JP2002218995A - 細胞増殖能評価方法、装置及びプログラム - Google Patents
細胞増殖能評価方法、装置及びプログラムInfo
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Abstract
態観察測定することによって、その細胞集団全体の増殖
能力を容易かつ的確に把握することができるように構成
された細胞増殖能評価方法、装置及びプログラムを提供
する。 【解決手段】 細胞増殖能評価方法、装置及びプログラ
ムは、接着依存性細胞を培養容器内で単層培養する際
に、その細胞集団の増殖能力を評価するものである。こ
の細胞増殖能評価方法、装置及びプログラムは、前記培
養容器内で培養されている個々の細胞像を観察測定した
個別細胞観察測定結果を用いて、その培養容器内の細胞
集団の増殖能力を評価するように構成されている。前記
個別細胞観察測定結果は、例えば、細胞接着期21にお
ける個々の細胞の投影面積Saの時間変化を表す伸展速
度、細胞増殖期23における個々の細胞の接触細胞数、
細胞増殖期23における個々の細胞の投影面積Sa’で
あるのが好ましい。
Description
評価する方法、装置及びプログラムに関し、詳しくは、
培養容器内での接着依存性細胞の単層培養時に、接着依
存性細胞の増殖能力を評価する方法、装置及びプログラ
ムに関するものである。
としては、例えば、培養容器内の接着依存性細胞の生存
細胞数を経時的にモニタリングした結果を用いて、その
細胞の標準的な増殖曲線を作製し、その増殖曲線に基づ
いて培養細胞の増殖能力が推定及び評価されていた。前
記生存細胞数としては、例えば、培養容器の底面に接着
している接着細胞の画像を取り込んで画像処理すること
によって求めたり、或いは前記接着細胞をトリプシン等
により剥離させた後、血球計算盤やコールターカウンタ
ー等を用いて計測したりして求められる。そして、所定
時間毎に前記生存細胞数を計測して記録することによっ
て、その細胞の標準的な増殖曲線が求められていた。
マーカーの細胞内への取り込みを調べることによって増
殖曲線を作製することも行われていた。また、細胞内に
色素を取り込ませてその細胞集団を染色し、フローサイ
トメータ等で分析した結果を用いて、例えば細胞分裂や
細胞周期等の研究も行われており、得られた結果を用い
てその観察測定されている集団の細胞の増殖能力が推定
及び評価されていた。
生存細胞数の計測結果を利用した細胞増殖能評価方法で
は、培養容器内の細胞の増殖能力が、生存細胞数を計測
することによる単なる統計学的解析処理のみによって評
価されていた。このため、この生存細胞数の計測時以降
に予想される生存細胞数の推移は、細胞の状態をリアル
タイムに反映させたものではなく、予め調査された標準
的な増殖曲線に従うものであるという仮定のもとにその
増殖能力の評価が行われていた。従って、この方法で
は、現実に起こりつつある現象を的確に予測することは
困難であった。
た細胞増殖能評価方法では、細胞の状態を間接的に定量
化することができるように構成されたマーカーや色素が
利用されていることから、細胞の状態を一部反映させる
ことは可能である。しかしながら、この方法では、細胞
に対して直接又は間接的にダメージを与えたり破壊した
りしてしまうという問題点があった。
する問題点に着目してなされたものである。その目的と
するところは、個々の接着依存性細胞を無襲撃、非破壊
で形態観察測定することによって、その細胞集団全体の
増殖能力を容易かつ的確に把握することができるように
構成された細胞増殖能評価方法、装置及びプログラムを
提供することにある。
めに、請求項1に記載の発明の細胞増殖能評価方法は、
接着依存性細胞を培養容器内で単層培養する際に、その
細胞集団の増殖能力を評価するための細胞増殖能評価方
法であって、前記培養容器内で培養されている個々の細
胞像を観察測定した個別細胞観察測定結果を用いて、そ
の培養容器内の細胞集団の増殖能力を評価するように構
成したことを特徴とするものである。
法は、請求項1に記載の発明において、前記細胞を培養
容器に接種する工程と、培養容器内の培養状態を撮影す
る工程と、その培養状態の画像から個々の細胞の画像を
抽出する工程と、その個々の細胞の画像から細胞の増殖
能力関連指標を演算する工程と、その指標を用いて前記
細胞集団の増殖能力を評価する工程とを備えたことを特
徴とするものである。
法は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前
記個別細胞観察測定結果を、前記細胞が培養容器の底面
に付着した後からその容器底面上での細胞の伸展が停止
するまでの細胞接着期において、前記観察測定されてい
る個々の細胞の培養容器底面に対する投影面積の時間変
化を表す細胞の伸展速度としたことを特徴とするもので
ある。
法は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の発明に
おいて、前記個別細胞観察測定結果を、前記細胞が培養
容器内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の細胞増
殖期において、前記観察測定されている個々の細胞に接
触して存在する接触細胞数としたことを特徴とするもの
である。
法は、請求項1から請求項4のいずれかに記載の発明に
おいて、前記個別細胞観察測定結果を、前記細胞が培養
容器内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の細胞増
殖期において、前記観察測定されている個々の細胞の培
養容器底面に対する投影面積としたことを特徴とするも
のである。
置は、接着依存性細胞を培養容器内で単層培養する際
に、その細胞集団の増殖能力を評価するための細胞増殖
能評価装置であって、前記細胞が接種される培養容器を
収容するインキュベータと、前記培養容器内の培養状態
を撮影する撮影装置と、前記撮影装置に接続されたコン
ピュータとを備え、前記コンピュータは、培養状態の画
像を解析して個々の細胞の画像を抽出し、その個々の細
胞の画像から細胞の増殖能力関連指標を演算し、その指
標を用いて前記細胞集団の増殖能力を評価するように構
成したことを特徴とするものである。
ログラムは、接着依存性細胞を培養容器内で単層培養す
る際に、その細胞集団の増殖能力を評価するための細胞
増殖能評価プログラムであって、前記プログラムは、コ
ンピュータに、前記培養容器内の培養状態の画像を解析
して個々の細胞の画像を抽出する工程と、その個々の細
胞の画像から細胞の増殖能力関連指標を演算する工程
と、その指標を用いて前記細胞集団の増殖能力を評価す
る工程とを実行させることを特徴とするものである。
に基づいて詳細に説明する。本実施形態の細胞増殖能評
価方法は、図2に模式的に示すように、接着依存性細胞
(以下、細胞と記載する)11を培養液12を満たした
培養容器13内で単層培養する際に、その細胞集団全体
の増殖能力を評価して把握するためのものである。さら
に、この細胞増殖能評価方法は、培養容器13内で培養
されている個々の細胞像を形態観察測定した個別細胞観
察測定結果を用いて、その培養容器13内の細胞集団全
体の増殖能力を定量評価するものである。
接又は細胞外マトリックスを介して接着することができ
るとともに、その容器13の底面上で単層培養すること
ができる性質を有する。この細胞11の増殖能力は、図
10に模式的に示される細胞増殖能評価装置100によ
り評価される。評価装置100は、培養容器13を収容
するインキュベータ101、培養容器13に所定の組成
を有するガスを供給するガス供給装置102、培養容器
13内の培養状態を撮影する撮影装置103、及び撮影
装置103に接続されたパーソナルコンピュータ104
を含む。
適した環境を提供する。撮影装置103は培養容器13
の下方に配置され、培養容器13の底に接着した細胞1
1の画像を含む原画像をパーソナルコンピュータ104
に供給する。撮影装置103は好ましくはCCDカメラ
である。パーソナルコンピュータ104は、好ましく
は、CPUと、主記憶装置105aと、補助記憶装置1
05bと、ディスプレイ106とを有する画像処理装置
である。
は、撮影装置103から原画像を受け取り(S10
0)、その原画像を解析して、個々の細胞11の画像を
抽出する(S110)。コンピュータ104は、抽出さ
れた細胞像から、細胞11の増殖能力に関連する指標
(増殖能力関連指標)を算出する(S120)。コンピ
ュータ104はその指標を用いて細胞集団の増殖能力を
評価する(S130)。コンピュータ104は、評価結
果をディスプレイ106に表示する(S140)。
が記載されたコンピュータプログラムを実行する。コン
ピュータプログラムは、フロッピー(登録商標)ディス
クやCD−ROM等の可搬型記録媒体107やネットワ
ーク接続された他の計算機の主記憶装置や補助記憶装置
等に格納されて提供される。
体107から補助記憶装置105bにコピー又はインス
トールされ、その後、主記憶装置105aにロードされ
る。或いは、コンピュータプログラムは可搬型記録媒体
107から主記憶装置105aに直接ロードされ実行さ
れる。
1の単層培養過程は、細胞接着期21、細胞誘導期22
及び細胞増殖期23からなる3種のステージに分類され
る。細胞接着期21は、培養液12とともに培養容器1
3内に接種された細胞11が、その容器13底面に接触
(付着)した後から、その容器13底面上で平面的な細
胞伸展を終了するまでの期間taである。このステージ
の細胞11は、図2(a)に示すように接種直後には球
状のまま培養液12中で浮遊していた状態から、図2
(b)に示されるように細胞11の下端面を培養容器1
3の底面上に接触させて付着した後、図2(c)に示さ
れるようにその付着位置で徐々に接着面積及び投影面積
Saを増大させて扁平形状(平板状)に形を変化させ
る。そして、前記培養容器13底面上における投影面積
Saの増大が停止された時点で細胞接着期21は終了す
る。
の細胞懸濁液を調製する際に加えられたダメージの程度
に応じてその機能回復に時間を要することから、通常の
細胞分裂とはやや異なる行動様式をとる。また、生存不
能となる細胞も見られる。前記ダメージとしては、例え
ば、採取された組織から細胞11を単離するための単離
操作や、培養容器13の底面から細胞11を剥離させる
ための剥離操作を行うための酵素(プロテイナーゼ等)
処理によるダメージや、凍結保存された細胞11を培養
温度に戻すための温度変化ダメージ等である。そして、
前記生存不能細胞11は培養容器13の底面に接着せず
に死滅し、生存細胞11はダメージの程度にほぼ比例す
るように所定時間経過後に培養容器13の底面に接着し
て生存する。
終了後から第1回目の細胞分裂を完了するまでの期間で
ある。このステージの細胞11は、前記培養容器13の
底面に接着した後の新しい環境に順応するための期間で
あり、図2(d)及び(e)に示される細胞分裂直前の
僅かな期間以外は、図2(c)に示される状態(培養容
器13底面上に扁平形状に接着した状態)のままで生存
し、投影面積Saの増大はほとんど見られず、投影面積
Sa=Sa1のままで推移する。一方、前記細胞分裂直
前の僅かな期間では、細胞11はほぼ球状となり、投影
面積Saは一時的に減少する。そして、この細胞誘導期
22の細胞(親細胞)11は、所定のラグタイムtLの
後に、図2(f)に示されるような正常な第1回目の細
胞分裂を完了して2個の娘細胞11aとなる。
終了後(第1回目の細胞分裂終了後)以降の期間であ
る。このステージの細胞11は、図2(f)に示される
ように、その細胞11(11a)の周囲に隣接する娘細
胞11a等の接触細胞がほとんどない状況では、ほぼ一
定の世代時間tg毎に細胞分裂を繰り返しながら増殖す
るが、前記接触細胞数の増大に伴って世代時間tgが徐
々に長くなる。そして、培養容器13の底面がコンフル
エント状態(培養容器13底面全体が細胞11によって
単層に覆われている状態)になったところで、すなわち
前記細胞11の周囲が接触細胞により完全に覆われたと
きに細胞分裂を停止する。図1(a)に示されるよう
に、この細胞増殖期23における各細胞11の投影面積
Saは、細胞分裂の直後に急激に増大した後、所定時間
ほぼ一定の投影面積Sa=Sa’を維持し、次の細胞分
裂の直前に急激に減少するという周期を繰り返す。
しくはCCDカメラ103を用いて継続的に撮影されモ
ニタリングされる。撮影された原画像には、細胞11以
外の像が含まれるので、培養容器13の底面に接着した
個々の細胞11の投影像やその投影像周縁の輪郭を明確
化させるための適切な画像処理が行われる。原画像の画
像処理により、細胞像が抽出される。好ましくは、抽出
された細胞像の画素数や輪郭等を用いて、モニタリング
されている個々の細胞11の投影面積Saが算出され
る。さらに、抽出された細胞像から、個々の細胞11に
隣接する接触細胞数を計測するように構成するのが好ま
しい。算出結果すなわち投影面積Sa及び/又は接触細
胞数が、細胞11の増殖能力関連指標(個別細胞観察測
定結果)として、その細胞集団の増殖能力を評価するた
めに利用される。
タリングする場合には、図1(a)に示されるように、
その投影面積Saの経時変化から細胞分裂等の細胞11
の状態を容易に把握することができる。すなわち、培養
容器13内に接種された細胞11は、細胞接着期21の
極初期にはほぼ球状であることから投影面積Saが極め
て小さいが、時間経過に伴って培養容器13の底面上で
徐々に投影面積Saを増大させながら扁平形状になる。
そして、細胞接着期21の終了時には、細胞11の変形
は停止し、前記投影面積Saの増大は停止される。
おいてほぼ一定の投影面積Sa=Sa1のまま接着後第
1回目の細胞分裂のための準備(細胞周期におけるDN
A合成準備期(G1期)からDNA合成期(S期))を
行った後、分裂準備期(G2期)に至る段階で有糸分裂
を行うために再び球状に形を変える。このG2期は、図
1(a)に示される細胞誘導期22の終了直前における
投影面積Saが急激に低下する期間である。
分裂期(M期)において一旦極小値(図1(a)に示さ
れる細胞誘導期22と細胞増殖期23との境界部)をと
った後、細胞増殖期23に進行して再び増大する。この
とき、前記細胞(親細胞)11は、細胞分裂を行って複
数(通常は2個)の娘細胞11aとなった後、培養容器
13底面上のほぼそのままの位置で側部を互いに接触さ
せながら前記底面上に接着し(図2(f)参照)、上記
細胞接着期21の場合と同様にその投影面積Saを徐々
に増大させる。
細胞誘導期22の場合と同様に、ほぼ一定の投影面積S
a=Sa’のまま接着後第2回目の細胞分裂のための準
備を行った後、再び球状に変形して有糸分裂を行う。こ
の細胞11(11a)は細胞増殖期23において、コン
フルエント状態になるまでほぼ同様な一連の細胞分裂過
程を複数回繰り返しながら増殖する。
る細胞集団全体の増殖能力は、前記個別細胞観察測定結
果としての細胞接着期21における個々の細胞11の投
影面積Saの変化(増加速度)を表す伸展速度rsに大
きく依存しており、それをこの細胞集団全体の増殖能力
を評価するための増殖能力関連指標として利用すること
ができる。前記個々の細胞11の伸展速度rsは、細胞
接着期21における投影面積Saの最大値と最小値との
差を培養時間taで割った値であり、図1(a)に示さ
れるグラフの細胞接着期21における傾き(平均値)を
示している。
前記個別細胞観察測定結果としての細胞増殖期23にお
ける個々の細胞11の接触細胞数に大きく依存してお
り、これをこの細胞集団全体の増殖能力を評価するため
の増殖能力関連指標として利用することができる。すな
わち、この細胞11は、単層培養を行う性質を有すると
ともに、細胞分裂後の娘細胞11a同士が互いに接触し
ながら生存する性質を有していることから、細胞分裂後
の娘細胞11aが接着を許容するための余剰スペースが
なくなった時点で、接触阻害により細胞分裂を停止する
ようになっている。そして、前記接触阻害の程度は、個
々の細胞11の接触細胞数とほぼ比例して高められる。
記個別細胞観察測定結果としての細胞増殖期23におけ
る個々の細胞11の投影面積Sa=Sa’に大きく依存
しており、この細胞集団全体の細胞寿命を考慮した増殖
能力を評価するための増殖能力関連指標として利用する
ことができる。すなわち、この細胞11は、単層培養を
行う性質を有するとともに、分化後からの細胞分裂回数
と直接的にリンクした有限の細胞寿命を持つ性質を有し
ていることから、その細胞寿命の限界に達した細胞11
は増殖能力がなくなる。前記細胞寿命の程度は、同種に
おいて細胞株にほとんど関係がなく、個々の細胞11の
投影面積Sa’に対してほぼ負に比例している。
23における個々の細胞11の定常状態(投影面積Sa
が一定の状態(G0、G1及びS期))における投影面積
を表し、通常は細胞11の分裂回数の増加に伴って僅か
ずつ増大する傾向があるが、培養容器13内に接種され
てからコンフルエント状態になるまでの間における増大
幅はあまり大きくはない。従って、前記投影面積Sa’
としては、第1回目の細胞分裂以降の投影面積Sa’の
平均値を利用するのが好ましいが、第2回目の細胞分裂
直前の投影面積Sa’を利用しても構わない。この第2
回目の細胞分裂直前の投影面積Sa’を利用した場合に
は、培養の早い段階でその細胞集団の増殖能力を評価す
ることができて大変便利である。
試験的に同種の細胞11について同じ条件で個別細胞観
察測定結果をモニタリングしながら、その細胞集団全体
の増殖曲線を作製したり、世代時間tg、所定時間tま
での細胞分裂割合Nt/No、見かけの倍加時間td、
平均の比増殖速度μ、増殖度Y(t)、平均の細胞分裂
回数Nd等の細胞集団全体の増殖能力について調べた予
備試験結果を求めた後、それら予備試験結果と比較する
形で実際の評価が行われるように構成される。さらに、
評価結果の誤差を低減させるために、任意に選ばれた複
数の細胞11について個々に観察測定した個別細胞観察
測定結果を用いて平均化するのが最も好ましい。また、
上記複数の個別細胞観察測定結果(例えば伸展速度r
s、接触細胞数及び投影面積Sa’)を組み合わせて評
価するとさらに的確な評価を行うことができる。
胞11同士が接触しない細胞接種濃度Xo(cells/c
m2)で培養容器13内に細胞11を接種した後、対数
増殖を行っているときの細胞接着濃度Xa(cells/c
m2)変化を経時的にモニタリングすることによって平
均の比増殖速度μを測定し、その測定結果から算出され
る。前記増殖度Y(t)は、ある細胞接種濃度Xoで細
胞11を接種して培養する際に、細胞増殖期23の所定
の培養時間tにおける細胞接着濃度Xatを計測し、そ
の細胞接着濃度Xatに対する前記細胞接種濃度Xoの
割合としての接着率(Xat/Xo)を算出することに
よって決定される。
での細胞接着濃度Xaが細胞接種濃度Xoに対して下記
数式(1)に示される関係を有していることから、前記
XaとXoとを下記数式(2)に代入することによって
求められる。
種類を増やすことによって、前記増殖能力の評価に加え
て、細胞集団全体の代謝活性、細胞寿命、ストレスに対
する修復能力、分化の程度、移植用組織に使用される場
合の品質(患部修復速度)等を評価することもできる。
いて以下に記載する。 ・ 本実施形態の細胞増殖能評価方法は、培養容器13
内で培養されている個々の細胞像を形態観察測定した個
別細胞観察測定結果を用いて、その培養容器13内の細
胞集団全体の増殖能力を定量評価するように構成されて
いる。このため、個々の細胞11を無襲撃(無染色)、
非破壊で形態観察測定することによって、その細胞集団
全体の増殖能力を容易かつ的確に把握することができ
る。
を培養容器13に接種する工程と、培養容器13内の培
養状態を撮影する工程と、その培養状態の画像から個々
の細胞11の画像を抽出する工程と、その個々の細胞1
1の画像から増殖能力関連指標を演算する工程と、その
指標を用いて細胞集団全体の増殖能力を評価する工程と
を備えている。このため、細胞11を培養容器13に接
種した時点からその培養状態をモニタリングすることに
よって、細胞接着期21において観察測定された個々の
細胞11の個別細胞観察測定結果を細胞集団全体の増殖
能力の評価に反映させることが容易である。従って、細
胞集団全体の増殖能力をより一層的確に把握することが
できるうえ、細胞誘導期22や細胞増殖期23における
個別細胞観察測定結果と組合わせることにより、細胞集
団全体の増殖能力を極めて的確に評価することが可能と
なる。
1の伸展速度rsを個別細胞観察測定結果とすることに
よって、培養初期において細胞11の増殖能力を容易に
把握することができる。細胞増殖期23における個々の
細胞11の接触細胞数を個別細胞観察測定結果とするこ
とによって、培養後期の細胞11の増殖能力を容易に推
定することができる。細胞増殖期23における個々の細
胞11の投影面積Sa’を個別細胞観察測定結果とする
ことによって、測定時以降の細胞11の増殖能力(細胞
寿命)をさらに容易に推定することができる。
0及び細胞増殖能評価プログラムは、前記細胞増殖能評
価方法に従って培養容器13内の細胞集団全体の増殖能
力を定量評価するように構成されている。このため、前
記細胞増殖能評価方法と同様に、個々の細胞11を無襲
撃(無染色)、非破壊で形態観察測定することによっ
て、その細胞集団全体の増殖能力を容易かつ的確に把握
することができる。
いて説明する。 <試験条件> 細胞:マウス NIH 3T3 p-7 cl-3 IFO 50019 細胞
株((財)発酵研究所) 培養液:DMEM+10%ウシ新生児血清(シグマ社) 培養容器:25cm2 T−フラスコ(ファルコン社) 培養液量:約10ml(前記T−フラスコに4mm深
さ) 培養温度:37℃(湿度100%) 通気条件:エアー(5%CO2)、5ml/分(通気流
量) 細胞接種濃度XO:1.0×104 cells/cm2 撮影装置:CCDカメラ(東京電子工業社) 撮影範囲:900μm×680μm(6.1×10-3c
m2) 画像処理装置:パーソナルコンピュータ(IBM社) 画像処理1:個々の細胞の投影面積Saの定量化 原画像(10分毎に取り込み)→背景分離処理→ルック
アップテーブル変換→平滑化処理→二値化抽出処理→孤
立点除去処理→クロージング処理→穴埋め処理→エリア
抽出処理→画素数計測 画像処理2:撮影範囲内の全細胞数を計測した後、その
計測値から培養容器内の細胞接着濃度Xa(cells/c
m2)を算出 <試験1:培養初期における1細胞の観察測定>前記細
胞を培養容器内に接種した後、容器底面に付着した1個
の細胞について、撮影装置103を用いて撮影し、画像
処理装置104を用いて画像処理1を行い、投影面積S
aを経時的にモニタリング(測定)した。結果を図1
(b)に示す。なお、図1(b)に示される培養時間
は、前記細胞が培養容器の底面に付着した後からの経過
時間を示す。
果より、培養初期には細胞は球状で比較的投影面積Sa
が小さかったが、その後徐々に培養容器底面上で細胞が
伸展を開始したことが確認された。そして、培養時間が
約6時間後までは投影面積Saはほぼ直線的に増加した
ことも確認された。さらに、培養時間が約6〜8時間に
おいて投影面積Saはほぼ一定値をとり、培養時間が約
8〜9時間の間に急激に投影面積Saが減少して細胞分
裂を行ったことも確認された。
までが細胞接着期21であり、約6〜9時間までが細胞
誘導期22であり、9時間後以降が細胞増殖期23であ
ったことが確認された。以上より、細胞接着期21の期
間taは約6時間、ラグタイムtLは約3時間、伸展速
度rsは約62μm2/hであった。
記試験1の観察測定時及び観察測定後において、その培
養容器内に接種された細胞集団についてさらに継続して
追跡調査を行うことによってその増殖能力を評価した。
すなわち、前記培養容器内に接種された細胞集団全体を
上記画像処理2の処理方法により観察測定し、培養容器
の底面に接着している細胞についてその細胞接着濃度X
aを経時的にモニタリング(測定)することによって、
その細胞集団の増殖曲線を作製した。結果を図3に示
す。
0〜60時間の期間にほぼ対数増殖を行ったことが示さ
れた。さらに、その期間における増殖曲線(グラフ)の
傾きから、この細胞集団の見かけの倍加時間tdは約1
1.2時間であったことも示された。このため、伸展速
度rsが約62μm2/hのときの細胞集団は、図3に
示される増殖曲線に従って増殖することが予想される。
さらに、この細胞集団が対数増殖を行うときの見かけの
倍加時間tdは約11.2時間となることも予想され
る。
の観察測定>前記試験1の観察測定後の培養中後期(2
0〜60時間)において、その培養容器内の個々の細胞
(n=80)について、画像処理1の処理方法により観
察測定することによって世代時間tgを測定し、培養時
間に対してグラフ上にプロットした。結果を図4に示
す。図4の結果より、培養時間の進行に伴って個々の細
胞の世代時間tgが徐々に長くなることが示された。
ることによって接触細胞数を計測し、前記世代時間tg
に対してグラフ上にプロットした。結果を図5に示す。
図5の結果より、接触細胞数の増加に伴って世代時間t
gが長くなることが確認された。従って、この世代時間
tgの延長は、接触阻害を主な原因とするものであるこ
とが推定される。
の評価試験I>培養容器内で培養されていた細胞を1分
間のトリプシン処理によってその底面から剥離させて継
代培養用の細胞懸濁液を調製した後、その細胞懸濁液を
別の新しい培養容器内に接種した(1分間トリプシン処
理細胞)。同様に15分間のトリプシン処理を行った後
に継代培養した細胞を準備した(15分間トリプシン処
理細胞)。
n=9)について、撮影装置103と画像処理1を用い
て、各細胞の投影面積Saを経時的にモニタリングして
伸展速度rsの平均値を算出した。その結果、1分間ト
リプシン処理細胞の伸展速度rsは約72μm2/hで
あり、15分間トリプシン処理細胞の伸展速度rsは約
24μm2/hであった。
15分間トリプシン処理細胞について、前記伸展速度r
sの算出と同時並行して、画像処理2の処理方法により
細胞接着濃度Xaを経時的にモニタリングした。そし
て、各細胞集団の増殖曲線を作製した。結果を図6に示
す。図6の結果より、個々の細胞を観察測定した個別細
胞観察測定結果としての伸展速度rsが高い(1分間ト
リプシン処理細胞)ほど、その細胞集団全体の増殖能力
は高められることが確認された。従って、培養初期にお
ける個々の細胞の伸展速度rsが、その細胞集団全体の
増殖能力に大きな影響を与えることが確認された。
の評価試験II>培養容器内で培養されていた細胞を適宜
異なるトリプシン処理時間で処理した後、各培養容器底
面から細胞を剥離させて継代培養用の細胞懸濁液を調製
した後、各細胞懸濁液を別の新しい培養容器内に接種し
た。これら各培養容器内の個々の細胞(それぞれn=
8)について、撮影装置103と画像処理1を用いて投
影面積Saを経時的にモニタリングし、伸展速度rsの
平均値を算出した。
ついて、細胞分裂回数(0回又は1回)を接種24時間
後までモニタリングした。そして、各培養容器内の解析
細胞数Noに対する24時間以内の分裂細胞数N24の割
合(細胞分裂割合;N24/No)を求めた。結果を図7
に示す。
って細胞分裂割合N24/Noが増大することが示され
た。従って、培養初期における個々の細胞の伸展速度r
sを求めることにより、その細胞集団全体の増殖能力を
容易に評価することができることが確認された。
増殖能の評価試験> <試験条件> 細胞:ヒト角化細胞(正常ヒト新生児包皮表皮角化細胞
株、正常ヒト成人乳房表皮角化細胞成人細胞株)(クラ
ボウ社) 培養液:角化細胞用無血清培地(HuMedia-KG2,クラボ
ウ社) その他の条件は前記試験条件と同じ 培養容器内で培養されている個々の細胞(n=20)に
ついて、撮影装置103と画像処理1を用いて、細胞増
殖期23における各細胞の投影面積Saを経時的にモニ
タリングして平均の投影面積Sa’を算出した。この操
作を、ドナーの年齢の異なる上記2種類の細胞株を用い
て行うとともに、継代培養操作を数回行うことによって
長期的にモニタリングした。結果を図8に示す。なお、
図8において、▲、●、■、◆及び▼は連続して継代培
養された新生児由来の細胞株を示し、△、○、□、◇及
び▽は連続して継代培養された20歳の成人由来の細胞
株を示しており、これらは継代培養する度毎にマークを
変更して示してある。
は、第1回目の継代培養時には徐々に減少していった
が、第2回目の継代培養以降は徐々に増加していくこと
がわかった。前記第1回目の継代培養時における投影面
積Sa’の減少は、凍結保存されていた細胞を解凍する
際に加えられたダメージによるストレス状態から解放さ
れ、その細胞本来の投影面積Sa’になったためである
と推定される。
行して、画像処理2の処理方法により細胞接着濃度Xa
を経時的にモニタリングし、その細胞集団の平均の比増
殖速度μ及び平均の細胞分裂回数Ndを算出した。結果
を図8に示す。図8の結果より、どちらの細胞株も同様
な結果を示し、培養時間の増大に伴って平均の細胞分裂
回数Nd及び細胞の投影面積Sa’が増大し、細胞集団
の平均の比増殖速度μは減少した。
胞集団の平均の比増殖速度μとの関係を整理したグラフ
を図9に示す。なお、図9において、●は前記新生児由
来の細胞株を示し、○は前記成人由来の細胞株を示す。
速度μに対する細胞の投影面積Sa’は負に比例し、か
つ細胞株によらずほぼ同一の履歴を追うことが確認され
た。従って、ある時点での細胞の投影面積Sa’を測定
することにより、その細胞が将来どのように増殖してい
くかを予測することができることが確認された。さら
に、その結果は細胞株の差異にかかわらずほぼ同一の経
過をたどることから、細胞の投影面積Sa’の測定によ
り細胞寿命の程度を容易に予測することができることも
確認された。
て具体化することも可能である。 ・ 上記実施形態では、投影面積Sa’に基づいて細胞
増殖能の評価を行ったが、投影面積Sa’の代わりに細
胞11の接着面積を利用してもよい。この場合、接着面
積の測定には、細胞11の接着面やその接着面周辺の輪
郭を明確に撮像することのできる走査型共焦点レーザ顕
微鏡をCCDカメラの代わりに使用することが好まし
い。
モニタリングせずに、細胞増殖期23のみをモニタリン
グすることにより、細胞集団の増殖能力を評価するよう
に構成してもよい。このように構成した場合でも、細胞
増殖期23における接触細胞数により接触阻害の状況を
把握することができる。或いは、細胞増殖期23におけ
る投影面積Sa’により、世代時間tg、見かけの倍加
時間td、平均の比増殖速度μ等を求めることが可能で
ある。
的思想について以下に記載する。 (あ) 前記細胞像は、CCDカメラを用いて前記細胞
を含む培養状態を撮影した画像を画像処理することによ
り、個々の細胞の画像を抽出したものであることを特徴
とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の細胞増
殖能評価方法。このように構成した場合、個々の接着依
存性細胞を無襲撃、非破壊で極めて容易に形態観察測定
することができる。
れている個々の細胞の培養容器底面に対する投影面積を
演算する工程を含み、前記指標は前記投影面積を含むこ
とを特徴とする請求項2に記載の細胞増殖能評価方法。
容器内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の細胞増
殖期における個々の細胞の投影面積を含むことを特徴と
する前記(か)に記載の細胞増殖能評価方法。
れている個々の細胞に接触して存在する接触細胞数を演
算する工程を含み、前記指標は前記接触細胞数を含むこ
とを特徴とする請求項2に記載の細胞増殖能評価方法。
養容器内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の細胞
増殖期における個々の細胞の接触細胞数を含むことを特
徴とする前記(く)に記載の細胞増殖能評価方法。
培養状態を撮影することを含むことを特徴とする請求項
2に記載の細胞増殖能評価方法。 (さ) 前記演算工程は、個々の細胞の培養容器底面に
対する投影面積を所定時間毎に演算する工程を含み、前
記評価工程は、前記投影面積の時間変化に基づいて前記
細胞集団の増殖能力を評価する工程を含むことを特徴と
する前記(こ)に記載の細胞増殖能評価方法。
細胞が培養容器の底面に付着した後からその容器底面上
での細胞の伸展が停止するまでの細胞接着期における個
々の細胞の投影面積の変化速度を含むことを特徴とする
前記(さ)に記載の細胞増殖能評価方法。
れている個々の細胞に接触して存在する接触細胞数を所
定時間毎に演算し、前記評価工程は前記接触細胞数の時
間変化に基づいて評価する工程を含むことを特徴とする
前記(こ)に記載の細胞増殖能評価方法。
養容器底面に対する投影面積を演算し、前記指標は前記
個々の細胞の投影面積を含むことを特徴とする請求項6
に記載の細胞増殖能評価装置。
内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の細胞増殖期
における個々の細胞の投影面積を含むことを特徴とする
前記(た)に記載の細胞増殖能評価装置。
れている個々の細胞に接触して存在する接触細胞数を演
算し、前記指標は前記接触細胞数を含むことを特徴とす
る請求項6に記載の細胞増殖能評価装置。
内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の細胞増殖期
における個々の細胞の接触細胞数を含むことを特徴とす
る前記(つ)に記載の細胞増殖能評価装置。
定時間毎に撮影することを特徴とする請求項6に記載の
細胞増殖能評価装置。 (な) 前記演算回路は、前記観察測定されている個々
の細胞の培養容器底面に対する投影面積を所定時間毎に
演算し、前記評価回路は、前記投影面積の時間変化に基
づいて前記細胞集団の増殖能力を評価することを特徴と
する前記(と)に記載の細胞増殖能評価装置。
の底面に付着した後からその容器底面上での細胞の伸展
が停止するまでの細胞接着期における個々の細胞の投影
面積の変化速度を含むことを特徴とする前記(な)に記
載の細胞増殖能評価装置。
れている個々の細胞に接触して存在する接触細胞数を所
定時間毎に演算し、前記評価回路は、前記接触細胞数の
時間変化に基づいて評価することを特徴とする前記
(と)に記載の細胞増殖能評価装置。
方に配置され、前記培養容器の底に接着した細胞を撮影
するCCDカメラであることを特徴とする請求項6に記
載の細胞増殖能評価装置。
価結果を表示するディスプレイを含むことを特徴とする
請求項6に記載の細胞増殖能評価装置。 (ま) 接着依存性細胞を培養容器内で単層培養する際
に、その細胞集団の増殖能力を評価するための細胞増殖
能評価プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能
な記録媒体であって、前記プログラムは、コンピュータ
に、前記培養容器内の培養状態の画像を解析して個々の
細胞の画像を抽出する工程と、その個々の細胞の画像か
ら細胞の増殖能力関連指標を演算する工程と、その指標
を用いて前記細胞集団の増殖能力を評価する工程とを実
行させることを特徴とする記録媒体。このように構成し
た場合、個々の接着依存性細胞を無襲撃、非破壊で形態
観察測定することによって、その細胞集団全体の増殖能
力を容易かつ的確に把握することができる。
ば、次のような効果を奏する。請求項1に記載の発明の
培養細胞評価方法によれば、個々の接着依存性細胞を無
襲撃、非破壊で形態観察測定することによって、その細
胞集団全体の増殖能力を容易かつ的確に把握することが
できる。
法によれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、細
胞集団全体の増殖能力をより一層的確に把握することが
できる。
によれば、請求項1又は請求項2に記載の発明の効果に
加えて、培養初期において接着依存性細胞の増殖能力を
容易に把握することができる。
によれば、請求項1から請求項3のいずれかに記載の発
明の効果に加えて、培養後期の接着依存性細胞の増殖能
力を容易に推定することができる。
によれば、請求項1から請求項4のいずれかに記載の発
明の効果に加えて、細胞増殖期の接着依存性細胞の増殖
能力をさらに容易に推定することができる。
置によれば、個々の接着依存性細胞を無襲撃、非破壊で
形態観察測定することによって、その細胞集団全体の増
殖能力を容易かつ的確に把握することができる。
ログラムによれば、個々の接着依存性細胞を無襲撃、非
破壊で形態観察測定することによって、その細胞集団全
体の増殖能力を容易かつ的確に把握することができる。
推移を模式的に示すグラフ、(b)は実施例の試験1の
結果を示すグラフ。
養容器内の細胞の状態を模式的に示す断面図、(c)か
ら(f)は同じく部分拡大断面図。
図。
すフローチャート。
の娘細胞、13…培養容器、21…細胞接着期、23…
細胞増殖期、100・・・細胞増殖能評価装置、101・・・
インキュベータ、103・・・撮影装置としてのCCDカ
メラ、104・・・コンピュータとしてのパーソナルコン
ピュータ、Sa…投影面積、Sa’…投影面積としての
細胞増殖期における投影面積、rs…伸展速度。
Claims (7)
- 【請求項1】 接着依存性細胞を培養容器内で単層培養
する際に、その細胞集団の増殖能力を評価するための細
胞増殖能評価方法であって、 前記培養容器内で培養されている個々の細胞像を観察測
定した個別細胞観察測定結果を用いて、その培養容器内
の細胞集団の増殖能力を評価するように構成したことを
特徴とする細胞増殖能評価方法。 - 【請求項2】 前記細胞を培養容器に接種する工程と、
培養容器内の培養状態を撮影する工程と、その培養状態
の画像から個々の細胞の画像を抽出する工程と、その個
々の細胞の画像から細胞の増殖能力関連指標を演算する
工程と、その指標を用いて前記細胞集団の増殖能力を評
価する工程とを備えたことを特徴とする請求項1に記載
の細胞増殖能評価方法。 - 【請求項3】 前記個別細胞観察測定結果を、前記細胞
が培養容器の底面に付着した後からその容器底面上での
細胞の伸展が停止するまでの細胞接着期において、前記
観察測定されている個々の細胞の培養容器底面に対する
投影面積の時間変化を表す細胞の伸展速度としたことを
特徴とする請求項1又は請求項2に記載の細胞増殖能評
価方法。 - 【請求項4】 前記個別細胞観察測定結果を、前記細胞
が培養容器内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の
細胞増殖期において、前記観察測定されている個々の細
胞に接触して存在する接触細胞数としたことを特徴とす
る請求項1から請求項3のいずれかに記載の細胞増殖能
評価方法。 - 【請求項5】 前記個別細胞観察測定結果を、前記細胞
が培養容器内で第1回目の細胞分裂を終了してから後の
細胞増殖期において、前記観察測定されている個々の細
胞の培養容器底面に対する投影面積としたことを特徴と
する請求項1から請求項4のいずれかに記載の細胞増殖
能評価方法。 - 【請求項6】 接着依存性細胞を培養容器内で単層培養
する際に、その細胞集団の増殖能力を評価するための細
胞増殖能評価装置であって、 前記細胞が接種される培養容器を収容するインキュベー
タと、前記培養容器内の培養状態を撮影する撮影装置
と、前記撮影装置に接続されたコンピュータとを備え、 前記コンピュータは、培養状態の画像を解析して個々の
細胞の画像を抽出し、その個々の細胞の画像から細胞の
増殖能力関連指標を演算し、その指標を用いて前記細胞
集団の増殖能力を評価するように構成したことを特徴と
する細胞増殖能評価装置。 - 【請求項7】 接着依存性細胞を培養容器内で単層培養
する際に、その細胞集団の増殖能力を評価するための細
胞増殖能評価プログラムであって、 前記プログラムは、コンピュータに、前記培養容器内の
培養状態の画像を解析して個々の細胞の画像を抽出する
工程と、その個々の細胞の画像から細胞の増殖能力関連
指標を演算する工程と、その指標を用いて前記細胞集団
の増殖能力を評価する工程とを実行させることを特徴と
する細胞増殖能評価プログラム。
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