創薬

創薬とは新薬の開発プロセスで、標的同定から薬剤候補物質の選別、治験まで、さまざまな研究領域にまたがる一連の流れを指します。たとえば、薬剤の薬理特性を調べる一次アッセイや、吸収・分布・代謝・排泄・毒性試験(ADMET)に関する二次アッセイ、創薬過程で評価される安全因子などです。ハイスループットスクリーニングやハイスループットイメージングはここ数十年、創薬試験の中心的な役割を担っており、薬剤候補選別の自動化に非常に有用な手法となっています。また、イメージングは空間的情報や経時変化を取得することができるため、ゲノミクス、プロテオミクスなどの手法を補完することができます。さらに人工知能を使用した細胞表現型プロファイリングなどの最新の技術と組み合わせることにより、光学顕微鏡を使用したイメージング・スクリーニング装置は、創薬過程においてより重要で、より身近になっていく可能性があります。

創薬に関連する製品

ニコンは、創薬におけるハイスループットイメージングやハイコンテントイメージングをサポートするハイコンテントイメージングシステム「BioPipeline LIVE」と「BioPipeline PLATE」を提供しています。いずれも電動倒立顕微鏡Ti2-Eをベースとし、搬送アームによるサンプルの自動交換と、ウェルプレートを含む最大44枚のサンプルのイメージングが可能であり、ハイスループットスクリーニングに最適です。BioPipeline LIVEは顕微鏡自体を大きく囲うことで安定した培養環境を保ち、長期間のライブセルイメージングが可能です。

3D細胞培養やモデル生物などのより大きなサンプルを観察する場合は、共焦点顕微鏡などの光学セクショニング技術が必要となります。共焦点レーザー顕微鏡システムAX/AX Rは、最大8192×8192画素の解像度で、25 mmの広視野にわたるイメージングが可能なポイントスキャン共焦点システムです。AX Rは、さらに高速イメージング(2048×512画素:2K、1024×512画素: 1Kの解像度で30 FPS)が可能なレゾナントスキャナーを搭載し、ハイスループットイメージングに対応します。

スピニングディスク方式の共焦点システムもBioPipelineシリーズと組み合わせることが可能です。また、発生後期のin vivoや生体内イメージングには、1300 nmの励起光を用いて最大1.4 mmの深部のイメージングを実現する高速多光子共焦点レーザー顕微鏡システムAX R MPが最適です

画像統合ソフトウェアNIS-Elementsは画像取得から画像解析までの一連のプロセスを一元管理できます。NIS-Elements HCは、ハイスループットイメージング、ハイコンテントイメージングの用途に最適化されています。ヒートマップ、サンプル画像、バイナリマスク、アッセイ結果などを一元管理できるため、迅速なフィルタリングや解析が可能です。さらに、ディープラーニングをベースとするソフトウェアモジュールNIS.aiを画像取得/解析のワークフローに組み込むことで、画像セグメンテーションなどの解析に人工知能(AI)の力を活用することができます。

●:使用可能 , ⚬:オプション

自動培養顕微鏡イメージングシステムBioPipeline LIVE自動マルチプレート顕微鏡イメージングシステムBioPipeline PLATE
サンプル収納数 44枚 44
自動サンプル交換 yes yes
容器/スライドの種類 96ウェルプレート
384ウェルプレート
96ウェルプレート
384ウェルプレート
フォーカス補正 パーフェクトフォーカスシステム(PFS)
オートフォーカス
パーフェクトフォーカスシステム (PFS)
オートフォーカス
長時間ライブイメージング yes no
観察方法 BioPipeline LIVE BioPipeline PLATE
明視野 yes yes
位相差* yes yes
ニコンアドバンストモジュレーションコントラスト(NAMC)* yes yes
ボリュームコントラスト yes yes
落射蛍光 yes yes
共焦点 yes yes

*これらの観察法は、個々のウェルにおけるメニスカス効果のため、用途や倍率によっては適していない場合があります。

創薬について

DNA(青;DAPI)、ムチン(緑;杯細胞により生成)、ソマトスタチン(赤;腸内分泌細胞により生成)で染色した小腸オルガノイドを、ポイントスキャン共焦点顕微鏡で画像取得

各創薬モデルに適した顕微鏡システム

創薬での観察対象は、in vitroの培養接着細胞からモデル生物の全体像までさまざまです。スフェロイド、オルガノイド、オーガンチップ(臓器チップ、OoC)などの複雑な3D細胞培養モデルは、複数の細胞型で構成できるうえ、ハイスループットスクリーニングでは古典的で標準的なモデルである培養接着細胞では得ることのできない、さまざまな生理学的特性を適切に再現できます。また、オルガノイドに関しては、精密医療のために、患者由来の細胞から培養されることもあります。

落射蛍光観察は、ハイスループットスクリーニングでは標準的であるマルチウェルプレートで培養された接着細胞など、比較的平坦なサンプルに適しています。高速で感度が高く、コストもかかりません。厚みのある標本では、光学セクショニング像を撮影できる共焦点顕微鏡が有用です。

オルガノイドや組織など物理的に大きなサンプルの観察では、焦点面外のぼけ光による影響を抑えて、焦点面をより鮮明に観察するために、光学セクショニング像観察技術が必要になります。このような用途では共焦点顕微鏡の使用が一般的です。ニコンのポイントスキャン共焦点システムである共焦点レーザー顕微鏡システムAX/AX Rは、BioPipeline LIVEBioPipeline PLATEと組み合わせることができ、サンプルの深さ数百マイクロメートルまでの光学セクショニングが取得可能です

共焦点イメージングは、深部の光学セクショニングには適していますが、それでも不十分な場合があります。厚みのある散乱組織のin vivoイメージングでは、高速多光子共焦点レーザー顕微鏡システムAX R MPなどの多光子システムが必要となります。これにより、近赤外から赤外の光による多光子励起を利用して、焦点の合っていない蛍光や散乱光を低減することができます。

ボリュームコントラスト
位相差

細胞解析のための、定量的位相イメージング

画像統合ソフトウェアNIS-Elementsの「ボリュームコントラスト」機能を使用すれば、明視野観察で3枚のZスタック画像を取得することにより、位相分布画像を生成できます。得られる位相分布画像は、光路差が最も大きい場所(培養細胞のイメージングでは細胞の中央)が最も明るくなります。この方法を使用することにより、非染色標本であっても二値化などの解析を容易に行うことができます。

「ボリュームコントラスト」機能はメニスカス効果の影響を受けません。ウェルプレートは、個々のウェルの直径が小さいため、メニスカス効果の影響が大きくなります。右の画像は、メニスカス効果がある場合の位相差画像とボリュームコントラスト処理を行った画像の比較です。

詳しくは、非染色細胞増殖アッセイにおけるボリュームコントラストの活用についてのアプリケーションノートをご参照ください。

Segment.ai適用画像
オリジナル画像

位相差画像の神経突起は、従来の二値化では正確に抽出できません。Segment.aiは手動でトレースした神経突起を学習し、対象を認識することが可能です。

創薬研究における人工知能の活用

画像をもとにしたアッセイの大きな利点の一つは情報量の多さです。これまでは得られた情報の一部しか活用されていませんでした。人工知能(AI)、特に人工ニューラルネットワーク(ANN)を使用したディープラーニング(DL)により、画像の特徴間のより深い相関関係を推測し、形態と表現型を特性評価することが可能になります。このような解析手法は「細胞プロファイリング」あるいは「画像に基づいたプロファイリング」と呼ばれ、非常に活発に開発が進んでいる分野です。

プロファイリングの他にも、ディープラーニングを使用して、画像解析の時間短縮や改善が可能です。ニコンは、NIS-Elementsソフトウェアで使用できるソフトウェアモジュールNIS.aiとして、ディープラーニングにもとづいた信頼性の高い画像解析ツールを設計しています。たとえば、Segment.aiは、従来の方法では分離が困難だった画像の特徴を、自動的にセグメンテーションするように学習させることができます。

創薬に活用可能なその他のNIS.aiモジュールにはConvert.aiがあります。Convert.aiは、明視野などの透過光画像のみを参照データとして、蛍光画像の特徴を予測するように学習させることができます。これは、蛍光標識による細胞毒性と、蛍光イメージングに使用する強い励起光による光毒性の、両方を低減することができます。また、Enhance.aiでは、ノイズの多い画像データから、高S/N比の画像を予測するように学習させることが可能です。このモジュールを活用することで、励起光の強度を下げ、光毒性を低減することができます。

オルガノイドなどの大きなサンプルのハイスループット蛍光イメージングでは、蛍光画像から”ぼけ光”を自動的に除去するように学習済みのClarify.aiが有用です。このモジュールを活用することで、蛍光イメージングの速度のまま、共焦点システムを使用することなく光学セクショニング効果を得ることができます。

ニコン受託研究サービスの概要

前臨床創薬研究のためのニコン受託イメージングサービス

Nikon BioImaging Lab(NBIL)は、地域のバイオテクノロジー・研究コミュニティに対して受託研究サービスを提供しています。現在、米国マサチューセッツ州ケンブリッジにNBIL -Cambridge-、オランダのライデンにNBIL -Leiden-、日本の神奈川県藤沢市にNBIL -Shonan-と世界3カ所に拠点があります。これらのラボは、バイオファーマ研究分野の顧客をサポートする豊富な経験を有し、現在創薬に利用されているオルガノイドやオーガンチップ(臓器チップ、OoC)モデルを含む3D細胞培養システムの共焦点イメージングを行っています。

Nikon BioImaging Labに関する、詳細な情報やサービスの内容については、お気軽にお問い合わせください。

用語解説

サンプル収納数
自動実験で使用するサンプルローダー/格納庫に収容可能な、容器やウェルプレート、スライドの最大数です。「容器/スライドの種類」の項目を参照してください。
フォーカス補正
自動画像取得中には、さまざまな要因によってフォーカスがずれるおそれがあるため、焦点を確実に維持することがハイスループットイメージングには特に重要です。ニコンのパーフェクトフォーカスシステムを使用すると、ユーザーが設定した観察面に焦点を維持し続けることが可能になります。また、オートフォーカス機能はZ方向のスキャンを行うことで、コントラスト/シャープネスが最適な面で焦点を維持します。
容器/スライドの種類
BioPipeline LIVEやBioPipeline PLATEは、倒立顕微鏡をベースとしているため、マルチウェルプレートなどのチャンバー培養容器のイメージングに適しています。これらの容器の底は光学品質の材質である必要があります。またBioPipeline SLIDEは、スライドガラスをイメージングするため、正立顕微鏡をベースとしています。
自動サンプル交換
インキュベーターやサンプルローダー/格納庫と顕微鏡ステージとの間でサンプル容器やスライドを自動交換します。
観察方法
ハイスループットイメージングは、位相差などの透過光観察のほか、落射蛍光や共焦点などの蛍光観察でも可能です。
長時間ライブイメージング
イメージングエリアと容器格納エリアの環境が制御できるものが理想的なシステムです。一般的な培養パラメーターは、温度、湿度、CO2 濃度などです