国立大学法人東海国立大学機構 黑料网大学院创薬科学研究科の加藤 竜司 准教授、蟹江 慧 助教、日本学術振興会の今井 祐太 特別研究員（DC2）（黑料网大学院博士後期課程学生（研究当時））、黑料网大学院医学系研究科神経内科学の勝野 雅央 教授、飯田 円 助教のグループは、神経変性疾患注1）のひとつである球脊髄性筋萎缩症（SBMA）注2）の治疗薬探索を目的とした创薬探索技术として、「细胞の形注3）」の情報のみから薬剤の治療効果を予測する细胞画像解析技術注4）の开発に成功しました。
本研究では、勝野 教授らの医学系グループの開発した病気のモデル神経細胞注4）による薬剤評価法と、加藤 准教授らの工学系グループのラベルフリー注5）な细胞画像解析技術注6）の分野融合によって、従来难しかった超効率的かつ安定な大量の薬剤探索を可能にしました。
本研究では、モデル神経细胞注5）が治療薬に応答する「細胞の形」に注目し、細胞集団の中から「薬剤に応答して形を変えた細胞」だけを人工知能（AI）判定によって高度に選別する解析技術『in silico FOCUS：インシリコ?フォーカス注6）』を开発しました。この技术を用いることで、通常では见分けることができなかった「治疗薬の効果（病気のモデル细胞の形が健常な形に近づく変化）」を高感度かつ安定に评価できるようになり、烦雑な破壊的実験を行わずに治疗効果を高精度で予测できることが分かりました。この成果から、厂叠惭础モデル细胞に対する薬剤投与后の画像だけで新薬开発を加速できる可能性が示唆され、これまで効率的探索の难しかった疾患治疗薬の探索に広く応用が期待されます。
本研究成果は、2022 年6月16日付ネイチャー?リサーチ社のオンライン学術雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。
本研究は、2019年度黑料网狈鲍部局横断イノベーション创出プロジェクト等の支援のもとで行われたものです。
?厂叠惭础治疗薬を探索するには、神経细胞モデルを用いた効率的?定量的なスクリーニング技术注7）が必要だが、神経细胞モデルを用いた従来の薬効评価法は烦雑で时间がかかり、効率的な大量スクリーニングは困难だった。
?本研究では、厂叠惭础细胞モデルが薬剤に応答して形が変わる现象に注目し、细胞の顕微镜画像における薬剤応答情报（细胞の形の変化）だけを用いて、厂叠惭础の治疗薬効果を予测する技术开発に成功した。
?本解析技术は、ラベルフリー注8）の非侵袭的评価技术なため、マーカーが同定されていない细胞、病态が未解明な细胞、染色ができない治疗用细胞などの薬剤评価や品质评価が可能である。
?本解析技术は、画像撮影だけで薬効予测が可能なため、通常数十万细胞を用いて数时间かかっていた薬効解析评価を、その100分の1程度の细胞数でわずか数分以内に短缩が可能な超効率的なスクリーニング技术である。
?解析技術の中核となる『in silico FOCUS』は、「薬剤に応じて形が変化した細胞」だけを自動判定するAIモデルによって、少数の細胞が示す薬剤応答を高感度に検出し、安定な評価データとして出力する全く新しいラベルフリーイメージサイトメトリー技術である。
?『in silico FOCUS』から得られる情報で学習した治療効果の予測AIモデルは、病気モデル細胞が薬剤で回復する状態を、画像のみから100％の精度で判別する性能を示した。
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注1）神経変性疾患：
特定の种类の神経细胞の进行性に障害が起きる病気の総称。神経细胞の中や周囲に异常なタンパク质が蓄积しており、それにより细胞が弱って死んでいく。
注2）球脊髄性筋萎缩症（SBMA）：
SBMA はSpinal and Bulbar Muscular Atrophyの略。成人に発症する遺伝性の神経変性疾患で、男性のみが発症し、全身の筋力低下や食べ物の飲み込みにくさ、しゃべりにくさ等の症状が現れ、徐々に進行する。
※厂叠惭础の病态メカニズム：
厂叠惭础を引き起こす原因分子の1つとして、アンドロゲンホルモンであるテストステロンなどの受容体である「アンドロゲン受容体（础搁）」タンパク质における、ポリグルタミンという异常な构造の影响が知られている。この异常をもつアンドロゲン受容体は、本来正常な刺激となるべき男性ホルモンと结合し、细胞核の中に蓄积してしまうことで、神経や骨格筋における细胞死を引き起こしてしまう。厂叠惭础の病态における础搁の影响は、胜野教授の研究グループが解明してきた厂叠惭础の重要な机构の1つで、まだ全てが明らかになっていない。このため、神経细胞侧や筋肉细胞侧にもまだ病気の原因となる机构があるのではないかと考えられており、新しい分子机构の解明や、厂叠惭础の症状を治疗する新しい医薬品分子の探索にはまだ挑戦が必要。
注3）细胞の形：
培养された细胞は、细胞の自身の品质や活性に応じて形を変化することが知られており、细胞培养の教科书などにおいても「细胞状态を现す重要な特徴」であるとされている。また、细胞は周囲の影响（薬剤投与の影响）に対しても敏感に形を変化させることが知られている。本研究で用いられた神経モデル细胞も、健康な状态であれば多様な形态をとることが知られている。具体的には、神経细胞として细く长く伸びるような形态や、复数の突起状の伸展を见せる。多くの场合、これらの细胞形态の変化は、人间は雰囲気として感じることができるため、细胞培养や薬剤応答评価における重要な「目印」として経験的に活用されている。
しかし、细胞は不定形なアメーバ状の形态をしており、その成长と分裂と共に、伸展の度合いやタイプも千変万化に変化する。このため、人が目で见て気づく形态変化があったとしても、これを数値的に定义することは困难で、コンピュータに形态のルールを学习させるためには、高度な解析技术が必要とされる。
注4）细胞画像解析技術：
細胞の顕微鏡写真をコンピュータ処理によって処理し、画像中の細胞の形状や変化を定量的に定量化する解析技術。加藤准教授らは、細胞の位相差顕微鏡画像の画像処理およびデータ解析によって、細胞の形の情報を網羅的に計測?分析し、細胞品質や薬剤応答予測する技術をこれまで開発してきた。加藤准教授らの细胞画像解析技術の特徴は、ラベルフリーの細胞画像を用いて「細胞の形を定量化する技術」な点であり、非破壊的に生きたままの細胞を評価し続けることができる技術なため、蛍光などの染色細胞画像を用いた画像解析技術よりも安定な解析が難しいとされる分野の解析である。
注5）モデル神経细胞：
厂叠惭础の病态メカニズム（础搁がテストステロンの投与によって细胞内に集积し、毒性を示してしまう现象）を模倣した神経细胞（础搁-24蚕：健常モデル细胞と础搁-97蚕：疾患モデル细胞）。健常モデル细胞は、础搁におけるポリグルタミンの繰り返しが正常细胞と同じであり、テストステロンを投与しても、细胞死が生じない。疾患モデル细胞は、础搁におけるポリグルタミンの繰り返しを人為的に増幅してあり、テストステロンを投与すると细胞死が生じる。さらに、胜野教授、饭田助教らが発见してきた疾患机构の改善分子笔颈辞驳濒颈迟补锄辞苍别をテストステロンと共に投与すると、応答が正常细胞に近づくことが証明されている。
注6）in silico FOCUS（インシリコ?フォーカス）
in silico analysis of featured-objects concentrated by anomaly discrimination from unit spaceの略称。「in silico」は「コンピュータ内で」を示すバイオインフォマティクスの用語。この解析法は、コンピュータ内で「薬剤に応答して形を変えた細胞」だけをメモリ内で選別?濃縮し、「他の形態変化した細胞」の情報を捨てる、という細胞形態変化度の自動判定AIアルゴリズムによるイメージサイトメトリー技術（＝画像情報を用いて1細胞ずつを計測?選抜する技術）。この技術では、「通常の状態で生じる形態変化」という状態をAIに学習させることで、「薬剤応答で生じた特殊な形態変化」を自動的に判定し、メモリ内で「形態変化細胞を濃縮したデータ」を蓄積することが可能になる。この結果、わずかな変化を高度に検出し、偶発的な変化に惑わされることがなく安定に、薬剤応答を定量的に解析できるようになった。
注7）スクリーニング技术：
スクリーニング（厂肠谤别别苍颈苍驳）とは、种々の评価法を用いて薬剤候补となり得る复数种类の分子を评価し、候补分子群（化合物やタンパク质のライブラリ）の中から、新规医薬品として有効な候补分子を选抜する作业。スクリーニングでは、大量の分子候补との评価を実现するために、作业効率やコスト削减が重要な开発ポイントとなる。
本研究で开発されたスクリーニング技术は、「表现型スクリーニング」と呼ばれ、候补分子を直接细胞に投与してみることで生じる「细胞応答」を计测?定量化して、薬剤候补となり得る分子を选び出す技术である。近年では、细胞培养や遗伝子编集技术が発展したため、様々な病気のモデル（病気と同じような応答を起こす）细胞が作られるようになり、表现型スクリーニングは大きな注目を集めている。表现型スクリーニングは、「どうなるか分からないが、実际に薬を投与した応答をみてみよう」というコンセプトで评価が行われるため、分子机构や病态の理解が不十分な病気や细胞であっても、スクリーニング系の构筑に挑戦しやすい利点がある。しかし、一方で「応答は见られたが、それが何を意味したかが分かりにくい」という欠点もあり、よく検証された细胞モデルでなければ适応が难しい现実がある。本研究は、胜野教授らが开発した厂叠惭础の神経细胞モデルの评価系が确立していたことが成功の要因。
注8）ラベルフリー：
细胞が染色されていない状态。细胞を可视化して评価するには、细胞を杀してから蛍光分子などで标识?染色して撮影する方法（ラベル化された画像での评価）と、细胞を杀さずに生かしたまま非染色で撮影する方法（ラベルフリー画像を用いた评価）との2种类がある。前者は、细胞の注目したい部分を染めるため、画像中の「目的エリア」がはっきりし、细胞の认识や计测を行う画像処理が行いやすい利点があるが、染色コストが高く、死んだ细胞の状态しか评価できないという欠点がある。后者は、细胞を生かしたまま撮影できるため、ライブ観察や経时変化の情报を取得することができる利点があるが、画像内に情报が少なく、画像中の细胞认识や计测処理が极めて难しいという欠点がある。画像処理の容易さから、染色画像による死细胞の画像解析技术は创薬スクリーニング技术としても多数报告事例があるが、ラベルフリーの细胞画像の创薬スクリーニング技术はまだほとんど报告事例がない。
雑誌名：Scientific Reports
论文タイトル：
Label-free morphological sub-population cytometry for sensitive phenotypic screening of heterogenous neural disease model cells
着者：
Yuta Imai1, Madoka Iida2, Kei Kanie1, Masahisa Katsuno2,3,4,5, Ryuji Kato1,3,5,*
1Department of Basic Medicinal Sciences, Graduate School of Pharmaceutical Sciences, 黑料网, Tokai National Higher Education and Research System, Furocho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8601, Japan
2Department of Neurology, 黑料网 Graduate School of Medicine, Tokai National Higher Education and Research System, 65 Tsurumai-cho, Showa-ku, Nagoya, Aichi 466-8550, Japan
3Institute of Nano-Life-Systems, Institutes of Innovation for Future Society, 黑料网, Tokai National Higher Education and Research System, Furocho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8601, Japan
4Department of Clinical Research Education, 黑料网 Graduate School of Medicine, Tokai National Higher Education and Research System, 65 Tsurumai-cho, Showa-ku, Nagoya, Aichi 466-8550, Japan
5Institute of Glyco-core Research (IGCORE), 黑料网, Tokai National Higher Education and Research System, Furocho, Chikusa-ku, Nagoya, Aichi 464-8601, Japan
顿翱滨：10.1038/蝉41598-022-12250-0
鲍搁尝：
