diesem Vektor assoziiert wird.In a preferred embodiment of the invention, the two possibilities are examined against all defined binary K vectors that have not yet been associated with a cluster. In most cases, one of the two possibilities fits such that a vector and this pixel is thereby associated with this vector.
Gemäß diesem Analyseverfahren, wird das Clustering-Verfahren, wie vorstehend beschrieben, wiederholt. In den meisten Fällen wird unter Befolgung dieses Schrittes jeder einzelne, definierte Binär-K-Vektor mit mindestens einem, gewöhnlich zwei oder mehr Clustern assoziiert, in Abhängigkeit beispielsweise des Geschlechtes, der Ebene der Translokationen, des Vorhandenseins oder Fehlens überlappender Chromosomen in dem analysierten Chromosomen-Spread. According to this analysis procedure, the clustering procedure as described above is repeated. In most cases, following this step, each individual defined binary K vector will be associated with at least one, usually two or more clusters, depending on, for example, sex, level of translocations, presence or absence of overlapping chromosomes in the analyzed chromosome spread.
Bei Befolgung des wiederholten Clustenng-Verfahrens werden die internen Referenzvektoren zur Klassifizierung erneut berechnet. Zu diesem Zweck werden die Spektren oder die Zerlegungs-K-Vektoren einiger oder aller Pixel von Clustern, die mit einem bestimmten Binär-K-Vektor assoziiert sind, vorzugsweise gemittelt. Die solchermaßen erhaltenen Referenzvektoren werden anschließend, wie vorstehend beschrieben, zur Klassifizierung verwendet.When following the repeated clustering procedure, the internal reference vectors are recalculated for classification. For this purpose, the spectra or the decomposition K-vectors of some or all pixels of clusters associated with a given binary K-vector are preferably averaged. The reference vectors thus obtained are then used for classification as described above.
In seltenen Fällen sind jedoch auch nach dem Reclustering-Schritt einer oder mehrere der definierten Binär-5-Vektoren immer noch nicht mit einem Cluster assoziiert. Ein, mit diesem Vektor assoziierter Cluster kann unter Verwendung einer herkömmlichen Chromosomen-Banding-Technik identifiziert werden (beispielsweise DAPI für R-Banding).However, in rare cases, even after the reclustering step, one or more of the defined binary-5 vectors are still not associated with a cluster. A cluster associated with this vector can be identified using a conventional chromosome banding technique (e.g. DAPI for R-banding).
Nun ist in den meisten Fällen jeder Binär-5-Vektor mit wenigstens einem Cluster assoziiert und deshalb können interne Referenzvektoren berechnet und eine Klassifizierung durchgeführt werden.Now, in most cases, each binary-5 vector is associated with at least one cluster and therefore internal reference vectors can be calculated and classification performed.
Wie in Figur 9a ersichtlich, zeigen weiter in einigen Fällen nach der Klassifizierung einigeAs can be seen in Figure 9a, in some cases after classification, some
Chromosomen Cluster von Pixeln, die in einer unterschiedlichen Farbe gefärbt sind. Diese Cluster können entweder das Ergebnis von einer Translokation, was korrekt ist, oder ein Klassifizierungs-Artefakt sein. Jeder dieser Cluster kann dahingehend untersucht werden. Zu diesem Zweck wird der Grad der Ähnlichkeit (vorzugsweise in Prozenten) zwischen dem Spektralvektor oder dem Zerlegungs-K-Vektor von jedem oder einigen der Pixel innerhalb des untersuchten Clusters hinsichtlich der relevanten, verwendeten Referenzvektoren aufgezeigt. Die besten fünf Übereinstimmungen (beispielsweise ungefähr fünf) werden angezeigt und versetzen den Operator in die Lage zwischen Artefakten und Translokationen zu unterscheiden.Chromosomes Clusters of pixels colored in a different color. These clusters can either be the result of a translocation, which is correct, or a classification artifact. Each of these clusters can be examined for this purpose. To this end, the degree of similarity (preferably in percentages) between the spectral vector or the decomposition K-vector of each or some of the pixels within the cluster under study with respect to the relevant reference vectors used is shown. The best five matches (for example, approximately five) are displayed and enable the operator to distinguish between artifacts and translocations.
Nun wird auf die Figuren 10a-b und lla-b Bezug genommen: Wie mittlerweile wohl erwiesen, können zwei Datensätze von einem markierten MetaphaserChromosomen-Spread erhalten werden, oder im allgemeinen, von anderen mit mehreren Farbstoffen markierten Materialien. Einer von diesen ist eine monochrome Abbildung, derart wie eine G-Banden-Transmissions-Abbildung oder eine R-Banden-(DAPI)-Fluoreszenz-Abbildung, wobei das Letztere als eine Negativ-Abbildung in Figur 10a gezeigt wird. Das Erstere ist eine Multi-Banden-Abbildung, derart wie eine, nach Markierung mit Chromosomen-spezifischen Sonden, unter Fluoreszenz aufgenommene Spektral-Abbildung, wie in Figur 10b gezeigt.Referring now to Figures 10a-b and 11a-b, as is now well established, two sets of data can be obtained from a labeled metaphase chromosome spread, or in general from other multi-dye labeled materials. One of these is a monochrome image, such as a G-band transmission image or an R-band (DAPI) fluorescence image, the latter shown as a negative image in Figure 10a. The former is a multi-band image, such as a spectral image taken under fluorescence after labeling with chromosome-specific probes, as shown in Figure 10b.
Es ist eine geläufige Praxis entweder die G-Banden- oder DAPI- monochromen Abbildungen, nach einiger manueller und/oder automatischer Vorbehandlung zum Normieren oder Verstärken der räumlichen Merkmale, anzuzeigen. Auf diese Abbildungen wird hierin als Abbildungennach-Banding (banded images) Bezug genommen. Diese Abbildungen können entweder als dunkler Vordergrund auf hellem Hintergrund oder umgekehrt dargestellt werden.It is common practice to display either the G-banded or DAPI monochrome images after some manual and/or automated preprocessing to normalize or enhance spatial features. These images are referred to herein as banded images. These images can be displayed either as a dark foreground on a light background or vice versa.
Egal, ob die Multi-Banden-Abbildung aus vielen Spektral-Wellenlängen-Bändern oder wenigeren unter Verwendung einer Abbildungs-Erfassungs-Technologie (image acquisition technology) erzielten Bändern zusammengesetzt ist, wie beispielsweise durch Speicher et al. in Nature Genetics 12 (1996) 368-375 beschrieben, besteht die Möglichkeit eine Farb-Abbildung zur Sichtbarmachung dieser Daten zu erzeugen. Eine derartige Farb-Abbildung kann auf verschiedenen Wegen konstruiert werden. Bei dem einfachsten Verfahren werden einigen der Banden Farben zugewiesen und diese Schichten werden dann zum Erschaffen einer Farb-Abbildung überlagert. Ein anderes Verfahren ist, jede Farbschicht unter Verwendung einerWhether the multi-band image is composed of many spectral wavelength bands or fewer bands obtained using image acquisition technology, such as described by Speicher et al. in Nature Genetics 12 (1996) 368-375, it is possible to create a color map to visualize these data. Such a color map can be constructed in several ways. In the simplest method, some of the bands are assigned colors and these layers are then superimposed to create a color image. Another method is to assign each color layer a color using a
angewendeten Funktion (für jedes Pixel) zu dem vollständigen Banden-Satz aufzubauen und dann die Farbschichten zu überlagern. Diese Farb-Abbildung kann anschließend manuell und/oder automatisch unter Verwendung von Abbildungs-Verstärkungs-Techniken verstärkt werden. Beispiele für Farb-Abbildungen sind die RGB-Abbildungen und die hier vorstehend beschriebenen Klassifizierungs-Abbildungen. Für die Zwecke dieser Beschreibung bezieht sich eine Farb-Abbildung auf jegliche Farb-Abbildung, die unter Verwendung der Daten erzeugt wurden, die von der Abbildungs-Erfassung (imaging measurement) der, mit mehreren Farbstoffen markierten Materialien erfaßt wurden.applied function (for each pixel) to build up the complete band set and then overlay the color layers. This color map can then be enhanced manually and/or automatically using image enhancement techniques. Examples of color maps are the RGB maps and the classification maps described hereinabove. For the purposes of this description, a color map refers to any color map generated using the data acquired from the imaging measurement of the multi-dye labeled materials.
In dem Fall einer Erfassung eines Metaphase-Chromosomen-Spreads, der mit mehreren fluoreszierenden Farbstoffen markiert wurde, unter Verwendung einer, auf einem Interferometer basierenden Spektral-Abbildungsvorrichtung, derart wie das SpectraCube™ System, findet man daß ein signifikanter Unterschied zwischen dem räumlichen Kennzeichen der Abbildung-nach-Banding und der Farb-Abbildung ist. In der Farb-Abbildung, wie ersichtlich in Figur 10b, erscheinen die Chromosomen dick und in vielen Fällen ist das Zentromer nicht nachweisbar. Wie beispielsweise in Figur 10a ersichtlich wird dies wahrscheinlich von, aus dem allgemeinen Umriß der Chromosomen, wie er bei Banding wahrgenommen wird, vorstehenden Sonden-Molkülen bedingt, die an eine Ende an die Chromosomen anhaften und an dem anderen Ende lose sind.In the case of detecting a metaphase chromosome spread labeled with multiple fluorescent dyes using an interferometer-based spectral imaging device such as the SpectraCube™ system, it is found that there is a significant difference between the spatial characteristics of the post-banding and color imaging. In the color imaging, as seen in Figure 10b, the chromosomes appear thick and in many cases the centromere is not detectable. As seen in Figure 10a, for example, this is probably due to protruding probe molecules from the general outline of the chromosomes as seen during banding, which are attached to the chromosomes at one end and loose at the other end.
Die hier beschriebene Idee ist, unter Verwendung sowohl der Abbildung-nach-Banding und der Farb-Abbildung eine zusammengesetzte Farb-/nach-Banding-Abbildung abzuleiten, die Merkmale zeigt, die von sich aus in keiner der Abbildungen sichtbar waren. Auf diesem Wege erzielt man einen grundlegenden Vorteil gegenüber der getrennten Anzeige einer Abbildungnach-Banding oder einer Farb-Abbildung: der Anwender erhält eine unmittelbaren und sofortigen Eindruck der Chromosomen, in der Weise, wie es dem Anwender seit vielen Jahren geläufig ist, sie zu sehen und zu analysieren, und erhält gleichzeitig die zusätzliche, in der Abbildung-nach-Banding nicht verfügbare Information, die durch die auf Spektralvektor-Klassifizierung basierende Farb-Abbildung zur Verfügung gestellt wird. Die Superposition kann nur nach vollständiger Erfassung, Analyse und Klassifizierung der Abbildungen durch Software erfolgen, da sie aufgrund der, für die Abbildung-nach-Banding und für die Spektral- oder Vektorbasierenden Abbildungen erforderlichen, unterschiedlichen Markierungs-Verfahren nicht gleichzeitig erfaßt werden können.The idea described here is to derive a composite color/banding map using both the banding and color maps, showing features that were not visible in either map by itself. In this way, a fundamental advantage is achieved over displaying a banding or color map separately: the user gets an immediate and instantaneous impression of the chromosomes, in the way that the user has been used to seeing and analyzing them for many years, while at the same time getting the additional information not available in the banding map, provided by the color map based on spectral vector classification. The superposition can only be done after the maps have been fully acquired, analyzed and classified by software, since they cannot be acquired simultaneously due to the different labeling techniques required for the banding and the spectral or vector-based maps.
Folglich verwendet die hier beschriebene Durchführung die monochrome Abbildung-nach-Banding und die Farb-Abbildung zum Erzeugen einer zusammengesetzten Farb-/nach-Banding-Abbildung. Das nachstehend gezeigte Beispiel, stammt von einer Chromosomen-Metaphase,Thus, the approach described here uses the monochrome post-banding image and the color image to generate a composite color/post-banding image. The example shown below is from a chromosome metaphase,
56
obwohl die Idee auf andere Farbstoff-markierte Materialien angewendet werden kann.56
although the idea can be applied to other dye-labeled materials.
Bevor die Abbildungen zur Ausbildung der Komposite bzw. zusammengesetzten Abbildung verwendet werden können, müssen sie einer räumlichen Registrierung unterworfen werden, so daß man die Entsprechung zwischen den Punkten in den beiden Abbildungen kennt. Dies wurde im vorliegenden Fall durch Veränderung der Größe (resizing), Rotieren und Verschieben der Farb-Abbildung bis zur Übereinstimmung mit der monochromen Abbildung erreicht. Im allgemeinen wird diese Entsprechung automatisch, manuell oder halbautomatisch durchgeführt.Before the images can be used to create the composite image, they must be spatially registered so that the correspondence between the points in the two images is known. In this case, this was achieved by resizing, rotating and shifting the color image until it matches the monochrome image. In general, this correspondence is carried out automatically, manually or semi-automatically.
Figuren 11a und 1 Ib zeigen zusammengesetzte Abbildungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dem Verfahren, das zum Erzeugen der zusammengesetzten Abbildung von Figur 11a verwendet wurde, wird der Luminanz- oder Intensitäts-Wert unmittelbar von der (weiß auf schwarzen) Abbildung-nach-DAPI-Banding abgeleitet und die Schattierung wird von dem entsprechenden Punkt in der Farb-Abbildung, in diesem Beispiel eine RGB-Abbildung, abgeleitet. Der Unterschied bei dem zum Erschaffen der Figur 11b verwendeten Verfahren ist, daß der Luminanz-Wert von dem Inversen der Abbildung-nach-DAPI-Banding stammte. Es ist klar, daß jegliche monochrome Positiv- oder Negativ-Abbildung der Chromosomen- nach erfolgtem Banding gemäß jeglichem Banding-Protokoll, alternativ verwendet werden können. Gegenwärtig wird DAPI-Banding bevorzugt, da die zur Chromosomen-Anfärbung und DAPI-Erfassungen verwendeten Fluorophore unter Verwendung derselben Erfassungs-Vorrichtung, beispielsweise dem SpectraCube™ System ausgeführt werden können.Figures 11a and 11b show composite images according to the present invention. In the method used to create the composite image of Figure 11a, the luminance or intensity value is derived directly from the (white on black) image after DAPI banding and the shade is derived from the corresponding point in the color image, in this example an RGB image. The difference in the method used to create Figure 11b is that the luminance value was derived from the inverse of the image after DAPI banding. It will be appreciated that any monochrome positive or negative image of the chromosomes after banding according to any banding protocol may alternatively be used. Currently, DAPI banding is preferred because the fluorophores used for chromosome staining and DAPI detections can be performed using the same detection device, e.g., the SpectraCube™ system.
Die Ergebnisse stellen dem Anwender (i) Chromosomen-Formen, die dem Anwender gewohnt sind, und (ii) überlagerte Information der Spektral- und herkömmlichen Banding-Karyotypisierung zur Verfügung.The results provide the user with (i) chromosome shapes that are familiar to the user and (ii) overlaid information from spectral and conventional banding karyotyping.
Folglich verwendet diese Durchführung eine monochrome Abbildung und eine Farb-Abbildung und leitet eine Komposite ab. Eine Variation dieser Idee ist es, die Erzeugung intermediärer Abbildungen zu überspringen, die initialen Erfassungen der monochromen und Multi-Banden-Daten zum unmittelbaren Aufbau einer zusammengesetzten Abbildung zu verwenden. Jedoch sind andere Überlagerungen vom Bereich der vorliegenden Erfindung umfaßt, beispielsweise falls den Farb-Chromosomen die Form (Umriß) der Chromosomen nach erfolgtem Banding gegeben ist, obgleich die zusammengesetzten Chromosomen keinem Banding unterworfen wurden, ebenso wie eine registrierte bzw. gespeicherte Superposition von Chromosomen nach erfolgtem Banding und Farb-Chromosomen vom Bereich der Erfindung umfaßt wird.Thus, this implementation uses a monochrome image and a color image and derives a composite. A variation of this idea is to skip the generation of intermediate images, using the initial acquisitions of the monochrome and multi-band data to directly construct a composite image. However, other superpositions are within the scope of the present invention, for example if the color chromosomes are given the shape (outline) of the post-banded chromosomes even though the composite chromosomes have not been banded, just as a recorded superposition of post-banded chromosomes and color chromosomes is within the scope of the invention.
Das Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie hierThe chromosome classification method of the present invention as described herein
beschrieben, kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden, von denen einige hier nachstehend ausfuhrlichbeschrieben sind. Es folgt eine kurze Zusammenfassung wahrscheinlicher Anwendungen des Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahrens der vorliegenden Erfindung auf dem Gebiet der molekularen Zellgenetik. Zwei Hauptgebiete der Zellgenetik, auf die das erfindungsgemäße Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahren einen beträchtlichen Einfluß bei besonderer Betonung der diagnostischen Anwendungen haben wird sind (i) klinische Zellgenetik und (ii) Tumor-Zellgenetik.can be used for various applications, some of which are described in detail below. The following is a brief summary of likely applications of the chromosome classification method of the present invention in the field of molecular cell genetics. Two major areas of cell genetics in which the chromosome classification method of the present invention will have a significant impact, with particular emphasis on diagnostic applications, are (i) clinical cell genetics and (ii) tumor cell genetics.
Als erstes kann das erfindungsgemäße Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahren für diagnostische Zwecke zum Nachweisen chromosomaler Aberrationen verwendet werden, beispielsweise in kanzerösen Zellen, fötalen Zellen etc. in ähnlicher Weise wie in der U.S. Patentanmeldung No. 08/635,820 beschrieben. Unter Verwendung herkömmlicher Chromosomen-Banding-Analyseverfahren werden allein jedes Jahr in den Vereinigten Staaten ungefähr 400 000 Fälle sowohl in der klinischen Zellgenetik, als auch in der Krebs-Zellgenetik analysiert. Eine Chromosomen-Anfärbung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Klassifizierungsverfahrens könnte zusätzlich zu dem herkömmlichen Banding-Analyseverfahren durchgeführt werden und würde hilfreich bei der Identifizierung von Marker-Chromosomen sein, die bei alleiniger Verwendung herkömmlicher Banding nicht charakterisiert werden können. Erworbene chromosomale Aberrationen sind vorrangig mit bösartigen Transformationen assoziiert. Grob gesehen, können zwei bösartige Veränderungen unterschieden werden: (i) hämatologische bösartige Veränderungen und (ii) feste Tumoren. Da die Zellen der hämatologischen, bösartigen Veränderungen einfach in vitro kultiviert werden können, ist die Chromosomen-Banding-Analyse dieser Tumoren eine der mit Erfolg gekrönten Geschichten der Zellgenetik und der genetischen Krebsforschung. Zwei wohlbekannte Beispiele beinhalten die Identifizierung des Philadelphia Chromosoms bei chronischer lymphatischer Leukämie (CLL) und einer spezifischen, chromosomalen Aberration bei Burkitt' s Lymphoma. Viele weitere tumor-spezifische, chromosomale Aberrationen wurden bei hämatologischen bösartigen Veränderungen im letzten Jahrzehnt beschrieben und werden als ein diagnostisches Arbeitsmittel und als ein Forschungs-Arbeitsmittel verwendet. In vielen Fällen ermöglichte die Aufzeichnung (delineation) einer rekurrenten bzw. wiederkehrenden chromosomalen Aberration auf molekularer Basis die Identifizierung des Mechanismus der bösartigen Veränderung. Beunruhigenderweise ist wenig auf dem Gebiet der festen Tumore (derart wie Brust-, Darm-, Gehirn-, Lungen- und andere Tumore) bekannt. Diese Abweichung ist um so mehr beunruhigend, da feste Tumore eine höhere Rolle bei der menschlichen Krankheitshäufigkeit spielen als hämatologische, bösartige Veränderungen. Der Unterschied wir hauptsächlich durch technische Schwierigkeiten bedingt, die bei Zellgenetik fester Tumore geläufig sind. Die häufig schwierige Kultivierung fester Tumorzellen, die schlechte Qualität der Chromosomen-First, the chromosome classification method of the present invention can be used for diagnostic purposes to detect chromosomal aberrations, for example, in cancerous cells, fetal cells, etc. in a manner similar to that described in U.S. Patent Application No. 08/635,820. Using conventional chromosome banding analysis methods, approximately 400,000 cases in both clinical cell genetics and cancer cell genetics are analyzed each year in the United States alone. Chromosome staining using the classification method of the present invention could be performed in addition to the conventional banding analysis method and would be helpful in identifying marker chromosomes that cannot be characterized using conventional banding alone. Acquired chromosomal aberrations are primarily associated with malignant transformations. Broadly speaking, two malignant lesions can be distinguished: (i) hematologic malignant lesions and (ii) solid tumors. Since the cells of hematologic malignant lesions can be easily cultured in vitro , chromosome banding analysis of these tumors is one of the crowning success stories of cell genetics and genetic cancer research. Two well-known examples include the identification of the Philadelphia chromosome in chronic lymphocytic leukemia (CLL) and a specific chromosomal aberration in Burkitt's lymphoma. Many other tumor-specific chromosomal aberrations have been described in hematologic malignant lesions in the last decade and are used as a diagnostic and research tool. In many cases, delineation of a recurrent chromosomal aberration on a molecular basis has enabled the identification of the mechanism of the malignant lesion. Worryingly, little is known in the field of solid tumors (such as breast, colon, brain, lung, and other tumors). This discrepancy is all the more worrying because solid tumors play a higher role in human disease incidence than hematological malignancy. The difference is mainly due to technical difficulties common in solid tumor cell genetics. The often difficult cultivation of solid tumor cells, the poor quality of the chromosome
Präparationen, die eine hochauflösende zellgenetische Analyse verhindert, und sekundäre chromosomale Aberration, die nicht notwendigerweise mit Tumor-Initiation oder Progression verbunden ist, bilden ein gemeinsames Merkmal dieser Tumore. Die Verfügbarkeit eines auf Hybridisierung basierenden chromosomalen Screening-Tests (d. h. Chromosomen-Anfarbung) schließt eine methodische Lücke und ist wie vorstehend beschrieben dringend erforderlich. Teilweise hilft in dieser Hinsicht vergleichende genomische Hybridisierung. Eine strukturelle, chromosomale Aberration kann jedoch nicht nachgewiesen werden und zeigt stets einen Mittelwert der chromosomalen Aberration in einem Zeil-Gemisch auf. Es kann sehr wahrscheinlich vorhergesagt werden, daß die auf Karyotypisierung basierende Hybridisierung ein weitverbreitetes Verfahren zur Aufzeichnung rekurrenter, chromosomaler Aberrationen in festen Tumoren werden könnte, sowohl in der Grundlagenforschung, als auch im diagnostischen Labor.Preparations that prevent high-resolution cell genetic analysis and secondary chromosomal aberrations that are not necessarily associated with tumor initiation or progression are a common feature of these tumors. The availability of a hybridization-based chromosomal screening test (i.e., chromosome staining) closes a methodological gap and is urgently needed as described above. Comparative genomic hybridization helps in part in this regard. However, structural chromosomal aberration cannot be detected and always shows an average value of chromosomal aberration in a mixture of cells. It can be predicted that karyotyping-based hybridization could become a widely used method for detecting recurrent chromosomal aberrations in solid tumors, both in basic research and in the diagnostic laboratory.
Zweitens kann das erfindungsgemäße Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahren für vergleichende Zellgenetik [siehe J. Weinberg und R. Stanyon, Current opinion in genetics and development 5 (1995) 792-797], in ähnlicher Weise wie in der U.S. Patentanmeldung No. 08/635,820 beschrieben, zum Nachweisen und Sichtbarmachen chromosomaler Aberrationen verwendet werden, die zur Veränderung der Chromosomen-Morphologie während der Evolution führte. Bei dem Studium evolutionär vewandter Spezies und bei dem Studium von Modellsystemen (beispielsweise Maus als ein Modellsystem für Mensch) ist es in vielen Fällen erforderlich, daß vergleichende Genom-Karten erzielt werden, bei der Chromosomen von zwei oder mehr Spezies gemäß ihren Sequenz-Ähnlichkeiten vergleichend angeordnet (aligned) werden und folglich gemäß ihrer, in den Chromosomen beinhalteten, genetischen Information. Die Verwendung des Chromosomen-Klassifizierungsverfahrens der vorliegenden Erfindung wird das Erzielen derartiger vergleichender Karten erleichtern.Second, the chromosome classification method of the present invention can be used for comparative cellular genetics [see J. Weinberg and R. Stanyon, Current opinion in genetics and development 5 (1995) 792-797], in a manner similar to that described in U.S. Patent Application No. 08/635,820, to detect and visualize chromosomal aberrations that have resulted in changes in chromosome morphology during evolution. In the study of evolutionarily related species and in the study of model systems (e.g., mouse as a model system for humans), it is often necessary to obtain comparative genome maps in which chromosomes from two or more species are comparatively aligned according to their sequence similarities and, hence, according to the genetic information contained in the chromosomes. Use of the chromosome classification method of the present invention will facilitate the obtaining of such comparative maps.
Beispielsweise wird die Herstellung einer Mensch-Maus vergleichenden Chromosomen-Karte betrachtet. Zu diesem Zwecke muß ein vollständiger Satz von Chromosomen-Anfärbungsmitteln von einer der Spezies (beispielsweise Mensch) gleichzeitig mit Chromosomen-Spreads der anderen Spezies (Maus im gegebenen Beispiel) hybridisiert und wie vorstehend beschrieben klassifiziert werden. Das Ergebnis ist eine, mit den menschlichen Chromosomen-Anfärbungsmitteln angefärbte Abbildung des Maus-Karyotyps. Folglich kann eine vergleichende Anordnung zwischen den Karyotypen der beiden Spezies gemacht werden. Eine cross-species-Hybridisierung kann sogar auch zum Erzeugen eines repetitiven Farb-Bandenmusters bei den analysierten Chromosomen verwendet werden, was hilfreich bei der zellgenetischen Analyse der Chromosomen-Aberrationen ist. Zu diesem Zweck kann eine geringere Anzahl von Fluorophoren verwendet werden. Beispielsweise würde die Verwendung zweier Maus-Anfärbungsmittel, wobei jeder ungefähr die Hälfte der Maus-Chromosomen beinhaltet und mit einemFor example, consider the preparation of a human-mouse comparative chromosome map. For this purpose, a complete set of chromosome stains from one of the species (e.g. human) must be simultaneously hybridized with chromosome spreads from the other species (mouse in the given example) and classified as described above. The result is a map of the mouse karyotype stained with the human chromosome stains. Consequently, a comparative alignment between the karyotypes of the two species can be made. Cross-species hybridization can even be used to generate a repetitive color banding pattern in the chromosomes analyzed, which is helpful in cell genetic analysis of chromosome aberrations. For this purpose, a smaller number of fluorophores can be used. For example, the use of two mouse stains, each containing approximately half of the mouse chromosomes and labeled with a
unterscheidbaren Fluorophoren markiert ist, bei Hybridisierung mit einem menschlichen Chromosomen-Spread ein Zwei-Farben-Bandenmuster ergeben.distinguishable fluorophores, produce a two-color banding pattern when hybridized with a human chromosome spread.
Drittens kann das erfindungsgemäße Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahren auf Zellen während der Interphase, Mitose oder Meiose angewendet werden. Beispielsweise kann dieser Klassifizierungs-Ansatz zum Nachweisen dreidimensionaler Anordnungen der Interphase-Chromosomen verwendet werden. Bislang ist wenig über Chromosomen-Aufbau (organization) während der Interphase bekannt und dennoch kann mit Berechtigung angenommen werden, daß während der Interphase in bösartigen Zellen Veränderungen in dem Chromosomen-Aufbau auftreten. Folglich kann der erfindungsgemäße Klassifizierungs-Ansatz von großem Wert zur Früherkennung verschiedener, bösartiger Veränderungen sein, in dem die Stufe der bösartigen Erkrankung definiert und somit eine Behandlung besser an untersuchte Patienten angepaßt werden kann, etc. Es sei angemerkt, daß eine Verwendung des erfindungsgemäßen Klassifizierungs-Verfahrens in Kombination mit dreidimensionalen Rekonstruktions-Mitteln (beispielsweise einem konfokalen Mikroskop) zum Gewinnen dreidimensionaler Information über den Chromosomen-Aufbau während Interphase, Mitose, Meiose verwendet werden kann.Third, the chromosome classification method of the invention can be applied to cells during interphase, mitosis or meiosis. For example, this classification approach can be used to detect three-dimensional arrangements of the interphase chromosomes. So far, little is known about chromosome organization during interphase, and yet it can be reasonably assumed that changes in chromosome organization occur during interphase in malignant cells. Consequently, the classification approach of the invention can be of great value for early detection of various malignant changes by defining the stage of the malignant disease and thus better tailoring treatment to patients under investigation, etc. It should be noted that use of the classification method of the invention in combination with three-dimensional reconstruction means (for example, a confocal microscope) can be used to obtain three-dimensional information about chromosome organization during interphase, mitosis, meiosis.
Viertens sind viele Krebsarten und genetischen Störungen durch Chromosomen-Deletionen, Translokationen und andere Umlagerungen und schwerer Abnormalitäten (beispielsweise Gen-Amplifikation) gekennzeichnet. Eine Verwendung des Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die Fähigkeit zum Auffinden derartiger Abnormalitäten erhöhen.Fourth, many cancers and genetic disorders are characterized by chromosome deletions, translocations and other rearrangements and severe abnormalities (e.g., gene amplification). Use of the chromosome classification method of the present invention will increase the ability to detect such abnormalities.
Fünftens ist eine der geläufigen, chromosomalen Aberrationen mit dem Down-Syndrom assoziiert. Vor langem wurde festgestellt, daß das Down Syndrom mit der Chromosom-21-Trisomie assoziiert ist. Eine sorgfältigere Untersuchung zeigte daß eine bestimmte Region des Chromosoms 21 (21q22) stets mit diesem geläufigen Syndrom assoziiert ist (d.h. bei Trisomie auftritt). In einigen Fällen ist jedoch der Karyotyp der von Down-Syndrom betroffenen Personen bei Bestimmung durch herkömmliche G- oder R-Banding-Karyotypisierungs-Techniken augenscheinlich normal. Die weitgehend akzeptierte Erklärung für diese Phänomen ist, daß in diesen Fällen die Trisomie von einem von der 21q22 Chromosomen-Region abgeleiteten Fragment herrührt, wobei das Fragment klein und unterhalb des Auflösungsvermögens herkömmlicher Banding-Techniken ist. Die Verwendung des Klassifizierungs-Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird jedoch ermöglichen, daß diese bislang nicht nachweisbaren Chromosom-21-Trisomien in embryonalen, beispielsweise über Chorionzotten-Probenentnahme oder aus maternalem, peripheren Blut gewinnbaren Zellen nachgewiesen werden können und daß eine fundiertere, genetische Beratung von gefährdeten Frauen ermöglicht wird. Es sei angemerkt,Fifth, one of the common chromosomal aberrations is associated with Down syndrome. It has long been established that Down syndrome is associated with chromosome 21 trisomy. More careful investigation has shown that a particular region of chromosome 21 (21q22) is always associated with this common syndrome (i.e., occurs in trisomy). In some cases, however, the karyotype of individuals affected by Down syndrome is apparently normal when determined by conventional G- or R-banding karyotyping techniques. The widely accepted explanation for this phenomenon is that in these cases the trisomy arises from a fragment derived from the 21q22 chromosome region, which fragment is small and below the resolution of conventional banding techniques. However, the use of the classification method of the present invention will enable these previously undetectable chromosome 21 trisomies to be detected in embryonic cells, for example, obtained via chorionic villus sampling or from maternal peripheral blood, and will enable more informed genetic counseling of women at risk. It should be noted that
daß von Chromosom 13 und Chromosom 18 oder deren Fragmente ebenfalls berichtet wurde, daß sie bei Trisomien auftreten, die zu der Geburt von in auffallender Weise abnormalen Kindern fuhren und daß das erfindungsgemäße Klassifizierungs-Verfahren in ähnlicher Weise für eine pränatale Diagnose dieser verheerenden Chromosom 13 oder 18 Trisomien verwendet werden kann.that chromosome 13 and chromosome 18 or their fragments have also been reported to occur in trisomies resulting in the birth of strikingly abnormal children and that the classification method of the invention can be similarly used for prenatal diagnosis of these devastating chromosome 13 or 18 trisomies.
Sechstens, wird das erfindungsgemäße Klassifizierungs-Verfahren kombiniert, mit den sich rasch entwickelnden Techniken der Abtrennung embryonaler Zellen von peripheren Blut einer schwangeren Frau von großem Wert für pränatale Niedrigrisiko-Karyotypisierung zum Nachweisen der Chromosom-21-Trisomien und anderer weniger häufiger Chromosomen-Abnormalitäten sein wird.Sixth, the classification method of the invention, combined with rapidly developing techniques for separating embryonic cells from the peripheral blood of a pregnant woman, will be of great value for prenatal low-risk karyotyping for the detection of chromosome 21 trisomies and other less common chromosomal abnormalities.
Siebtens kann das erfindungsgemäße Klassifizierungs-Verfahren zum Erzeugen eines Vielfarben-Bandenmusters von Chromosomen (d.h. Strichkodierung, Vielfarben-Banding-Karyotyp) verwendet werden. Für Einzelheiten hinsichtlich Chromosomen-Strichkodierung wird der Leser auf C. Lengauer et al., Hum. Molec. Genet. 5 (1993) 505-512 verwiesen. Das erste Ziel des Human Genom Projekts (HGP) steht kurz vor der Vervollständigung. Dieses Ziel, ist die Erzeugung einer körperlichen Karte des menschlichen Genoms. Der Begriff "körperliche Karte" nimmt Bezug auf das Klonieren des gesamten Genoms, in großen Insert-Vektoren, derart wie YAC-Klone oder BAC-Klone und die Kartierung dieser Klone mittels genetischer, zellgenetischer und physikalischer Kartierung. Zwei Hauptquellen menschlicher DNA wurden bei diesem Bestreben verwendet, Strahlungs-Hybrid-Zellinien und YAC-Contigs, die überlappende Klone für alle menschlichen Chromosomen .enthalten. Die Vervollständigung der Karte ermöglicht es für virtuell jede Region in dem Genom spezifische Klone abzurufen, die erforderlich zum Identifizieren der Gene, die kausal an ererbten oder erworbenen genetischen Erkrankungen, einschließlich Krebs, beteiligt sind. Durch Kombinieren von FISH mit mehrerenYAC- oder BAC-Klonen oder Strahlungshybriden und Spektral-Abbildung ist es möglich ein Vielfarben-Bandenmuster zu erzeugen, das letztlich die genetische und die zellgenetische Karte verknüpfen wird. Als ein Beispiel kann die Verwendung eines Strahlungshybrid-Panels (radiation hybrid panel) (Stanford Panel) betrachtet werden [siehe Barret J.H., Genetic mapping based on radiation hybrids, Genomics 13 (1992) 95-103]. Jedes einzelne Panel des Stanford Panels enthält einen Satz von DNA-Fragmenten mit einer Durchschnitts-Fragmentgröße von ca. 5000 Kbp. Jedes einzelne Panel deckt ca. 20% des menschlichen Genoms ab. Die Cohybridisierung fluoreszierender, von fünf derartigen Panelen abgeleiteter Sonden sollte deshalb die Abdeckung des größten Teils des Genoms ergeben und folglich alle menschlichen Chromosomen markieren. Die Fragmente sind jedoch in zufälliger Weise in den einzelnen Panelen verteilt. Deshalb ist die Anzahl der Panele, die zur einerSeventh, the classification method of the invention can be used to generate a multicolor banding pattern of chromosomes (i.e., barcoding, multicolor banding karyotype). For details regarding chromosome barcoding, the reader is referred to C. Lengauer et al., Hum. Molec. Genet. 5 (1993) 505-512. The first goal of the Human Genome Project (HGP) is nearing completion. This goal is the generation of a physical map of the human genome. The term "physical map" refers to cloning the entire genome in large insert vectors such as YAC clones or BAC clones and mapping these clones using genetic, cellular genetic and physical mapping. Two major sources of human DNA have been used in this endeavor, radiation hybrid cell lines and YAC contigs containing overlapping clones for all human chromosomes. Completion of the map allows one to retrieve, for virtually any region in the genome, specific clones required to identify genes causally involved in inherited or acquired genetic diseases, including cancer. By combining FISH with multiple YAC or BAC clones or radiation hybrids and spectral imaging, it is possible to generate a multicolor banding pattern that will ultimately link the genetic and cell genetic maps. As an example, consider the use of a radiation hybrid panel (Stanford Panel) [see Barret J.H., Genetic mapping based on radiation hybrids, Genomics 13 (1992) 95-103]. Each individual panel of the Stanford panel contains a set of DNA fragments with an average fragment size of approximately 5000 Kbp. Each individual panel covers approximately 20% of the human genome. Cohybridization of fluorescent probes derived from five such panels should therefore provide coverage of most of the genome and thus label all human chromosomes. However, the fragments are randomly distributed in the individual panels. Therefore, the number of panels required for a
• ··
&iacgr; · ♦ <&iacgr; · ♦ <
vollständigen Abdeckung des menschlichen Genoms erforderlich ist höher (beispielsweise 6-10 Panele). In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß fünf Einzel-Panele verwendet werden. Die Chromosomen-Fragmente von jedem Panel werden mit einem unterschiedlichen Fluorophor markiert (oder mit einer unterschiedlichen Kombination von Fluorophoren, beispielsweise kombinatorische Markierungs- oder Hybridisierungs-Strategien), beispielsweise durch direkten Einbau dUTP-konjugierter Fluorophore unter Verwendung von Primern, die von eingestreuten, repetitiven Sequenzen (IRS, interspersed repetitive sequences, beispielsweise Alu Sequenzen) abgeleitet wurden, in einem Verfahren, das im Fachgebiet als ein IRS-PCR-Ansatz, derart wie AIu-PCR bekannt ist, der eine ausschließliche Amplifikation und Markierung menschlicher Sequenzen garantiert. Falls DNA von einer anderen Spezies als dem Menschen solchermaßen amplifiziert und oder markiert werden soll, muß eine, Species-spezifische, eingestreute repetitive Sequenz (IRS), die für das Genom dieser Spezies kennzeichnend ist, zur Ableitung geeigneter PCR-Primer verwendet werden. Eine einzelne, getrennte Hybridisierung von einem der einzelnen Panele würde ein Bandenmuster eines Chromosomen-Spreads in einer Farbe mit einer Abdeckung von ungefähr 20 % des Genoms und einer Durchschnittsbandengröße von 5000 Kbp ergeben. Aufgrund der zufälligen Überlappung von Einzel-Chromosomen-Fragmente in fünf Hybrid-Panelen, würde die Cohybridisierung der fünf differentiell markierten Gruppen (jede Gruppe wird durch ein einzelnes Panel dargestellt) von Fragmenten ein Bandenmuster ergeben, das Banden einschließt, die reine Farben aufweisen, Banden einschließt, die jede eine Kombination von zwei, drei, vier ebenso wie fünf, wobei insgesamt 31 Farb-Kombinationen möglich sind, wobei die Farb-Kombinationen unter Verwendung Spektral-Abbildung unterschieden werden könne. Die Erzeugung eines hochauflösenden Vielfarben-Bandenmusters von Chromosomen weist, wie folgt, zwei deutliche Vorteile im Vergleich zur Verwendung von Chromosomen-Anfärbungs-Sonden (d.h. Chromosomen-Anfarbungsmitteln) auf. Chromosomen-Anfarbung ist ein gut angepaßtes Arbeitsmittel zum Nachweisen interchromosomaler Aberrationen, derart wie Translokation oder homogene Anfärbungsregionen, ebenso wie zusätzliches Chromosomen-Material, derart wie Marker Chromosomen oder Doubleminute-Chromosomen. Intrachromosomale Aberrationen, derart wie Deletionen oder Duplikationen würden nur nachgewiesen, falls die Größe der Aberrationen sich auf die Länge der Chromosomen auswirkt, während chromosomale Inversionen überhaupt nicht durch dieses Verfahren nachweisbar sind. Bei Verwendung eines Vielfarben-Bandenmusters konnten jedoch sowohl inter- als auch intrachromosomale Aberrationen diagnostiziert werden, da sie sich auf die Sequenz der chromosomalen Banden auswirken. Ein Hauptvorteil des hochauflösenden Vielfarben-Bandenmusters unter Verwendung vorkartierter DNA Fragmente (beispielsweise YAC-Klone und Strahlungshybridzellinien) ist die Möglichkeit die genetische und die zellgenetische Karte zu integrieren. Jede Vielfarben-Bande wird durch einen spezifischen Satz von Sequenz-markierten Stellen (sequence tagged sites) gekennzeichnet. Diese sind PCR-complete coverage of the human genome is required (e.g. 6-10 panels). In the following description, it is assumed that five individual panels are used. The chromosome fragments from each panel are labelled with a different fluorophore (or with a different combination of fluorophores, e.g. combinatorial labelling or hybridisation strategies), for example by direct incorporation of dUTP-conjugated fluorophores using primers derived from interspersed repetitive sequences (IRS, e.g. Alu sequences) in a procedure known in the art as an IRS-PCR approach, such as AIu-PCR, which guarantees exclusive amplification and labelling of human sequences. If DNA from a species other than human is to be amplified and/or labeled in this way, a species-specific interspersed repetitive sequence (IRS) characteristic of the genome of that species must be used to derive suitable PCR primers. A single, separate hybridization of any of the individual panels would yield a banding pattern of a chromosome spread in one color with approximately 20% genome coverage and an average band size of 5000 Kbp. Due to the random overlap of single chromosome fragments in five hybrid panels, cohybridization of the five differentially labeled groups (each group represented by a single panel) of fragments would yield a banding pattern that includes bands that have pure colors, bands that each have a combination of two, three, four as well as five, for a total of 31 color combinations, which color combinations can be distinguished using spectral imaging. The generation of a high-resolution multicolor banding pattern of chromosomes has two distinct advantages over the use of chromosome staining probes (i.e., chromosome stains), as follows. Chromosome staining is a well-adapted tool for detecting interchromosomal aberrations, such as translocations or homogeneous staining regions, as well as extra chromosomal material, such as marker chromosomes or double-minute chromosomes. Intrachromosomal aberrations, such as deletions or duplications, would only be detected if the size of the aberrations affected the length of the chromosomes, while chromosomal inversions are not detectable at all by this method. However, using a multi-color banding pattern, both inter- and intrachromosomal aberrations could be diagnosed, as they affect the sequence of the chromosomal bands. A major advantage of high-resolution multi-color banding using pre-mapped DNA fragments (e.g. YAC clones and radiation hybrid cell lines) is the ability to integrate the genetic and cell genetic map. Each multicolor band is characterized by a specific set of sequence tagged sites. These are PCR
• » ♦• » ♦
Produkte, die nur einmal im Genom auftreten. Es folgt eine Beschreibung der Nützlichkeit einer integrierten genetischen und zellgenetischen Karte. Beispielsweise weist der Mangel an einer spezifischen Farbbande auf einem, von einer Tumorzelle abgeleiteten Chromosomen auf eine Mikrodeletion hin, die häufig den Verlust eines Tumorsuppressor-Gens widerspiegelt. Das Wissen über die Sequenz-Ziel-Stellen (sequence target sites, STS's), die spezifisch für diese Bande sind, würde es ermöglichen eine große Insert-Klon-Sammlung durchzumustern und eine Anzahl spezifischer Klone zu gewinnen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit das Gen enthalten, das in dem beschrieben Beispiel gelöscht wurde. Es sollte erwähnt werden, daß mit Sequenzierungs-Bemühungen im großen Maßstab, die nun erfolgen, und mit der Integration exprimierter markierter Orte (Loci von denen bekannt ist, daß sie ein Gen enthalten) der Wert eines auf Hybridisierung basierenden Vielfarben-Bandenmusters sogar weiter zunehmen würde. Es ist auch vorstellbar, daß ein derartiges Vielfarben-Bandenmuster einfach automatisiert werden könnte. Trotz beträchtlicher Anstrengungen war die Automatisierung zellgenetischer Diagnoseverfahren auf Basis herkömmlicher Chromosomen-Banden bislang nicht erfolgreich.Products that occur only once in the genome. A description of the utility of an integrated genetic and cellular genetic map follows. For example, the lack of a specific color band on a chromosome derived from a tumor cell indicates a microdeletion, which often reflects the loss of a tumor suppressor gene. Knowledge of the sequence target sites (STS's) specific to this band would make it possible to screen a large insert clone collection and obtain a number of specific clones that are highly likely to contain the gene deleted in the example described. It should be noted that with large-scale sequencing efforts now underway and with the integration of expressed tagged sites (loci known to contain a gene), the value of a hybridization-based multicolor banding pattern would increase even further. It is also conceivable that such a multicolor banding pattern could be easily automated. Despite considerable efforts, the automation of cell genetic diagnostic procedures based on conventional chromosome banding has not yet been successful.
Der hier vorstehend beschriebene Ansatz wird nicht nur zur Erzeugung eines auf Hybridisierung basierenden Bandenmusters menschlicher Chromosomen, sondern ebenfalls für andere Säugetier- (beispielsweise Maus) und Nicht-Säugetier-Species anwendbar sein. Dies wird insbesondere bei der Analyse menschlicher Erkrankungen, einschließlich Krebs, in Tiermodellen von Nutzen sein. In Analogie zu dem, für die Strahlungs-Hybrid-Panele beschriebenen Szenario könnte ein Vielfarben-Bandenmuster für alle menschlichen Chromosomen durch Cohybridisierung eines Satzes von individuell: großen Insert-Klonen, derart wie YAC-Klone, Pl-Klone, BAC-Klone erreicht werden oder, in Abhängigkeit von der erwünschten Auflösung, durch Verwendung von Contigs) (überlappende Klone) von diesen Quellen. In weiterer Analogie zur Verwendung von Strahlungs-Hybrid-Panelen könnte ein Vielfarben-Bandenmuster durch ungeregeltes Markieren überlappender Klone oder Contigs mit unterschiedlichen Fluorophore eingeführt werden. Ein durchschnittlicher Fachmann wird würdigen, daß die Gewinnung von Klonen, die an Chromosomen-Bruchstellen (breakpoints) oder an chromosomaler Aberration beteiligt sind, sogar noch einfacher als die Verwendung von Strahlungshybrid-Panelen wäre. Eine andere Quelle geeigneter Chromosomen-Fragmente, die zur Verwendung für Multicolor-Chromosomen-Banding geeignet sind, sind Fragmente, die über eine Mikrosektion von Chromosomen erhalten wurden. Mikrosezierte Chromosomen-Fragmente werden, wie ebenfalls in dem Fachgebiet bekannt ist, durch manuelle oder Laser-Mikromanipulation von Chromosomen-Spreads erzeugt. Die solchermaßen hergestellten Fragmente werden gewöhnlich über Polymerasekettenreaktion vervielfältigt unter Verwendung von beispielsweise entarteten Oligonukleotid-Primern (degenerated oligonuclotid primers, DOP) in einem, im Fachgebiet als DOP-PCR bekannten Verfahren oder unter Verwendung von eingestreuten, repetitiven Sequenzen (IRS, beispielsweise Alu Sequenzen) in einem, im Fachgebiet als IRS-PCRThe approach described above will be applicable not only to generate a hybridization-based banding pattern of human chromosomes, but also for other mammalian (e.g. mouse) and non-mammalian species. This will be particularly useful in the analysis of human diseases, including cancer, in animal models. In analogy to the scenario described for the radiation hybrid panels, a multicolor banding pattern for all human chromosomes could be achieved by cohybridizing a set of individually large insert clones, such as YAC clones, Pl clones, BAC clones, or, depending on the desired resolution, by using contigs (overlapping clones) from these sources. In further analogy to the use of radiation hybrid panels, a multicolor banding pattern could be introduced by randomly labeling overlapping clones or contigs with different fluorophores. One of ordinary skill in the art will appreciate that obtaining clones involved in chromosome breakpoints or chromosomal aberration would be even simpler than using radiation hybrid panels. Another source of suitable chromosome fragments suitable for use in multicolor chromosome banding are fragments obtained via microdissection of chromosomes. Microdissected chromosome fragments are generated by manual or laser micromanipulation of chromosome spreads, as is also known in the art. The fragments thus prepared are usually amplified by polymerase chain reaction using, for example, degenerated oligonucleotide primers (DOP) in a method known in the art as DOP-PCR or using interspersed repetitive sequences (IRS, e.g. Alu sequences) in a method known in the art as IRS-PCR.
tt * · ■·■ ♦ · · · #■ *tt * · ■·■ ♦ · · · #■ *
bekannten Verfahren. Noch eine zusätzliche Quelle von Chromosomen-Fragmenten, die zur Verwendung für Vielfarben-Chromosomen-Banding geeignet sind, sind durch DNA-Restriktions-Ansätze erzeugte Fragmente, die große DNA-Fragmente erzeugen und Elektrophorese-Ansätze, die große DNA-Fragmente hinsichtlich der Größe auftrennen. In Bezug auf das Erzeugen großer DNA-Fragmente durch DNA-Restriktion können zwei Ansätze in Betracht gezogen werden. Gemäß dem ersten Ansatz, wird ein partieller Aufschluß durch eine Endonuklease (beispielsweise häufig oder selten schneidend) verwendet wird, während gemäß dem zweiten Ansatz ein vollständiger Aufschluß durch eine selten schneidende Endonuklease (beispielsweise Notl) verwendet wird. Die letztere wird gegenwärtig bevorzugt, da ein vollständiger Aufschluß zum Erzielen identischer Ergebnisse in unabhängigen Versuchen wiederholt werden kann, während ein teilweiser Aufschluß zufälliger Natur ist. Elektrophorese-Ansätze, die große DNA-Fragmente hinsichtlich der Größe auftrennen können, sind im Fachgebiet wohl bekannt und schließen Impulsfeld-Gelektrophorese (pulse field gel electrophoresis, PFGE) mit ein. Folglich würde, ähnlich dem vorstehend beschriebenen, beispielsweise eine Extraktion der DNA aufeinanderfolgenden Bereiche entlang eines PFGE-Streifens, eine Markierung der, von jeder der Regionen extrahierten DNA, unter Verwendung eines unterschiedlichen Fluorophor und eine Cohybndisierung solchermaßen gebildeter Sonden an Chromosomen zu einem Vielfarben-Bandenmuster der Chromosomen führen. Große DNA-Fragmente können zusätzlich via Gradientenzentrifugation, derart wie Saccharose- oder Cäsiumchlorid-Gradienten, erhalten werden, was ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist. Trotzdem wird anerkannt werden, daß bei Verwendung dieser Ansätze keine Möglichkeit zur Verfügung gestellt wird, die genetische und die zellgenetische Karte wie vorstehend beschrieben zu integrieren und deshalb gegenwärtig weniger vorteilhaft ist.known methods. Yet an additional source of chromosome fragments suitable for use in multicolor chromosome banding are fragments generated by DNA restriction approaches that generate large DNA fragments and electrophoresis approaches that size-separate large DNA fragments. With respect to generating large DNA fragments by DNA restriction, two approaches can be considered. According to the first approach, a partial digestion by an endonuclease (e.g., frequently or rarely cutting) is used, while according to the second approach, a complete digestion by a rarely cutting endonuclease (e.g., NotI) is used. The latter is presently preferred because a complete digestion can be repeated to achieve identical results in independent experiments, whereas a partial digestion is random in nature. Electrophoresis approaches that can size-separate large DNA fragments are well known in the art and include pulse field gel electrophoresis (PFGE). Thus, similar to that described above, for example, extracting DNA from successive regions along a PFGE strip, labeling the DNA extracted from each of the regions using a different fluorophore, and co-hybridizing probes so formed to chromosomes would result in a multi-color banding pattern of the chromosomes. Large DNA fragments can additionally be obtained via gradient centrifugation, such as sucrose or cesium chloride gradients, which is also known in the art. Nevertheless, it will be appreciated that using these approaches does not provide an opportunity to integrate the genetic and cellular genetic map as described above and is therefore less advantageous at present.
Die Erzeugung eines auf fluoreszierender m-s#H-Hybridisierung und dem Chromosomen-Klassifizierungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung basierenden Vielfarben-Bandenmusters von Chromosomen (d.h. eines Vielfarben-Banding-Karyotyps) kann für verschiedene praktische Anwendungen verwendet werden. Diese beinhalten beispielsweise (i) Durchmusterungs-Verfahren (screen) für chromosomale Aberrationen unter Verwendung von beispielsweise spezifisch geschneiderter Klonierungs-Sets, (ii) Durchmustern hinsichtlich telomerischer Deletionen, die andernfalls schwierig aufzufinden sind, (iii) Durchmustern hinsichtlich chromosomaler Aneuploidien während pränataler Diagnose, (iv) Durchmustern hinsichtlich rekurrenten, chromosomalen Bruchstellen, (v) vergleichende, genomische Vielfarben-Hybridisierung, (vii) Kombinieren von Vielfarben-FISH mit anderen Erfassungen zytologischer und immunohistochemischer Anfärbungen zur Multiparameter Analyse von Tumorzellen, (viii) Kombinieren von Vielfarben-Bandenmuster mit herkömmlichen R- oder G-Banden, (ix) Analyse der genetischen Aberrationen unmittelbar in Interphase-Zellen und (x) Durchmustern nachThe generation of a multicolor banding pattern of chromosomes (i.e., a multicolor banding karyotype) based on fluorescent m-s#H hybridization and the chromosome classification method of the present invention can be used for various practical applications. These include, for example, (i) screening for chromosomal aberrations using, for example, specifically tailored cloning kits, (ii) screening for telomeric deletions that are otherwise difficult to detect, (iii) screening for chromosomal aneuploidies during prenatal diagnosis, (iv) screening for recurrent chromosomal breakpoints, (v) comparative multicolour genomic hybridization, (vii) combining multicolour FISH with other cytological and immunohistochemical staining for multiparameter analysis of tumor cells, (viii) combining multicolour banding with conventional R or G banding, (ix) analyzing genetic aberrations directly in interphase cells and (x) screening for
64
chromosomalen Aberrationen in Strahlungs- oder Mutagen-exponierten Populationen.64
chromosomal aberrations in radiation- or mutagen-exposed populations.
Der Hauptvorteil des Verfahrens der vorliegende Erfindung ist die Einführung eines Verfahrens der zur Chromosomen-Klassifizierung, das interne Referenzvektoren zur Pixel-Klassifizierung verwendet, wobei gewöhnlich interne Referenzvektoren ein bessere Leistung liefern. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren einfach automatisiert werden kann. Unter Verwendung dieses Verfahrens werden deshalb halb- oder nicht qualifizierte Zellgenetiker in die Lage versetzt klare und informative Karyotypen zu erhalten, was eine Überlagerung spektraler und räumlicher Information einschließen kann.
10The main advantage of the method of the present invention is the introduction of a method for chromosome classification that uses internal reference vectors for pixel classification, where usually internal reference vectors provide better performance. Another advantage of the present invention is that the method can be easily automated. Using this method, therefore, semi- or unskilled cell geneticists are enabled to obtain clear and informative karyotypes, which may include a superposition of spectral and spatial information.
10
Während die Erfindung hinsichtlich einer begrenzten Anzahl an Ausführungsformen beschrieben wurde, ist klar, daß viele Veränderungen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung gemacht werden können.While the invention has been described in terms of a limited number of embodiments, it will be apparent that many changes, modifications and other applications of the invention may be made.
Claims (6)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/844,516 US5798262A (en) | 1991-02-22 | 1997-04-18 | Method for chromosomes classification |
| EP98913120A EP0920537A4 (en) | 1997-04-18 | 1998-03-27 | Method for chromosomes classification |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE29824468U1 true DE29824468U1 (en) | 2001-03-22 |
Family
ID=26152468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE29824468U Expired - Lifetime DE29824468U1 (en) | 1997-04-18 | 1998-03-27 | Chromosome classification device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29824468U1 (en) |
-
1998
- 1998-03-27 DE DE29824468U patent/DE29824468U1/en not_active Expired - Lifetime
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69809161T2 (en) | Method and device for classifying pixels in groups according to their spectra by means of a plurality of broadband filters | |
| DE69629374T2 (en) | METHOD FOR THE SIMULTANEOUS DETECTION OF SEVERAL FLUOROPHORES FOR SITU HYBRIDIZATION AND COLORING OF CHROMOSOMES | |
| US5906919A (en) | Method for chromosomes classification | |
| DE69719966T2 (en) | METHOD FOR THE SIMULTANEOUS DETECTION OF DIFFERENT FLUOROPHORES IN THE IN-SITU HYBRIDIZATION | |
| EP0935679B1 (en) | Method for chromosome classification by decorrelation statistical analysis and hardware therefore | |
| DE60316113T2 (en) | METHOD FOR QUANTITATIVE VIDEO MICROSCOPY AND DEVICE AND COMPUTER PROGRAM FOR IMPLEMENTING THE PROCESS | |
| DE69636127T2 (en) | MULTIPARAMETER FLUORESCENCE IN SITU HYBRIDIZATION | |
| DE68927059T2 (en) | IN SITU SUPPRESSION HYBRIDIZATION AND USES | |
| US5912165A (en) | Method for chromosome classification by decorrelaiton statistical analysis and hardware therefore | |
| DE29624210U1 (en) | Device for the simultaneous detection of multiple fluorophores in in situ hybridization and chromosome staining | |
| DE29824468U1 (en) | Chromosome classification device | |
| DE29724412U1 (en) | Device for the simultaneous detection of several fluorophores for in situ hybridization | |
| US20030143524A1 (en) | Method and system for determining the amount, distribution and conformation of genetic material in a cell | |
| Breneman et al. | Automated spectral imaging for clinical diagnostics |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20010426 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20010625 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20040510 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20060413 |
|
| R071 | Expiry of right |