特開 2024-161632 細胞群の運動特性を評価するためのシステム、方法、及びプログラム、これらに用いられる装置、並びに薬剤有効性評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024161632

(43)【公開日】2024-11-20

(54)【発明の名称】細胞群の運動特性を評価するためのシステム、方法、及びプログラム、これらに用いられる装置、並びに薬剤有効性評価方法

(51)【国際特許分類】

   C12Q 1/06 20060101AFI20241113BHJP

   C12M 1/34 20060101ALI20241113BHJP

   C12N 5/077 20100101ALN20241113BHJP

【ＦＩ】

C12Q1/06

C12M1/34 D

C12N5/077

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021150207

(22)【出願日】2021-09-15

(71)【出願人】

【識別番号】515135778

【氏名又は名称】株式会社幹細胞＆デバイス研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100152331

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 拓

(72)【発明者】

【氏名】河原 紀之

【テーマコード（参考）】

4B029

4B063

4B065

【Ｆターム（参考）】

4B029AA07

4B029BB11

4B029CC02

4B029DG10

4B029FA15

4B029GB06

4B063QA05

4B063QQ08

4B063QX01

4B065AA90X

4B065AC20

4B065BC41

4B065BC50

4B065CA46

(57)【要約】

【課題】３次元培養した細胞群の運動特性を評価するための新規なシステム、方法、及びプログラム、並びにこれらに用いられる装置を提供すること。
【解決手段】細胞群２１を保持するための１対の柱状の細胞支持体と、前記１対の細胞支持体に跨って形成されている細胞群２１の運動特性を測定する細胞群測定装置３と、を含み、前記細胞群測定装置３は、前記１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部３１と、取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部と、前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部と、を含む、細胞群の運動特性を評価するためのシステム１。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

細胞群を保持するための１対の柱状の細胞支持体と、
前記１対の細胞支持体に跨って形成されている細胞群の運動特性を測定する細胞群測定装置と、を含み、
前記細胞群測定装置は、
前記１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部と、
取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部と、
前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部と、を含む、
細胞群の運動特性を評価するためのシステム。

【請求項2】

前記計測部は、前記撮像データにおける前記細胞支持体の変位方向を設定し、前記細胞支持体の前記変位方向の１次元座標を、少なくとも前記初期状態、及び前記初期状態よりも後の第２の状態において取得し、前記初期状態での座標を基準として前記第２の状態での座標の変化量を前記細胞支持体の変位量として出力する、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記計測部は、前記細胞支持体の前記変位方向の１次元座標を取得するための矩形状の解析領域であって、設定された前記変位方向に対して平行な辺と垂直な辺とを有する解析領域を、前記細胞支持体の縁部の少なくとも一部を含むように設定し、設定された前記解析領域において前記変位方向とは反対側の一辺から前記細胞支持体の前記縁部までの距離の平均値を算出し、算出された平均値を前記細胞支持体の前記変位方向の１次元座標として出力する、
請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記細胞群測定装置は、前記細胞群の運動特性に関する情報を時間の関数として出力する出力部をさらに含む、
請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項5】

前記細胞群の運動特性に関する情報が、前記細胞群の収縮力を含む、
請求項１～４のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項6】

前記１対の細胞支持体に跨って形成されている細胞群に電気的刺激を与えるための１対の電極をさらに備える、
請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項7】

１対の柱状の細胞支持体に跨って形成されている細胞群を準備する工程と、
前記１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する工程と、
取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する工程と、
前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する工程と、
を含む、
細胞群の運動特性を評価する方法。

【請求項8】

１対の細胞支持体であって、細胞群がそれらに跨って形成されている１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部と、
取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部と、
前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部と、
を含む、
細胞群の運動特性を測定する細胞群測定装置。

【請求項9】

細胞群測定装置及びこれに備えられたコンピュータを、
１対の細胞支持体であって、細胞群がそれらに跨って形成されている１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部；
取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部；及び、
前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部；
として機能させる、
細胞群の運動特性を測定するためのプログラム。

【請求項10】

被験物質を前記細胞群と共存させて前記撮像データを取得することにより、前記被験物質についての前記細胞群の運動特性に与える影響に関する情報を取得する、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。

【請求項11】

前記被験物質についての情報が、前記被験物質の毒性に関する情報である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記細胞群が、筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する筋芽細胞及び筋細胞の少なくとも１種を用いて作製される細胞群であり、
被験物質を共存させて前記細胞群の運動特性を測定することにより、前記疾患に対する被験物質の有効性を評価する、請求項１０に記載のシステム。

【請求項13】

前記疾患が、心筋又は骨格筋が関与する疾患である、請求項１２に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、細胞群の運動特性を評価するためのシステム、方法、及びプログラム、これらに用いられる装置、並びに薬剤有効性評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

創薬及び再生医療のような分野において、細胞群の運動特性を評価又は測定するという要求がある。例えば再生医療の分野においては、培養して作製した細胞群が運動機能を獲得しているかどうかを評価するために運動特性が測定される。また、創薬の分野においては、筋疾患及び心疾患等の筋肉が関与する疾患に有効な医薬を探索するために、細胞群、特に筋組織に医薬を接触させながら当該筋組織の運動特性を評価することが行われる。
細胞群の運動特性を評価又は測定する方法としては、細胞群の膜電位等を測定する方法、及び細胞群の動きを撮影又は観察する方法等が知られている。

【0003】

例えば特許文献１には、心筋細胞の評価方法であって、心筋細胞の撮像画像を構成する複数の部分領域ごとに、前記心筋細胞の動きを検出し、検出された前記心筋細胞の動きの動き量絶対値を算出し、算出された前記動き量絶対値の時間の経過に伴う波形変化を表し、前記心筋細胞の収縮と弛緩に対応した波形情報を表示するよう制御し、前記心筋細胞の収縮または弛緩波形のピークを検出する心筋細胞評価方法が開示されている。

【0004】

特許文献２には、分析対象物を経時的に撮像した分析対象動画像において、分析範囲を指定し、前記分析対象動画像において前記分析範囲の区画毎に動きベクトルを算出し、前記分析対象動画像における分析対象物の設定された軸方向に対する動きの情報として、前記軸方向から所定角度内の前記動きベクトル等から動き量を抽出し、前記分析範囲の区画毎に抽出された動き量を出力する画像処理方法が開示されている。

【0005】

特許文献３には、神経細胞を経時的に撮像した分析対象動画像において、動きの量の周波数特徴量を時間範囲毎に算出し、前記特徴量の時間変化を可視化して前記分析対象動画像に重畳させ、特徴量表示動画像を生成し、前記周波数特徴量は、周波数解析によって得られる平均強度、ピーク周波数又は平均パワー周波数である分析方法が開示されている。

【0006】

特許文献４には、所定の細胞足場上に培養された複数の収縮性細胞からなる収縮性細胞塊であって、個々の収縮性細胞の同期した収縮弛緩運動により一体として収縮弛緩運動する収縮性細胞塊の収縮弛緩運動特性を算出する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第６５０４４１７号

【特許文献2】特許第６６５８９２６号

【特許文献3】特許第６４９４９０３号

【特許文献4】国際公開第２０２１／６２８６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、上記特許文献１～４では２次元培養した細胞群の運動特性を評価しているが、筋組織等の生体内での状況をよりよく再現するために、３次元培養した細胞群の運動特性を評価又は測定するという要求がある。

【0009】

特許文献１～３に示されるように、２次元培養した細胞群の運動特性の評価では、細胞群自体の動きを検出し、当該検出された動きを画像解析手法により解析し細胞群の運動特性を取得することが主に行われている。
本発明者が鋭意検討した結果、３次元培養した細胞群の運動特性を測定する際に、細胞群自体の動きを検出することで細胞群の運動特性を測定しようとすると、細胞群の局所的な変形がノイズとなり、細胞群の全体的な運動の特性を精度良く得るのが困難であることがわかってきた。

【0010】

そこで、本発明は、３次元培養した細胞群の運動特性を評価するための新規なシステム、方法、及びプログラム、並びにこれらに用いられる装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一実施形態に係る細胞群の運動特性を評価するためのシステムは、細胞群を保持するための１対の柱状の細胞支持体と、前記１対の細胞支持体に跨って形成されている細胞群の運動特性を測定する細胞群測定装置と、を含み、前記細胞群測定装置は、前記１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部と、取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部と、前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部とを含む。

【0012】

この態様によれば、細胞群の運動特性に関する情報を算出する際に、撮像部が細胞群を直接観測するのではなく、細胞支持体を観測し、計測部が細胞支持体の変位量に基づいて細胞群の運動特性に関する情報を算出するため、細胞群の局所的な変形に影響されず、細胞群全体としての運動の運動特性に関する情報を取得することができる。これにより、１対の細胞支持体に跨って３次元的に形成された細胞群の運動特性を精度よく評価することができる。

【0013】

上記態様において、前記計測部は、前記撮像データにおける前記細胞支持体の変位方向を設定し、前記細胞支持体の前記変位方向の１次元座標を、少なくとも前記初期状態、及び前記初期状態よりも後の第２の状態において取得し、前記初期状態での座標を基準として前記第２の状態での座標の変化量を前記細胞支持体の変位量として出力してもよい。
この態様によれば、あらかじめ細胞支持体の変位方向を設定し、設定された変位方向に基づく変位量を細胞支持体の変位量として出力するため、特に細胞群の１次元的な収縮弛緩運動の評価に好適である。

【0014】

上記態様において、前記計測部は、前記細胞支持体の前記変位方向の１次元座標を取得するための矩形状の解析領域であって、設定された前記変位方向に対して平行な辺と垂直な辺とを有する解析領域を、前記細胞支持体の縁部の少なくとも一部を含むように設定し、設定された前記解析領域において前記変位方向とは反対側の一辺から前記細胞支持体の前記縁部までの距離の平均値を算出し、算出された平均値を前記細胞支持体の前記変位方向の１次元座標として出力してもよい。
この態様によれば、解析領域の一端から細胞支持体の縁部までの距離を測定するだけで細胞支持体の座標の取得をすることができ、細胞支持体の座標を一意に特定するための手段を細胞支持体に設けることなく、細胞支持体の座標を精度よく取得することができる。

【0015】

上記態様のいずれかにおいて、前記細胞群測定装置は、前記細胞群の運動特性に関する情報を時間の関数として出力する出力部をさらに含んでいてもよい。
この態様によれば、細胞群の運動特性を例えばリアルタイムで表示させることができたり、細胞群の運動特性に関する情報を時間の関数として出力しながら被験物質を細胞群と接触させて当該被験物質の細胞群の運動特性に与える影響を評価したりすることが好適にできる。

【0016】

上記態様のいずれかにおいて、前記細胞群の運動特性に関する情報が、前記細胞群の収縮力を含んでいてもよい。
この態様によれば、特に筋細胞を含む細胞群の運動特性の評価に好適である。

【0017】

上記態様のいずれかにおいて、前記１対の細胞支持体に跨って形成されている細胞群に電気的刺激を与えるための１対の電極をさらに備えてもよい。
この態様によれば、細胞群に対して外部からの電気的刺激を与えることで細胞群の運動を強制することができるため、細胞群の自発的な運動のみならず、外発的な刺激に対する運動特性を好適に評価することができる。

【0018】

本発明の一実施形態に係る細胞群の運動特性を測定する装置は、１対の細胞支持体であって、細胞群がそれらに跨って形成されている１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部と、取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部と、前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部と、を含む。

【0019】

本発明の一実施形態に係る細胞群の運動特性を測定するためのプログラムは、細胞群測定装置及びこれに備えられたコンピュータを、１対の細胞支持体であって、細胞群がそれらに跨って形成されている１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する撮像部；取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する計測部；及び、前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する運動特性算出部；として機能させる。

【0020】

本発明の一実施形態に係る細胞群の運動特性を評価する方法は、１対の柱状の細胞支持体に跨って形成されている細胞群を準備する工程と、前記１対の細胞支持体の少なくとも一方の少なくとも一部分を含む撮像データを取得する工程と、取得された前記撮像データを用いて、所定の初期状態からの前記細胞支持体の変位量を計測する工程と、前記細胞支持体の変位量に基づいて前記細胞群の運動特性に関する情報を算出する工程と、を含む。

【0021】

上記態様のいずれかにおいて、被験物質を前記細胞群と共存させて前記撮像データを取得することにより、前記被験物質についての前記細胞群の運動特性に与える影響に関する情報を取得してもよい。
この態様によれば、被験物質が細胞群の運動特性を活性化させるか、又は抑制するか等の情報を取得することができ得る。

【0022】

上記態様において、前記被験物質についての情報は前記被験物質の毒性に関する情報であってもよい。

【0023】

上記態様において、前記細胞群が、筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する筋芽細胞及び筋細胞の少なくとも１種を用いて作製される細胞群であり、被験物質を共存させて前記細胞群の運動特性を測定することにより、前記疾患に対する被験物質の有効性を評価してもよい。
この態様によれば、筋肉が関与する疾患の治療又は予防に有効な薬剤をスクリーニングすることができ、またその薬剤の毒性を評価することができ得る。

【0024】

上記態様において、前記疾患は心筋又は骨格筋が関与する疾患であってもよい。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、３次元培養した細胞群の運動特性を評価するための新規なシステム、方法、及びプログラム、並びにこれらに用いられる装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本実施形態の細胞群運動特性評価システムの構成の一例を示す図である。

【図2】本実施形態の細胞群測定デバイスの構成の一例を示す図である。

【図3】本実施形態の細胞群測定デバイスにおいて、細胞群を形成させた状況の一例を示す図である。

【図4】本実施形態の細胞群測定装置の物理的な構成の一例を示すブロック図である。

【図5】本実施形態の細胞群測定装置の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

【図6】本実施形態の細胞群運動特性評価方法の処理の一例を示すフローチャートである。

【図7】本実施形態の細胞群運動特性評価方法におけるステップＳ２の処理の一例を示すフローチャートである。

【図8】本実施形態の細胞群運動特性評価方法におけるステップＳ２３の処理の一例を示すフローチャートである。

【図9】本実施形態の細胞群運動特性評価方法におけるステップＳ２３の処理により得られる解析画像の一例を示す図である。

【図10】本実施形態の細胞群運動特性評価システムにより出力されるデータの一例を示す図である。

【図11】本実施形態の薬剤有効性評価方法により得られ得るデータの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」という。）について詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。図面は模式的なものであり、必ずしも実際の寸法や比率等とは一致しない。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。

【0028】

［本実施形態］
以下、本実施形態の細胞群運動特性評価システム、細胞群運動特性評価方法、細胞群測定装置、及び細胞群運動特性評価プログラム等について、説明する。

【0029】

（細胞群運動特性評価システム及び方法の概要）
図１は、本実施形態の細胞群運動特性評価システムの一例を示す概念図である。図１に示すように、細胞群運動特性評価システム１は、測定対象の細胞群２１と、細胞群２１の運動特性を測定及び評価するための細胞群測定装置３とを含む。図１に示される細胞群測定デバイス２は、細胞群２１を含む。

【0030】

細胞群測定装置３は、撮像部３１と記憶部３２と撮像データ解析部３３とを含む。撮像部３１は細胞群測定デバイス２における細胞群２１を撮像して撮像データを取得する。撮像データは複数のフレームを含む動画又は複数の画像である。記憶部３２は、例えば撮像部３１が所得した撮像データを一時的に記憶する。撮像データ解析部３３は、記憶部３２に記憶された撮像データを解析して、細胞群２１の運動特性を算出し、出力する。

【0031】

（細胞群測定デバイス）
図２は、細胞群測定デバイス２の一例を示す図である。図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に細胞群測定デバイス２の平面図、正面図、斜視図、及びＡ－Ａ断面図をそれぞれ示す。
細胞群測定デバイス２は、細胞群を保持するための１対の細胞支持体２２と、細胞培養液等を収容するための収容部２３とを含む。収容部２３には、２つの細胞支持体２２の周囲及びそれらを連結する部分において空洞部２４が形成されている。空洞部２４は、１対の細胞支持体２２に細胞群を形成することを補助する役割、及び形成された細胞群を培養液中に浸漬する役割等を有する。
細胞支持体２２は、収容部２３から延出する柱状部２２１及び柱状部２２１に連結されているディスク部２２２を含む。

【0032】

図３は、細胞群測定デバイス２に細胞群２１を形成した状況の一例を示す図である。図３の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に細胞群測定デバイス２の平面図、Ａ－Ａ断面図、及び細胞支持体２２の拡大平面図をそれぞれ示す。
細胞群２１は、１対の細胞支持体２２に跨って、柱状部２２１において形成されている。図３（ｃ）に示すように、細胞群測定デバイス２を上面から観察すると、ディスク部２２２が透明又は半透明の部材である場合、細胞群２１が透過して観察される。

【0033】

細胞群運動特性評価システム１において、１対の細胞支持体２２には図３のように細胞群２１が形成され、細胞群２１の運動（例えば収縮弛緩運動）特性は、細胞支持体２２の動きを検出することで測定される。したがって、１対の細胞支持体２２の少なくとも一方は、細胞群２１の動きに応じて可動なように構成されている。例えば、細胞支持体２２の少なくとも一方は、柱状部２２１が変形可能な材料により構成されていてよい。特に、細胞支持体２２の少なくとも一方の柱状部２２１は弾性体であることが好ましい。
１対の細胞支持体２２の両方が細胞群２１の動きに応じて可動なように構成されていてよく、いずれか一方が細胞群２１の動きに応じて可動なように構成され、他方が固定されていてよい。

【0034】

細胞群２１の動きに応じて可動なように構成されている細胞支持体２２の機械特性は、形成されている細胞群２１の運動特性に応じて調整すればよい。例えば細胞群２１の収縮弛緩運動に応じてディスク部２２２が細胞群２１の運動方向（すなわち、柱状部２２１の長さ方向に対して垂直な方向）に対して０．１μｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲で運動するような機械特性であってよい。そのような機械特性としては、細胞群２１が形成される部分において柱状部２２１の長さ方向に対してほぼ垂直に応力を印加した際のバネ定数が挙げられる。当該バネ定数の好適な範囲は、例えば０．３０μＮ／μｍ以上１．０μＮ／μｍ以下である。

【0035】

細胞支持体２２及び収容部２３は、同一又は互いに異なる材料により構成されていてよい。また、２つの細胞支持体２２は、同一又は互いに異なる材料により構成されていてよい。各細胞支持体２２において、柱状部２２１及びディスク部２２２も同一又は互いに異なる材料により構成されていてよい。
収容部２３を構成する材料は特に限定されず、金属、セラミック、ポリマー、ガラス、及びゴム等の種々の材料を含んでいてよい。収容部２３は、製造が容易である観点からポリマー又はゴムであると好ましい。

【0036】

細胞群２１の動きに応じて可動なように構成されている細胞支持体２２は、柱状部２２１が例えばポリマー及び／又はゴムで構成されていることが好ましい。ここで、好適なポリマーとしてはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が挙げられる。
固定されている細胞支持体２２は、柱状部２２１が例えば金属、セラミック、ポリマー、又はガラスで構成されていることが好ましい。

【0037】

ディスク部２２２を構成する材料は特に限定されず、金属、セラミック、ポリマー、ガラス、及びゴム等の種々の材料を含んでいてよい。ディスク部２２２は、製造が容易である観点から柱状部２２１と同じ材料により構成され、柱状部２２１と一体化していることが好ましい。

【0038】

細胞群２１は自発的に及び／又は外発的に運動する性質を有している限り特に限定されない。細胞群２１は、例えば収縮弛緩運動をし得る細胞を含む。細胞群２１は、例えば筋細胞及び／又は筋芽細胞を含む。
細胞群２１に含まれる筋細胞としては、特に限定されず、例えば骨格筋細胞、心筋細胞、及び平滑筋細胞であってよい。筋細胞は、随意筋細胞であってよく、不随意筋細胞であってよい。筋細胞は、多能性幹細胞又は初代培養細胞に由来する筋細胞であってよく、株化細胞であってよい。

【0039】

初代培養細胞は、生体内において本来有する細胞機能を多く保持しているため、生体内における薬物等の影響を評価する系として好適に用いられる。多能性幹細胞は、特定の対象から所望の細胞を作製することができる点で、ヒトの筋細胞を評価する場合等に好適に用いられる。
初代培養細胞としては、哺乳類（例えばマウス及びラット等のげっ歯類、又はサル及びヒト等の霊長類等）の筋組織由来の細胞が挙げられる。
初代培養細胞を調製及び培養するに際し、動物の解剖方法、組織の採取方法、細胞の分離・単離方法、培養培地、及び培養条件等は、培養する細胞の種類に応じて、公知の方法から選択することができる。
多能性幹細胞としては、例えば、胚性幹細胞（ＥＳ細胞）、及びｉＰＳ細胞が挙げられる。公知の分化誘導方法を用いて、多能性幹細胞を分化誘導することにより、様々なタイプの筋細胞を得ることができる。ｉＰＳ細胞としては、ヒトｉＰＳ細胞が好ましい。

【0040】

細胞支持体２２に跨って形成されている細胞群２１は、例えば２本の柱状部２２１の少なくとも一部を囲うように細胞とヒドロゲルとを含む培養培地を配置し、その後当該ヒドロゲルを固化させることで形成すればよい。より具体的には、空洞部２４に細胞とヒドロゲルとを含む培養培地を播種した後、例えば３７℃程度に加熱することでヒドロゲルを固化させることで形成すればよい。

【0041】

後述する細胞群の運動特性の測定方法のステップＳ２（図６を参照。）において、撮像データの各フレームから細胞支持体の座標を取得することが容易になる観点から、ディスク部２２２が透明又は半透明な材料で構成される場合、ディスク部を上面から観察したときに、ディスク部２２２の縁部（エッジ）の少なくとも一部分が、透過して観察される細胞群２１と被っていないことが好ましい。

【0042】

（細胞群測定装置）
細胞群測定装置３は、細胞群測定デバイス２の撮像データを取得し、細胞群２１の運動特性に関する情報を出力する。細胞群測定デバイス２の撮像データは、細胞群２１の運動に対応する細胞支持体２２の動きを検出できる限り、細胞群測定デバイス２の側面からの撮像データ、及び上面からの撮像データのいずれでもあってよい。以下、細胞群測定デバイス２の上面からの撮像データを取得する場合について説明するが、側面からの撮像データを取得する場合の説明も同様である。

【0043】

図４は、細胞群測定装置３の物理的な構成の一例を示すブロック図である。図４に示す細胞群測定装置３は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４１、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）４２、ストレージ４３、ＣＰＵ（中央処理装置）４４、入力部４５、及び表示部４６、並びにこれらを接続するシステムバス４７を有する。

【0044】

ＲＡＭ４１は、データの書き換えが可能なメモリであり、メインメモリとしての役割を果たす。ＲＡＭ４１は、例えば半導体記憶素子で構成され、ＣＰＵ４４が実行するアプリケーション等のプログラム及び各種データを記憶する。

【0045】

ＲＯＭ４２は、データの読み出しのみが可能なメモリであり、例えば半導体記憶素子で構成される。ＲＯＭ４２は、例えばファームウェア等のプログラム及びデータを記憶する。

【0046】

ストレージ４３は、データの書き換えが可能なメモリであり、補助メモリとしての役割を果たす。ストレージ４３は、例えば半導体記憶素子、光学ディスク、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）、又は磁気テープで構成され、プログラムや各種データを格納する。

【0047】

ＣＰＵ４４は、ＲＡＭ４１及び／又はＲＯＭ４２に記憶されたプログラムの実行に関する制御、並びにデータの演算及び加工を行う制御部である。細胞群測定装置３は、ＣＰＵ４４の制御の下、各種細胞群の運動特性の測定に関する機能を実現する。ＣＰＵ４４は、入力部４５から入力された情報を受け取り、入力情報の演算結果を表示部４６に表示したり、ＲＡＭ４１及びストレージ４３等の各種記憶装置に格納したりする。

【0048】

入力部４５は、細胞群測定装置３に対する入力を受け付ける部分であり、例えばカメラ及びビデオ等の撮像データ取得手段、並びにユーザからの入力を受け付けるためのキーボード、マウス、マイク、及び／又はタッチパネルを含む。撮像データ取得手段としては、例えば顕微鏡及び顕微鏡に取り付けられたカメラであってよい。

【0049】

表示部４６は、ＣＰＵ４４による演算結果を視覚的に表示する部分であり、例えば液晶ディスプレイ又は有機ＥＬディスプレイにより構成される。

【0050】

細胞群測定装置３では、ＣＰＵ４４が細胞群運動特性評価プログラムを実行することにより、図５を用いて説明する種々の機能が実現される。なお、これらの物理的な構成は例示であって、必ずしも独立した構成でなくてもよい。例えば、細胞群測定装置３は、ＣＰＵ４４とＲＡＭ４１、ＲＯＭ４２及び／又はストレージ４３が一体化したＬＳＩ（Large-Scale Integration）を備えていてもよい。

【0051】

図５は、細胞群測定装置３の機能構成の一例を示すブロック図である。図５に示す細胞群測定装置３は、撮像部３１、記憶部３２、撮像データ解析部３３、及び出力部３４を有する。

【0052】

撮像部３１は、例えばＲＡＭ４１、ＣＰＵ４４、入力部４５、及びＲＯＭ４２又はストレージ４３に記憶されている細胞群運動特性評価プログラムにより実現され得る。撮像部３１は、ＣＰＵ４４の制御により例えば顕微鏡を介して細胞群測定デバイス２の撮像データ（拡大動画又は画像）を取得する。撮像部３１は取得した撮像データを記憶部３２、撮像データ解析部３３、及び出力部３４に出力する。

【0053】

ＣＰＵ４４は、取得される撮像データに細胞群測定デバイス２の細胞支持体２２の少なくとも一部が含まれるように撮像部３１を制御する。取得された撮像データには、２以上のフレームを含む動画又は複数の画像が含まれる。以下、動画に含まれる各フレーム、及び一連の複数の画像に含まれる各画像を総称して撮像データの「各フレーム」という。
撮像データ解析部３３が撮像データから細胞支持体２２の座標を抽出することを容易にするために、撮像部３１は固定されていて、細胞群２１及び細胞支持体２２の動きを追尾しないように設定されていることが好ましい。

【0054】

記憶部３２は、例えばＲＡＭ４１、ＲＯＭ４２、及びストレージ４３により実現され得る。記憶部３２は、撮像部３１から撮像データを取得し、記憶する。また、撮像データ解析部３３が解析した細胞群の運動特性に関する情報を記憶する。記憶部３２は記憶したデータを撮像データ解析部３３及び出力部３４に出力する。

【0055】

撮像データ解析部３３は、例えばＲＡＭ４１、ＣＰＵ４４、ＲＯＭ４２、ストレージ４３、及び入力部４５により実現され得る。撮像データ解析部３３は、撮像部３１から撮像データを取得し、又は記憶部３２に記憶された撮像データを取得し、かかる撮像データを解析する。具体的には、必要に応じて入力部４５により入力されたパラメータ等を参照しながら、撮像データから細胞群の運動特性に関する情報を抽出する。

【0056】

図５において、撮像データ解析部３３は計測部３３１及び運動特性算出部３３２を含む。
計測部３３１は、取得した撮像データの各フレームにおいて細胞支持体２２の座標を取得し、所定の初期状態からの変位量を計測する。初期状態は、ユーザが入力部４５から指定してもよいし、細胞群運動特性評価プログラムが自動で指定してもよい。初期状態は、細胞群２１が細胞支持体２２に応力を印加せず、すなわち、細胞群２１が収縮していない状態であってよい。
運動特性算出部３３２は、計測部３３１が計測した各フレームにおける細胞支持体２２の変位を統合して細胞群２１の運動特性に関する情報を算出する。細胞群２１の運動特性に関する情報としては、細胞群の寸法変化（すなわち収縮弛緩変位量）、収縮力、収縮弛緩振幅、及び収縮弛緩周期が挙げられる。これらの情報は時間の関数として算出されてもよい。

【0057】

図６～９を用いて、撮像データ解析部３３における撮像データ解析手段について説明する。
図６は細胞群測定装置３の処理の一例を示すフローチャートである。
細胞群測定装置３は、はじめに撮像部３１により細胞群測定デバイス２の撮像データを取得する（ステップＳ１）。

【0058】

次に撮像部３１は、直接又は記憶部３２に一度記憶させてから撮像データ解析部３３に撮像データを出力する。撮像データ解析部３３は、計測部３３１において撮像データの各フレームにおける細胞支持体２２の座標を取得する（ステップＳ２）。細胞支持体２２の座標を取得する手段としては、例えば細胞支持体２２のディスク部２２２の上面に座標取得用の目印をつけておき、当該目印を計測部３３１に認識させる手段であってよい。そのような目印としては、例えばディスク部２２２とは異なる色の部分、又はディスク部２２２の上面から突出する突起状の部分であってよい。

【0059】

取得される細胞支持体２２の座標としては、例えば撮像データにおける細胞支持体２２の変位方向の１次元座標であってよい。細胞支持体２２の変位方向とは、細胞群２１が収縮弛緩運動等の運動をすることによって細胞支持体２２が変位する方向であり、典型的には一方の細胞支持体からもう一方の細胞支持体に向かう方向である。細胞支持体２２の変位方向の１次元座標とは、細胞支持体２２の変位方向を正として当該方向に延伸する軸において定められる座標を意味する。当該軸の原点は特に限定されず、例えばユーザが任意に設定することができる。軸の原点は、設定された初期状態における細胞支持体２２の座標であってよい。

【0060】

なお、上記では撮像データの各フレームにおいて細胞支持体２２の座標を取得しているが、全てのフレームにおいて座標を取得する必要はなく、少なくとも２つのフレームにおいて座標を取得すればよい。以下、同様に、撮像データの各フレームにおいて処理を行うことを前提として細胞群測定装置３の処理の流れを説明するが、少なくとも２つのフレームにおいて処理を行えばよい。

【0061】

次に、計測部３３１は、各フレームにおいてステップＳ２で取得した細胞支持体２２の座標を、所定の初期状態からの変化量（すなわち細胞支持体２２の変位量）に変換する（ステップＳ３）。初期状態の設定をユーザがする場合は、ステップＳ１又はＳ２の後に初期状態とする１のフレームを選択させればよい。ユーザは入力部４５から初期状態とするフレームを決定し、撮像データ解析部３３に入力する。

【0062】

細胞支持体２２の座標を、所定の初期状態からの変位量に変換する手段としては特に限定されないが、最も単純には初期状態に設定したフレームにおける細胞支持体２２の座標を原点として、各フレームにおける細胞支持体２２の座標を変換すればよい。例えば、第１のフレームを初期状態とした場合、第１のフレームにおける細胞支持体２２の座標がＸ（単位はピクセルやμｍ等であってよい。）であり、第２のフレームにおける細胞支持体２２の座標がＹであるとき、第２のフレームにおける細胞支持体２２の変位量はＹ－Ｘと算出できる。

【0063】

次に、計測部３３１は運動特性算出部３３２に各フレームにおける細胞支持体２２の変位量を出力し、運動特性算出部３３２は当該変位量に基づいて細胞群２１の運動特性に関する情報を算出する（ステップＳ４）。運動特性算出部３３２は、例えば細胞支持体２２の変位量に基づいて各フレームにおける細胞群２１の寸法又は収縮弛緩変位量を算出する。例えば、１対の細胞支持体２２の初期状態における距離ｄがユーザにより入力部４５から与えられていれば、細胞支持体２２の変位量がＹ－Ｘであるフレームにおける細胞群２１の寸法はｄ－（Ｙ－Ｘ）と算出することができる。なお、ここでは変位方向を細胞群２１が収縮する方向とした。同様にして、細胞支持体２２の変位量から細胞群２１の収縮弛緩変位量を算出することができる。

【0064】

また、細胞支持体２２の細胞群２１が形成される部分において柱状部２２１の長さ方向に対してほぼ垂直に応力を印加した際のバネ定数をあらかじめ測定し、入力部４５から設定しておくことにより、細胞群２１の収縮弛緩変位量から収縮力を算出することができる。さらに、細胞群２１の収縮弛緩変位量及び／又は収縮力を各フレームにおいて算出すれば、各フレームに対応した時刻における収縮弛緩変位量及び／又は収縮力を求めることができ、すなわち、収縮弛緩変位量及び／又は収縮力を時間の関数として算出することができる。これにより、例えば収縮弛緩振幅、収縮力の最大値、及び収縮弛緩周期等の情報を取得することができる。

【0065】

細胞群測定装置３は、以上のようにして算出された細胞群２１の運動特性に関する情報を直接又は記憶部３２に一度記憶させてから出力部３４に出力する。出力部３４は当該運動特性に関する情報を細胞群測定装置３の外部に出力する（ステップＳ５）。出力部３４は例えば細胞群測定装置３に備え付けられたディスプレイに運動特性に関する情報を出力する。運動特性に関する情報は、各情報の配列として例えばｃｓｖデータとして出力されてもよいし、例えば各運動特性値と時刻とをプロットしたグラフとして出力されてもよい。

【0066】

図７は、計測部３３１が撮像データの各フレームにおける細胞支持体２２の座標を取得する上記のステップＳ２の別の一態様のフローチャートを示した図である。
この態様において、ステップＳ２は、図７に示すステップＳ２１～Ｓ２４を含む。

【0067】

計測部３３１は、はじめに撮像データにおける細胞支持体２２の変位方向を設定する（ステップＳ２１）。計測部３３１は、出力部３４においてユーザに変位方向を設定させるように促す表示をし、ユーザが入力部４５を用いて変位方向を設定してもよいし、あるいは機械学習又は深層学習等を用いて撮像データを解析することで変位方向を設定してもよい。

【0068】

次に計測部３３１は、当該変位方向に対して平行な辺と垂直な辺とを有する矩形を、細胞支持体２２の縁部の少なくとも一部を含むように、解析領域として設定する（ステップＳ２２）。ここでは解析領域が変位方向に対して平行な辺と垂直な辺とを有する態様を説明するが、ステップＳ２３及びステップＳ２４により細胞支持体２２の座標が取得できる態様であれば、平行四辺形等の任意の多角形、円形、楕円形等であってよい。

【0069】

次に計測部３３１は、設定された解析領域において、変位方向とは反対側の一辺から細胞支持体２２の縁部までの距離の平均値を算出する（ステップＳ２３）。ここで、平均値は、例えば相加平均値であってよい。ステップＳ２３は適当な画像解析手法を用いることにより実現され得る。
ステップＳ２３の処理の一例を図８及び９に示す。この態様において、ステップＳ２３は、図８に示すステップＳ２３１～Ｓ２３４を含む。図９は、ステップＳ２２～ステップＳ２３４における解析領域の処理の一例を表す。

【0070】

図９に示すように、計測部３３１は、ステップＳ２１で撮像データの各フレームにおいて変位方向を設定する。図９では、変位方向は左方向である。次に計測部３３１は、細胞支持体２２の縁部の少なくとも一部を含む所定の解析領域を設定する

【0071】

図８に戻って、計測部３３１は、その後各フレームにおいて、解析領域のスムージング・ノイズ除去を行い（ステップＳ２３１）、グレー化を行い（ステップＳ２３２）、白黒２値化を行う（ステップＳ２３３）。次いで、計測部３３１は白黒２値化をした解析領域において、変位方向とは反対側の一辺から細胞支持体２２の縁部までの距離の平均値を算出する（ステップＳ２３４）。図９に各ステップＳ２３１～２３４の処理後の解析領域の一例を示す。なお、上記ステップＳ２３１～２３３の各ステップは適宜省略してもよい。

【0072】

図７に戻って、計測部３３１は、ステップＳ２３で得られた距離の平均値に基づいて細胞支持体２２の座標を取得、出力する。（ステップＳ２４）。計測部３３１は、ステップＳ２３で得られた距離の平均値をそのまま細胞支持体２２の座標として出力してもよいし、何らかの演算処理（例えば加法又は減法により、ステップＳ２３で得られた距離の平均値を原点からの変位に変換する処理等。）をしてから細胞支持体２２の座標として出力してもよい。

【0073】

図５に戻って、出力部３４は、例えばＲＡＭ４１、ストレージ４３、ＣＰＵ４４、入力部４５、表示部４６、及びＲＯＭ４２又はストレージ４３に記憶されている細胞群運動特性評価プログラムにより実現され得る。出力部３４は、撮像部３１からの撮像データ、撮像データ解析部３３からの細胞群２１の運動特性に関する情報、又は記憶部３２に一時的に記憶されていた撮像データ若しくは細胞群２１の運動特性に関する情報を細胞群測定装置３の外部に出力する。例えば出力部３４は、上記の各種情報をユーザに向けて表示部４６に表示する。

【0074】

図１０に、出力部３４が表示する細胞群の運動特性に関する情報の一例を示す。図１０は、骨格筋細胞を含む細胞群の収縮弛緩変位量の時間変化のグラフを含む。また出力部３４は、収縮力の時間変化のグラフ、収縮弛緩振幅、及び収縮弛緩周期を表示してもよい。

【0075】

［変形例］
以上、本実施形態の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものではない。例えば、各構成及びステップの説明における例示及び／又は好ましい態様等（好ましい、より好ましい、更に好ましい、更により好ましい態様等。）は、特に言及がない限り、それぞれを任意に組み合わせて本実施形態とすることができる。例えば、各構成について、好ましい態様として記載されている構成と、好ましい態様として記載されている構成とを組み合わせてもよいし、好ましい態様等として記載されている構成と、より好ましい態様（あるいは更に好ましい態様等）として記載されている構成とを組み合わせてもよい。また、各構成及びステップは、本実施形態の効果を阻害しない限り、適宜省略することができる。

【0076】

例えば、細胞群測定装置３は、記憶部３２を有していなくてもよい。この態様では、撮像部３１で取得された撮像データは直接撮像データ解析部３３に入力され、撮像データ解析部３３で算出された細胞群の運動特性は直接出力部３４に出力される。

【0077】

また、細胞群測定デバイス２は、１対の細胞支持体２２に跨って形成されている細胞群２１に電気的刺激を与えるための１対の電極をさらに備えてもよい。この態様によれば、細胞群に対して外部からの電気的刺激を与えることで細胞群の運動を強制することができるため、細胞群の自発的な運動のみならず、外発的な運動に対する運動特性を好適に評価することができる。

【0078】

［用途］
本実施形態の細胞群運動特性評価システム及び細胞群運動特性評価方法によれば、細胞群、特に収縮弛緩運動をする細胞群及び／又は筋細胞を含む細胞群等の運動特性を評価することができる。また、本実施形態の細胞群運動特性評価システム及び細胞群運動特性評価方法は、細胞群の成熟度を評価するために使用され得る。本実施形態の細胞群運動特性評価システム及び細胞群運動特性評価方法は、筋肉が関与する疾患の病理の解明のために使用され得る。

【0079】

例えば少なくとも１種の遺伝子をノックイン又はノックアウトさせた対象に由来する細胞群の運動特性を評価することにより、筋肉が関与する疾患に関連する遺伝子を同定し得る。
あるいは、筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する細胞を含む細胞群の運動特性を評価することにより、筋肉が関与する疾患に関連する遺伝子を同定し得る。筋肉が関与する疾患を有する対象は、特に限定されず、例えば哺乳類（例えばマウス及びラット等のげっ歯類、又はサル及びヒト等の霊長類等）であってよく、好ましくはマウス、ラット又はヒトであり、より好ましくはヒトである。筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する細胞は、例えば疾患を有する対象に由来する多能性幹細胞から分化させた筋細胞であってよい。

【0080】

また、被験物質を共存させて細胞群の運動特性を測定することにより、被験物質についての細胞群の運動特性に与える影響に関する情報を取得し得る。かかる被験物質についての情報は、被験物質の毒性に関する情報であってよい。

【0081】

（薬剤の有効性等の評価方法）
本実施形態の細胞群運動特性評価システム及び細胞群運動特性評価方法において、被験物質を細胞群と共存させて撮像データを取得することにより、当該被験物質についての細胞群の運動特性に与える影響に関する情報を取得することができる。当該被験物質についての情報としては、例えば被験物質の毒性、及び特定の疾患に対する有効性等が挙げられる。

【0082】

図１１に、所定の被験物質を用いて細胞群の運動特性を測定する場合に得られ得る結果の模式図を示す。図１１に示すように、本実施形態の細胞群運動特性評価システムは、被験物質を投与しない場合と、段階的に投与の最終濃度を増加させた場合について、細胞群の収縮力の時間変化をグラフとして表示し、比較することができ得る。

【0083】

本実施形態の細胞群運動特性評価システム及び細胞群運動特性評価方法において、細胞群として筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する細胞を含む細胞群を用い、被験物質を細胞群と共存させて撮像データを取得することにより、当該疾患に対して有効となる薬剤をスクリーニングすることができる。
当該疾患としては、例えば心筋又は骨格筋が関与する疾患であり、心疾患又は筋疾患である。また、当該疾患は、遺伝性疾患であってよい。
筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する細胞は、例えば当該疾患を有する対象に由来する多能性幹細胞から分化した細胞であってよく、そのような細胞を含む細胞群は、例えば該疾患を有する対象に由来する多能性幹細胞から作製される筋芽細胞及び／又は筋細胞を培養して得ることができ得る。

【0084】

本実施形態の薬剤の有効性を評価する方法の一態様は、筋肉が関与する疾患を有する対象に由来する多能性幹細胞から筋芽細胞及び筋細胞の少なくとも１種を作製する工程と、筋芽細胞及び筋細胞の少なくとも１種を培養して、１対の細胞支持体に跨って形成されている細胞群を得る工程と、薬剤と細胞群とを接触させる工程と、当該接触の前後において細胞群の運動特性を評価する工程と、を含む。このような態様によれば、対象とする疾患に有効な薬剤をスクリーニングすることができ、また当該薬剤の毒性を評価することができる。

【0085】

薬剤の有効性は、例えば薬剤との接触前後における細胞群の運動特性を統計的手法により解析し、薬剤の効果の有意性を評価することで行ってよい。薬剤の有効性を評価する方法は、複数の薬剤について細胞群の運動特性の改善の程度を評価し、細胞群の運動特性を改善させた薬剤を選択するか、疾患の治療又は予防に有効であると予測される薬剤を選択する工程を含んでいてよい。

【符号の説明】

【0086】

１…細胞群運動特性評価システム、２…細胞群測定デバイス、３…細胞群測定装置、２１…細胞群、２２…細胞支持体、２３…収容部、２４…空洞部、３１…撮像部、３２…記憶部、３３…撮像データ解析部、３４…出力部、４１…ＲＡＭ、４２…ＲＯＭ、４３…ストレージ、４４…ＣＰＵ、４５…入力部、４６…表示部、４７…システムバス、２２１…柱状部、２２２…ディスク部、３３１…計測部、３３２…運動特性算出部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】