JP7660821B2 - Compound, mitochondrial staining agent, and method for fluorescent staining of mitochondria - Google Patents
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Description
本発明は、化合物、ミトコンドリア染色剤およびミトコンドリアの蛍光染色方法に関する。 The present invention relates to compounds, mitochondrial stains and methods for fluorescently staining mitochondria.
ミトコンドリアは、真核細胞が酸素を利用して生体エネルギーであるATPを合成するための細胞内小器官である。そのため、ミトコンドリア機能不全は細胞死などに直結し、様々な疾患を引き起こす(特開2019-112338号公報)。また、ミトコンドリア機能不全はミトコンドリアの形態とも関連していることから、ミトコンドリアの形態観察は細胞の状態や機能を調べる際に重要な指標となる。そこで、ミトコンドリアの形態観察のため、様々な蛍光低分子化合物や蛍光タンパク質を用いた方法が開発されている(特開2020-098199号公報;特開2017-48268号公報)。Mitochondria are intracellular organelles that eukaryotic cells use to synthesize ATP, a form of bioenergy, using oxygen. Therefore, mitochondrial dysfunction is directly linked to cell death and causes various diseases (JP 2019-112338 A). In addition, since mitochondrial dysfunction is also related to mitochondrial morphology, observation of mitochondrial morphology is an important indicator when investigating the state and function of cells. Therefore, methods using various fluorescent low molecular weight compounds and fluorescent proteins have been developed to observe mitochondrial morphology (JP 2020-098199 A; JP 2017-48268 A).
ミトコンドリアにおける蛍光低分子化合物の使用は、簡便で、全ての細胞を染色できる利点があるのに対して、蛍光タンパク質の使用は、遺伝子組換えや細胞内への発現ベクター導入などの操作が必要になるため煩雑である。一方、ミトコンドリアを蛍光低分子化合物で標識する際には、蛍光低分子化合物がミトコンドリア脂質膜に結合するため、蛍光低分子化合物のミトコンドリア膜における局在が不安定であるという問題がある。この問題は、蛍光抗体法などの他の染色方法との併用時に、細胞の固定剤や抗体などの細胞膜透過性をあげるための界面活性剤による処理によって、ミトコンドリア膜が破壊され、蛍光低分子化合物がミトコンドリア膜から脱落することが主な原因である。The use of fluorescent low molecular weight compounds in mitochondria has the advantage of being simple and capable of staining all cells, whereas the use of fluorescent proteins is cumbersome, as it requires procedures such as genetic recombination and the introduction of expression vectors into cells. On the other hand, when labeling mitochondria with fluorescent low molecular weight compounds, there is a problem in that the localization of the fluorescent low molecular weight compounds in the mitochondrial membrane is unstable because the fluorescent low molecular weight compounds bind to the mitochondrial lipid membrane. The main cause of this problem is that when used in combination with other staining methods such as fluorescent antibody techniques, the mitochondrial membrane is destroyed by treatment with detergents to increase the cell membrane permeability of cell fixatives or antibodies, causing the fluorescent low molecular weight compounds to fall off from the mitochondrial membrane.
また、蛍光低分子化合物による蛍光の放出波長が問題となることがあり、例えば多重染色において他の標的因子または標的細胞内小器官に由来する放出波長が重なると、ミトコンドリアを特異的に検出できなくなる。 In addition, the emission wavelength of the fluorescent small molecule compounds can be problematic; for example, in multiple staining, overlap with emission wavelengths from other target factors or target intracellular organelles can make it impossible to specifically detect mitochondria.
本発明は、新規なミトコンドリア染色剤およびミトコンドリアの蛍光染色方法を提供することを課題とする。 The objective of the present invention is to provide a novel mitochondrial staining agent and a method for fluorescent staining of mitochondria.
本発明にかかる実施態様は以下の通りである。
[1]下記式(I)で表される化合物、またはその塩。
The embodiments of the present invention are as follows.
[1] A compound represented by the following formula (I), or a salt thereof:
R1が、水素、C1~C6アルキル、-NH2、-OR3、-COOH、-CONH2、-COONH2、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであって、R2が、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであるか、または
R2が、水素、C1~C6アルキル、-NH2、-OR3、-COOH、-CONH2、-COONH2、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであって、R1が、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであり、
R3が、水素またはC1~C6アルキルである。)
[2]R2が-N=C=Oである、[1]項に記載の化合物、またはその塩。
[3]R1が-N=C=Oである、[2]項に記載の化合物、またはその塩。
[4]R1が-CONH2である、[2]項に記載の化合物、またはその塩。
[5][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を含む、ミトコンドリア染色剤。
[6][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を含む、細胞マーキング剤。
[7][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を含む、細胞状態評価剤。
[8]細胞のオートファジーを検出するための薬剤であって、
[1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を含む薬剤。
[9]生細胞を死細胞から識別するための薬剤であって、
[1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を含む薬剤。
R 1 is hydrogen, C1 to C6 alkyl, -NH2, -OR 3 , -COOH, -CONH 2 , -COONH 2 , -N=C=O or -N=C=S and R 2 is -N=C=O or -N=C=S, or R 2 is hydrogen, C1 to C6 alkyl, -NH2, -OR 3 , -COOH, -CONH 2 , -COONH 2 , -N=C=O or -N=C=S and R 1 is -N=C=O or -N=C=S;
R3 is hydrogen or C1-C6 alkyl.
[2] The compound according to item [1], wherein R 2 is —N═C═O, or a salt thereof.
[3] The compound according to item [2], wherein R 1 is -N=C=O, or a salt thereof.
[4] The compound according to [2], wherein R 1 is -CONH 2 , or a salt thereof.
[5] A mitochondrial staining agent comprising the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4].
[6] A cell marking agent comprising the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4].
[7] An agent for evaluating a cell state, comprising the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4].
[8] A drug for detecting cellular autophagy, comprising:
A pharmaceutical agent comprising the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4].
[9] A drug for distinguishing live cells from dead cells, comprising:
A pharmaceutical agent comprising the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4].
[10][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を用いて、ミトコンドリアを蛍光染色する工程を含む、ミトコンドリアの染色方法。
[11]オートファジーを起こした細胞の検出方法であって、
検査対象の細胞のミトコンドリアを[1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物によって蛍光染色する工程と、
蛍光染色された前記ミトコンドリアを観察する工程と、
を含む、検出方法。
[12][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を用いて、ミトコンドリアを蛍光染色する工程と、
蛍光染色された前記ミトコンドリアを有する細胞を特定する工程と、
を含む、細胞の特定方法。
[13][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって蛍光染色されたミトコンドリアを有する第1の細胞と、[1]~[4]項のいずれの化合物によっても蛍光染色されていないミトコンドリアを有する第2の細胞を含む細胞群から、第1の細胞を識別する方法であって、
前記細胞群において、蛍光染色された前記ミトコンドリアを有する細胞を特定する工程を含む、細胞の識別方法。
[14][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって蛍光染色されたミトコンドリアを有する第1の細胞と、[1]~[4]項のいずれの化合物によっても蛍光染色されていないミトコンドリアを有する第2の細胞を含む細胞群において、前記蛍光染色によって第1の細胞と第2の細胞とを識別する工程と、
第1の細胞と第2の細胞との間の物質伝達または情報伝達を評価する工程と、
を含む、方法。
[15]化粧品として、検査対象の化合物を評価する方法であって、
in vitroにおいて、[1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって、ケラチノサイトまたはメラノサイトのどちらか一方を蛍光染色する工程と、
前記メラノサイト及び前記ケラチノサイトを含む細胞群を前記検査対象の化合物の存在下で培養する工程と、
前記蛍光染色によって、前記ケラチノサイトと前記メラノサイトとを識別する工程と、 前記メラノサイトから前記ケラチノサイトへメラノソームが移動したかどうかを調べる工程と、
前記メラノソームの移動に変化をもたらす前記検査対象の化合物を化粧品として評価する工程と、
を含む、方法。
[16]腫瘍細胞をヒト以外の動物の体内で特定する方法であって、
in vitroにおいて、[1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって、前記腫瘍細胞を蛍光染色する工程と、
蛍光染色した前記腫瘍細胞を前記動物に移植する工程と、
前記動物体内で、前記蛍光染色した前記腫瘍細胞を特定する工程と、
を含む、方法。
[17][1]~[4]項のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって蛍光染色された1または2以上のミトコンドリアを有する細胞を撮像して細胞画像を取得する第1の工程と、
前記細胞画像から、前記1または2以上のミトコンドリアの情報を得る第2の工程と、 得られた前記1または2以上のミトコンドリアの情報に基づき、前記細胞の健康状態を評価する第3の工程と
を含む細胞画像の解析方法。
[18]第1の工程において、前記細胞の蛍光画像は顕微鏡画像であって、
第2の工程において、前記1または2以上のミトコンドリアの情報は、前記1または2以上のミトコンドリアの、面積、長さ、幅、縦横比、円形度、Elongation、Shape Factor、Roughness、隣接ミトコンドリアとの最短距離、Branchingポイント数、核との距離、細胞膜との距離、細胞体からの距離のうち、少なくともいずれか一つの数値を統計処理して得られた統計量であり、
第3の工程において、前記統計量に基づき、前記細胞の健康状態が評価される、
[17]項に記載の解析方法。
[19]第1の工程において、前記細胞の蛍光画像は顕微鏡画像であって、
第2の工程において、前記1または2以上のミトコンドリアの情報は、前記2以上のミトコンドリアが前記細胞内において所定の密度以上に凝集している領域の、前記細胞の面積に対する占有率であり、
第3の工程において、前記占有率に基づき、前記細胞の健康状態が評価される、
[17]項に記載の解析方法。
[20]前記細胞の明視野画像を取得し、前記明視野画像において前記細胞を認識する第4の工程をさらに含む、[18]項に記載の解析方法。
[21]前記細胞の明視野画像を取得する第4の工程をさらに含み、
前記細胞の面積が前記明視野画像より算出される、[19]項に記載の解析方法。
[22]第3の工程において、第2の細胞において蛍光染色された1または2以上のミトコンドリアの情報を統計処理して得られた統計量と比較することによって、前記細胞の健康状態が評価される、[18]または[20]項に記載の解析方法。
[23]第3の工程において、第2の細胞において蛍光染色された2以上のミトコンドリアが前記第2の細胞内において所定の密度以上に凝集している領域の、前記第2の細胞の面積に対する占有率と比較することによって、前記細胞の健康状態が評価される、[19]または[21]項に記載の解析方法。
[24]前記第2の細胞が正常細胞である、[22]または[23]項に記載の解析方法。
[10] A method for staining mitochondria, comprising a step of fluorescently staining mitochondria using the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4].
[11] A method for detecting cells that have undergone autophagy, comprising:
A step of fluorescently staining mitochondria of a cell to be examined with the compound according to any one of items [1] to [4];
observing the fluorescently stained mitochondria;
A detection method comprising:
[12] A step of fluorescently staining mitochondria using the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4];
identifying cells having the fluorescently stained mitochondria;
A method for identifying a cell, comprising:
[13] A method for identifying a first cell from a cell group including a first cell having mitochondria fluorescently stained with the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4], and a second cell having mitochondria not fluorescently stained with any of the compounds according to [1] to [4], comprising:
A method for identifying cells, the method comprising the step of identifying cells in the cell group that have fluorescently stained mitochondria.
[14] A method for identifying a first cell having mitochondria that are fluorescently stained with the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4] above, and a second cell having mitochondria that are not fluorescently stained with any of the compounds according to [1] to [4] above, by fluorescent staining the first cell and the second cell in a cell group comprising the first cell and the second cell;
evaluating the transfer of material or information between the first cell and the second cell;
A method comprising:
[15] A method for evaluating a test compound as a cosmetic, comprising the steps of:
A step of fluorescently staining either keratinocytes or melanocytes in vitro with the compound or a salt thereof according to any one of items [1] to [4];
culturing a cell population comprising the melanocytes and the keratinocytes in the presence of the compound to be tested;
A step of distinguishing the keratinocytes from the melanocytes by the fluorescent staining; and a step of examining whether or not melanosomes have been transferred from the melanocytes to the keratinocytes.
evaluating the test compound that alters the melanosome migration as a cosmetic product;
A method comprising:
[16] A method for identifying tumor cells in a non-human animal, comprising:
A step of fluorescently staining the tumor cells in vitro with the compound or salt thereof according to any one of items [1] to [4];
implanting the fluorescently stained tumor cells into the animal;
identifying the fluorescently stained tumor cells in the animal body;
A method comprising:
[17] A first step of imaging a cell having one or more mitochondria fluorescently stained with the compound or a salt thereof according to any one of [1] to [4] to obtain a cell image;
A method for analyzing a cell image comprising: a second step of obtaining information on the one or more mitochondria from the cell image; and a third step of evaluating the health state of the cell based on the obtained information on the one or more mitochondria.
[18] In the first step, the fluorescent image of the cell is a microscopic image,
In the second step, the information on the one or more mitochondria is a statistical quantity obtained by statistically processing at least one of the following values of the one or more mitochondria: area, length, width, aspect ratio, circularity, elongation, shape factor, roughness, shortest distance to adjacent mitochondria, number of branching points, distance from the nucleus, distance from the cell membrane, and distance from the cell body;
In a third step, the health of the cells is evaluated based on the statistics.
The analysis method according to item [17].
[19] In the first step, the fluorescent image of the cell is a microscopic image,
In the second step, the information on the one or more mitochondria is an occupancy rate of a region in which the two or more mitochondria are aggregated at a predetermined density or more in the cell relative to an area of the cell,
In a third step, the health of the cells is evaluated based on the occupancy rate.
The analysis method according to item [17].
[20] The analysis method described in [18], further comprising a fourth step of acquiring a bright-field image of the cell and recognizing the cell in the bright-field image.
[21] The method further comprises a fourth step of acquiring a bright field image of the cell,
The analysis method according to item [19], wherein the area of the cell is calculated from the bright-field image.
[22] The analysis method described in [18] or [20], wherein in the third step, the health state of the cell is evaluated by comparing information on one or more fluorescently stained mitochondria in the second cell with statistics obtained by statistical processing.
[23] The analysis method described in [19] or [21], wherein in the third step, the health state of the cell is evaluated by comparing the occupancy rate of an area in which two or more fluorescently stained mitochondria in the second cell are aggregated at a predetermined density or higher in the second cell with the area of the second cell.
[24] The analysis method according to [22] or [23], wherein the second cell is a normal cell.
==関連文献とのクロスリファレンス==
本出願は、2021年4月16日付で出願した日本国特許出願2021-070021に基づく優先権を主張するものであり、当該基礎出願を引用することにより、本明細書に含めるものとする。
==Cross references to related literature==
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2021-070021 filed on April 16, 2021, the basic application of which is incorporated herein by reference.
本発明の目的、特徴、利点、およびそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば、容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態および具体的な実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示または説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。The objectives, features, advantages, and ideas of the present invention will be clear to those skilled in the art from the description in this specification, and those skilled in the art can easily reproduce the present invention from the description in this specification. The embodiments and specific examples of the invention described below show preferred embodiments of the present invention, and are shown for illustrative or explanatory purposes, and do not limit the present invention thereto. It will be clear to those skilled in the art that various changes and modifications can be made based on the description in this specification within the intent and scope of the present invention disclosed in this specification.
==化合物==
本明細書に開示された一実施形態に係る化合物は、下記式(I)で表される化合物、またはその塩である(本明細書において、下記式(I)で表される化合物、またはその塩を化合物(I)と称する)。
Compound
A compound according to one embodiment disclosed herein is a compound represented by the following formula (I) or a salt thereof (in this specification, a compound represented by the following formula (I) or a salt thereof is referred to as compound (I)).
R1が、水素、C1~C6アルキル、-NH2、-OR3、-COOH、-CONH2、-COONH2、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであって、R2が、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであるか、または
R2が、水素、C1~C6アルキル、-NH2、-OR3、-COOH、-CONH2、-COONH2、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであって、R1が、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであり、
R3が、水素またはC1~C6アルキルである。)
R2が-N=C=Oであることが好ましく、下記式(II)または(III)で表されるように、R1が-N=C=Oまたは-CONH2であることがより好ましい。(本明細書において、以下の化合物を化合物(II)および化合物(III)と称する。)
R 1 is hydrogen, C1 to C6 alkyl, -NH2, -OR 3 , -COOH, -CONH 2 , -COONH 2 , -N=C=O or -N=C=S and R 2 is -N=C=O or -N=C=S, or R 2 is hydrogen, C1 to C6 alkyl, -NH2, -OR 3 , -COOH, -CONH 2 , -COONH 2 , -N=C=O or -N=C=S and R 1 is -N=C=O or -N=C=S;
R3 is hydrogen or C1-C6 alkyl.
It is preferable that R2 is -N=C=O, and it is more preferable that R1 is -N=C=O or -CONH2 as represented by the following formula (II) or (III). (In this specification, the following compounds are referred to as compound (II) and compound (III).)
化合物(I)は、520nm~590nmの励起光を照射すると、590nm~660nmの蛍光を放出する。When compound (I) is irradiated with excitation light of 520 nm to 590 nm, it emits fluorescence of 590 nm to 660 nm.
化合物(I)は、実施例に記載の方法を参照し、適宜技術常識を用いて改変することで、容易に製造することができる。Compound (I) can be easily produced by referring to the methods described in the examples and making appropriate modifications using common general technical knowledge.
==ミトコンドリア染色剤およびそれを用いた染色方法==
化合物(I)は、ミトコンドリアに結合するため、ミトコンドリアを蛍光染色するための染色剤として利用できる。染色剤のための溶媒は、上記化合物を溶解できるのであれば特に限定されず、アセトン、DMSO、エタノール、アセトニトリルおよびこれらの水溶液が例示できる。
==Mitochondrial staining agent and staining method using the same==
Since compound (I) binds to mitochondria, it can be used as a dye for fluorescently staining mitochondria. The solvent for the dye is not particularly limited as long as it can dissolve the compound, and examples thereof include acetone, DMSO, ethanol, acetonitrile, and aqueous solutions thereof.
ミトコンドリア染色剤は、化合物(I)の他に、例えば、ミトコンドリア、及び細胞膜や細胞内小器官等のミトコンドリアと異なる細胞構成要素を蛍光染色するための蛍光化合物を含んでもよい。それによって複数の要素を同時に染色できる。また、化合物(I)と蛍光化合物の相互作用により、化合物(I)の発光を増感させることや化合物(I)のミトコンドリアへの特異性を向上させることができる。化合物(I)の発光を増感させる蛍光化合物の例として、(Mito Tracker)などが挙げられ、化合物(I)の特異性を向上させる蛍光化合物の例として、(DAPI:4,6-Diamidino-2-phenylindole, dihydrochloride)などが挙げられる。In addition to compound (I), the mitochondrial stain may contain a fluorescent compound for fluorescently staining mitochondria and cellular components other than mitochondria, such as cell membranes and intracellular organelles. This allows multiple elements to be stained simultaneously. In addition, the interaction between compound (I) and the fluorescent compound can enhance the luminescence of compound (I) and improve the specificity of compound (I) to mitochondria. Examples of fluorescent compounds that enhance the luminescence of compound (I) include (Mito Tracker), and examples of fluorescent compounds that improve the specificity of compound (I) include (DAPI: 4,6-Diamidino-2-phenylindole, dihydrochloride).
本明細書に開示のミトコンドリア染色剤を用いた、ミトコンドリアの染色は、当業者にルーティンな方法で行うことができる。例えば、培養細胞のミトコンドリアを染色する場合、培養中の培地に化合物(I)を添加してもよい。化合物(I)の濃度は特に限定されないが、0.001μM~10μMが好ましく、0.01μM~0.1μMがより好ましい。染色時間も特に限定されないが、(1分)~(1週間)が好ましく、(5分)~(1時間)がより好ましい。染色温度も特に限定されないが、(10℃)~(45℃)が好ましく、(30℃)~(40℃)がより好ましい。染色温度が低いほど、染色時間を長くするのが好ましく、具体的には、(37)℃、(15)分などの条件が例示できる。その後、培地を除去し、細胞を洗浄してもよく、洗浄しないで次の工程に進んでもよい。洗浄する場合、洗浄液として、細胞培養用培地やリン酸バッファーなどを用いることができる。洗浄液には、界面活性剤が含まれていてもよい。Staining of mitochondria using the mitochondrial staining agent disclosed herein can be performed by a routine method for those skilled in the art. For example, when staining mitochondria of cultured cells, compound (I) may be added to the medium during culture. The concentration of compound (I) is not particularly limited, but is preferably 0.001 μM to 10 μM, and more preferably 0.01 μM to 0.1 μM. The staining time is also not particularly limited, but is preferably (1 minute) to (1 week), and more preferably (5 minutes) to (1 hour). The staining temperature is also not particularly limited, but is preferably (10°C) to (45°C), and more preferably (30°C) to (40°C). The lower the staining temperature, the longer the staining time is, and specific examples of conditions include (37)°C and (15) minutes. Thereafter, the medium is removed and the cells may be washed, or the next step may be proceeded to without washing. When washing, cell culture medium, phosphate buffer, etc. can be used as the washing solution. The washing solution may contain a surfactant.
あるいは、培養細胞のミトコンドリアを染色するのに、培養細胞を回収し、遠心した後に上清を除去し、バッファーや培地に懸濁し、その細胞懸濁液に化合物(I)を添加してもよい。染色条件は、上記と同様である。染色後、プレートやスライドグラスに播種してもよく、懸濁したままで次の工程に進んでもよい。Alternatively, to stain mitochondria in cultured cells, the cultured cells may be harvested, centrifuged, the supernatant removed, suspended in a buffer or medium, and compound (I) added to the cell suspension. The staining conditions are the same as above. After staining, the cells may be seeded on a plate or slide glass, or may proceed to the next step while still suspended.
ミトコンドリアを蛍光染色した後、細胞に励起波長の光を照射し、染色剤から放出される蛍光を検出することで、細胞内のミトコンドリアを検出することができる。励起光の照射には、一般的な蛍光検出と同様の照射手段を用いればよく、例えば、蛍光顕微鏡が備えるレーザー光源から、必要に応じて所定の波長を選択すればよい。蛍光の検出は、蛍光顕微鏡の鏡筒から行ってもよいし、蛍光顕微鏡に設置されたカメラ等が撮影した画像をモニター等の表示手段に表示してもよい。必要に応じて所定の波長を選択的に通過させるフィルターを用いてもよい。After the mitochondria are fluorescently stained, the cells are irradiated with light of an excitation wavelength and the fluorescence emitted from the stain is detected, thereby allowing the detection of mitochondria within the cells. The excitation light can be irradiated using the same irradiation means as in general fluorescence detection, for example, a specific wavelength can be selected as necessary from a laser light source provided in a fluorescence microscope. The fluorescence can be detected from the lens barrel of the fluorescence microscope, or an image captured by a camera or the like installed in the fluorescence microscope can be displayed on a display means such as a monitor. A filter that selectively passes specific wavelengths can be used as necessary.
染色したミトコンドリアを有する細胞の画像の解析方法の一例を後述する。An example of how to analyze images of cells with stained mitochondria is described below.
==ミトコンドリア染色の利用==
<生細胞を死細胞から識別するための薬剤>
化合物(I)は、ミトコンドリアの膜電位に依存してミトコンドリアを染色するため、生細胞を染色し、死細胞は染色しない。従って、生細胞を死細胞を含む細胞集団に対し、化合物(I)による染色を行うことによって、生細胞だけを染色することができ、それによって死細胞を生細胞と識別できる。
==Use of mitochondrial stains==
Agents for distinguishing live from dead cells
Compound (I) stains mitochondria depending on the membrane potential of mitochondria, and therefore stains live cells but not dead cells. Therefore, by staining a cell population containing live and dead cells with compound (I), it is possible to stain only live cells, thereby making it possible to distinguish dead cells from live cells.
<細胞のマーキング剤>
化合物(I)は非常に簡便な細胞のマーキング剤として用いることができる。
<Cell marking agent>
Compound (I) can be used as a very convenient cell marking agent.
例えば、ヒトから採取した腫瘍細胞のミトコンドリアを化合物(I)でマークし、マウスに移植した上で、蛍光発光をトレースすることによって、腫瘍細胞のマウス体内での挙動(例えば、転移しやすさなど)を知ることができる。For example, by marking the mitochondria of tumor cells taken from a human with compound (I), transplanting them into a mouse, and tracing the fluorescence emission, it is possible to determine the behavior of tumor cells within the mouse (e.g., their propensity to metastasize, etc.).
あるいは、化合物(I)によって蛍光染色されたミトコンドリアを有する第1の細胞と、化合物(I)によって蛍光染色されていないミトコンドリアを有する第2の細胞を含む細胞群において、化合物(I)からの蛍光染色を検出し、蛍光によって標識されたミトコンドリアを有する細胞を特定することにより、第1の細胞を識別することができる。Alternatively, in a cell group including a first cell having mitochondria fluorescently stained by compound (I) and a second cell having mitochondria that are not fluorescently stained by compound (I), the first cell can be identified by detecting the fluorescent staining from compound (I) and identifying the cell having the fluorescently labeled mitochondria.
このような第1の細胞と第2の細胞とを識別する方法を用いて、第1の細胞と第2の細胞との間の物質伝達または情報伝達を評価することができる。例えば、in vitroにおいて、化合物(I)によってケラチノサイトまたはメラノサイトのどちらか一方を蛍光染色する工程と、これらのメラノサイト及びケラチノサイトを混合し、両者を含む細胞群を、検査対象の化合物及び化合物(I)の存在下で培養する工程と、蛍光染色によって、ケラチノサイトとメラノサイトとを識別する工程と、メラノサイトからケラチノサイトへメラノソームが移動したかどうかを調べる工程と、を含む方法によって、メラノソームの移動に変化をもたらす検査対象の化合物を化粧品として評価することが可能になる。特に、メラノサイトからケラチノサイトへメラノソームの移動を抑制する化合物は、メラニンが体表面に移動するのを抑制できるため、美白効果のある化粧品として評価できる。Such a method for distinguishing between a first cell and a second cell can be used to evaluate the substance transfer or information transfer between the first cell and the second cell. For example, a method including the steps of fluorescently staining either keratinocytes or melanocytes with compound (I) in vitro, mixing the melanocytes and keratinocytes and culturing a cell group containing both in the presence of a test compound and compound (I), distinguishing between keratinocytes and melanocytes by fluorescent staining, and examining whether melanosomes have moved from melanocytes to keratinocytes makes it possible to evaluate a test compound that changes the movement of melanosomes as a cosmetic. In particular, a compound that inhibits the movement of melanosomes from melanocytes to keratinocytes can be evaluated as a cosmetic with a whitening effect because it can inhibit the movement of melanin to the body surface.
<細胞状態評価剤>
また、化合物(I)は細胞状態評価剤として用いることができる。細胞状態の例として、細胞分化段階、アポトーシス、低酸素状態、細胞増殖抑制、増殖促進などが挙げられる。
<Cell state evaluation agent>
Compound (I) can also be used as an agent for evaluating cell states. Examples of cell states include cell differentiation stages, apoptosis, hypoxic conditions, cell proliferation inhibition, proliferation promotion, etc.
例えば線維芽細胞では、ミトコンドリアは伸長した形状をしているが、iPS細胞に初期化すると、ミトコンドリアは断片化された形状となり、分化細胞に再分化させると、再度、伸長した形状をとるようになる(Biochem Biophys Res Commun. 2018 vol.500(1) pp.59-64.)。そこで、化合物(I)によってミトコンドリアを蛍光染色し、形状を特定することにより、細胞が初期化または再分化のどの段階にあるかを識別することができる。For example, in fibroblasts, mitochondria have an elongated shape, but when reprogrammed into iPS cells, the mitochondria become fragmented, and when redifferentiated into differentiated cells, they regain their elongated shape (Biochem Biophys Res Commun. 2018 vol.500(1) pp.59-64.). Therefore, by fluorescently staining mitochondria with compound (I) and identifying their shape, it is possible to identify the stage at which the cells are in the reprogramming or redifferentiation process.
また、メラノサイトは、分化段階が進みメラニン合成が盛んな状態では、ミトコンドリアが核周辺に集積するが、分化段階が低くメラニン合成が盛んでない状態では、ミトコンドリアは細胞内に散在する。そこで、化合物(I)によってミトコンドリアを蛍光染色し、ミトコンドリアの細胞内局在を観察することによって、メラノサイトの分化段階を評価することができる。In addition, when melanocytes are at an advanced stage of differentiation and melanin synthesis is active, mitochondria accumulate around the nucleus, but when they are at a low stage of differentiation and melanin synthesis is not active, mitochondria are scattered within the cells. Therefore, the differentiation stage of melanocytes can be evaluated by fluorescently staining mitochondria with compound (I) and observing the intracellular localization of mitochondria.
また、肺動脈内皮細胞が低酸素に曝露されると、微小管と微小管モータータンパク質ダイニンを介したミトコンドリアの逆行性移動が引き起こされ、ミトコンドリアが核周辺でクラスターを形成する(Sci. Signal., 2012vol.5(231) p.ra47)。その時、核内でROSの蓄積が観察されるが、ミトコンドリアの核周辺でのクラスター化を阻害すると、核内でのROSの蓄積も観察されない。そこで、化合物(I)によってミトコンドリアを蛍光染色し、ミトコンドリアの細胞内局在を観察することによって、細胞の低酸素状態や核内でのROSの蓄積などを判定することができる。In addition, when pulmonary artery endothelial cells are exposed to hypoxia, retrograde migration of mitochondria is induced via microtubules and the microtubule motor protein dynein, causing mitochondria to form clusters around the nucleus (Sci. Signal., 2012vol.5(231) p.ra47). At that time, accumulation of ROS is observed in the nucleus, but when mitochondrial clustering around the nucleus is inhibited, accumulation of ROS in the nucleus is not observed. Therefore, by fluorescently staining mitochondria with compound (I) and observing the intracellular localization of mitochondria, it is possible to determine the hypoxic state of cells and accumulation of ROS in the nucleus.
さらに、細胞がオートファジーを起こすと、余剰なミトコンドリアを選択的に分解する現象が知られており、マイトファジーと呼ばれている。そこで、化合物(I)によってミトコンドリアを蛍光染色し、細胞内の蛍光染色の様子を調べると、マイトファジーを起こした細胞では、蛍光が細かく散在し、マイトファジー特有の蛍光シグナルが観察される。そこで、化合物(I)によってミトコンドリアを蛍光染色し、蛍光の分布状態を観察することによって、細胞がオートファジーを起こしているかどうか識別することができる。 Furthermore, when cells undergo autophagy, it is known that excess mitochondria are selectively broken down, a phenomenon known as mitophagy. When mitochondria are fluorescently stained with compound (I) and the state of fluorescent staining within the cells is examined, in cells that have undergone mitophagy, the fluorescence is finely scattered and a fluorescent signal specific to mitophagy is observed. Therefore, by fluorescently staining mitochondria with compound (I) and observing the distribution of the fluorescence, it is possible to identify whether a cell is undergoing autophagy.
<蛍光による多重染色>
化合物(I)はミトコンドリアに強固に結合するため、化合物(I)による蛍光染色後に固定剤で固定したり、界面活性剤で膜を透過処理したりしても、従来の蛍光色素ほど化合物(I)による蛍光強度は弱くならない。しかも、放射する蛍光波長のピークの幅が狭い(すなわち590nm~660nm)ので、他の蛍光色素の蛍光波長とのオーバーラップが少ない。これらのことから、化合物(I)は他の蛍光色素との多重染色に好適に用いることができる。
<Multiple staining with fluorescence>
Since compound (I) binds tightly to mitochondria, even if the compound is fixed with a fixative or the membrane is permeabilized with a surfactant after fluorescent staining with compound (I), the fluorescence intensity of compound (I) is not as weak as that of conventional fluorescent dyes. Moreover, the peak width of the emitted fluorescent wavelength is narrow (i.e., 590 nm to 660 nm), so there is little overlap with the fluorescent wavelengths of other fluorescent dyes. For these reasons, compound (I) can be suitably used for multiple staining with other fluorescent dyes.
例えば、化合物(I)によって細胞をミトコンドリアを蛍光染色した後で、その細胞を固定し、抗体を用いた組織化学的手法で多重染色することができる。この時、同時に用いる蛍光色素は、化合物(I)の蛍光と波長がオーバーラップしないものであればよく、例えば、FITC、ATTO 488、Alexa Fluor 488、Cy5などが挙げられる。For example, after fluorescently staining mitochondria in cells with compound (I), the cells can be fixed and multi-stained by histochemical techniques using antibodies. In this case, the fluorescent dye used at the same time can be any dye that does not overlap in wavelength with the fluorescence of compound (I), such as FITC, ATTO 488, Alexa Fluor 488, and Cy5.
あるいは、核やエンドソームなどの他の細胞小器官に結合する蛍光色素と同時に用いることができる。この場合の蛍光色素として、DAPIなどが例示できる。Alternatively, it can be used simultaneously with a fluorescent dye that binds to other organelles such as the nucleus or endosomes. In this case, an example of the fluorescent dye is DAPI.
<化粧品・医薬品の評価方法>
上述したようなオートファジー以外にも、ミトコンドリアの形態や分布は、細胞の健康状態を反映する。例えば、断片化したり、核の近くに集積したりするなどのミトコンドリアの形態や分布は、細胞の健康状態を反映する。そこで、培養細胞を化粧品や医薬品であらかじめ処理し、化合物(I)によって細胞のミトコンドリアを蛍光染色することで、化粧品や医薬品の毒性を評価できる。
<Evaluation methods for cosmetics and pharmaceuticals>
In addition to the above-mentioned autophagy, the morphology and distribution of mitochondria reflect the health of cells. For example, the morphology and distribution of mitochondria, such as fragmentation or accumulation near the nucleus, reflect the health of cells. Therefore, the toxicity of cosmetics and medicines can be evaluated by treating cultured cells with cosmetics or medicines in advance and fluorescently staining the mitochondria of the cells with compound (I).
<疾患マーカー>
ミトコンドリアの形状は細胞の状態や病態に応じて変化する。例えば、栄養不良状態になると、ミトコンドリアは丸くなることが知られている。あるいは、心血管疾患、ハッチントン病、ALS,などの神経疾患、糖尿病などは、ミトコンドリアの分裂・融合の異常が誘因になることが知られている(日本薬理学会 日薬理誌149:269-273(2017)「ミトコンドリア分裂を主眼とした既承認薬のエコファーマ」)。従って、化合物(I)は、疾患等の診断マーカーとして用いることもできる。例えば、生体から生体組織を採取する工程と、採取された生体組織のミトコンドリアを化合物(I)で染色する工程と、疾患を評価する工程と、を含む方法によって、化合物(I)を診断マーカーとして利用することができる。
<Disease markers>
The shape of mitochondria changes depending on the state of cells and the pathology. For example, it is known that mitochondria become round when malnutrition occurs. Alternatively, it is known that abnormalities in mitochondrial fission and fusion are the cause of cardiovascular disease, neurological diseases such as Hattington's disease and ALS, and diabetes (Japanese Pharmacological Society, Journal of Japanese Pharmacology 149: 269-273 (2017) "Ecopharma of Approved Drugs Focusing on Mitochondrial Fission"). Therefore, compound (I) can also be used as a diagnostic marker for diseases, etc. For example, compound (I) can be used as a diagnostic marker by a method including a step of collecting biological tissue from a living body, a step of staining the mitochondria of the collected biological tissue with compound (I), and a step of evaluating the disease.
==細胞画像の解析方法==
本実施形態にかかる細胞画像の解析方法は、本明細書に開示の化合物またはその塩によって蛍光染色されたミトコンドリアを有する細胞を撮像して細胞画像を取得する第1の工程と、細胞画像から、ミトコンドリアの情報を得る第2の工程と、得られたミトコンドリアの情報に基づき、細胞の健康状態を評価する第3の工程と、を含む。この解析方法により、ミトコンドリア形態に基づいて、細胞の状態を調べることができる。
== Method for analyzing cell images ==
The method for analyzing a cell image according to the present embodiment includes a first step of capturing an image of a cell having mitochondria fluorescently stained with a compound disclosed herein or a salt thereof to obtain a cell image, a second step of obtaining mitochondrial information from the cell image, and a third step of evaluating the health of the cell based on the obtained mitochondrial information. This analysis method makes it possible to investigate the state of the cell based on mitochondrial morphology.
<第1の工程>
まず、本明細書に開示の化合物またはその塩によって蛍光染色された1または2以上のミトコンドリアを有する細胞を撮像して細胞画像を取得する。
<First step>
First, a cell having one or more mitochondria fluorescently stained with a compound disclosed herein or a salt thereof is imaged to obtain a cell image.
この細胞画像は、顕微鏡画像であることが好ましい。顕微鏡画像は、実体顕微鏡や電子顕微鏡などを含む顕微鏡に付属の撮像素子付カメラによって撮像され、画像ファイルとして得られるのが好ましい。細胞画像には、細胞が1個撮像されていても、複数個撮像されていてもよい。The cell image is preferably a microscope image. The microscope image is preferably captured by a camera equipped with an image sensor attached to a microscope, such as a stereomicroscope or an electron microscope, and is obtained as an image file. The cell image may include an image of one cell or multiple cells.
<第2の工程>
本工程では、第1の工程で得られた細胞画像から、1個の細胞内に存在する1個または2個以上のミトコンドリアの情報を得る。
<Second step>
In this step, information on one or more mitochondria present in a single cell is obtained from the cell image obtained in the first step.
ミトコンドリアの情報とは、そのミトコンドリアの画像から得られた、そのミトコンドリアの特徴を示す数値、例えば、面積、長さ、幅、縦横比、円形度、Elongation、Shape Factor、Roughness、隣接ミトコンドリアとの最短距離、Branchingポイント数、核との距離、細胞膜との距離、細胞体からの距離のうち、少なくともいずれか一つの数値を統計処理して得られた統計量、または蛍光染色されたミトコンドリアが細胞内において所定の密度以上に凝集している領域の、細胞内での占有率などである。Mitochondrial information refers to numerical values indicating the characteristics of a mitochondrion obtained from an image of the mitochondrion, such as a statistical quantity obtained by statistically processing at least one of the following numerical values: area, length, width, aspect ratio, circularity, elongation, shape factor, roughness, shortest distance to adjacent mitochondria, number of branching points, distance from the nucleus, distance from the cell membrane, and distance from the cell body, or the occupancy rate within the cell of the area where fluorescently stained mitochondria are aggregated at a specified density or more.
ミトコンドリアの長さとは、ミトコンドリアの外周上の2点を結ぶ線分の長さのうちの最も長いものをいう。ミトコンドリアの幅とは、ミトコンドリアの外周上の2点を結ぶ線分の長さのうちの最も短いものをいう。ミトコンドリアの円形度とは、ミトコンドリア領域と同じ面積を持つ円の円周の二乗と当該エリアの円周の二乗の割り算の結果をいう。ミトコンドリアのElongationとは、ミトコンドリアの幅に対する長さの割合をいう。ミトコンドリアのShape Factorとは、ミトコンドリア領域の凹凸を埋めた図形の周囲長の二乗に対するミトコンドリア領域と同じ面積を持つ円の周囲長の二乗の割合をいう。ミトコンドリアの隣接ミトコンドリアとの最短距離とは、そのミトコンドリアの外周上の点と隣接ミトコンドリアの外周上の点とを結ぶ線分の長さのうちの最も短いもの、またはそのミトコンドリアの重心と隣接ミトコンドリアの重心との距離のいずれかをいう。ミトコンドリアのBranchingポイント数とは、ミトコンドリアが枝状に分岐した形状を有している場合の枝わかれ部分の数をいう。ミトコンドリアの核との距離とは、そのミトコンドリアの外周上の点と隣接ミトコンドリアの外周上の点とを結ぶ線分の長さのうちの最も短いもの、またはそのミトコンドリアの重心と核の重心との距離のいずれかをいう。ミトコンドリアの細胞膜との距離とは、そのミトコンドリアの外周上の点と細胞膜上の点とを結ぶ線分の長さのうちの最も短いものをいう。ミトコンドリアの細胞体からの距離とは、神経細胞において、神経突起内に存在するミトコンドリアと、神経突起と細胞体の接続地点、細胞体の重心、または核の重心との距離をいう。The length of a mitochondrion refers to the longest line segment connecting two points on the perimeter of a mitochondrion. The width of a mitochondrion refers to the shortest line segment connecting two points on the perimeter of a mitochondrion. The circularity of a mitochondrion refers to the result of dividing the square of the circumference of a circle with the same area as the mitochondrial region by the square of the circumference of the area. The elongation of a mitochondrion refers to the ratio of the length of a mitochondrion to its width. The shape factor of a mitochondrion refers to the ratio of the square of the perimeter of a circle with the same area as the mitochondrial region to the square of the perimeter of a shape that fills in the unevenness of the mitochondrion region. The shortest distance between a mitochondrion and an adjacent mitochondrion refers to either the shortest line segment connecting a point on the perimeter of the mitochondrion and a point on the perimeter of the adjacent mitochondrion, or the distance between the center of gravity of the mitochondrion and the center of gravity of the adjacent mitochondrion. The number of branching points of a mitochondrion refers to the number of branched parts when the mitochondrion has a branched shape. The distance from the mitochondrial nucleus refers to either the shortest line segment length connecting a point on the periphery of the mitochondrion to a point on the periphery of an adjacent mitochondrion, or the distance between the center of gravity of the mitochondrion and the center of gravity of the nucleus. The distance from the mitochondrial cell membrane refers to the shortest line segment length connecting a point on the periphery of the mitochondrion to a point on the cell membrane. The distance from the mitochondrion to the cell body refers to the distance between the mitochondria present in the neurite and the connection point between the neurite and the cell body, the center of gravity of the cell body, or the center of gravity of the nucleus in a nerve cell.
1個のミトコンドリアの場合、得られた値をそのまま、あるいは所定の桁になるように四捨五入などの統計処理をして、統計量を算出してもよい。 In the case of a single mitochondrion, the obtained values can be used as is, or can be subjected to statistical processing such as rounding to a specified number of digits to calculate the statistical quantity.
2個以上のミトコンドリアの場合、各ミトコンドリアについて、上記情報を得た後、得られた数値を用いて統計処理を行い、統計量を算出してもよい。統計処理としては、例えば、平均値、中央値、分散値、四分位数などを求めることが例示できる。In the case of two or more mitochondria, after obtaining the above information for each mitochondria, the obtained values may be used for statistical processing to calculate statistics. Examples of statistical processing include calculating the mean, median, variance, quartiles, etc.
あるいは、統計量の代わりに、蛍光染色されたミトコンドリアが細胞内において所定の密度以上に凝集している領域の、細胞の面積に対する占有率を求めてもよい。具体的には、例えば、まず、そのミトコンドリアが存在する細胞の面積を求める。次に、ミトコンドリアが所定の密度以上に凝集している領域の面積を求める。最後に、細胞の面積に対する、ミトコンドリアが凝集している領域の面積の割合を求め、この割合を占有率としてもよい。Alternatively, instead of statistics, the occupancy rate of the area in the cell where fluorescently stained mitochondria are aggregated at a predetermined density or higher may be calculated. Specifically, for example, first, the area of the cell in which the mitochondria are present is calculated. Next, the area of the area in which the mitochondria are aggregated at a predetermined density or higher is calculated. Finally, the ratio of the area in which the mitochondria are aggregated to the area of the cell is calculated, and this ratio may be used as the occupancy rate.
<第3の工程>
本工程では、第2の工程で得られたミトコンドリアの情報から、当該細胞の健康状態を評価する。
<Third step>
In this step, the health state of the cells is evaluated based on the mitochondrial information obtained in the second step.
細胞の健康状態とは、細胞が異常な状態であったり、老化した状態であったりすることをいう。細胞が異常な状態であると、例えば、ネクローシスを生じていたり、アポトーシスを生じていたり、増殖速度が通常より速かったり遅かったり、細胞の形態が変化したり、間葉―上皮分化転換などの分化転換が生じたり、ミトコンドリアの分裂と融合のバランスが崩れたり、異常タンパク質が蓄積したりすることをいう。また、細胞が老化すると、例えば、コラーゲンの産生機能が低下したり、増殖速度が遅くなったり、テロメアが短くなったり、細胞特異的な、または細胞本来の機能を失ったり、細胞質が増大したり、多核化したり、あるいはミトコンドリアが断片化したりする。この細胞の健康状態は個体の状態も含み、例えば、双極性障害などの患者における細胞の状態も含む。The health of a cell refers to whether the cell is in an abnormal state or in an aged state. An abnormal state of a cell refers to, for example, the occurrence of necrosis, apoptosis, a faster or slower proliferation rate than normal, a change in cell morphology, the occurrence of transdifferentiation such as mesenchymal-epithelial transdifferentiation, an imbalance between mitochondrial division and fusion, or the accumulation of abnormal proteins. In addition, when a cell ages, for example, the collagen production function decreases, the proliferation rate slows, telomeres shorten, cell-specific or cell-intrinsic functions are lost, the cytoplasm increases, the cell becomes multinucleated, or mitochondria become fragmented. This health of a cell also includes the state of an individual, for example, the state of cells in a patient with bipolar disorder.
ミトコンドリアの情報として統計量を利用する場合、細胞画像を解析する細胞とは異なる第2の細胞において蛍光染色された1または2以上のミトコンドリアの情報を統計処理して得られた統計量と、第2の工程で求めた統計量を比較することによって、細胞の健康状態を評価してもよい。また、ミトコンドリアの情報として占有率を利用する場合、細胞画像を解析する細胞とは異なる第2の細胞において蛍光染色された2以上のミトコンドリアが第2の細胞内において所定の密度以上に凝集している領域の、第2の細胞の面積に対する占有率と、第2の工程で求めた占有率を比較することによって、細胞の健康状態を評価してもよい。When statistics are used as mitochondrial information, the health of the cell may be evaluated by comparing the statistics obtained by statistically processing information on one or more fluorescently stained mitochondria in a second cell different from the cell whose cell image is analyzed with the statistics obtained in the second step. When occupancy is used as mitochondrial information, the health of the cell may be evaluated by comparing the occupancy of a region in which two or more fluorescently stained mitochondria in a second cell different from the cell whose cell image is analyzed are aggregated at a predetermined density or higher in the second cell with respect to the area of the second cell.
ここで、第2の細胞は、細胞画像を解析する細胞と同じ種類の細胞であることが好ましく、また正常な細胞であることが好ましい。ここで、正常とは、上述したような異常な状態ではないことをいう。例えば、細胞の形態、機能、増殖が正常であることが含まれる。Here, the second cell is preferably a cell of the same type as the cell whose cell image is to be analyzed, and is preferably a normal cell. Here, "normal" means not being in an abnormal state as described above. For example, this includes cells whose morphology, function, and proliferation are normal.
<第4の工程>
本工程では、ミトコンドリアの情報を得た細胞の明視野画像を取得する。取得した明視野画像は、例えば、細胞の面積を求めるのに利用できる。
<Fourth step>
In this step, a bright-field image of the cell from which mitochondrial information has been obtained is acquired. The acquired bright-field image can be used, for example, to calculate the area of the cell.
<具体的な画像解析手順>
図3を参照し、染色されたミトコンドリアを含む細胞が撮像された画像を解析するための具体的な画像解析手順の一例を説明する。
<Specific image analysis procedure>
With reference to FIG. 3, an example of a specific image analysis procedure for analyzing an image of a cell containing stained mitochondria will be described.
まず、撮像素子付蛍光顕微鏡を用いて、染色された1または複数のミトコンドリアを含む1または複数の細胞の蛍光画像を取得する(S21)。そして、取得した撮像画像から、ショットノイズを除去する(S21)。具体的には、取得された撮像画像に対して、画像内の一定の大きさの領域において輝度値を平均化したり、高周波成分を取り除くことで、撮像画像からショットノイズを除去することができる。First, a fluorescent image of one or more cells containing one or more stained mitochondria is acquired using a fluorescence microscope equipped with an image sensor (S21). Then, shot noise is removed from the acquired captured image (S21). Specifically, the shot noise can be removed from the captured image by averaging the brightness values in a region of a certain size within the image or by removing high-frequency components.
次に、細胞全体をHCS CellMask(登録商標)等の試薬で染色し、撮像素子付蛍光顕微鏡を用いて得られた蛍光画像を二値化処理することによって、画像内での細胞の領域(以下、「細胞領域」と称する)を検出する(S22)。Next, the entire cell is stained with a reagent such as HCS CellMask (registered trademark), and the fluorescent image obtained using a fluorescent microscope with an image sensor is subjected to binarization processing to detect the cell area (hereinafter referred to as the "cell area") within the image (S22).
あるいは、その他にDAPI等の核染色試薬の蛍光画像の二値化することで核を検出し、それを起点として細胞質染色の蛍光画像に対してWatershedアルゴリズムで細胞領域を検出する。細胞質染色試薬の代わりにミトコンドリア蛍光画像を使用してもよい。Alternatively, nuclei are detected by binarizing the fluorescent image of a nuclear staining reagent such as DAPI, and then the cellular regions are detected from the nuclei using the Watershed algorithm on the fluorescent image of the cytoplasmic staining. A mitochondrial fluorescent image may be used instead of the cytoplasmic staining reagent.
あるいは、位相差画像を用いて細胞領域を検出してもよい。例えば、位相差画像に対してクローズ・オープンフィルタを適用して画像の差分を取り、エッジ情報を取得し、取得したエッジ情報に基づいてGVF(Gradient vector flow)を作成して細胞の輪郭線を取得して細胞領域を検出も良い。更に、GVFの処理に加えて、蛍光画像から最終的に細胞の輪郭線を取得して細胞領域を検出できる。Alternatively, cell regions may be detected using phase contrast images. For example, a closed-open filter may be applied to the phase contrast image to obtain the image difference and edge information, and a GVF (Gradient Vector Flow) may be created based on the obtained edge information to obtain the cell contours and detect the cell regions. Furthermore, in addition to processing the GVF, the cell contours may be finally obtained from the fluorescence image to detect the cell regions.
ショットノイズの除去された各細胞の撮像画像から、輝度値情報に基づき、(株)ニコン製のNIS Elementsソフトウエアに実装されているDetect Peaksアルゴリズムを使用して、輝度値が連続して高く分布している領域を検出し、さらに高輝度値に輝度を増強する(S23)。その結果、各細胞の内部構造として、糸状の構造物の輪郭が強調される。From the captured image of each cell from which shot noise has been removed, regions with continuously high brightness values are detected based on the brightness value information using the Detect Peaks algorithm implemented in Nikon Corporation's NIS Elements software, and the brightness is further enhanced to a high brightness value (S23). As a result, the outline of the thread-like structure is emphasized as the internal structure of each cell.
こうして得られた輝度値を所定の閾値で二値化処理することで、糸状の構造を有するミトコンドリアの二値画像が得られ、ミトコンドリアとして認識できるようになる(S24)。
この二値画像を用いて、各ミトコンドリアの特徴を示す数値を得る(S25)。
The brightness values thus obtained are binarized using a predetermined threshold value to obtain a binary image of mitochondria having a thread-like structure, which can be recognized as mitochondria (S24).
Using this binary image, a numerical value indicating the characteristics of each mitochondrion is obtained (S25).
次に、ミトコンドリアが細胞内において所定の密度以上に凝集している領域を検出する(S26)。このとき、ミトコンドリアが特定できる二値画像を用いてもよいが、ショットノイズの除去された細胞の撮像画像をもちいてもよい。後者の場合、例えば、区分けした領域ごとに輝度値の総和を算出し、輝度値が相対的に高い領域を特定することによって、ミトコンドリアの凝集している領域を検出してもよい。Next, areas in the cells where mitochondria are aggregated at a predetermined density or higher are detected (S26). In this case, a binary image in which mitochondria can be identified may be used, or an image of the cells from which shot noise has been removed may be used. In the latter case, for example, the sum of the brightness values for each divided area may be calculated, and areas with relatively high brightness values may be identified to detect areas where mitochondria are aggregated.
S22で検出された細胞領域の面積、およびS26で検出されたミトコンドリアが業種している領域の面積を計測し、ミトコンドリアが細胞内において所定の密度以上に凝集している領域の、細胞の面積に対する占有率を算出する(S27)。The area of the cell region detected in S22 and the area of the region where mitochondria are present detected in S26 are measured, and the occupancy rate of the region where mitochondria are aggregated at a predetermined density or higher within the cell is calculated relative to the cell area (S27).
S25で得られたミトコンドリアの特徴を示す数値の統計処理を行い、統計量を算出する(S28)。 Statistical processing is performed on the numerical values indicating the mitochondrial characteristics obtained in S25, and statistics are calculated (S28).
S27で得られた占有率及び/又はS28で得られた統計量に基づき、細胞の健康状態を評価する。 Evaluate the cell health based on the occupancy rate obtained in S27 and/or the statistics obtained in S28.
評価方法は特に限定されないが、例えば、第2の細胞のミトコンドリアの情報を求め、以下に述べる学習機器を使用し、第2の細胞のミトコンドリアの情報と比較することにより、細胞の健康状態を評価してもよい。The evaluation method is not particularly limited, but for example, the health of the cells may be evaluated by obtaining mitochondrial information of the second cell and comparing it with the mitochondrial information of the second cell using the learning device described below.
まず、第2の細胞として、異常や老化を生じている細胞や正常細胞を用い、それらの細胞から得られた1または2以上の情報をn次元ベクトル空間にマップし、Deep Learning, サポートベクターマシン、決定木等の手法で学習させる。この学習機に対し、目的のミトコンドリアの情報を入力すると、異常や老化を生じているかどうかが判断できる。First, abnormal or aging cells or normal cells are used as the second cells, and one or more pieces of information obtained from these cells are mapped into an n-dimensional vector space and trained using techniques such as deep learning, support vector machines, and decision trees. When information about the target mitochondria is input into this learning machine, it is possible to determine whether abnormality or aging is occurring.
==顕微鏡装置==
以下に、本開示の解析方法で用いる顕微鏡装置の一例を、図1および図2を用いて説明する。
==Microscope Equipment==
An example of a microscope apparatus used in the analysis method of the present disclosure will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
図1に示すように、顕微鏡装置1は、装置本体10と、コンピュータ170と、表示部であるモニタ160と、入力器180とを備える。装置本体10には、顕微鏡部150と、透過照明部40と、撮像装置(以下、デジタルカメラと称する)300と、励起用光源70と、光ファイバ7とが備えられる。デジタルカメラは、CCDカメラやCMOSカメラなどが例示できる。1, the microscope device 1 includes a device body 10, a computer 170, a monitor 160 serving as a display unit, and an input device 180. The device body 10 includes a microscope unit 150, a transmitted illumination unit 40, an imaging device (hereinafter referred to as a digital camera) 300, an excitation light source 70, and an optical fiber 7. Examples of the digital camera include a CCD camera and a CMOS camera.
顕微鏡部150は、ステージ23と、対物レンズ部27と、蛍光フィルタ部34と、結像レンズ部38と、偏向ミラー452と、フィールドレンズ411と、コレクタレンズ41とを備え、透過照明部40は、透過照明用光源47と、フィールドレンズ44と、偏向ミラー45とを備える。The microscope section 150 comprises a stage 23, an objective lens section 27, a fluorescence filter section 34, an imaging lens section 38, a deflection mirror 452, a field lens 411, and a collector lens 41, and the transmitted illumination section 40 comprises a transmitted illumination light source 47, a field lens 44, and a deflection mirror 45.
ステージ23には、透明な培養容器20を収めたチャンバ100が載置される。培養容器20では、ミトコンドリアが蛍光物質で標識された培養細胞が培地中で生育している。
その培養細胞をチャンバ100の外側から観察するため、チャンバ100の底面の一部aと、チャンバ100の上面の一部bとはそれぞれ透明になっている。ここでは、培養容器20の上面が開放されている場合を説明するが、必要があれば培養容器20の上面は培養容器20と同質の蓋で覆われていてもよい。
A chamber 100 containing a transparent culture vessel 20 is placed on the stage 23. In the culture vessel 20, cultured cells whose mitochondria are labeled with a fluorescent substance are grown in a medium.
In order to observe the cultured cells from outside the chamber 100, a part a of the bottom surface of the chamber 100 and a part b of the top surface of the chamber 100 are each transparent. Here, a case where the top surface of the culture vessel 20 is open will be described, but if necessary, the top surface of the culture vessel 20 may be covered with a lid made of the same material as the culture vessel 20.
対物レンズ部27には、図1のX方向にそって複数種類の対物レンズが装着されており、対物レンズ部27がX方向にそって移動することにより、装置本体10の光路に配置される対物レンズの種類が切り替わる。この切り替えはコンピュータ170の制御下で行われる。 The objective lens unit 27 is fitted with multiple types of objective lenses arranged in the X direction in Fig. 1, and the type of objective lens arranged in the optical path of the device body 10 is switched by moving the objective lens unit 27 in the X direction. This switching is performed under the control of the computer 170.
蛍光フィルタ部34には、図1のX方向にそって複数種類のフィルタブロックが装着されており、蛍光フィルタ部34がX方向にそって移動することにより、装置本体10の光路に配置されるフィルタブロックの種類が切り替わる。この切り替えもコンピュータ170の制御下で行われる。 The fluorescent filter unit 34 is fitted with multiple types of filter blocks arranged along the X direction in Fig. 1, and the type of filter block arranged in the optical path of the device body 10 is switched by moving the fluorescent filter unit 34 along the X direction. This switching is also performed under the control of the computer 170.
コンピュータ170は、光路に配置される対物レンズの種類と、光路に配置されるフィルタブロックの種類との組み合わせを、装置本体10に設定されるべき観察方法に応じて切り替える。本実施の形態では、この切り替えによって、装置本体10による観察方法が位相差観察と2種類の蛍光観察との間で切り替わるのものとする。The computer 170 switches the combination of the type of objective lens placed in the optical path and the type of filter block placed in the optical path according to the observation method to be set in the device body 10. In this embodiment, this switching switches the observation method by the device body 10 between phase contrast observation and two types of fluorescence observation.
位相差観察と蛍光観察とでは、光路に配置されるフィルタブロックの種類と、光路に配置されうる対物レンズの種類とが異なり、2種類の蛍光観察では、光路に配置されるフィルタブロックの種類のみが異なり、光路に配置されうる対物レンズの種類は同じである。また、位相差観察と蛍光観察では、照明方法が異なる。 Phase contrast observation and fluorescence observation differ in the type of filter block placed in the light path and the type of objective lens that can be placed in the light path, whereas the two types of fluorescence observation differ only in the type of filter block placed in the light path, and the types of objective lenses that can be placed in the light path are the same. Phase contrast observation and fluorescence observation also differ in the illumination methods.
コンピュータ170は、位相差観察時には、透過照明部40の光路を使用するために透過照明用光源47を用い、蛍光観察時には、落射照明部の光路(すなわち、励起用光源70、光ファイバ7、コレクタレンズ41、フィールドレンズ411、偏向ミラー452、蛍光フィルタ部34、対物レンズ部27を順に経由する光路)を使用するため、励起用光源70を用いる。なお、透過照明用光源47を用いるときに励起用光源70は電源を切り、励起用光源70を用いるときに透過照明用光源47は電源を切る。During phase contrast observation, the computer 170 uses the transmitted illumination light source 47 to use the optical path of the transmitted illumination unit 40, and during fluorescence observation, the computer 170 uses the excitation light source 70 to use the optical path of the epi-illumination unit (i.e., the optical path passing through the excitation light source 70, optical fiber 7, collector lens 41, field lens 411, deflection mirror 452, fluorescence filter unit 34, and objective lens unit 27 in that order). Note that the excitation light source 70 is turned off when the transmitted illumination light source 47 is used, and the transmitted illumination light source 47 is turned off when the excitation light source 70 is used.
明視野観察である位相差観察時、透過照明用光源47から射出された光は、フィールドレンズ44、偏向ミラー45、チャンバ100の透明部bを介して培養容器20の中の観察ポイントcを照明する。その観察ポイントcを透過した光は、培養容器20の底面、チャンバ100の透明部a、対物レンズ部27、蛍光フィルタ部34、結像レンズ38を介してデジタルカメラ300の受光面に達し、観察ポイントcの位相差像を形成する。この状態でデジタルカメラ300が作動すると、位相差像が撮像され、位相差画像データが生成する。この画像データは、コンピュータ170に送信され、そこで記憶される。During phase-contrast observation, which is a bright-field observation, the light emitted from the transmitted illumination light source 47 illuminates the observation point c in the culture vessel 20 through the field lens 44, the deflection mirror 45, and the transparent part b of the chamber 100. The light transmitted through the observation point c reaches the light receiving surface of the digital camera 300 via the bottom surface of the culture vessel 20, the transparent part a of the chamber 100, the objective lens part 27, the fluorescent filter part 34, and the imaging lens 38, forming a phase-contrast image of the observation point c. When the digital camera 300 is operated in this state, a phase-contrast image is captured and phase-contrast image data is generated. This image data is transmitted to the computer 170 and stored there.
なお、明視野観察による明視野画像には、蛍光観察以外の明視野観察による画像、例えば暗視野観察、位相差観察、微分干渉観察による画像が含まれる。 Note that bright-field images obtained by bright-field observation include images obtained by bright-field observation other than fluorescence observation, such as images obtained by dark-field observation, phase contrast observation, and differential interference observation.
蛍光観察時、励起用光源70から射出された光は、光ファイバ7、コレクタレンズ41、フィールドレンズ411、偏向ミラー452,蛍光フィルタ部34、対物レンズ部27、チャンバ100の透明部a、培養容器20の底面を介して培養容器20の中の観察ポイントcを照明する。これによって、観察ポイントcに存在する蛍光物質が励起され、蛍光物質は蛍光を発する。この蛍光は、培養容器20の底面、チャンバ100の透明部a、対物レンズ部27、蛍光フィルタ部34、結像レンズ38を介してデジタルカメラ130の受光面に達し、観察ポイントcの蛍光像を形成する。この状態でデジタルカメラ300が作動すると、蛍光像が撮像され、画像データが生成する。この画像データも、コンピュータ170へ送信され、そこで記憶される。During fluorescence observation, the light emitted from the excitation light source 70 illuminates the observation point c in the culture vessel 20 through the optical fiber 7, the collector lens 41, the field lens 411, the deflection mirror 452, the fluorescence filter unit 34, the objective lens unit 27, the transparent part a of the chamber 100, and the bottom surface of the culture vessel 20. This excites the fluorescent substance present at the observation point c, and the fluorescent substance emits fluorescence. This fluorescence reaches the light receiving surface of the digital camera 130 through the bottom surface of the culture vessel 20, the transparent part a of the chamber 100, the objective lens unit 27, the fluorescence filter unit 34, and the imaging lens 38, forming a fluorescent image of the observation point c. When the digital camera 300 is operated in this state, a fluorescent image is captured and image data is generated. This image data is also transmitted to the computer 170 and stored there.
なお、コンピュータ170は、ステージ23のXY座標及び対物レンズ部27のZ座標を制御することにより、培養容器20における観察ポイントcのXYZ座標における位置を制御する。In addition, the computer 170 controls the position of the observation point c in the culture vessel 20 in the XYZ coordinates by controlling the XY coordinates of the stage 23 and the Z coordinate of the objective lens section 27.
また、チャンバ100には、シリコーンチューブを介して加湿器が接続されていてもよく、チャンバ100の内部の湿度及びCO2濃度が、所定の値に制御されてもよい。また、チャンバ100の周辺の空気は、熱交換器によって適度に循環され、それによってチャンバ100の内部温度も所定値に制御されてもよい。このようなチャンバ100の内部の湿度、CO2濃度、温度は、センサにより測定されてもよい。その測定結果は、コンピュータ170へ送信され、そこで記憶されてもよい。一方、デジタルカメラ300は装置本体10との他の部分とは別の筐体に収められ、チャンバ100の内部温度に拘わらず装置本体10の外気温度と同程度に保たれてもよい。A humidifier may be connected to the chamber 100 via a silicone tube, and the humidity and CO2 concentration inside the chamber 100 may be controlled to a predetermined value. The air around the chamber 100 may be circulated appropriately by a heat exchanger, thereby controlling the internal temperature of the chamber 100 to a predetermined value. The humidity, CO2 concentration, and temperature inside the chamber 100 may be measured by a sensor. The measurement results may be sent to the computer 170 and stored there. Meanwhile, the digital camera 300 may be housed in a housing separate from the other parts of the device main body 10, and may be kept at about the same temperature as the outside air temperature of the device main body 10 regardless of the internal temperature of the chamber 100.
次に、タイムラプス撮影に関するコンピュータ170の動作を説明する。Next, the operation of computer 170 regarding time lapse photography will be described.
コンピュータ170には、観察用のプログラムがインストールされており、コンピュータ170はそのプログラムに従って動作する。ユーザからコンピュータ170への情報入力は、何れも入力器180を介して行われる。An observation program is installed in the computer 170, and the computer 170 operates according to the program. All information input from the user to the computer 170 is performed via the input device 180.
図2は、コンピュータ170の動作フローチャートである。図2に示すように、最初にコンピュータ170は、装置本体10の観察方法を、低倍率の位相差観察に設定し、その状態でバードビュー画像の画像データを取得し、それをモニタ160で表示する(S11)。バードビュー画像とは、培養容器20の比較的広い領域の画像をいう。2 is a flowchart of the operation of the computer 170. As shown in Fig. 2, the computer 170 first sets the observation method of the device main body 10 to low-magnification phase-contrast observation, acquires image data of a bird's-eye view image in this state, and displays it on the monitor 160 (S11). A bird's-eye view image is an image of a relatively wide area of the culture vessel 20.
バードビュー画像の画像データを取得するに当たって、コンピュータ170は、培養容器20における観察ポイントcをXY方向へ移動させながら位相差画像の画像データを繰り返し取得し、取得された複数の画像データを1枚の画像の画像データに合成する。個々の画像データは、所謂タイル画像の画像データであり、合成後の画像データがバードビュー画像の画像データである。When acquiring image data of the bird's-eye view image, the computer 170 repeatedly acquires image data of the phase contrast image while moving the observation point c in the culture vessel 20 in the XY direction, and synthesizes the acquired multiple image data into image data of a single image. Each piece of image data is the image data of a so-called tile image, and the synthesized image data is the image data of the bird's-eye view image.
ユーザは、モニタ160に表示されたバードビュー画像を観察しながら、タイムラプス撮影の条件(例えば、インターバル、ラウンド数、観察ポイント、観察方法など)を決定する。 The user determines the conditions for time lapse photography (e.g., interval, number of rounds, observation points, observation method, etc.) while observing the bird's-eye view image displayed on the monitor 160.
コンピュータ170は、ユーザから条件が入力されると(S12:YES)、その条件が書き込まれたレシピを作成する(S13)。レシピの格納先は、例えばコンピュータ170のハードディスクである。以下、レシピに書き込まれたインターバル、ラウンド数、観察ポイント、観察方法をそれぞれ「指定インターバル」、「指定ラウンド数」、「指定ポイント」、「指定観察方法」と称する。When the conditions are input by the user (S12: YES), the computer 170 creates a recipe with the conditions written in (S13). The recipe is stored, for example, on the hard disk of the computer 170. Hereinafter, the interval, number of rounds, observation point, and observation method written in the recipe are referred to as the "designated interval," "designated number of rounds," "designated point," and "designated observation method," respectively.
その後、コンピュータ170は、ユーザからタイムラプス撮影の開始指示が入力されると(S14)、タイムラプス撮影を開始する(S15)。
タイムラプス撮影では、コンピュータ170は、培養容器20の観察ポイントcを指定ポイントに一致させると共に、装置本体10の観察方法を指定観察方法に設定し、その状態で画像データを取得する。指定観察方法が3種類であった場合は、装置本体10の観察方法を3種類の指定観察方法の間で切り替えながら3種類の画像データを連続的に取得する。これによって、第1ラウンドの撮影が終了する。
Thereafter, when an instruction to start time lapse photography is input by the user (S14), the computer 170 starts time lapse photography (S15).
In time lapse photography, the computer 170 matches the observation point c of the incubation container 20 with the designated point, sets the observation method of the device body 10 to the designated observation method, and acquires image data in this state. If there are three designated observation methods, the observation method of the device body 10 is switched between the three designated observation methods while three types of image data are acquired continuously. This completes the first round of photography.
その後、コンピュータ170は、第1ラウンドの撮影開始時刻から指定インターバルだけ待機時間をおき、第2ラウンドの撮影を開始する。第2ラウンドの撮影方法は、第1ラウンドの撮影方法と同じである。 Then, the computer 170 waits for the specified interval from the start time of the first round of shooting, and starts the second round of shooting. The shooting method for the second round is the same as the shooting method for the first round.
さらに、以下の撮影は、実行済みのラウンド数が指定ラウンド数に達する(S16:YES)まで繰り返される。 Furthermore, the following shooting is repeated until the number of rounds performed reaches the specified number of rounds (S16: YES).
さて、タイムラプス撮影の期間中(S16:NO)、コンピュータ170は、装置本体10から取り込んだ画像データを実施経過ファイルへ逐次蓄積する。この実施経過ファイルの格納先は、例えばコンピュータ170のハードディスクである。During the time lapse photography period (S16: NO), the computer 170 sequentially accumulates the image data captured from the device main body 10 in an implementation progress file. This implementation progress file is stored, for example, on the hard disk of the computer 170.
さらに、コンピュータ170は、タイムラプス撮影の期間中又はタイムラプス撮影の終了後にユーザから確認指示が入力されると、その時点における実施経過ファイルの内容を参照し、それに基づき以下に説明する実施経過確認用画面をモニタ160へ表示する。Furthermore, when a confirmation instruction is input by the user during the time lapse photography period or after the time lapse photography is completed, the computer 170 refers to the contents of the implementation progress file at that time and, based on that, displays the implementation progress confirmation screen described below on the monitor 160.
例えば、この顕微鏡装置1により取得されたバードビュー画像のうちの各細胞の撮像画像がコンピュータ170の画像処理部に入力され、そこで、上述した画像解析処理が実行され、解析結果が出力されてもよい。For example, an image of each cell in the bird's-eye view image acquired by this microscope device 1 may be input to an image processing unit of the computer 170, where the above-mentioned image analysis process is executed and the analysis results are output.
<実施例1>化合物(II)の合成
以下に記載する手順で、化合物(II)を合成した。
Example 1 Synthesis of Compound (II) Compound (II) was synthesized according to the procedure described below.
ATTO565―free COOH(1mg)をアセトニトリル(0.5mL)に溶解させて得られた溶液に対し、2等量のDPPAと1等量のトリエチルアミンを加え30分室温で反応させた。反応液に1mLの水と2mLのヘキサンを加えて混合して静置し、ヘキサン層を回収した。その後、脱気処理にて濃縮し、最終的に0.1mLのアセトニトリルに置換し、アセトニトリルで平衡化したシリカゲルカラムに通すことで目的物を精製した。溶出液をすべて回収し、減圧脱気にて乾燥させ、使用前にDMSOに溶解した。
1 H-NMR (CDCl3, 400 MHz) δ: 1.23 (t, 3H, J = 14 Hz), 2.25 (broad s, 4H), 3.00 (m, 2H),7.06 (m, 1H), 7.22 (s, 1H).
ATTO565-free COOH (1 mg) was dissolved in acetonitrile (0.5 mL) to obtain a solution, to which 2 equivalents of DPPA and 1 equivalent of triethylamine were added and reacted at room temperature for 30 minutes. 1 mL of water and 2 mL of hexane were added to the reaction solution, mixed, and allowed to stand, and the hexane layer was collected. The mixture was then concentrated by degassing, and finally replaced with 0.1 mL of acetonitrile, and the target product was purified by passing it through a silica gel column equilibrated with acetonitrile. All of the eluate was collected, dried by degassing under reduced pressure, and dissolved in DMSO before use.
1H-NMR (CDCl 3 , 400 MHz) δ: 1.23 (t, 3H, J = 14 Hz), 2.25 (broad s, 4H), 3.00 (m, 2H),7.06 (m, 1H), 7.22 (s, 1H).
合成物は、UPLC-MS/MS(Waters)解析で確認した。MS:505.22、MS/MS: 489.19、477.19、461.16が検出され、目的物が得られたことが確認された。The product was confirmed by UPLC-MS/MS (Waters) analysis. MS: 505.22, MS/MS: 489.19, 477.19, 461.16 were detected, confirming that the desired product had been obtained.
<実施例2>化合物(III)の合成
以下に記載する手順で、化合物(III)を合成した。
Example 2 Synthesis of Compound (III) Compound (III) was synthesized according to the procedure described below.
ATTO565―HNSエステル(1mg)をアセトニトリル(0.5mL)に溶解させて得られた溶液に対し、1等量のDPPAと1等量のトリエチルアミンを加え、30分室温で反応させた。反応液に1mLの水と2mLのヘキサンを加えて混合して静置し、ヘキサン層を回収した。その後、脱気処理にて濃縮し、最終的に0.1mLのアセトニトリルに置換し、アセトニトリルで平衡化したシリカゲルカラムに通すことで目的物を精製した。溶出液をすべて回収し、減圧脱気にて乾燥させ、使用前にDMSOに溶解した。 ATTO565-HNS ester (1 mg) was dissolved in acetonitrile (0.5 mL) to obtain a solution, to which 1 equivalent of DPPA and 1 equivalent of triethylamine were added and reacted at room temperature for 30 minutes. 1 mL of water and 2 mL of hexane were added to the reaction solution, mixed, and allowed to stand, and the hexane layer was collected. The mixture was then concentrated by degassing, and finally replaced with 0.1 mL of acetonitrile. The target product was purified by passing through a silica gel column equilibrated with acetonitrile. All of the eluate was collected, dried by degassing under reduced pressure, and dissolved in DMSO before use.
合成物は、UPLC-MS/MS(Waters)解析で確認した。MS:507.25、MS/MS: 479.24、449.19、435.18が検出され、目的物が得られたことが確認された。The product was confirmed by UPLC-MS/MS (Waters) analysis. MS: 507.25, MS/MS: 479.24, 449.19, 435.18 were detected, confirming that the desired product had been obtained.
<実施例3>生細胞におけるミトコンドリアの蛍光染色
実施例1および実施例2で合成した化合物(II)および化合物(III)によって細胞内ミトコンドリアの蛍光染色を行った。手順を以下に示す。
Example 3 Fluorescent staining of mitochondria in living cells Fluorescent staining of intracellular mitochondria was carried out using compound (II) and compound (III) synthesized in Example 1 and Example 2. The procedure is as follows.
(1)ガラスボトムディッシュ(マツナミ社製)にマウス悪性黒色腫細胞B16F10(理研細胞バンクより入手)3×104個を播種し、24時間培養した。培地はダルベッコ改変イーグル培地(DMEM)のHighグルコース(D6046(Merck))に1×ペニシリン・ストレプトマイン(26252-94(ナカライテクス))と10%牛胎児血清(ニチレイ)を添加したものを用いた。培養は37℃、5%CO2で行った。
(2)化合物(II)および化合物(III)を最終濃度が0.01μMとなるように培地に添加した。
(3)15分後に培地を吸引除去し、新しい培地に交換した。
(4)蛍光顕微鏡(BZ-9000、キーエンス社製)を用いて、化合物(II)および化合物(III)を560nmで励起して放出された蛍光を観察し(波長:620nm)、細胞を撮像した。図4に結果を示す。図4Aは、化合物(II)による細胞全体の画像である。図4Bは、化合物(III)による細胞全体の画像である。図4で示されるように、化合物(II)および化合物(III)によって、細胞内で線状の構造を有するミトコンドリアが蛍光染色された。
このように、化合物(II)および化合物(III)は細胞内ミトコンドリアを染色できる。
(1) 3 x 104 mouse malignant melanoma cells B16F10 (obtained from Riken Cell Bank) were seeded on a glass bottom dish (manufactured by Matsunami Co., Ltd.) and cultured for 24 hours. The medium used was Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose (D6046 (Merck)) supplemented with 1x penicillin-streptomycin (26252-94 (Nacalai Tesques)) and 10% fetal bovine serum (Nichirei). Culture was performed at 37°C and 5% CO2 .
(2) Compound (II) and compound (III) were added to the medium to a final concentration of 0.01 μM.
(3) After 15 minutes, the medium was removed by aspiration and replaced with fresh medium.
(4) Using a fluorescence microscope (BZ-9000, manufactured by Keyence Corporation), compound (II) and compound (III) were excited at 560 nm, the emitted fluorescence was observed (wavelength: 620 nm), and the cells were imaged. The results are shown in FIG. 4. FIG. 4A is an image of the whole cell with compound (II). FIG. 4B is an image of the whole cell with compound (III). As shown in FIG. 4, compound (II) and compound (III) caused fluorescent staining of mitochondria having a linear structure in the cells.
Thus, compound (II) and compound (III) can stain intracellular mitochondria.
<実施例4>DAPI及び抗COX4抗体との三重染色
本実施例では、実施例2で合成した化合物(III)によって細胞内ミトコンドリアの蛍光染色を行った後に固定し、さらにDAPIおよびミトコンドリアのマーカーであるCOX4に対する抗体で細胞を染色した。手順を以下に示す。
Example 4: Triple staining with DAPI and anti-COX4 antibody In this example, intracellular mitochondria were fluorescently stained with compound (III) synthesized in Example 2, and then fixed, and the cells were stained with DAPI and an antibody against COX4, a mitochondrial marker. The procedure is as follows.
(1)ガラスボトムディッシュ(マツナミ)にHEK293A細胞(Thermofisherrより入手)3×104個を播種し、24時間培養した。培地はダルベッコ改変イーグル培地(DMEM)のHighグルコース(D6046(Merck))に1×ペニシリン・ストレプトマイン(26252-94(ナカライテクス))と10%牛胎児血清(ニチレイ)を添加したものを用いた。培養は37℃、5%CO2で行った。
(2)化合物(III)を最終濃度が0.01μMとなるように培地に添加した。
(3)5分後に培地を吸引除去し、4%パラホルムアルデヒド/リン酸緩衝液(09154-14(ナカライテクス))1mLを添加し、室温で15分固定した。
(4)4%パラホルムアルデヒド/リン酸緩衝液を吸引除去後、リン酸緩衝液(0.1% Tween20(関東化学)含有、以下、PBSTと称する。)を1mL添加した。
(5)DAPI(Cellstain(登録商標)DAPI solution(同仁化学研究所))を1μL添加し、15分放置して核を蛍光染色した。
(6)細胞を、PBSTで3回洗浄した。
(7)洗浄後、10%BlockingOne(ナカライテスク)/リン酸緩衝液に抗COX4抗体(PM063MS(MBL))を1/1000希釈した反応液1mLを加え、1時間室温に放置した。
(8)細胞を、PBSTで3回洗浄した。
(9)洗浄後、10%BlockingOne/リン酸緩衝液( )mLに抗マウスIgG H&L(Alexa Fluor488)(ab150113(Abcam))を1/1000希釈した反応液1mLを加え、1時間室温に放置した。
(10)細胞を、PBSTで4回洗浄した。
(11)蛍光顕微鏡により細胞を観察した。なお、観察時(波長:620nm)、化合物(III)は560nmで励起し、COX4に結合した抗体は470nmで励起した。また、DAPIは360nmで励起した。
(1) 3 x 104 HEK293A cells (obtained from Thermofisher) were seeded on a glass bottom dish (Matsunami) and cultured for 24 hours. The medium used was Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose (D6046 (Merck)) supplemented with 1x penicillin-streptomycin (26252-94 (Nacalai Tesques)) and 10% fetal bovine serum (Nichirei). Culture was performed at 37°C and 5% CO2 .
(2) Compound (III) was added to the medium to a final concentration of 0.01 μM.
(3) After 5 minutes, the medium was removed by aspiration, and 1 mL of 4% paraformaldehyde/phosphate buffer (09154-14 (Nacalai Tesques)) was added, followed by fixation at room temperature for 15 minutes.
(4) The 4% paraformaldehyde/phosphate buffer solution was removed by suction, and 1 mL of phosphate buffer solution (containing 0.1% Tween 20 (Kanto Chemical), hereinafter referred to as PBST) was added.
(5) 1 μL of DAPI (Cellstain (registered trademark) DAPI solution (Dojindo Laboratories)) was added and left for 15 minutes to fluorescently stain the nuclei.
(6) The cells were washed three times with PBST.
(7) After washing, 1 mL of a reaction solution prepared by diluting anti-COX4 antibody (PM063MS (MBL)) at 1/1000 in 10% BlockingOne (Nacalai Tesque)/phosphate buffer was added, and the plate was left at room temperature for 1 hour.
(8) The cells were washed three times with PBST.
(9) After washing, 1 mL of a reaction solution prepared by diluting anti-mouse IgG H&L (Alexa Fluor488) (ab150113 (Abcam)) at 1/1000 in ( ) mL of 10% BlockingOne/phosphate buffer was added, and the plate was left at room temperature for 1 hour.
(10) The cells were washed four times with PBST.
(11) The cells were observed under a fluorescence microscope. During the observation (wavelength: 620 nm), compound (III) was excited at 560 nm, the antibody bound to COX4 was excited at 470 nm, and DAPI was excited at 360 nm.
図5に結果を示す。図5Aは、化合物(III)による細胞全体の蛍光顕微鏡像である。図5Bは、抗COX4抗体の集積部位である。図5Cは、図5A、図5Bおよび核(DAPI)の蛍光像を重ね合わせたものである。図5Dは、細胞全体の明視野像である。図5AおよびBに示されるように、化合物(III)およびCOX4に結合した抗体から蛍光が放出され、そして、図5Cに示されるように、化合物(III)からの蛍光とCOX4に結合した抗体からの蛍光が重なっていた。The results are shown in Figure 5. Figure 5A is a fluorescence microscope image of the whole cell with compound (III). Figure 5B shows the accumulation site of the anti-COX4 antibody. Figure 5C is a superposition of the fluorescence images of Figures 5A, 5B and the nucleus (DAPI). Figure 5D is a bright field image of the whole cell. As shown in Figures 5A and B, fluorescence was emitted from compound (III) and the antibody bound to COX4, and as shown in Figure 5C, the fluorescence from compound (III) and the antibody bound to COX4 were overlapped.
このように化合物(III)は、染色後に固定し、DAPIや抗体と多重染色を行うことができる。In this way, compound (III) can be fixed after staining and used for multiplex staining with DAPI or antibodies.
<実施例5>ミトコンドリア膜電位に対する蛍光染色の依存性
ミトコンドリア膜は他の細胞内器官の膜よりも強い膜電位を有しており、ミトコンドリア集積性の化合物の殆どが、ミトコンドリア膜電位依存的にミトコンドリアに局在する。
本実施例では、化合物(III)によるミトコンドリアの染色が膜電位に依存することと、一旦染色されれば、膜電位が失われても染色されたままであることを示す。手順を以下に示すが、化合物(III)によるミトコンドリアの染色の詳細は実施例4と同様である。
Example 5 Dependence of fluorescent staining on mitochondrial membrane potential Mitochondrial membranes have stronger membrane potentials than membranes of other intracellular organelles, and most of the mitochondria-accumulating compounds are localized in mitochondria in a manner dependent on the mitochondrial membrane potential.
In this example, we show that the staining of mitochondria by compound (III) depends on the membrane potential, and that once stained, the staining remains even if the membrane potential is lost. The procedure is shown below, but the details of the staining of mitochondria by compound (III) are the same as in Example 4.
(1)ガラスボトムディッシュにHEK293A細胞(Thermofisherより入手)3×104個を播種し、24時間培養した。
(2)化合物(III)を最終濃度が0.01μMになるように添加した。
(3)蛍光顕微鏡により細胞を観察した。なお、観察時、560nmで化合物(III)を励起した。
(4)その後、ミトコンドリア膜電位阻害剤(脱共役剤:Carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone(FCCP))(C2902(Merck社製))を最終濃度が10μMとなるように培地中へ添加し、1時間培養した。
(5)再度、蛍光顕微鏡により観察した。
(6)次に、FCCPを前処理した後、化合物(III)を添加する試験を行った。
(7)蛍光顕微鏡により観察した。
(1) 3 × 10 4 HEK293A cells (obtained from Thermofisher) were seeded on a glass bottom dish and cultured for 24 hours.
(2) Compound (III) was added to a final concentration of 0.01 μM.
(3) The cells were observed under a fluorescence microscope, where compound (III) was excited at 560 nm.
(4) Thereafter, a mitochondrial membrane potential inhibitor (uncoupling agent: carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy)phenylhydrazone (FCCP)) (C2902 (Merck)) was added to the medium to a final concentration of 10 μM, and the cells were cultured for 1 hour.
(5) The specimen was observed again using a fluorescent microscope.
(6) Next, a test was carried out in which FCCP was pretreated and then compound (III) was added.
(7) Observation was performed using a fluorescent microscope.
図6に結果を示す。図6Aは、化合物(III)のみの処理で放出される蛍光を観察した画像である。図6Bは、化合物(III)の処理後、FCCP処理した時の画像である。図6Cは、FCCP処理後に化合物(III)を処理した時の画像である。The results are shown in Figure 6. Figure 6A is an image of the fluorescence emitted by treatment with compound (III) only. Figure 6B is an image of the fluorescence emitted by treatment with compound (III) followed by FCCP treatment. Figure 6C is an image of the fluorescence emitted by treatment with compound (III) followed by FCCP treatment.
図6Aおよび図6Bに示されるように、化合物(III)は、一旦ミトコンドリアを染色すると、その後ミトコンドリアの膜電位が消失してもミトコンドリアに集積したままであった。また、図6Cに示されるように、化合物(III)のミトコンドリアへの集積はミトコンドリアの膜電位を必要とした。As shown in Figures 6A and 6B, once compound (III) stained mitochondria, it remained accumulated in mitochondria even after the mitochondrial membrane potential was lost. Also, as shown in Figure 6C, the accumulation of compound (III) in mitochondria required the mitochondrial membrane potential.
このように、化合物(III)によるミトコンドリアの染色には、ミトコンドリアの膜電位が必要である。従って、ミトコンドリア膜電位がない死細胞は、化合物(III)によっては染色されず、化合物(III)は生きた細胞のみを染色できるため、化合物(III)は生細胞と死細胞の識別に利用可能である。Thus, mitochondrial membrane potential is required for the staining of mitochondria with compound (III). Therefore, dead cells that lack mitochondrial membrane potential are not stained by compound (III), and compound (III) can stain only live cells, so compound (III) can be used to distinguish between live and dead cells.
<実施例6>ミトコンドリアの蛍光染色による、複数種の細胞の選別
本実施例では、化合物(III)を用いたミトコンドリアの蛍光染色によって、2種類の細胞間の物質の伝達を評価した。
Example 6 Selection of Multiple Types of Cells by Fluorescent Staining of Mitochondria In this example, the transfer of substances between two types of cells was evaluated by fluorescent staining of mitochondria using compound (III).
化合物(III)を用いてヒトケラチノサイトPSVK1細胞のミトコンドリアを染色し、マウスメラノーマB16F10細胞からPSVK1細胞へメラノソーム輸送を評価する際に、どちらがケラチノサイトであるかを識別した。以下に手順を示すが、化合物(III)によるミトコンドリアの染色の詳細は実施例4と同様である。
(1)ガラスボトムディッシュにPSVK1細胞(医薬基盤・健康・栄養研究所より入手)を1×104個播種し、24時間培養した。培地はKeratinocyte Growth Medium 2 Kit(C-20111(TAKARAバイオ))を用いた。
(2)化合物(III)を最終濃度が0.01μMになるように添加し、5分間培養した。
(3)培地で細胞を3回洗浄した。
(4)B16F10細胞を1×104個播種し、さらに24時間培養した。
(5)蛍光顕微鏡により、細胞の蛍光観察および明視野観察を行った。なお、蛍光観察は560nmで励起した。結果を図7に示す。
Compound (III) was used to stain mitochondria of human keratinocyte PSVK1 cells, and to identify which cells were keratinocytes when evaluating melanosome transfer from mouse melanoma B16F10 cells to PSVK1 cells. The procedure is shown below, but the details of staining mitochondria with compound (III) are the same as in Example 4.
(1) 1 x 10 PSVK1 cells (obtained from the National Institutes of Biomedical Innovation, Health and Nutrition) were seeded on a glass bottom dish and cultured for 24 hours. The medium used was Keratinocyte Growth Medium 2 Kit (C-20111 (TAKARA Bio)).
(2) Compound (III) was added to a final concentration of 0.01 μM, and the mixture was incubated for 5 minutes.
(3) The cells were washed three times with medium.
(4) 1 x 10 4 B16F10 cells were seeded and further cultured for 24 hours.
(5) Fluorescence observation and bright field observation of the cells were performed using a fluorescence microscope. Fluorescence observation was performed with excitation at 560 nm. The results are shown in FIG.
図7Aは、B16F10細胞とPSVK1細胞の共存状態を示す明視野像である。小胞である黒色の粒はメラノソームである。図7Bは化合物(III)で染色した細胞を検出する蛍光画像であり、中心部分の3つの細胞はPSVK1細胞と判別される。図7Cは、図7Aと図7Bを重ねた画像である。 Figure 7A is a bright-field image showing the coexistence of B16F10 cells and PSVK1 cells. The black vesicles are melanosomes. Figure 7B is a fluorescent image detecting cells stained with compound (III), and the three cells in the center are identified as PSVK1 cells. Figure 7C is an image obtained by superimposing Figures 7A and 7B.
メラノソームはB16F10細胞でのみ生成されるが、図7Aの視野にあるすべての細胞にメラノソームが存在した。一方、図7Bおよび図7Cに示すように、細胞集団中に、化合物(III)で染色されたPSVK1細胞も含まれることから、PSVK1細胞に存在するメラノソームは、B16F10細胞から移動したメラノソームであった。Although melanosomes were only produced in B16F10 cells, melanosomes were present in all cells in the field of view in Figure 7A. On the other hand, as shown in Figures 7B and 7C, the cell population also contained PSVK1 cells stained with compound (III), indicating that the melanosomes present in PSVK1 cells were melanosomes transferred from B16F10 cells.
このように、化合物(III)を用いたミトコンドリアの蛍光染色によって、複数種の細胞の選別ができ、このことは細胞間の相互作用の評価に利用できる。 Thus, fluorescent staining of mitochondria using compound (III) enables the selection of multiple types of cells, which can be used to evaluate interactions between cells.
<実施例7>マイトファジーの検出
本実施例では、化合物(III)によるミトコンドリアの染色を用いて、マイトファジーの検出を行った。
Example 7 Detection of Mitophagy In this example, mitophagy was detected by staining mitochondria with compound (III).
まず、オートファジーの起きていない定常状態において、化合物(III)と、オートファジーマーカーであるLC3Bに対する抗体と、核染色用DAPIとを用いて、三重染色を行った。以下に手順を示す。First, in a steady state in which autophagy was not occurring, triple staining was performed using compound (III), an antibody against LC3B, an autophagy marker, and DAPI for nuclear staining. The procedure is as follows.
(1)ガラスボトムディッシュにHEK293A細胞を播種し、24時間培養した。培地はダルベッコ改変イーグル培地(DMEM)のHighグルコース(D6046(Merck))に1×ペニシリン・ストレプトマイン(26252-94(ナカライテクス))と10%牛胎児血清(ニチレイ)を添加したものを用いた。培養は37℃、5%CO2で行った。
(2)化合物(III)を最終濃度が0.01μMになるように添加した。
(3)15分後に培地を吸引除去し、4%パラホルムアルデヒド/リン酸緩衝液(09154-14(ナカライテクス))1mLを添加し、室温で15分固定した。
(4)4%パラホルムアルデヒド/リン酸緩衝液を吸引除去後、PBSTを1mL添加した。
(5)DAPIを1μL添加し、15分放置して核を蛍光染色した。
(6)PBSTで、3回、細胞を洗浄した。
(7)洗浄後、10%BlockingOne(ナカライテスク)/リン酸緩衝液に抗LC3B抗体(GTX127375(GENETEX))を1/1000希釈した反応液1mLを加え、1時間室温に放置した。
(8)PBSTで、3回、細胞を洗浄した。
(9)洗浄後、10%BlockingOne/リン酸緩衝液に抗ウサギIgG H&L(Alexa Fluor488)( ab150077(Abcam))を1/1000希釈した反応液1mLを加え、1時間室温に放置した。
(10)PBSTで、4回、細胞を洗浄した。
(11)蛍光顕微鏡により細胞を観察した。なお、測定において化合物(III)は560nmで励起し、LC3Bに結合した抗体は470nmで励起した。また、DAPIは360nmで励起した。
(1) HEK293A cells were seeded on a glass bottom dish and cultured for 24 hours. The medium used was Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose (D6046 (Merck)) supplemented with 1x penicillin-streptomycin (26252-94 (Nacalai Tesques)) and 10% fetal bovine serum (Nichirei). Culture was performed at 37°C and 5% CO2 .
(2) Compound (III) was added to a final concentration of 0.01 μM.
(3) After 15 minutes, the medium was removed by aspiration, and 1 mL of 4% paraformaldehyde/phosphate buffer (09154-14 (Nacalai Tesques)) was added, followed by fixation at room temperature for 15 minutes.
(4) The 4% paraformaldehyde/phosphate buffer solution was removed by aspiration, and 1 mL of PBST was added.
(5) 1 μL of DAPI was added and left for 15 minutes to fluorescently stain the nuclei.
(6) The cells were washed three times with PBST.
(7) After washing, 1 mL of a reaction solution prepared by diluting anti-LC3B antibody (GTX127375 (GENETEX)) at 1/1000 in 10% BlockingOne (Nacalai Tesque)/phosphate buffer was added, and the plate was left at room temperature for 1 hour.
(8) The cells were washed three times with PBST.
(9) After washing, 1 mL of a reaction solution prepared by diluting anti-rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 488) (ab150077 (Abcam)) at 1/1000 in 10% Blocking One/phosphate buffer was added, and the plate was left at room temperature for 1 hour.
(10) The cells were washed four times with PBST.
(11) The cells were observed under a fluorescence microscope. In the measurement, compound (III) was excited at 560 nm, the antibody bound to LC3B was excited at 470 nm, and DAPI was excited at 360 nm.
図8に結果を示す。図8Aは、化合物(III)による蛍光染色の蛍光画像である。図8Bは、LC3B抗体による蛍光染色の蛍光画像である。図8Cは図8A,図8BとDAPIによる核染色を重ね合わせた画像である。図8Dは明視野画像である。The results are shown in Figure 8. Figure 8A is a fluorescent image of fluorescent staining with compound (III). Figure 8B is a fluorescent image of fluorescent staining with LC3B antibody. Figure 8C is an image in which Figures 8A and 8B are superimposed with nuclear staining with DAPI. Figure 8D is a bright field image.
図8A、図8B,図8Cに示されるように、生細胞の状態ではオートファジーが起きていないので、化合物(III)によるミトコンドリアの蛍光シグナルにLC3Bの蛍光シグナルが重ならなかった。 As shown in Figures 8A, 8B, and 8C, autophagy did not occur in live cells, so the fluorescent signal of LC3B did not overlap with the fluorescent signal of mitochondria induced by compound (III).
次に、栄養分を含まない培地で培養することによりオートファジーを誘導した状態で、同様に、三重染色を行った。具体的には、上述の手順中、化合物(III)を添加した5分後に、培地を吸引除去し、グルタミン、グルコース、ピルビン酸、牛胎仔血清を含まない培地に交換しさらに24時間培養した。そして、培地を吸引除去し、4%パラホルムアルデヒド/リン酸緩衝液で固定し、(4)以降は細胞を同様に処理した。Next, triple staining was performed in the same manner after inducing autophagy by culturing in a nutrient-free medium. Specifically, 5 minutes after adding compound (III) during the above procedure, the medium was aspirated and replaced with a medium that did not contain glutamine, glucose, pyruvate, or fetal bovine serum, and the cells were further cultured for 24 hours. The medium was then aspirated and fixed with 4% paraformaldehyde/phosphate buffer, and the cells were treated in the same manner from (4) onwards.
図9に結果を示す。図9Aは、化合物(III)による染色の蛍光画像である。図9Bは、LC3B抗体による染色の蛍光画像である。図9Cは図9A,図9BとDAPIによる核染色を重ね合わせた画像である。図9Dは明視野画像である。The results are shown in Figure 9. Figure 9A is a fluorescent image of staining with compound (III). Figure 9B is a fluorescent image of staining with LC3B antibody. Figure 9C is an image obtained by superimposing Figures 9A and 9B with nuclear staining with DAPI. Figure 9D is a bright field image.
図9A、図9B,図9Cに示されるように、オートファジーを誘導した状態では、化合物(III)によるミトコンドリアの蛍光シグナルが、生細胞の場合と異なり、細胞内に拡散していた。そして、化合物(III)によるミトコンドリアの蛍光シグナルにLC3Bの蛍光シグナルが重なった。 As shown in Figures 9A, 9B, and 9C, when autophagy was induced, the mitochondrial fluorescent signal from compound (III) was diffused throughout the cells, unlike in live cells. Furthermore, the mitochondrial fluorescent signal from compound (III) was overlapped with the fluorescent signal from LC3B.
このように、化合物(III)によってミトコンドリアを染色することにより、その蛍光シグナルのパターンから、細胞がオートファジーを起こしているかどうかを判定できる。In this way, by staining mitochondria with compound (III), it is possible to determine whether cells are undergoing autophagy from the pattern of the fluorescent signal.
<実施例8>メラノサイトの分化段階の評価方法
メラノサイトは分化段階が進むと、メラノソームが増え、ミトコンドリアが核近傍に局在するようになる。本実施例では、化合物(II)を用いて、メラノサイトB16F10細胞の分化段階をミトコンドリアの局在で評価した。以下に手順を示す。
Example 8: Method for evaluating the differentiation stage of melanocytes As the differentiation stage of melanocytes progresses, the number of melanosomes increases and mitochondria become localized near the nucleus. In this example, the differentiation stage of melanocyte B16F10 cells was evaluated by the localization of mitochondria using compound (II). The procedure is as follows.
(1)ガラスボトムディッシュにB16F10細胞を播種し、24時間培養した。培地はダルベッコ改変イーグル培地(DMEM)のHighグルコース(D6046(Merck))に1×ペニシリン・ストレプトマイン(26252-94(ナカライテクス))と10%牛胎児血清(ニチレイ)を添加したものを用いた。培養は37℃、5%CO2で行った。
(2)化合物(II)を最終濃度が0.01μMになるように添加した。
(3)15分後に、培地を吸引除去し、新しい培地に置換してから顕微鏡観察を行った。
(1) B16F10 cells were seeded on a glass bottom dish and cultured for 24 hours. The medium used was Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) high glucose (D6046 (Merck)) supplemented with 1x penicillin-streptomycin (26252-94 (Nacalai Tesques)) and 10% fetal bovine serum (Nichirei). Culture was performed at 37°C and 5% CO2 .
(2) Compound (II) was added to a final concentration of 0.01 μM.
(3) After 15 minutes, the medium was removed by suction and replaced with fresh medium, and then the cells were observed under a microscope.
図10Aに明視野像を示す。黒い粒がメラノソームである。図10Bは化合物(II)で染色されたミトコンドリアの蛍光画像である。分化段階が進み、メラノソームの多いB16F10細胞はミトコンドリアが核近傍に局在した。一方、分化段階が低く、メラノソームが少ないB16F10細胞は、ミトコンドリアが細胞末端にまで存在した。A bright-field image is shown in Figure 10A. The black particles are melanosomes. Figure 10B is a fluorescent image of mitochondria stained with compound (II). In B16F10 cells, which are at an advanced stage of differentiation and have many melanosomes, mitochondria are localized near the nucleus. On the other hand, in B16F10 cells, which are at a lower stage of differentiation and have fewer melanosomes, mitochondria are present even at the ends of the cells.
このように、化合物(II)を用いて、メラノサイトの分化段階を評価することができる。 In this way, compound (II) can be used to evaluate the differentiation stage of melanocytes.
<実施例9>画像解析
(1)ミトコンドリアの検出
HeLa細胞を、実施例3と同様にして化合物(III)を用いて染色した。共焦点顕微鏡を用いて、染色された細胞を撮像した画像(図11A)に対し、輝度値情報に基づき、(株)ニコン製のNIS Elementsソフトウエアに実装されているDetect Peaksアルゴリズムを使用して、輝度値が連続して高く分布している領域を検出した(図11B)。その画像を二値化して、図11Cに示す画像を得た。
Example 9: Image analysis (1) Detection of mitochondria HeLa cells were stained with compound (III) in the same manner as in Example 3. The stained cells were photographed using a confocal microscope (FIG. 11A). Based on the brightness value information, a region with a continuous distribution of high brightness values was detected using the Detect Peaks algorithm implemented in NIS Elements software manufactured by Nikon Corporation (FIG. 11B). The image was binarized to obtain the image shown in FIG. 11C.
このような方法によって、ミトコンドリアを染色した細胞の画像から、自動的にミトコンドリアの形状を明確に検出できる。 This method allows the clear detection of mitochondrial shape automatically from images of cells with stained mitochondria.
(2)ミトコンドリアが所定の密度以上である領域の検出
老化した間葉系幹細胞及び正常な間葉系幹細胞を、実施例3と同様にして化合物(III)を用いて染色した(図12A、図13A)。細胞内のミトコンドリアの周辺の領域と比較して輝度値情報が相対的に高い領域を検出することによって、ミトコンドリアが所定の密度以上である領域を検出した(図12B、図13B)。一方、ミトコンドリア蛍光画像を二値化することによって、細胞全体が存在する領域を検出した(図12C、図13C)。
(2) Detection of areas with mitochondria at a certain density or higher Aged mesenchymal stem cells and normal mesenchymal stem cells were stained with compound (III) in the same manner as in Example 3 (FIGS. 12A and 13A). Areas with mitochondria at a certain density or higher were detected by detecting areas with relatively high brightness value information compared to the areas around the mitochondria in the cells (FIGS. 12B and 13B). Meanwhile, areas where the entire cell was present were detected by binarizing the mitochondrial fluorescence image (FIGS. 12C and 13C).
このように、老化した細胞では、ミトコンドリアが所定の密度以上である領域の面積の、細胞全体の面積に対する割合が低下している。 Thus, in aged cells, the ratio of the area of the region with mitochondria above a certain density to the total area of the cell decreases.
本発明によって、新規なミトコンドリア染色剤およびミトコンドリアの蛍光染色方法を提供することができる。 The present invention provides a novel mitochondrial staining agent and a method for fluorescent staining of mitochondria.
Claims (15)
R1が、水素、C1~C6アルキル、-NH2、-OR3、-COOH、-CONH2、-COONH2、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであって、R2が、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであるか、または
R2が、水素、C1~C6アルキル、-NH2、-OR3、-COOH、-CONH2、-COONH2、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであって、R1が、-N=C=O、もしくは-N=C=Sであり、
R3が、水素またはC1~C6アルキルである。) A compound represented by the following formula (I), or a salt thereof:
R 1 is hydrogen, C1 to C6 alkyl, -NH2, -OR 3 , -COOH, -CONH 2 , -COONH 2 , -N=C=O or -N=C=S and R 2 is -N=C=O or -N=C=S, or R 2 is hydrogen, C1 to C6 alkyl, -NH2, -OR 3 , -COOH, -CONH 2 , -COONH 2 , -N=C=O or -N=C=S and R 1 is -N=C=O or -N=C=S;
R3 is hydrogen or C1-C6 alkyl.
請求項1~4のいずれか一項に記載の化合物またはその塩を含む薬剤。 An agent for detecting autophagy in a cell, comprising:
A pharmaceutical agent comprising the compound according to any one of claims 1 to 4 or a salt thereof.
検査対象の細胞のミトコンドリアを請求項1~4のいずれか一項に記載の化合物によって蛍光染色する工程と、
蛍光染色された前記ミトコンドリアを観察する工程と、
を含む、検出方法。 A method for detecting cells that have undergone autophagy, comprising:
A step of fluorescently staining mitochondria of a cell to be examined with a compound according to any one of claims 1 to 4;
observing the fluorescently stained mitochondria;
A detection method comprising:
蛍光染色された前記ミトコンドリアを有する細胞を特定する工程と、
を含む、細胞の特定方法。 A step of fluorescently staining mitochondria using the compound or a salt thereof according to any one of claims 1 to 4;
identifying cells having the fluorescently stained mitochondria;
A method for identifying a cell, comprising:
前記細胞群において、蛍光染色された前記ミトコンドリアを有する細胞を特定する工程を含む、細胞の識別方法。 A method for identifying a first cell from a cell group including a first cell having mitochondria fluorescently stained with the compound according to any one of claims 1 to 4 or a salt thereof, and a second cell having mitochondria not fluorescently stained with any of the compounds according to claims 1 to 4, comprising:
A method for identifying cells, the method comprising the step of identifying cells in the cell group that have fluorescently stained mitochondria.
請求項1~4のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって蛍光染色されたミトコンドリアを有する前記第1の細胞と、請求項1~4のいずれの化合物によっても蛍光染色されていないミトコンドリアを有する前記第2の細胞を含む細胞群において、前記蛍光染色によって前記第1の細胞と前記第2の細胞とを識別する工程と、
前記第1の細胞と前記第2の細胞の間で物質が移動したかどうかを調べる工程と、
を含む、方法。 A method for determining whether a substance has been transferred between a first cell and a second cell, comprising:
A step of distinguishing the first cells and the second cells by the fluorescent staining in a cell group including the first cells having mitochondria fluorescently stained with the compound according to any one of claims 1 to 4 or a salt thereof and the second cells having mitochondria not fluorescently stained with any of the compounds according to claims 1 to 4;
determining whether a substance has been transferred between the first cell and the second cell;
A method comprising:
in vitroにおいて、請求項1~4のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって、ケラチノサイトまたはメラノサイトのどちらか一方を蛍光染色する工程と、
前記メラノサイト及び前記ケラチノサイトを含む細胞群を前記検査対象の化合物の存在下で培養する工程と、
前記蛍光染色によって、前記ケラチノサイトと前記メラノサイトとを識別する工程と、 前記メラノサイトから前記ケラチノサイトへメラノソームが移動したかどうかを調べる工程と、
前記メラノソームの移動に変化をもたらす前記検査対象の化合物を化粧品として評価する工程と、
を含む、方法。 1. A method for evaluating a test compound as a cosmetic product, comprising:
A step of fluorescently staining either keratinocytes or melanocytes in vitro with the compound according to any one of claims 1 to 4 or a salt thereof;
culturing a cell population comprising the melanocytes and the keratinocytes in the presence of the compound to be tested;
A step of distinguishing the keratinocytes from the melanocytes by the fluorescent staining; and a step of examining whether or not melanosomes have been transferred from the melanocytes to the keratinocytes.
evaluating the test compound that alters the melanosome migration as a cosmetic product;
A method comprising:
in vitroにおいて、請求項1~4のいずれか一項に記載の化合物またはその塩によって、前記腫瘍細胞を蛍光染色する工程と、
蛍光染色した前記腫瘍細胞を前記動物に移植する工程と、
前記動物体内で、前記蛍光染色した前記腫瘍細胞を特定する工程と、
を含む、方法。 1. A method for identifying tumor cells in a non-human animal, comprising:
A step of fluorescently staining the tumor cells in vitro with the compound according to any one of claims 1 to 4 or a salt thereof;
implanting the fluorescently stained tumor cells into the animal;
identifying the fluorescently stained tumor cells in the animal body;
A method comprising:
前記細胞画像から、前記1または2以上のミトコンドリアの情報を得る第2の工程と、
を含む細胞画像の解析方法。 A first step of imaging a cell having one or more mitochondria fluorescently stained with the compound or salt thereof according to any one of claims 1 to 4 to obtain a cell image;
A second step of obtaining information on the one or more mitochondria from the cell image ;
A method for analyzing a cell image comprising :
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