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JP7597354B2 - Stem cell detection device, stem cell detection system, stem cell detection method, and stem cell detection program - Google Patents
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Stem cell detection device, stem cell detection system, stem cell detection method, and stem cell detection program Download PDF

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Description

本開示は、幹細胞の検出技術に関する。 This disclosure relates to stem cell detection technology.

幹細胞の解析に際しては、生検を採取し、染色処理を行った上で解析する方法が一般的に用いられている。人の表皮にも幹細胞は含まれており、人の表皮は表皮幹細胞の増殖と分化によって周期的に細胞が生まれ変わるターンオーバーにより恒常性が維持されている。表皮幹細胞は加齢や紫外線による光老化の影響によって数が減少していくことが知られている。表皮幹細胞の減少は、表皮の菲薄化やターンオーバーの遅延、恒常性異常の原因となり、しわやくすみといった老化症状を誘発する。従来、表皮幹細胞を検出し、解析する方法として、生検を採取して解析する方法が提案されている(例えば、特許文献1)。 When analyzing stem cells, a method in which a biopsy is taken and stained prior to analysis is commonly used. Stem cells are also contained in the human epidermis, and homeostasis is maintained in the human epidermis through a periodic turnover in which cells are regenerated through the proliferation and differentiation of epidermal stem cells. It is known that the number of epidermal stem cells decreases due to aging and the effects of photoaging caused by ultraviolet rays. A decrease in epidermal stem cells causes thinning of the epidermis, delayed turnover, and homeostasis abnormalities, inducing aging symptoms such as wrinkles and dullness. Conventionally, a method of taking and analyzing a biopsy has been proposed as a method of detecting and analyzing epidermal stem cells (for example, Patent Document 1).

国際公開WO2018/074606号International Publication No. WO2018/074606

しかしながら、生検の採取は、採取部位における侵襲性が高いという問題や、抗体を用いる生検の染色は時間を要し、また、安定性に欠けるという問題がある。 However, taking a biopsy involves problems such as being highly invasive at the sampling site, and staining a biopsy with antibodies is time-consuming and unstable.

したがって、幹細胞を非侵襲的に検出することや簡易に精度良く検出することが望まれている。 Therefore, there is a demand for non-invasive detection of stem cells and for simple, accurate detection.

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本開示は以下の種々の態様を採る。 To solve at least some of the above problems, the present disclosure takes the following various aspects:

第1の態様は、幹細胞の検出装置を提供する。第1の態様に係る検出装置は、細胞を含む対象物の3次元画像データを取得する画像データ取得部と、前記3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて前記対象物に含まれる幹細胞を検出する幹細胞検出部と、を備える。 The first aspect provides a stem cell detection device. The detection device according to the first aspect includes an image data acquisition unit that acquires three-dimensional image data of an object containing cells, and a stem cell detection unit that detects stem cells contained in the object using the three-dimensional image data and predetermined morphological features of stem cells.

第1の態様に係る検出装置によれば、対象物の3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて対象物に含まれる幹細胞を検出するので、幹細胞を非侵襲的に検出することや簡易に精度良く検出することができる。 The detection device according to the first aspect detects stem cells contained in an object using three-dimensional image data of the object and predetermined morphological features of stem cells, making it possible to detect stem cells non-invasively and easily with high accuracy.

第1の態様に係る検出装置において、前記形態特徴量は、細胞の縦寸法と横寸法との比、および、細胞の面積の少なくともいずれか一方であり、前記幹細胞検出部は、前記3次元画像データに含まれる細胞の縦寸法と横寸法との比、および、細胞の面積の少なくともいずれか一方を特定し、対応する前記形態特徴量を用いて幹細胞を検出しても良い。この場合には、幹細胞の検出を簡易に実行できると共に、検出精度を向上させることができる。 In the detection device according to the first aspect, the morphological feature is at least one of the ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension of the cell and the area of the cell, and the stem cell detection unit may identify at least one of the ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension of the cell and the area of the cell contained in the three-dimensional image data, and detect stem cells using the corresponding morphological feature. In this case, detection of stem cells can be easily performed and detection accuracy can be improved.

第1の態様に係る検出装置において、前記対象物は皮膚であり、前記画像データ取得部は、前記皮膚の深さ方向に連続する複数の断層画像データを前記3次元画像データとして取得しても良い。この場合には、皮膚に含まれる細胞の形態と幹細胞の形態特徴量との対比を効率良く実行することができる。 In the detection device according to the first aspect, the object may be skin, and the image data acquisition unit may acquire a plurality of continuous tomographic image data in the depth direction of the skin as the three-dimensional image data. In this case, it is possible to efficiently compare the morphology of cells contained in the skin with the morphological features of stem cells.

第1の態様に係る検出装置において、前記幹細胞検出部は、前記複数の断層画像データに含まれる細胞の形態を特定し、特定した前記細胞の形態を用いて、前記3次元画像データに含まれる細胞の縦寸法と横寸法との比(縦寸法/横寸法)、および細胞の面積の少なくともいずれか一方を決定し、決定された前記縦寸法と横寸法との比、および面積の少なくともいずれか一方に対応する前記形態特徴量を用いて幹細胞を検出しても良い。この場合には、幹細胞の検出精度を更に向上させることができる。 In the detection device according to the first aspect, the stem cell detection unit may identify the morphology of cells contained in the multiple tomographic image data, and use the identified morphology of cells to determine at least one of the ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension (vertical dimension/horizontal dimension) and the area of the cells contained in the three-dimensional image data, and detect stem cells using the morphological feature corresponding to at least one of the determined ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension and the area. In this case, the detection accuracy of stem cells can be further improved.

第1の態様に係る検出装置において、前記幹細胞検出部は、前記複数の断層画像データのそれぞれにおいて細胞膜に相当する複数の点群を特定し、特定した複数の点群を用いて前記皮膚の基底膜に接する前記細胞の形態を特定しても良い。また、第1の態様に係る検出装置において、特定した前記細胞の形態において、前記基底膜に対して垂直な方向を第1軸とし、前記第1軸の長さを縦寸法として取得し、前記第1軸と直交する第2軸の長さを横寸法として取得しても良い。この場合には、細胞の形態を簡易に特定することができる。 In the detection device according to the first aspect, the stem cell detection unit may identify a plurality of points corresponding to cell membranes in each of the plurality of tomographic image data, and may use the identified plurality of points to identify the morphology of the cells in contact with the basement membrane of the skin. In addition, in the detection device according to the first aspect, in the identified morphology of the cells, a direction perpendicular to the basement membrane may be set as a first axis, the length of the first axis may be obtained as the vertical dimension, and the length of a second axis perpendicular to the first axis may be obtained as the horizontal dimension. In this case, the morphology of the cells can be easily identified.

第1の態様に係る検出装置において、前記細胞の面積は90~180μmであっても良い。この面積の範囲は、幹細胞の形態特徴量を示しており、幹細胞の検出精度を向上させることができる。 In the detection device according to the first aspect, the area of the cells may be 90 to 180 μm2 . This area range indicates a morphological characteristic amount of the stem cells, and can improve the detection accuracy of the stem cells.

第1の態様に係る検出装置において、幹細胞は、楕円体形状を有しており、前記細胞の縦寸法と横寸法との比(縦寸法/横寸法)は、1.4~2.4であっても良い。この縦横比の範囲は、楕円体形状の幹細胞の形態特徴量を示しており、幹細胞の検出精度を向上させることができる。 In the detection device according to the first aspect, the stem cells may have an ellipsoidal shape, and the ratio of the length to the width of the cells (length/width) may be 1.4 to 2.4. This range of aspect ratio indicates the morphological characteristic of ellipsoidal stem cells, and can improve the detection accuracy of stem cells.

第2の態様は、幹細胞を検出するための検出システムを提供する。第2の態様に係る検出システムは、第1の態様に係る検出装置と、前記3次元画像データを撮像する撮像装置と、前記検出装置により検出された幹細胞の検出結果を出力する出力装置と、を備える。第2の態様に係る検出システムによれば、対象物の3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて対象物に含まれる幹細胞を検出するので、幹細胞を非侵襲的に検出することや簡易に精度良く検出することができる。 The second aspect provides a detection system for detecting stem cells. The detection system according to the second aspect includes the detection device according to the first aspect, an imaging device that captures the three-dimensional image data, and an output device that outputs the detection results of the stem cells detected by the detection device. According to the detection system according to the second aspect, stem cells contained in an object are detected using three-dimensional image data of the object and predetermined morphological features of stem cells, so that stem cells can be detected non-invasively and easily with high accuracy.

第3の態様は、幹細胞の検出方法を提供する。第3の態様に係る検出方法は、細胞を含む対象物の3次元画像データを取得し、前記3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて前記対象物に含まれる幹細胞を検出すること、を備える。 A third aspect provides a method for detecting stem cells. The detection method according to the third aspect includes acquiring three-dimensional image data of an object containing cells, and detecting stem cells contained in the object using the three-dimensional image data and predetermined morphological features of stem cells.

第3の態様に係る検出方法によれば、対象物の3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて対象物に含まれる幹細胞を検出するので、幹細胞を非侵襲的に検出することや簡易に精度良く検出することができる。 According to the detection method of the third aspect, stem cells contained in an object are detected using three-dimensional image data of the object and predetermined morphological features of stem cells, so that stem cells can be detected non-invasively and easily with high accuracy.

第4の態様は、幹細胞を検出する検出プログラムを提供する。第4の態様に係る検出プログラムは、細胞を含む対象物の3次元画像データを取得するための機能と、前記3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて前記対象物に含まれる幹細胞を検出するための機能と、をコンピュータによって実現させる。 The fourth aspect provides a detection program for detecting stem cells. The detection program according to the fourth aspect causes a computer to realize a function for acquiring three-dimensional image data of an object containing cells, and a function for detecting stem cells contained in the object using the three-dimensional image data and predetermined morphological features of stem cells.

第4の態様に係る検出プログラムによれば、対象物の3次元画像データおよび予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて対象物に含まれる幹細胞を検出するので、幹細胞を非侵襲的に検出することや簡易に精度良く検出することができる第4の態様に係る検出プログラムは、コンピュータ読み取り可能な媒体、たとえば、CD、DVD、ブルーレイディスク、半導体メモリに格納されていても良い。 According to the detection program of the fourth aspect, stem cells contained in an object are detected using three-dimensional image data of the object and predetermined morphological features of stem cells, so that the detection program of the fourth aspect, which can detect stem cells non-invasively or easily and accurately, may be stored on a computer-readable medium, such as a CD, DVD, Blu-ray disc, or semiconductor memory.

第1の実施形態に係る検出装置および検出システムの一例を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a detection device and a detection system according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る検出装置を機能部によって示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the detection device according to the first embodiment by illustrating a functional portion. 第1の実施形態に係る検出装置の機能的な内部構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing the functional internal configuration of the detection device according to the first embodiment. 免疫組織化学染色法を用いて得られる顕微鏡細胞画像の一例を示す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a microscopic cell image obtained using an immunohistochemical staining method. 第1の実施形態において用いられる幹細胞と非幹細胞の各種形態を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing various forms of stem cells and non-stem cells used in the first embodiment. 第1の実施形態において用いられる幹細胞の形態特徴量を特定するために用いられた条件の一例を示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of conditions used to specify morphological features of stem cells used in the first embodiment. 面積に関する予測幹細胞存在率と実測値との比較結果の一例を示す説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of a comparison result between a predicted stem cell abundance rate and an actual measured value with respect to area. 縦横比に関する予測幹細胞存在率と実測値との比較結果の一例を示す説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of a comparison result between a predicted stem cell abundance rate and an actual measured value with respect to aspect ratio. 面積および縦横比の組み合わせに関する予測幹細胞存在率と実測値との比較結果の一例を示す説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram showing an example of a comparison result between predicted stem cell abundance rates and actual measured values for a combination of area and aspect ratio. 第1の実施形態に係る検出装置によって実行される幹細胞検出処理の各処理ステップを示すフローチャート。4 is a flowchart showing each processing step of a stem cell detection process executed by the detection device according to the first embodiment. 撮像装置により得られた3次元画像データの概念を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the concept of three-dimensional image data obtained by an imaging device. 第1の実施形態における細胞の形態特定の手法を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a method for identifying a cell morphology in the first embodiment. 第1の実施形態に係る検出装置を用いて得られた年代別の表皮幹細胞の予測幹細胞存在率の分布を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the distribution of predicted stem cell abundance rates of epidermal stem cells by age group obtained using the detection device according to the first embodiment.

従来、組織内部の幹細胞を解析する方法として、例えば、皮膚組織を採取し、薄切化した後、表皮幹細胞特異的に発現するマーカータンパク質に対する抗体を用いて免疫組織化学染色を行い、皮膚内部の表皮幹細胞を解析する方法が一般的に知られている。しかしながら、生検の採取を伴うため侵襲性が高く、染色に用いる抗体は高価であり、免疫組織化学染色は煩雑な方法であり、さらには検体間での染色のバラつきや、抗体のロット差など、解析の安定性も高くないという問題がある。 Conventionally, a commonly known method for analyzing stem cells inside tissue involves, for example, collecting skin tissue, slicing it into thin slices, and then performing immunohistochemical staining using an antibody against a marker protein specifically expressed in epidermal stem cells to analyze epidermal stem cells inside the skin. However, this method is highly invasive since it requires the collection of a biopsy specimen, the antibodies used for staining are expensive, immunohistochemical staining is a complicated method, and there are problems with the stability of the analysis, such as variation in staining between samples and differences between antibody lots.

本願発明者等は、これらの問題を解決すべく幹細胞の解析方法を鋭意検討した結果、免疫組織化学染色を用いて幹細胞を解析することで、組織中の表皮幹細胞は固有の細胞形態(細胞サイズ、縦横比)を保持していることを見出し、幹細胞特有の形態パラメータを特定した。表皮の深さ方向に連続する断層画像を撮像して得られる3次元画像データと、特定した形態パラメータとを用いて表皮基底層に存在する細胞の形態を定量することが可能であることを発見した。以下に、本開示に係る検出装置、検出システム、検出方法、並びに検出プログラムについて、図面を参照しつつ、実施形態に基づいて説明する。 The inventors of the present application have thoroughly investigated methods for analyzing stem cells in order to solve these problems. As a result, by analyzing stem cells using immunohistochemical staining, they have discovered that epidermal stem cells in tissues retain their own cell morphology (cell size, aspect ratio), and have identified morphological parameters specific to stem cells. They have discovered that it is possible to quantify the morphology of cells present in the epidermal basal layer using three-dimensional image data obtained by capturing continuous tomographic images in the depth direction of the epidermis and the identified morphological parameters. Below, the detection device, detection system, detection method, and detection program according to the present disclosure will be described based on embodiments with reference to the drawings.

第1の実施形態:
図1は、第1の実施形態に係る幹細胞の検出装置および検出システムの一例を示す。検出システム100は、少なくとも、検出装置10、40および撮像装置20を備えている。検出装置10は、図示するデスクトップ型コンピュータや図示しないノート型コンピュータといったコンピュータ10Pとして実現されても良く、タブレット端末10Tとして実現されてもよい。コンピュータ10Pは出力装置としての表示装置31と有線または無線により接続され得る。タブレット端末10Tは表示部32を備えている。検出装置40は、サーバコンピュータ40として実現されてもよい。検出装置40がサーバコンピュータ40として実現される場合、撮像装置20により得られた撮像データはネットワークNTを介してサーバコンピュータ40に送信され、サーバコンピュータ40によって検出された幹細胞の検出結果は、ネットワークNTを介してコンピュータ10Pまたはタブレット端末10Tに送信され、表示装置31または表示部32に検出結果が表示される。ネットワークNTは、インターネットやイントラネットであり、コンピュータ10P、タブレット端末10Tおよび撮像装置20は、有線または無線によってネットワークNTに接続されている。コンピュータ10Pおよびタブレット端末10Tと撮像装置20とは有線または無線にて接続され得る。無線による接続は、例えば、WIFI(登録商標)やBLUETOOTH(登録商標)といった近距離無線通信規格に準拠する無線通信により実現される。
First embodiment:
FIG. 1 shows an example of a detection device and a detection system for stem cells according to the first embodiment. The detection system 100 includes at least detection devices 10 and 40 and an imaging device 20. The detection device 10 may be realized as a computer 10P, such as a desktop computer shown in the figure or a notebook computer not shown in the figure, or may be realized as a tablet terminal 10T. The computer 10P may be connected to a display device 31 as an output device by wire or wirelessly. The tablet terminal 10T includes a display unit 32. The detection device 40 may be realized as a server computer 40. When the detection device 40 is realized as a server computer 40, the imaging data obtained by the imaging device 20 is transmitted to the server computer 40 via a network NT, and the detection result of the stem cells detected by the server computer 40 is transmitted to the computer 10P or the tablet terminal 10T via the network NT, and the detection result is displayed on the display device 31 or the display unit 32. The network NT is the Internet or an intranet, and the computer 10P, the tablet terminal 10T, and the imaging device 20 are connected to the network NT by wire or wirelessly. The computer 10P and the tablet terminal 10T may be connected to the imaging device 20 in a wired or wireless manner. A wireless connection may be realized by wireless communication conforming to a short-range wireless communication standard such as WIFI (registered trademark) or BLUETOOTH (registered trademark).

撮像装置20は、非侵襲的な表皮基底層に存在する細胞の解析を可能にする撮像装置であり、非侵襲で皮膚内部構造の3次元画像データを撮像することができる。撮像装置20は、表皮の深さ方向の断層画像、すなわち、深さ方向の異なる複数の深さに対応するスライス画像を連続的に撮像し、出力できる撮像装置である。本実施形態において、3次元画像データは、表皮の深さ方向の断層画像データ、深さ方向に連続するスライス画像データである。本実施形態における撮像装置20としては、共焦点レーザー顕微鏡が用いられる。撮像装置20としてはこの他に、磁気共鳴画像(MRI)装置、光干渉断層撮影(FF-OCT、LC-OCT、SS-OCT、SD-OCT)装置、多光子顕微鏡、第2高調波発生光顕微鏡、光音響顕微鏡、光超音波顕微鏡、共焦点ラマン顕微鏡、光干渉顕微鏡(OCM)、集束イオンビーム走査型電子顕微鏡などが用いられ得る。 The imaging device 20 is an imaging device that enables non-invasive analysis of cells present in the basal layer of the epidermis, and can non-invasively capture three-dimensional image data of the internal structure of the skin. The imaging device 20 is an imaging device that can continuously capture and output tomographic images in the depth direction of the epidermis, that is, slice images corresponding to multiple different depths in the depth direction. In this embodiment, the three-dimensional image data is tomographic image data in the depth direction of the epidermis, slice image data that is continuous in the depth direction. A confocal laser microscope is used as the imaging device 20 in this embodiment. Other imaging devices that can be used as the imaging device 20 include a magnetic resonance imaging (MRI) device, an optical coherence tomography (FF-OCT, LC-OCT, SS-OCT, SD-OCT) device, a multiphoton microscope, a second harmonic generation optical microscope, a photoacoustic microscope, a photoacoustic microscope, a confocal Raman microscope, an optical coherence microscope (OCM), and a focused ion beam scanning electron microscope.

表示装置31および表示部32には、検出結果が表示される。検出結果は、例えば、幹細胞の数を数値やグラフで表す表示、対象者の年齢に応じた平均的な幹細胞数に対する対象者の幹細胞数の百分率の表示、組織中における幹細胞の分布の表示を含み得る。 The display device 31 and the display unit 32 display the detection results. The detection results may include, for example, a display showing the number of stem cells numerically or graphically, a display showing the percentage of the subject's stem cell number relative to the average number of stem cells according to the subject's age, and a display showing the distribution of stem cells in tissue.

図2は第1の実施形態に係る検出システム100を機能部によって示す説明図である。検出装置10は、画像データ取得部F1および幹細胞検出部F2を備えている。画像データ取得部F1は、3次元画像データを撮像可能な撮像装置20と有線または無線にて接続されており、撮像装置20から3次元画像データを取得する。幹細胞検出部F2は、画像データ取得部F1によって取得された3次元画像データを用いて幹細胞を含む細胞の形態を決定し、予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて対象物に含まれる幹細胞を検出する。幹細胞検出部F2によって検出された幹細胞の検出結果は、出力装置である表示装置31または表示部32に対して出力される。 Figure 2 is an explanatory diagram showing the detection system 100 according to the first embodiment by its functional parts. The detection device 10 includes an image data acquisition unit F1 and a stem cell detection unit F2. The image data acquisition unit F1 is connected by wire or wirelessly to an imaging device 20 capable of capturing three-dimensional image data, and acquires the three-dimensional image data from the imaging device 20. The stem cell detection unit F2 determines the morphology of cells, including stem cells, using the three-dimensional image data acquired by the image data acquisition unit F1, and detects stem cells contained in the object using predetermined morphological features of the stem cells. The detection results of the stem cells detected by the stem cell detection unit F2 are output to the display device 31 or the display unit 32, which is an output device.

図3は第1の実施形態に係る検出装置10の機能的な内部構成を示すブロック図である。検出装置10は、中央処理装置(CPU)101、メモリ102、入出力インタフェース103、および図示しないクロック発生器を備えている。CPU101、メモリ102、入出力インタフェース103およびクロック発生器は内部バス104を介して双方向に通信可能に接続されている。メモリ102は、3次元画像データを用いて細胞の形態を決定し、予め定められた幹細胞の形態特徴量を用いて対象物に含まれる幹細胞を検出するための幹細胞検出プログラムPr1を不揮発的且つ読み出し専用に格納するメモリ、例えばROMと、CPU101による読み書きが可能なメモリ、例えばRAMとを含んでいる。メモリ102の不揮発的且つ読み書き可能な領域は、検出対象となる種々の幹細胞の形態特徴量を格納するための形態特徴量記憶領域102aを含んでいる。CPU101、すなわち、検出装置10は、メモリ102に格納されている幹細胞検出プログラムPr1を読み書き可能なメモリに展開して実行することによって、画像データ取得部F1および幹細胞検出部F2として機能する。なお、CPU101は、単体のCPUであっても良く、各プログラムを実行する複数のCPUであっても良く、あるいは、複数のプログラムを同時実行可能なマルチタスクタイプあるいはマルチスレッドタイプのCPUであっても良い。なお、画像データ取得部F1および幹細胞検出部F2は、論理回路としてハードウェア的に実現されても良い。 3 is a block diagram showing the functional internal configuration of the detection device 10 according to the first embodiment. The detection device 10 includes a central processing unit (CPU) 101, a memory 102, an input/output interface 103, and a clock generator (not shown). The CPU 101, the memory 102, the input/output interface 103, and the clock generator are connected via an internal bus 104 so as to be able to communicate in both directions. The memory 102 includes a memory, such as a ROM, that stores a stem cell detection program Pr1 in a non-volatile and read-only manner for determining the morphology of cells using three-dimensional image data and detecting stem cells contained in a target object using predetermined morphological features of stem cells, and a memory, such as a RAM, that can be read and written by the CPU 101. The non-volatile and readable/writable area of the memory 102 includes a morphological feature storage area 102a for storing morphological features of various stem cells to be detected. The CPU 101, i.e., the detection device 10, functions as an image data acquisition unit F1 and a stem cell detection unit F2 by expanding and executing the stem cell detection program Pr1 stored in the memory 102 in a readable/writable memory. The CPU 101 may be a single CPU, multiple CPUs that execute each program, or a multitask or multithread type CPU that can execute multiple programs simultaneously. The image data acquisition unit F1 and the stem cell detection unit F2 may be realized in hardware as logic circuits.

入出力インタフェース103は、検出装置10と、他の各種装置とを接続するために用いられる物理的および論理的な無線または有線のインタフェースであり、たとえば、USB端子、LAN端子、シリアルバス端子といった公知の端子または各無線プロトコルに準じた無線受信部として実現され得る。第1の実施形態において、入出力インタフェース103には、例えば液晶パネルを有する表示部32、表示装置31、撮像装置20がそれぞれ信号線を介してまたは無線により接続されている。なお、表示装置31に代えて、または、表示装置31と共に、印刷媒体、例えば、紙に対して推定された印象を出力、すなわち、印刷する印刷装置が備えられても良い。 The input/output interface 103 is a physical and logical wireless or wired interface used to connect the detection device 10 to various other devices, and can be realized, for example, as a known terminal such as a USB terminal, a LAN terminal, or a serial bus terminal, or as a wireless receiving unit conforming to each wireless protocol. In the first embodiment, the input/output interface 103 is connected to, for example, a display unit 32 having a liquid crystal panel, the display device 31, and the imaging device 20, each via a signal line or wirelessly. Note that instead of the display device 31, or together with the display device 31, a printing device that outputs, i.e., prints, the estimated impression on a print medium, for example, paper, may be provided.

幹細胞の形態特徴量の特定:
皮膚幹細胞、より具体的には、表皮幹細胞の解析のために市販されている皮膚組織(KAC社)を4%PFAにより固定し、パラフィンブロックの作製を行い、ミクロトームにて組織切片の作製を行った。作製した切片に対して脱パラフィン処理を行った後、表皮幹細胞のマーカー遺伝子であるCD271に対する一次抗体(Origene社)と蛍光標識した二次抗体を用いて免疫組織化学染色を行った。組織切片の染色像をライカ社の蛍光顕微鏡を用いて撮像して染色画像を取得し、メタモルフ社の画像解析ソフトウェアを用いて、表皮の基底層に存在するCD271陽性の表皮幹細胞とCD271陰性の表皮角化細胞の形態特徴量を特定した。より具体的には、各細胞の縦寸法aおよび横寸法bを測定した。図4には、表皮幹細胞SCを例に取った細胞形態の特定が模式的に示されており、縦寸法aは、基底膜BLに対して垂直に伸ばした細胞の縦直線の長さの最大値として求められ、横寸法bは縦直線に対して直交する横直線の長さの最大値として求められた。なお、図4は組織切片において皮膚の深さ方向に平行な面で切断された断面を示す染色画像と明視野画像とのフュージョン画像を模式的に示している。表皮幹細胞SCおよび非表皮幹細胞OCの形態特徴量は、組織切片に含まれる複数の幹細胞および細胞の形態特徴量の平均値として求められた。測定結果は図5に示すとおりである。図5に示すとおり、表皮幹細胞SCと非表皮幹細胞OCとを比較すると、表皮幹細胞SCに固有の形態特徴量として平均面積および平均縦横比が存在することが見出された。すなわち、表皮幹細胞SCの平均面積は109.5μmであるのに対して、非表皮幹細胞OCの平均面積は89.0μmであり、20μm程度の差が存在し、平均面積は、表皮幹細胞SCの形態と特徴付ける特徴量として技術的意義を有する。平均面積は、公知の画像解析プログラムを用いて算出した。また、表皮幹細胞SCの平均縦横比(a/b)は1.64であるのに対して、非表皮幹細胞OCの平均縦横比(a/b)は1.08であり、0.6程度の差が存在し、平均縦横比(a/b)は表皮幹細胞SCの形態と特徴付ける特徴量として技術的意義を有する。なお、表皮幹細胞SCの平均縦横比(a/b)が示すように、表皮幹細胞SCは楕円体形状を有する細胞であり、免疫組織化学染色に依存することなく、楕円体形状という幾何学的特徴を用いて細胞が表皮幹細胞SCであるか否かを判断することができる。この点において、細胞の縦横比の形態特徴量は、表皮幹細胞SCの形態を反映する特徴量である。
Identifying morphological features of stem cells:
Skin stem cells, more specifically, skin tissue (KAC) commercially available for the analysis of epidermal stem cells, were fixed with 4% PFA, a paraffin block was prepared, and tissue sections were prepared using a microtome. The prepared sections were deparaffinized, and then immunohistochemical staining was performed using a primary antibody (Origene) against CD271, a marker gene for epidermal stem cells, and a fluorescently labeled secondary antibody. The stained image of the tissue section was captured using a Leica fluorescence microscope to obtain a stained image, and the morphological features of CD271-positive epidermal stem cells and CD271-negative epidermal keratinocytes present in the basal layer of the epidermis were identified using Metamorph's image analysis software. More specifically, the vertical dimension a and horizontal dimension b of each cell were measured. FIG. 4 shows a schematic diagram of the identification of cell morphology using epidermal stem cells SC as an example, where the vertical dimension a was determined as the maximum length of the vertical straight line of the cell stretched perpendicular to the basement membrane BL, and the horizontal dimension b was determined as the maximum length of the horizontal straight line perpendicular to the vertical straight line. FIG. 4 is a schematic diagram showing a fusion image of a stained image and a bright field image showing a cross section cut along a plane parallel to the depth direction of the skin in a tissue section. The morphological features of the epidermal stem cells SC and non-epidermal stem cells OC were calculated as the average values of the morphological features of a plurality of stem cells and cells contained in the tissue section. The measurement results are shown in FIG. 5. As shown in FIG. 5, when comparing the epidermal stem cells SC and the non-epidermal stem cells OC, it was found that the average area and average aspect ratio exist as morphological features specific to the epidermal stem cells SC. That is, the average area of the epidermal stem cells SC is 109.5 μm 2 , while the average area of the non-epidermal stem cells OC is 89.0 μm 2 , which is a difference of about 20 μm 2 , and the average area has technical significance as a feature that characterizes the morphology of the epidermal stem cells SC. The average area was calculated using a known image analysis program. In addition, the average aspect ratio (a/b) of epidermal stem cells SC is 1.64, while the average aspect ratio (a/b) of non-epidermal stem cells OC is 1.08, with a difference of about 0.6, and the average aspect ratio (a/b) has technical significance as a feature that characterizes the morphology of epidermal stem cells SC. As shown by the average aspect ratio (a/b) of epidermal stem cells SC, epidermal stem cells SC are cells with an ellipsoidal shape, and it is possible to determine whether a cell is an epidermal stem cell SC using the geometric feature of the ellipsoidal shape without relying on immunohistochemical staining. In this respect, the morphological feature of the aspect ratio of a cell is a feature that reflects the morphology of epidermal stem cells SC.

細胞の形態特徴量を用いて予測した表皮幹細胞の存在率と実測値との比較:
特定した表皮幹細胞の形態特徴量である、平均縦横比(a/b)および平均面積を用いて、表皮幹細胞の分布の解析を検証した。先ず、皮膚組織(KAC社)を用いた組織切片に対して、CD271に対する一次抗体および二次抗体を用いた免疫組織化学染色を行った。染色された表皮幹細胞の染色画像と明視野画像を撮影し、フュージョン画像を作成した。これら画像中の表皮基底層に存在する全ての細胞数に対するCD271陽性である表皮幹細胞の数を目視にてカウントし、基底層に存在する幹細胞の存在率(基底層に存在する表皮幹細胞の数/基底層に存在する全細胞の数)を解析した結果、20%の存在率が得られた。次に、明視野画像(ヘマトキシリン・エオジン(HE)染色等でも可)の基底層の細胞形態を定量し、形態特徴量を用いて表皮幹細胞を特定する条件として、図6に示す条件1~条件21の各条件を定量値に適用して表皮幹細胞の予測存在率を求めた。なお、図6に示す条件1~条件21は一例であり、他の条件が用いられても良い。
Comparison of epidermal stem cell abundance predicted using morphological characteristics of cells and actual measurements:
The analysis of the distribution of epidermal stem cells was verified using the average aspect ratio (a/b) and average area, which are the morphological features of the identified epidermal stem cells. First, immunohistochemical staining was performed on tissue sections using skin tissue (KAC) using primary and secondary antibodies against CD271. Stained images and bright field images of the stained epidermal stem cells were taken, and fusion images were created. The number of CD271-positive epidermal stem cells relative to the total number of cells present in the basal layer of the epidermis in these images was visually counted, and the presence rate of stem cells present in the basal layer (the number of epidermal stem cells present in the basal layer/the total number of cells present in the basal layer) was analyzed, resulting in an presence rate of 20%. Next, the cell morphology of the basal layer of the bright field image (which may also be hematoxylin-eosin (HE) stained, etc.) was quantified, and the predicted presence rate of epidermal stem cells was obtained by applying each of the conditions 1 to 21 shown in FIG. 6 to the quantitative value as conditions for identifying epidermal stem cells using the morphological features. It should be noted that conditions 1 to 21 shown in FIG. 6 are merely examples, and other conditions may be used.

形態特徴量を用いて得られた表皮幹細胞の予測存在率と実測値(20%)とを比較して、条件1~条件21の各条件における表皮幹細胞の特定精度について検証を行った。検証の結果は、図7~図9に示すとおりであり、各図において精度表は、精度評価A:実測値からの差異±2%以下、精度評価B:実測値からの差異±2%より大きく±5%以下、精度評価C:実測値からの差異±5%より大きく10%以下、精度評価D:実測値からの差異10%より大であり、精度評価は、A(最も高い)>B>C>D(最も低い)である。図7は、面積を条件とする条件1~条件7を適用した場合における検証結果を示している。図7に示すとおり、面積を条件とする場合、面積は90~180μmであることが好ましく、精度評価C以上の条件2~条件6において表皮幹細胞の特定が可能であり、好ましくは精度評価B以上の条件3~条件5並びに最も好ましくは精度評価Aである条件4において表皮幹細胞を精度高く特定可能であった。図8に示すとおり、縦横比を条件とする場合、縦横比は1.4~2.4であることが好ましく、精度評価C以上である条件9~条件13において表皮幹細胞の特定が可能であり、好ましくは精度評価B以上である条件10~条件12、最も好ましくは精度評価Aである条件11において表皮幹細胞を精度高く特定可能であった。さらに、図9に示すとおり、面積と縦横比の両条件を組み合わせることで、条件16~条件20の5条件が精度評価B以上の条件に該当し、条件17~条件19の3条件が精度評価Aの条件に該当することが検証でき、より精度の高い表皮幹細胞の検出が可能であることが示された。 The predicted percentage of epidermal stem cells obtained using morphological features was compared with the actual measured value (20%) to verify the accuracy of identifying epidermal stem cells under each of conditions 1 to 21. The results of the verification are shown in Figures 7 to 9, and the accuracy table in each figure is as follows: Accuracy rating A: difference from the actual measured value of ±2% or less; Accuracy rating B: difference from the actual measured value of more than ±2% and less than ±5%; Accuracy rating C: difference from the actual measured value of more than ±5% and less than 10%; Accuracy rating D: difference from the actual measured value of more than 10%, with the accuracy ratings being A (highest) > B > C > D (lowest). Figure 7 shows the verification results when conditions 1 to 7, which use area as a condition, were applied. As shown in FIG. 7, when the area is the condition, the area is preferably 90 to 180 μm2 , and epidermal stem cells can be identified with high accuracy under conditions 2 to 6 with accuracy evaluation C or higher, and preferably under conditions 3 to 5 with accuracy evaluation B or higher, and most preferably under condition 4 with accuracy evaluation A. As shown in FIG. 8, when the aspect ratio is the condition, the aspect ratio is preferably 1.4 to 2.4, and epidermal stem cells can be identified with high accuracy under conditions 9 to 13 with accuracy evaluation C or higher, and preferably under conditions 10 to 12 with accuracy evaluation B or higher, and most preferably under condition 11 with accuracy evaluation A. Furthermore, as shown in FIG. 9, by combining both the area and aspect ratio conditions, it was verified that five conditions, 16 to 20, correspond to the conditions with accuracy evaluation B or higher, and three conditions, 17 to 19, correspond to the conditions with accuracy evaluation A, demonstrating that more accurate detection of epidermal stem cells is possible.

第1の実施形態に係る検出装置10によって実行される、細胞の形態と表皮幹細胞の形態特徴量とを用いる表皮幹細胞の検出処理について説明する。図10は第1の実施形態に係る検出装置10によって実行される幹細胞の検出処理の各処理ステップを示すフローチャートである。より具体的には、CPU101が、幹細胞検出プログラムPr1を実行することによって実現される。 The following describes the epidermal stem cell detection process that uses cell morphology and morphological features of epidermal stem cells, which is executed by the detection device 10 according to the first embodiment. FIG. 10 is a flowchart showing each processing step of the stem cell detection process that is executed by the detection device 10 according to the first embodiment. More specifically, the process is realized by the CPU 101 executing the stem cell detection program Pr1.

検出の対象物、すなわち、対象者の皮膚領域に対して、撮像装置20の撮像部が近接させられる。より具体的には、撮像装置20である共焦点レーザー顕微鏡の対物レンズが検出の対象となる皮膚領域に近接され、1.2mm×0.5mm四方の皮膚領域が撮像され、深さ約0.3mmの皮膚内部の3次元画像データが撮像される。CPU101は、撮像装置20から、撮像された3次元画像データを取得する(ステップS100)。本実施形態において、皮膚の深さ方向における3次元画像データは、図11に示すように、最も真皮側における断層画像LG1から最も表皮側における断層画像LG20までの20枚の断層画像に対応するデータにより構成されている。細胞を含む断層画像、例えば、断層画像LG6、LG11、LG14に示すように、細胞の外郭、すなわち、細胞膜に相当する点群あるいは点列CDが得られる。したがって、全ての断層画像に含まれる点列CDを用いることによって、以下に述べるように、細胞の形態が立体的に特定され得る。皮膚内部における各細胞の向きは一定ではないが、立体的に細胞の形態を特定することによって、ばらつきの少ない細胞の形態特徴量の決定を実現することができる。なお、少なくとも、表皮幹細胞は、基底膜BLを起点として、皮膚の深さ方向に長軸を備える形態を有している。 The imaging unit of the imaging device 20 is brought close to the detection target, i.e., the skin area of the subject. More specifically, the objective lens of the confocal laser microscope, which is the imaging device 20, is brought close to the skin area to be detected, a skin area of 1.2 mm x 0.5 mm square is imaged, and three-dimensional image data of the inside of the skin at a depth of about 0.3 mm is imaged. The CPU 101 acquires the captured three-dimensional image data from the imaging device 20 (step S100). In this embodiment, the three-dimensional image data in the depth direction of the skin is composed of data corresponding to 20 tomographic images from the tomographic image LG1 at the most dermis side to the tomographic image LG20 at the most epidermis side, as shown in FIG. 11. A tomographic image including a cell, for example, as shown in the tomographic images LG6, LG11, and LG14, is obtained, which corresponds to the outer periphery of the cell, i.e., a point cloud or point sequence CD corresponding to the cell membrane. Therefore, by using the point sequence CD included in all the tomographic images, the morphology of the cell can be three-dimensionally identified as described below. Although the orientation of each cell inside the skin is not uniform, by identifying the cell's morphology three-dimensionally, it is possible to determine the morphological features of the cell with little variation. Note that at least epidermal stem cells have a morphology with a long axis that originates from the basement membrane BL and runs in the depth direction of the skin.

CPU101は、3次元画像データを用いて、基底膜BLに接する細胞の形態、すなわち細胞体の形態を特定する(ステップS102)。具体的には、複数の断層画像に含まれる細胞膜に対応する点列CDを用いて、基底膜BLに対して垂直な方向を第1軸として決定し、一細胞の細胞膜に対応する全点列に対して、第1軸の方向が固定された細胞体の表面までの距離の二乗平均が最小になるような細胞体を特定し、中心位置を通る第1軸以外の他の軸を求める。第1軸の長さおよび他の軸のそれぞれの長さを導出し、2番目に長い軸を第2軸に決定し、細胞の形態を特定する。細胞は、球体、楕円体、あるいは近似球体といった形態を有しており、少なくとも1番目に長い軸と2番目に長い軸を決定することによって、図12に示すように、細胞の形態が決定される。より具体的には、第1軸および第2軸を通る平面によって切断された断面形状を決定し、第1軸の長さ、すなわち縦寸法および第2軸の長さ、すなわち、横寸法を求めることができる。既述の通り、表皮幹細胞は、楕円体形状を有しており、断面は楕円形を示す。CPU101は、第1軸の長さを細胞の縦寸法a、第2軸の長さを横寸法bとして取得する(ステップS104)。CPU101は、取得した縦寸法aおよび横寸法bを用いて細胞の縦横比a/bおよび細胞の面積 (π×(a/2)×(b/2) ) を算出する。 The CPU 101 uses the three-dimensional image data to identify the morphology of the cell in contact with the basement membrane BL, i.e., the morphology of the cell body (step S102). Specifically, using the point sequence CD corresponding to the cell membrane included in the multiple tomographic images, the direction perpendicular to the basement membrane BL is determined as the first axis, and for all point sequences corresponding to the cell membrane of one cell, a cell body is identified in which the root mean square of the distance to the surface of the cell body with the direction of the first axis fixed is minimized, and other axes other than the first axis passing through the center position are obtained. The length of the first axis and the length of each of the other axes are derived, and the second longest axis is determined as the second axis, thereby identifying the morphology of the cell. The cell has a morphology such as a sphere, an ellipsoid, or an approximate sphere, and by determining at least the first longest axis and the second longest axis, the morphology of the cell is determined as shown in FIG. 12. More specifically, the cross-sectional shape cut by a plane passing through the first axis and the second axis is determined, and the length of the first axis, i.e., the vertical dimension, and the length of the second axis, i.e., the horizontal dimension, can be obtained. As described above, epidermal stem cells have an ellipsoid shape and an elliptical cross section. CPU 101 acquires the length of the first axis as the vertical dimension a of the cell, and the length of the second axis as the horizontal dimension b (step S104). CPU 101 uses the acquired vertical dimension a and horizontal dimension b to calculate the aspect ratio a/b of the cell and the area of the cell (π×(a/2)×(b/2)).

CPU101は、算出した縦横比a/bおよび面積の少なくともいずれか一方を用いて表皮幹細胞を検出する(ステップS106)。具体的には、CPU101は、予め定められた表皮幹細胞の形態特徴量、すなわち、楕円体形状を有し、楕円形状の断面を有する表皮幹細胞の形態特徴量を示す縦横比a/bおよび面積の少なくともいずれか一方を用いて、形態が特定された細胞が有する、対応する縦横比a/bおよび面積の少なくともいずれか一方を用いて、前述の条件2~条件6、条件9~条件13、条件16~条件20のうち求められる精度に応じて決定され得る条件を満たす細胞を表皮幹細胞として検出する。CPU101は、検出結果を出力して(ステップS108)、本処理ルーチンを終了する。検出結果は、表示装置31または表示部32に表示されても良く、印刷装置を介して媒体に印刷されても良い。表示または印刷される検証結果は、例えば、検出された表皮幹細胞の数であっても良く、皮膚細胞中における表皮幹細胞の比率である予測幹細胞存在率であっても良く、対象者の年齢または年齢層における標準値に対する増減の割合や比率であっても良い。また、表示や印刷の形態は、数値であっても良く、グラフであっても良い。 The CPU 101 detects epidermal stem cells using at least one of the calculated aspect ratio a/b and area (step S106). Specifically, the CPU 101 detects cells that satisfy the above-mentioned conditions 2 to 6, 9 to 13, and 16 to 20, which can be determined according to the required accuracy, using at least one of the aspect ratio a/b and area that indicate the morphological characteristic amount of the epidermal stem cell that has a predetermined ellipsoidal shape and an ellipsoidal cross section, and at least one of the aspect ratio a/b and area that the cell with the specified morphology has, as epidermal stem cells. The CPU 101 outputs the detection result (step S108) and ends this processing routine. The detection result may be displayed on the display device 31 or the display unit 32, or may be printed on a medium via a printing device. The displayed or printed verification results may be, for example, the number of detected epidermal stem cells, a predicted stem cell presence rate, which is the ratio of epidermal stem cells among skin cells, or a percentage or ratio of increase or decrease compared to a standard value for the subject's age or age group. The display or printout may be in the form of numbers or graphs.

第1の実施形態に係る検出装置10を用いて加齢による表皮幹細胞の減少を検証した。具体的には、20代、40代、60代の被験者8名ずつに対して、共焦点レーザー顕微鏡を用いて皮膚の3次元画像データを取得し、条件18を適用して表皮幹細胞を検出し、皮膚細胞中における表皮幹細胞の比率である予測幹細胞存在率を求めた。検出結果は図13に示す通りであり、加齢によって表皮幹細胞が徐々に減少することを検証することができた。 The detection device 10 according to the first embodiment was used to verify the decrease in epidermal stem cells due to aging. Specifically, 3D image data of the skin was obtained using a confocal laser microscope for eight subjects each in their 20s, 40s, and 60s, and epidermal stem cells were detected by applying condition 18, and the predicted stem cell abundance rate, which is the ratio of epidermal stem cells to skin cells, was calculated. The detection results are shown in FIG. 13, and it was possible to verify that epidermal stem cells gradually decrease with aging.

以上述べたように、第1の実施形態に係る検出装置10によれば、皮膚の3次元画像データを用いて皮膚組織における細胞を特定し、表皮幹細胞の形態特徴量を用いて、表皮幹細胞を検出することができる。したがって、非侵襲的に、簡易に、精度良く表皮幹細胞を検出することができる。すなわち、本願発明者等が見出した、表皮幹細胞が有する特徴的な形態を適用して、皮膚細胞の形態と対比することによって、免疫組織化学染色を用いた検出手法における、侵襲性、煩雑さ、ロット間のバラつきといった影響を受けることなく、安価で簡便かつ、精度が高い表皮幹細胞の解析が可能となった。 As described above, the detection device 10 according to the first embodiment can identify cells in skin tissue using three-dimensional image data of the skin, and detect epidermal stem cells using morphological features of epidermal stem cells. Therefore, epidermal stem cells can be detected non-invasively, easily, and accurately. In other words, by applying the characteristic morphology of epidermal stem cells discovered by the inventors of the present application and comparing it with the morphology of skin cells, it has become possible to perform inexpensive, simple, and highly accurate analysis of epidermal stem cells without being affected by the invasiveness, complexity, and lot-to-lot variation of detection methods using immunohistochemical staining.

皮膚の幹細胞を高い精度で検出することによる利点は以下の通りである。人の皮膚は、大きく分けて表皮・真皮・皮下組織の3層構造をとっている。これらの3つの層のうち、最外層に位置する表皮は、皮膚の最も外側に位置する組織であり、外界から身体を防御する重要な役割、すなわち、バリア機能を提供している。表皮は、成熟段階の異なる複数の層である、基底層、有棘層、顆粒層および角質層により構成されている。表皮の大部分は主に表皮角化細胞(ケラチノサイト)により構成されており、表皮角化細胞は、表皮の最下層である基底層に存在する表皮幹細胞を起点として、幹細胞の自己複製分裂と分化をしながら成熟することで供給されている。表皮の恒常性は、表皮幹細胞の増殖と分化を原動力としたターンオーバーにより、周期的に細胞が生まれ変わることで維持されている。表皮幹細胞は加齢や紫外線による光老化の影響を受けることで、数が減少し、枯渇していくことが知られており、表皮幹細胞の数の減少は、表皮の菲薄化やターンオーバーの遅延、恒常性異常の原因となり、シワやくすみ等の老化症状を誘導すると考えられている。したがって、表皮幹細胞を精度良く検出することによって、表皮の菲薄化やターンオーバーの遅延、恒常性異常を予見することが可能となり、ターンオーバーの遅延の抑制や防止のための手法や化粧品、医薬品の開発や、開発結果の有用性の検証を簡易且つ短時間にて図ることができる。 The advantages of detecting skin stem cells with high accuracy are as follows. Human skin has a three-layer structure, broadly divided into the epidermis, dermis, and subcutaneous tissue. Of these three layers, the epidermis, which is the outermost layer of the skin, is the tissue located at the outermost part of the skin and plays an important role in protecting the body from the outside world, i.e., providing a barrier function. The epidermis is composed of multiple layers at different stages of maturity, namely the basal layer, the spinous layer, the granular layer, and the stratum corneum. Most of the epidermis is mainly composed of epidermal keratinocytes, which are supplied by epidermal keratinocytes that originate from epidermal stem cells present in the basal layer, the lowest layer of the epidermis, and are supplied by stem cells that mature through self-renewal division and differentiation. Epidermal homeostasis is maintained by the periodic renewal of cells through turnover driven by the proliferation and differentiation of epidermal stem cells. It is known that epidermal stem cells are affected by aging and photoaging due to ultraviolet rays, causing a decrease in their number and depletion. A decrease in the number of epidermal stem cells is thought to cause epidermal thinning, delayed turnover, and abnormal homeostasis, inducing aging symptoms such as wrinkles and dull skin. Therefore, by accurately detecting epidermal stem cells, it is possible to predict epidermal thinning, delayed turnover, and abnormal homeostasis, and it is possible to easily and quickly develop methods, cosmetics, and pharmaceuticals to suppress or prevent delayed turnover, and to verify the usefulness of the development results.

第1の実施形態に係る検出装置10を用いれば、重篤な皮膚創傷や火傷の治療を行う際に、患者の表皮細胞を採取し、その細胞から再構成させた自家培養表皮を移植する再生医療における培養表皮の品質や生着率を向上させることができる。すなわち、培養表皮の品質や生着率は採取する組織の幹細胞の状態に依存するが、第1の実施形態に係る検出装置10を用いれば、組織の採取前に、その部位の幹細胞を非侵襲的に高精度で検出、解析することができる。 By using the detection device 10 according to the first embodiment, it is possible to improve the quality and survival rate of cultured epidermis in regenerative medicine, in which epidermal cells are harvested from a patient and an autologous cultured epidermis reconstituted from the cells is transplanted when treating severe skin wounds or burns. In other words, the quality and survival rate of cultured epidermis depend on the state of stem cells in the harvested tissue, but by using the detection device 10 according to the first embodiment, it is possible to non-invasively detect and analyze stem cells at the site with high accuracy before the tissue is harvested.

その他の実施形態:
(1)上記実施形態においては、幹細胞を検出する対象物として対象者の皮膚を撮像装置20により撮像して得られる3次元画像データが用いられているが、対象者から取得した組織切片を撮像して得られる3次元画像データが用いられても良い。この場合には、免疫組織化学染色を行うことなく簡易かつ短時間で幹細胞を検出することが可能となる。また、上記実施形態においては、幹細胞を検出する対象物として皮膚が用いられているが、対象物としてはこの他に、血液や摘出された臓器が用いられても良い。これらの場合には、既述の手法によって、予め幹細胞の形態特徴量を特定し、対象物を撮像することにより得られた3次元画像データを用いて特定された細胞と形態特徴量とを用いることによって表皮幹細胞と同様にして、幹細胞を検出することができる。
Other embodiments:
(1) In the above embodiment, the three-dimensional image data obtained by imaging the subject's skin with the imaging device 20 is used as the object for detecting stem cells, but three-dimensional image data obtained by imaging a tissue slice obtained from the subject may also be used. In this case, it is possible to detect stem cells easily and in a short time without performing immunohistochemical staining. In addition, in the above embodiment, the skin is used as the object for detecting stem cells, but blood or an excised organ may also be used as the object. In these cases, the morphological features of stem cells are specified in advance by the above-mentioned method, and the cells and morphological features specified using the three-dimensional image data obtained by imaging the object are used to detect stem cells in the same way as epidermal stem cells.

以上、種々の実施形態に基づき本開示について説明してきたが、上記した実施の形態は、本開示の理解を容易にするためのものであり、本開示を限定するものではない。本開示は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本開示にはその等価物が含まれる。 Although the present disclosure has been described above based on various embodiments, the above-mentioned embodiments are intended to facilitate understanding of the present disclosure and are not intended to limit the present disclosure. The present disclosure may be modified or improved without departing from the spirit and scope of the claims, and equivalents thereof are included in the present disclosure.

10…検出装置、100…検出システム、101…中央演算処理装置(CPU)、102…記憶部、20…撮像装置、F1…画像データ取得部、F2…幹細胞検出部。 10: detection device, 100: detection system, 101: central processing unit (CPU), 102: memory unit, 20: imaging device, F1: image data acquisition unit, F2: stem cell detection unit.

Claims (9)

幹細胞の検出装置であって、
細胞を含む対象物である皮膚深さ方向に連続する複数の断層画像データを3次元画像データとして取得する画像データ取得部と、
前記3次元画像データおよび予め定められた表皮幹細胞の形態特徴量を用いて前記皮膚の表皮に含まれる幹細胞を検出する幹細胞検出部であって、検出された表皮の幹細胞数または皮膚細胞中における表皮幹細胞の比率である予測幹細胞存在率を検出結果として生成する幹細胞検出部と、を備える検出装置。
A device for detecting stem cells, comprising:
an image data acquisition unit that acquires a plurality of continuous tomographic image data in a depth direction of skin, which is an object including cells, as three-dimensional image data;
a stem cell detection unit that detects stem cells contained in the epidermis of the skin using the three-dimensional image data and predetermined morphological features of epidermal stem cells , and generates a detection result indicating the number of stem cells in the detected epidermis or a predicted stem cell presence rate, which is the ratio of epidermal stem cells among skin cells .
請求項に記載の検出装置において、
前記形態特徴量は、細胞の縦寸法と横寸法との比、および、細胞の面積の少なくともいずれか一方であり、
前記幹細胞検出部は、前記複数の断層画像データに含まれる細胞の形態を特定し、特定した前記細胞の形態を用いて、前記3次元画像データに含まれる細胞の縦寸法と横寸法との比(縦寸法/横寸法)、および細胞の面積の少なくともいずれか一方を決定し、決定された前記縦寸法と横寸法との比、および面積の少なくともいずれか一方に対応する前記形態特徴量を用いて幹細胞を検出する、検出装置。
2. The detection device according to claim 1 ,
the morphological feature amount is at least one of a ratio of a vertical dimension to a horizontal dimension of a cell and an area of a cell;
The stem cell detection unit identifies the morphology of cells contained in the multiple tomographic image data, and uses the identified morphology of cells to determine at least one of the ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension (vertical dimension/horizontal dimension) of the cell contained in the three-dimensional image data and the area of the cell, and detects stem cells using the morphological feature corresponding to at least one of the determined ratio of the vertical dimension to the horizontal dimension and the area.
請求項に記載の検出装置において、
前記幹細胞検出部は、前記複数の断層画像データのそれぞれにおいて細胞膜に相当する複数の点群を特定し、特定した複数の点群を用いて前記皮膚の基底膜に接する前記細胞の形態を特定する、検出装置。
3. The detection device according to claim 2 ,
The stem cell detection unit identifies a plurality of point groups corresponding to cell membranes in each of the plurality of tomographic image data, and identifies the morphology of the cells in contact with the basement membrane of the skin using the identified plurality of point groups.
請求項に記載の検出装置において、
前記幹細胞検出部は、特定した前記細胞の形態において、前記基底膜に対して垂直な方向を第1軸とし、前記第1軸の長さを縦寸法として取得し、前記第1軸と直交する第2軸の長さを横寸法として取得する、検出装置。
4. The detection device according to claim 3 ,
The stem cell detection unit is a detection device that, in the identified cell morphology, defines a direction perpendicular to the basement membrane as a first axis, acquires the length of the first axis as the vertical dimension, and acquires the length of a second axis perpendicular to the first axis as the horizontal dimension.
請求項から請求項のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記細胞の面積は90~180μmである、検出装置。
The detection device according to any one of claims 1 to 4 ,
A detection device, wherein the area of the cells is 90-180 μm2 .
請求項から請求項のいずれか一項に記載の検出装置において、
幹細胞は、楕円体形状を有しており、
前記細胞の縦寸法と横寸法との比(縦寸法/横寸法)は、1.4~2.4である、検出装置。
The detection device according to any one of claims 1 to 5 ,
The stem cells have an ellipsoidal shape,
A detection device, wherein the ratio of the length to the width of the cell (length/width) is between 1.4 and 2.4.
幹細胞を検出するための検出システムであって、
請求項1から請求項のいずれか一項に記載の検出装置と、
前記3次元画像データを撮像する撮像装置と、
前記検出装置により検出された幹細胞の検出結果を出力する出力装置と、
を備える、検出システム。
1. A detection system for detecting stem cells, comprising:
A detection device according to any one of claims 1 to 6 ,
an imaging device that captures the three-dimensional image data;
an output device that outputs the detection result of the stem cells detected by the detection device;
A detection system comprising:
幹細胞の検出方法であって、
細胞を含む対象物である皮膚深さ方向に連続する複数の断層画像データを3次元画像データとして取得し、
前記3次元画像データおよび予め定められた表皮幹細胞の形態特徴量を用いて前記皮膚の表皮に含まれる幹細胞を検出し、検出された表皮の幹細胞数または皮膚細胞中における表皮幹細胞の比率である予測幹細胞存在率を検出結果として生成すること、を備える検出方法。
A method for detecting stem cells, comprising:
A plurality of continuous tomographic image data in a depth direction of skin, which is an object including cells, is acquired as three-dimensional image data;
A detection method comprising: detecting stem cells contained in the epidermis of the skin using the three-dimensional image data and predetermined morphological features of epidermal stem cells; and generating a detection result indicating the number of detected epidermal stem cells or a predicted stem cell presence rate, which is the ratio of epidermal stem cells among skin cells .
幹細胞を検出する検出プログラムであって、
細胞を含む対象物である皮膚深さ方向に連続する複数の断層画像データを3次元画像データとして取得するための機能と、
前記3次元画像データおよび予め定められた表皮幹細胞の形態特徴量を用いて前記皮膚の表皮に含まれる幹細胞を検出するための機能であって、検出された表皮の幹細胞数または皮膚細胞中における表皮幹細胞の比率である予測幹細胞存在率を検出結果として生成する機能と、をコンピュータによって実現させる、検出プログラム。
A detection program for detecting stem cells, comprising:
A function for acquiring a plurality of continuous tomographic image data in a depth direction of skin, which is an object including cells, as three-dimensional image data;
A detection program that causes a computer to realize a function for detecting stem cells contained in the epidermis of the skin using the three-dimensional image data and predetermined morphological features of epidermal stem cells , and a function for generating a detection result indicating the number of stem cells in the detected epidermis or a predicted stem cell presence rate, which is the ratio of epidermal stem cells among skin cells .
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