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特表2024-516205分析対象物質の生理学的状態をＮＭＲ分析するためのシステム及び方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-04-12
(54)【発明の名称】分析対象物質の生理学的状態をＮＭＲ分析するためのシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
G01N 24/08 20060101AFI20240405BHJP
C12M 1/42 20060101ALI20240405BHJP
C12M 1/00 20060101ALI20240405BHJP
G01N 24/12 20060101ALI20240405BHJP
【ＦＩ】
G01N24/08 510Q
C12M1/42
C12M1/00 A
G01N24/12 510L
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023565504
(86)(22)【出願日】2022-04-25
(85)【翻訳文提出日】2023-11-13
(86)【国際出願番号】 EP2022060911
(87)【国際公開番号】W WO2022229107
(87)【国際公開日】2022-11-03
(31)【優先権主張番号】21382358.6
(32)【優先日】2021-04-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518309079
【氏名又は名称】フンダシオ インスティテュート デ バイオエンジニエリア デ カタルーニャ
【氏名又は名称原語表記】ＦＵＮＤＡＣＩＯ ＩＮＳＴＩＴＵＴ ＤＥ ＢＩＯＥＮＧＩＮＹＥＲＩＡ ＤＥ ＣＡＴＡＬＵＮＹＡ
【住所又は居所原語表記】Ｃ／Ｂａｌｄｉｒｉ Ｒｅｉｘａｃ，１０－１２，０８０２８ Ｂａｒｃｅｌｏｎａ（ＥＳ）
(71)【出願人】
【識別番号】509135441
【氏名又は名称】インスティテューシオ カタラーナ デ レサーカ イ エストゥーディス アバンキャッツ
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】マルコ リウス，アイリーン
(72)【発明者】
【氏名】イエステ ロザーノ，ホセ
(72)【発明者】
【氏名】ヘレロ ゴメス，アルバ
(72)【発明者】
【氏名】アサグラ ロドリゲス，マルク
(72)【発明者】
【氏名】オルテガ マチューカ，マリア アレハンドラ
(72)【発明者】
【氏名】ラモン アスコン，ハビエル
【テーマコード（参考）】
4B029
【Ｆターム（参考）】
4B029AA07
4B029AA17
4B029BB11
4B029CC02
4B029CC10
4B029FA01
4B029FA15
4B029GA01
4B029GB06
4B029GB09
(57)【要約】
本開示は、分析対象物質の生理学的状態を分析するシステム及び方法に関する。特に、本開示は、超偏極（ＨＰ）及び磁気共鳴（ＭＲ）技術を使用し、分析対象物質の生理学的状態を分析するシステム、こうしたシステムの構成要素及び方法に関連する。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
超偏極（ＨＰ）核磁気共鳴を使用して少なくとも１種の分析対象物質の生理学的状態を決定するためのシステムであって、前記システムが、基剤を超偏極させるために構成された超偏極（ＨＰ）作製装置、
分析対象物質を含有するための試料マトリックス、
前記分析対象物質を含有する前記試料マトリックスを収容するように構造化された少なくとも１つの測定チャンバを備え、前記超偏極基剤を含む前記試料マトリックス中に収容された前記少なくとも１種の分析対象物質を注入するように構造化されているマイクロ流体デバイス、
前記超偏極基剤を含む少なくとも前記分析対象物質を収容するための標的領域を画定するハウジングと、少なくとも１つの磁石ユニットと、前記標的領域中の１つ以上の磁場勾配を使用中に適用するための少なくとも１つの磁気勾配ユニットと、前記標的領域に向けて１つ以上の高周波（ＲＦ）パルスセットを印加するための少なくとも１つのＲＦパルス生成ユニットと、信号を取得するためのＲＦ受信ユニットを少なくとも備える、ＮＭＲ装置、並びに
前記取得された信号を分析することで前記分析対象物質の前記生理学的状態を決定するためのコンピュータ処理ユニット、を備える、システム。
【請求項2】
前記超偏極（ＨＰ）作製装置が、例えば動的核偏極（ＤＮＰ）装置又はパラ水素誘導偏極（ＰＨＩＰ）装置といった超偏極装置である、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記少なくとも１つの測定チャンバが、前記測定チャンバにマトリックス灌流媒体を供給するためのマトリックス灌流供給ライン、前記測定チャンバに前記超偏極基剤を供給するための超偏極基剤供給ライン及びチャンバ出口ラインと流体連通しており、好ましくは前記超偏極基剤供給ラインが、前記測定チャンバの底壁に対して前記マトリックス灌流供給ラインの位置上部の位置に配置されている、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項4】
前記チャンバ出口ラインが、前記超偏極基剤供給ラインの位置よりも低い位置及び前記測定チャンバの前記底壁に対して前記マトリックス灌流供給ラインの位置よりも高い位置に位置づけられ、
好ましくは前記マトリックス灌流供給ラインが、
前記測定チャンバの前記底壁に位置づけられている、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記マイクロ流体デバイスが、前記ＮＭＲ装置に
収容されるときに、前記超偏極基剤を含む少なくとも前記分析対象物質を体温に維持するための温度制御ユニットを含む、
請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項6】
前記コンピュータ処理ユニットが、１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用し、少なくとも前記取得された信号を分析するように構造化されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項7】
前記機械学習アルゴリズムが、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークであり、前記コンピュータ処理ユニットが、
超偏極分析対象物質剤に含有されている分析対象物質の既知の生理学的状態についての
経時的な信号の訓練シーケンスを特徴とする、経時的な信号
のシーケンスを用いて、前記コンピュータ実装人工ニューラルネットワークを訓練することと、
超偏極分析対象物質剤に含有されている分析対象物質の未知の生理学的状態についての経時的な信号の少なくとも１つの試験シーケンスを特徴とする、入力信号のシーケンスを、前記コンピュータ実装人工ニューラルネットワークに適用することと、
適用された経時的な信号の各試験シーケンスを分析し、経時的な信号の各試験シーケンスについて、超偏極分析対象物質剤に含有されている分析対象物質の予測される生理学的状態を生成することと、を行うように構成された訓練ユニットを更に含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
請求項１～７のうちのいずれか一項に記載のシステムを使用して、超偏極基剤を含有する分析対象物質の生理学的状態を決定するための方法であって、
前記方法が、
ａ）試料マトリックスに少なくとも１種の分析対象物質を加えるステップと、
ｂ）超偏極基剤を含む前記少なくとも１種の分析対象物質を注入するステップと、
ｃ）前記ＮＭＲ装置の少なくとも１つの磁石ユニット及び少なくとも１つの磁気勾配ユニットを使用し、
前記超偏極基剤を含む前記分析対象物質に１つ以上の磁場勾配を印加するステップと、
ｄ）前記ＮＭＲ装置の少なくとも１つの高周波（ＲＦ）パルス生成ユニットを使用し、
前記標的領域に向けて１つ以上のＲＦパルスセットを印加するステップと、
ｅ）前記ＮＭＲ装置のＲＦ受信ユニットから、適用されている前記１つ以上のＲＦパルスセットに応答して、
経時的なＮＭＲ信号のシーケンスを受信するステップと、
ｆ）時間周波数変換により、
ＮＭＲ信号の前記シーケンスの１つ又は複数の時間周波数表現を生成するステップと、
ｇ）前記分析対象物質の生理学的状態を決定するための１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用して、
前記時間周波数表現を分析するステップと、を含む、方法。
【請求項9】
前記ステップｆ）の時間周波数変換が、フーリエ変換に代表されるが、これに限定されない群から選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記１つ以上の機械学習アルゴリズムが、人工ニューラルネットワーク、決定木、回帰モデル、ｋ近傍法モデル、部分的最小二乗回帰、サポートベクターマシン又はアルゴリズムを定義するために組み込まれたモデルのアンサンブルに代表されるが、これらに限定されない群から選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記機械学習アルゴリズムが、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークであり、
分析ステップｇ）が、
ｉ）超偏極基剤を含む分析対象物質の既知の生理学的状態についての、経時的なＮＭＲ信号の訓練シーケンスを特徴とする経時的なＮＭＲ信号のシーケンスを用いて、
前記コンピュータ実装人工ニューラルネットワークを訓練するステップ、
ｉｉ）超偏極基剤を含む分析対象物質の未知の生理学的状態についての、
経時的なＮＭＲ信号の少なくとも１つの試験シーケンスを特徴とする
ＮＭＲ入力信号のシーケンスを前記コンピュータ実装人工ニューラルネットワークに適用するステップ、
ｉｉｉ）適用された経時的なＮＭＲ信号の各試験シーケンスを分析し、経時的なＮＭＲ信号の各試験シーケンスについて、超偏極基剤を含む分析対象物質の予測される生理学的状態を生成するステップ、の後に発生する、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記受容ステップｂ）が、ｉｖ）超偏極（ＨＰ）作製装置で前記基剤を超偏極させるステップの後に発生する、
請求項８～１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
ステップｂ）の後ではあるが、ステップｃ）の前に、前記方法が、
ｂ１）前記超偏極基剤を含む前記分析対象物質を体温に維持するステップ
を更に含む、請求項９～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記試料マトリックスが、開気孔を含む３次元構築物として形成され、前記構築物が、カルボキシメチルセルロースナトリウムを少なくとも含むゲルである、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
前記ゲルが、０．５～５重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウム、特に１重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウムを少なくとも含み、かつ／又は前記ゲルが凍結保存に好適である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記試料マトリックスが、開気孔を含む３次元構築物として形成され、前記構築物が、カルボキシメチルセルロースナトリウムを少なくとも含むゲルである、請求項８～１３のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年４月２６日に出願された欧州特許出願第２１３８２３５８．６号の利益を主張するものである。
本出願は、２０２１年４月２６日に出願された欧州特許出願第２１３８２３５８．６号の利益を主張するものである。
【0002】
本開示は、分析対象物質の生理学的状態を分析するシステム及び方法に関する。特に、本開示は、超偏極（ｈｙｐｅｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ、ＨＰ）及び磁気共鳴（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、ＭＲ）技術を使用し、分析対象物質の生理学的状態を分析するシステム、こうしたシステムの構成要素及び方法に関連する。
【背景技術】
【0003】
動的核偏極（ｄｙｎａｍｉｃ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ、ＤＮＰ）などの超偏極強化磁気共鳴（ＭＲ）技術は、ＭＲ走査の感度を１０，０００倍超強化することが示されており、これにより様々な種類の試料及び分析対象物質でインサイチュ代謝分析を行うことが可能となる。
【0004】
標的又は分析対象物質の例としては、ヒト又は動物の器官及び組織の健常な細胞及び疾患細胞、ヒト又は動物細胞（又は細胞断片）、オルガノイド、ヒト又は動物及びすべての動物由来の体液、並びに植物由来の細胞及び流体が挙げられる。ヒトなどではあるがこれに限定されない動物、ラット、ウサギ、ブタ及びマウスなどの動物を指していることも理解されたい。
【0005】
従来の細胞培養方法は、実験動物又はヒト対象を使用することなく、細胞－細胞相互作用及び組織生理学を研究するための方法を提供してきたことから、長年価値があるものであった。従来の細胞培養が提示する主要な障害のうちの１つは、細胞の形態及び空間での形状である。細胞を培養物内で生存させるためには、細胞を底に付着させるように処理されている培養容器（フラスコ及びプレート）に播種されるが、これは特定の細胞型についてはその形態及び機能を変化させる。
【0006】
本開示の目的は、ＨＰ及びＭＲ技術を使用し、特に薬物毒性研究及び／又は臨床診断に好適である、３次元分析対象物質構成にて生理学的状態に関する代謝データのリアルタイム取得及び分析が可能である非侵襲的プラットフォームを開発することである。新規プラットフォームの非侵襲的性質は、従来のいくつかの方法では不可能な機能的ヒト特異薬物試験システムの開発を進める研究の可能性を提供する。
【0007】
本特許出願では、生理学的状態については、健康状態若しくは不健康（若しくは疾患）状態、及び標的／分析対象物質の健康から不健康（若しくは疾患）への遷移状態又は健康状態若しくは不健康（若しくは疾患）状態、及びすべてのヒト若しくは動物、又は標的若しくは分析対象物質を取得したヒト若しくは動物の健康から不健康（若しくは疾患）へのいずれかの遷移状態を意味する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
したがって、第１の主要な例では、超偏極（ＨＰ）核磁気共鳴（ＮＭＲ）を使用して少なくとも１種の分析対象物質の生理学的状態を決定するためのシステムが使用され、システムは、少なくとも以下の構成要素：
－基剤を超偏極させるために構成された超偏極（ＨＰ）作製装置であって、
分析対象物質を含有する試料マトリックスを収容するように構造化された少なくとも１つの測定チャンバを備え、超偏極基剤を含む、試料マトリックス中に収容された少なくとも１種の分析対象物質を注入するように構造化されているマイクロ流体デバイスである、超偏極（ＨＰ）作製装置、
－超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質を収容するための標的領域を画定するハウジングと、少なくとも１つの磁石ユニットと、標的領域中の１つ以上の磁場勾配を使用中に適用するための少なくとも１つの磁気勾配ユニットと、標的領域に向けて１つ以上の高周波（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＲＦ）パルスセットを印加するための少なくとも１つのＲＦパルス生成ユニットと、信号を取得するためのＲＦ受信ユニットを少なくとも備える、ＮＭＲ装置、並びに
－取得された信号を分析することで分析対象物質の生理学的状態を決定するためのコンピュータ処理ユニット、から構成されている。
－基剤を超偏極させるために構成された超偏極（ＨＰ）作製装置であって、
分析対象物質を含有する試料マトリックスを収容するように構造化された少なくとも１つの測定チャンバを備え、超偏極基剤を含む、試料マトリックス中に収容された少なくとも１種の分析対象物質を注入するように構造化されているマイクロ流体デバイスである、超偏極（ＨＰ）作製装置、
－超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質を収容するための標的領域を画定するハウジングと、少なくとも１つの磁石ユニットと、標的領域中の１つ以上の磁場勾配を使用中に適用するための少なくとも１つの磁気勾配ユニットと、標的領域に向けて１つ以上の高周波（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＲＦ）パルスセットを印加するための少なくとも１つのＲＦパルス生成ユニットと、信号を取得するためのＲＦ受信ユニットを少なくとも備える、ＮＭＲ装置、並びに
－取得された信号を分析することで分析対象物質の生理学的状態を決定するためのコンピュータ処理ユニット、から構成されている。
【0009】
本例では、非侵襲的手法でＨＰ及びＭＲ技術を使用して分析対象物質の生理学的状態に関する代謝データをリアルタイムで取得し、分析することが可能である、多様なプラットフォームが生成される。例えばこのプラットフォームを使用して、より高度な機能的ヒト特異薬物試験システムの開発を達成することができる。
【0010】
このプラットフォームの好ましい実施形態では、ＮＭＲ装置は、超偏極基剤を含有する試料マトリックス及び測定チャンバに収容された分析対象物質を含むマイクロ流体デバイスを標的領域に収容するように構造化されている。したがって、こうした実施形態により、バッチ式及びインライン式で超偏極基剤を含む同一又は異なる分析対象物質の複数の試料を処理し、かつ操作することが可能である、より標準化され、かつ再現性のある分析技術が実現可能となる。
【0011】
システムの更なる例では、超偏極（ＨＰ）作製装置は、動的核偏極（ＤＮＰ）装置又はパラ水素誘導偏極（ｐａｒａ－ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ、ＰＨＩＰ）装置であってもよい。システムの更なる例では、超偏極（ＨＰ）作製装置は、化学誘起動的核偏極（ｃｈｅｍｉｃａｌ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｎｕｃｌｅａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ、ＣＩＤＮＰ）装置、オーバーハウザーＤＮＰ（動的核偏極）装置、可逆交換による信号増幅（Ｓｉｇｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ Ｅｘｃｈａｎｇｅ、ＳＡＢＲＥ）装置又はスピン交換光ポンピング（Ｓｐｉｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｕｍｐｉｎｇ、ＳＥＯＰ）装置を含んでもよい。
【0012】
例では、基剤を超偏極させるように構造化された超偏極（ＨＰ）作製装置は、動的核偏極（ＤＮＰ）装置、パラ水素誘導偏極（ＰＨＩＰ）装置、化学誘起動的核偏極（ＣＩＤＮＰ）装置、オーバーハウザーＤＮＰ（動的核偏極）装置、可逆交換による信号増幅（ＳＡＢＲＥ）装置又はスピン交換光ポンピング（ＳＥＯＰ）装置などの装置を含んでもよいが、これらに限定されない。
【0013】
本明細書に記載の方法の例では、超偏極ステップは、ｄ－ＤＮＰ（溶解動的核偏極）、ＰＨＩＰ（パラ水素誘導偏極）、ＣＩＤＮＰ（化学誘起動的核偏極）、ＳＡＢＲＥ（可逆交換による信号増幅）及びＳＥＯＰ（スピン交換光ポンピング）などの超偏極方法を含んでもよいが、これらに限定されない。
【0014】
試験下の分析対象物質について生理学的に関連する細胞微小環境をエミュレートするため、少なくとも１つの測定チャンバは、測定チャンバにマトリックス灌流媒体を供給するためのマトリックス灌流供給ライン、測定チャンバに超偏極基剤を供給するための超偏極基剤供給ライン及びチャンバ出口ラインと流体連通している。マイクロ流体デバイスのこうした構成によって、分析対象物質（例えば細胞）の適切な環境が保証される。測定チャンバは、温度及びガス組成について安定した環境を維持するケージインキュベーションエンクロージャとして機能し、本開示による方法を実施するために必要な滅菌条件を提供する。
【0015】
特に、超偏極剤供給ラインは、測定チャンバの底壁に対して、マトリックス灌流供給ラインの位置上部の位置に配置され、チャンバ出口ラインは、超偏極基剤供給ラインの位置よりも低い位置及び測定チャンバの底壁に対してマトリックス灌流供給ラインの位置よりも高い位置に配置されている。好ましくは、マトリックス灌流供給ラインは測定チャンバの底壁に位置づけられている。
【0016】
したがって、測定チャンバを通るマトリックス灌流媒体（培地）の連続流れだけではなく、分析される分析対象物質のための超偏極基剤の注入も可能になる。
【0017】
好ましくは、マイクロ流体デバイスは、ＮＭＲ装置に収容されているときに、超偏極基剤を含む分析対象物質を体温に維持するための温度制御ユニットを含む。こうすることで、ヒト又は動物の体を模倣する最適な測定条件が実現され、これが維持される。特定の例では、温度制御ユニットは水循環回路を含む。
【0018】
好ましい例では、バッチ式及びインライン式で超偏極基剤を含む同一又は異なる分析対象物質の複数の試料を処理し、かつ操作することが可能である、標準化され、かつ再現性のある分析技術を確立するために、マイクロ流体デバイスは、各測定チャンバが超偏極剤供給ラインと流体接続状態にある複数の測定チャンバを備える。こうすることで、分析対象物質（を含む試料マトリックス）を含有するすべての測定チャンバは、同量の超偏極基剤を受容することが可能となる。
【0019】
本開示によれば、システムは、分析対象物質の生理学的状態に関する代謝データのリアルタイム取得及び分析を目的としている。こうした大容量のデータをリアルタイムで処理し、かつノイズに対する感受性が少なく、より有効かつより正確な分析技術を提供するために、システムのコンピュータ処理ユニットは、１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用して少なくとも取得された信号を分析するために構造化されている。
【0020】
好ましくは、機械学習アルゴリズムは、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークであり、コンピュータ処理ユニットは、超偏極基剤を含む分析対象物質の既知の生理学的状態についての経時的な信号の訓練シーケンスを特徴とする、経時的な信号のシーケンスを用いてコンピュータ実装人工ニューラルネットワークを訓練することと、超偏極基剤を含む分析対象物質の未知の生理学的状態についての経時的な信号の少なくとも１つの試験シーケンスを特徴とする、入力信号のシーケンスをコンピュータ実装人工ニューラルネットワークに適用することと、適用された経時的な信号の各試験シーケンスを分析し、経時的な信号の各試験シーケンスについて、超偏極基剤を含む分析対象物質の予測される生理学的状態を生成することと、を行うように構成された訓練ユニットを更に含む。
【0021】
任意選択で、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークの訓練中、真度を検証し、かつ訓練ステップの適応を可能にするために、該方法は予測される生理学的状態の出力を更に包含してもよい。
【0022】
訓練済みの人工ニューラルネットワークを使用することで、予測される生理学的状態を適切で正確に決定することが可能となる。人工ニューラルネットワークは、機械学習技術に基づき、好ましくは深層学習技術を使用して訓練することができる。深層学習技術の一例は、誤差逆伝播学習法であり得る。使用される入力済み訓練データは、分析対象物質（例えば、細胞）の生理学的状態を示す、医療専門家によって注釈が付けられたＭＲ取得画像であってもよい。
【0023】
したがって、コンピュータ処理ユニットは、決定される分析対象物質の生理学的状態を出力するように構成された出力ユニットを含んでもよい。
【0024】
本発明の本開示はまた、前述の請求項のうちのいずれか１つ以上に記載のシステムを使用し、超偏極基剤を含む分析対象物質の生理学的状態を決定するための方法にも関する。該方法は、
ａ）少なくとも１種の分析対象物質を加えるステップと、
ｂ）超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質を注入するステップと、
ｃ）ＮＭＲ装置の少なくとも１つの磁石ユニット及び少なくとも１つの磁気勾配ユニットを使用し、ＮＭＲ装置の標的領域に位置づけられた超偏極基剤を含む分析対象物質に１つ以上の磁場勾配を印加するステップと、
ｄ）ＮＭＲ装置の少なくとも１つの高周波（ＲＦ）パルス生成ユニットを使用し、標的領域に向けて１つ以上のＲＦパルスセットを印加するステップと、
ｅ）ＮＭＲ装置のＲＦ受信ユニットから、適用されている１つ以上の磁場勾配に応答して、経時的なＮＭＲ信号のシーケンスを受信するステップと、
ｆ）時間周波数変換により、ＮＭＲ信号のシーケンスの１つ又は複数の時間周波数表現を生成するステップと、
ｇ）分析対象物質の生理学的状態を決定するための１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用して、時間周波数表現を分析するステップと、を含む。
ａ）少なくとも１種の分析対象物質を加えるステップと、
ｂ）超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質を注入するステップと、
ｃ）ＮＭＲ装置の少なくとも１つの磁石ユニット及び少なくとも１つの磁気勾配ユニットを使用し、ＮＭＲ装置の標的領域に位置づけられた超偏極基剤を含む分析対象物質に１つ以上の磁場勾配を印加するステップと、
ｄ）ＮＭＲ装置の少なくとも１つの高周波（ＲＦ）パルス生成ユニットを使用し、標的領域に向けて１つ以上のＲＦパルスセットを印加するステップと、
ｅ）ＮＭＲ装置のＲＦ受信ユニットから、適用されている１つ以上の磁場勾配に応答して、経時的なＮＭＲ信号のシーケンスを受信するステップと、
ｆ）時間周波数変換により、ＮＭＲ信号のシーケンスの１つ又は複数の時間周波数表現を生成するステップと、
ｇ）分析対象物質の生理学的状態を決定するための１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用して、時間周波数表現を分析するステップと、を含む。
【0025】
本発明の本開示によれば、ステップａ）で提供されている分析対象物質の調製物は、試験下の分析対象物質について生理学的に関連する細胞微小環境をエミュレートする試料マトリックスに収容することができることに留意されたい。
【0026】
本発明による方法の好ましい例では、少なくとも１種の分析対象物質は、超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質を注入するステップｂ）の前にＮＭＲ装置の標的領域に位置づけられている。したがって、注入ステップｂ）は、ＮＭＲ装置内で行われる。
【0027】
本発明による方法の別の例では、少なくとも１種の分析対象物質は、超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質を注入するステップｂ）の後にＮＭＲ装置の標的領域に位置づけられている。したがって、注入ステップｂ）は、ＮＭＲ装置の外側で行われ、該方法の本例では、超偏極基剤を含む少なくとも１種の分析対象物質は、ＮＭＲ装置の標的領域に位置づけられる。
【0028】
ステップｆ）の時間周波数変換は、フーリエ変換に代表されるが、これらに限定されない群から選択され、一方で１つ以上の機械学習アルゴリズムは、人工ニューラルネットワーク、決定木、回帰モデル、ｋ近傍法モデル、部分的最小二乗回帰、サポートベクターマシン又はアルゴリズムを定義するために組み込まれたモデルのアンサンブルに代表されるが、これらに限定されない群から選択される。
【0029】
特に、機械学習アルゴリズムは、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークであり、分析ステップｇ）は、
ｉ）超偏極基剤を含む分析対象物質の既知の生理学的状態についての、経時的なＮＭＲ信号の訓練シーケンスを特徴とする経時的なＮＭＲ信号のシーケンスを用いて、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークを訓練することと、
ｉｉ）超偏極基剤を含む分析対象物質の未知の生理学的状態についての、経時的なＮＭＲ信号の少なくとも１つの試験シーケンスを特徴とする経時的なＮＭＲ入力信号のシーケンスをコンピュータ実装人工ニューラルネットワークに適用することと、
ｉｉｉ）適用された経時的なＮＭＲ信号の各試験シーケンスを分析し、経時的なＮＭＲ信号の各試験シーケンスについて、超偏極基剤を含む分析対象物質の予測される生理学的状態を生成することと、の後に発生する。
ｉ）超偏極基剤を含む分析対象物質の既知の生理学的状態についての、経時的なＮＭＲ信号の訓練シーケンスを特徴とする経時的なＮＭＲ信号のシーケンスを用いて、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークを訓練することと、
ｉｉ）超偏極基剤を含む分析対象物質の未知の生理学的状態についての、経時的なＮＭＲ信号の少なくとも１つの試験シーケンスを特徴とする経時的なＮＭＲ入力信号のシーケンスをコンピュータ実装人工ニューラルネットワークに適用することと、
ｉｉｉ）適用された経時的なＮＭＲ信号の各試験シーケンスを分析し、経時的なＮＭＲ信号の各試験シーケンスについて、超偏極基剤を含む分析対象物質の予測される生理学的状態を生成することと、の後に発生する。
【0030】
更なる例では、本開示に記載の方法を実施しつつ、受容ステップｂ）は、超偏極（ＨＰ）作製装置で基剤を超偏極させるｉｖ）のステップの後に発生させることができる。更に機能的な実施形態では、ステップｂ）の後ではあるがステップｃ）の前に、該方法は超偏極基剤を含む分析対象物質を体温に維持するｂ１）のステップを更に含む。
【0031】
例えば、本開示の方法は、コンピュータプログラム又は製品内に組み込むことができる。このコンピュータプログラム又は製品は、例えばラップトップ又はコンピュータなどのコンピュータによってコンピュータプログラム又は製品プログラムが実行されると、コンピュータに本明細書に開示のコンピュータ実装方法のステップを実行させる、コンピュータコード化命令を含む。
【0032】
特定の実施形態では、中に保存されたコンピュータコード化命令を含むコンピュータ可読記憶媒体が提案される。このコンピュータコード化命令は、コンピュータにより実行されると、本願に開示されたコンピュータ実装方法のステップをコンピュータに実行させる。こうしたコンピュータ可読記憶媒体は、（ソリッドステート）ハードドライブ、ＵＳＢドライブ又は（デジタル）光ディスクであり得る。
【0033】
本開示の別の部分では、インビトロ分析用に分析対象物質を収容するための試料マトリックスが提案されている。試料マトリックスは、開気孔を含む３次元構築物として形成され、構築物は、カルボキシメチルセルロースナトリウムを少なくとも含むゲルである。
【0034】
特に、ゲルは少なくとも０．５～５重量％のカルボキシメチルセルロース（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ、ＣＭＣ）ナトリウム、特に１重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウムを含む。
【0035】
したがって、開口した３次元構築物は、１％ＣＭＣクリオゲルから形成される。この構築物は、開口した内部空間内に複数の細胞又は分析対象物質を収容するための試料マトリックスとして機能する。こうした１％構築物は、良好な安定性及び細孔径分布を有する。特に、１％ＣＭＣクリオゲルは、細胞付着にとって親和性が低く、かつＮＭＲ用途では良好な物理化学的特性を有することが見出されている。そのため、試料マトリックスの開口構築物はヒト又は動物の体を模倣する最適な条件を提供し、これによって細胞構造が生存することが可能となり、これらをスフェロイド（３次元構成）に形成してゲル材料に代わり互いに相互作用させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
本開示は、以下に示す図面を参照して説明される。
【図1】本開示による方法の一例を実装した本開示によるシステムの一例である。
【図2a】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図2b】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図2c】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図2d】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図3a】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図3b】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図3c】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図3d】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図3e】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図4】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図5】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【図6】本開示によるシステムの複数の構成要素の詳細である。
【発明を実施するための形態】
【0037】
発明の詳細な説明
本開示の適切な理解のために、本開示の対応する要素又は部品に対応する以下の詳細な説明は、図面では同一の参照符号で示される。
本開示の適切な理解のために、本開示の対応する要素又は部品に対応する以下の詳細な説明は、図面では同一の参照符号で示される。
【0038】
図１では、本発明によるシステムの第１の例が示されている。図１の例は、概略的なものであって縮尺通りではなく、システムの主要な構成要素はそれらの相互関係機能で示されている。各構成要素はより詳細に、かつ他の図面との関係においてはより変形された状態で説明される。
【0039】
超偏極（ＨＰ）核磁気共鳴を使用して少なくとも１種の分析対象物質の生理学的状態を決定するための本発明によるシステムは、参照符号１０００で示されている。
【0040】
要約すると、該システムは、少なくとも以下の構成要素：
分析対象物質１を含有する試料マトリックス１０を収容するように構造化された少なくとも１つの測定チャンバ１１０ａを備えるマイクロ流体デバイス１００、
基剤を超偏極するように構造化された超偏極（ＨＰ）作製装置２００、
超偏極基剤６を含む少なくとも分析対象物質１を収容するための標的領域３１０を画定するハウジングを少なくとも備えたＮＭＲ装置３００、
取得された信号を分析することで、分析対象物質１の生理学的状態を決定するためのコンピュータ処理ユニット４００、から構成されている。
分析対象物質１を含有する試料マトリックス１０を収容するように構造化された少なくとも１つの測定チャンバ１１０ａを備えるマイクロ流体デバイス１００、
基剤を超偏極するように構造化された超偏極（ＨＰ）作製装置２００、
超偏極基剤６を含む少なくとも分析対象物質１を収容するための標的領域３１０を画定するハウジングを少なくとも備えたＮＭＲ装置３００、
取得された信号を分析することで、分析対象物質１の生理学的状態を決定するためのコンピュータ処理ユニット４００、から構成されている。
【0041】
この説明の次の段落では、システム１０００のいくつかの構成要素をより詳細に説明する。
【0042】
図２ａは、長年使用されてきた従来の細胞培養方法についての有利な代替法を示す。また、この代替法については、細胞－細胞相互作用及び組織生理学を研究するための有効な方法は、実験動物又はヒト対象を使用することなく実現することが可能である。従来の細胞培養が提示する主要な障害のうちの１つは、細胞の形態及び空間での形状である。細胞（又は本説明の分析対象物質）を培養物内で生存させるためには、細胞を底に付着させるように処理されている培養容器（フラスコ及びプレート）に播種されるが、これは特定の細胞型についてはその形態及び機能を変化させる。
【0043】
図２ａの参照符号１０は、インビトロ分析用の３次元構成にて１つ以上の分析対象物質又は細胞（本明細書全体を通して参照符号１で示されている）を収容するための試料マトリックスを示す。本発明によれば、試料マトリックス１０は、この特定の代替法では３次元構築物として形成されている。試料マトリックス１０の３次元構築物は、個々の分析対象物質又は細胞１のクラスタが収容されている空間１０ｚを包含している。
【0044】
図２ａに示されているように、試料マトリックス１０の３次元構築物は、間に開気孔１１ｚを有する状態で、相互接続ゲルストランド１１ａ～１１ｂのメッシュパターン又は十字型の格子パターンを構成するゲルから形成されている。開気孔１１ｚは、不規則な形状及び径分布のものである。
【0045】
試料マトリックス１０の開口した３次元構築物のゲルは、少なくともカルボキシメチルセルロースナトリウムを含み、好ましくは少なくとも０．５～５重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウム、特に１重量％のカルボキシメチルセルロースナトリウムを含む。
【0046】
以下の方法のステップは、１％のカルボキシメチルセルロースゲルを適切に合成するために必要とされる各ステップを詳細に説明する。製造するための基本的な出発成分としては、１％のカルボキシメチルセルロースゲルが使用される：
・カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）ナトリウム［４１９２７３，Ｓｉｇｍａ］
・アジピン酸ジヒドラジド（Ａｄｉｐｉｃ ａｃｉｄ ｄｉｈｙｄｒａｚｉｄｅ、ＡＡＤ）［ＭＷ＝１７４．２ｇ／ｍｏｌ］
・モルホリノ－エタン－スルホン酸（Ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ－ｅｔｈａｎｅ－ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ、ＭＥＳ）［ＭＷ＝１９５．２ｇ／ｍｏｌ］及び
・Ｎ－（３－ジメチルアミノプロピル）－Ｎ´－エチルカルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣ）［Ｅ７７５０－１０ｇ，Ｓｉｇｍａ］
最初のステップでは、０．５Ｍ ＭＥＳバッファ（ｐＨ５．５）を調製する。１００ｍＬの場合、ステップは、
１．容器に８０ｍＬの蒸留Ｈ２Ｏを調製する。
２．８０ｍＬの蒸留Ｈ２Ｏ溶液に、９．７６ｇのＭＥＳ遊離酸を加える。
３．ＮａＯＨを使用して溶液のｐＨを５．５に調整する。１００ｍＬの場合、蒸留Ｈ２Ｏ溶液には３６６ｍｇのＮａＯＨ（固体）又は９．１５ｍＬの１Ｍ ＮａＯＨを加えることが必要とされ得る。
４．溶液の体積が１００ｍＬに達するまで、更なる蒸留Ｈ２Ｏ溶液を加える。
詳細には：
５．その後、ステップ４で得られた溶液を４℃で貯蔵する。
次に、ポリマープレミックスを調製する（１．１ｍＬ）：
６．１重量％のＣＭＣを準備し、そのうち５０ｍｇを、撹拌を使用して（例えば、９００ｒｐｍのマグネチックスターラを用いて）５ｍＬの蒸留Ｈ２Ｏに溶解させる。
７．１００μＬのＡＡＤ（５０ｍｇ／ｍＬ）を１ｍＬの１％ＣＭＣ溶液に加え、ピペッティングでこれを混合する。
８．このプレミックスを４℃で予冷する。
９．４ｍｇのＥＤＣを４μＬの蒸留Ｈ２Ｏに溶解させ、これによってＥＤＣ（１ｍｇ／μＬ）を調製する。
１０．ＥＤＣをプレミックスに加え、ピペッティングで溶液の均質性を確実なものとする。
詳細には：
１１．次に、移動ゲルをより迅速に型に移し、インキュベートする。
型の体積が大きい場合には、ゲルを加える前に、型を－２０℃の冷凍庫で予冷する。こうして、
１２．－２０℃でインキュベートする。ゲルを含有する型は、２４時間にわたって冷凍庫に入れられなければならない。その後、クリオゲルは型から注意して取り外されなければならない。
・カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）ナトリウム［４１９２７３，Ｓｉｇｍａ］
・アジピン酸ジヒドラジド（Ａｄｉｐｉｃ ａｃｉｄ ｄｉｈｙｄｒａｚｉｄｅ、ＡＡＤ）［ＭＷ＝１７４．２ｇ／ｍｏｌ］
・モルホリノ－エタン－スルホン酸（Ｍｏｒｐｈｏｌｉｎｏ－ｅｔｈａｎｅ－ｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ、ＭＥＳ）［ＭＷ＝１９５．２ｇ／ｍｏｌ］及び
・Ｎ－（３－ジメチルアミノプロピル）－Ｎ´－エチルカルボジイミド塩酸塩（ＥＤＣ）［Ｅ７７５０－１０ｇ，Ｓｉｇｍａ］
最初のステップでは、０．５Ｍ ＭＥＳバッファ（ｐＨ５．５）を調製する。１００ｍＬの場合、ステップは、
１．容器に８０ｍＬの蒸留Ｈ２Ｏを調製する。
２．８０ｍＬの蒸留Ｈ２Ｏ溶液に、９．７６ｇのＭＥＳ遊離酸を加える。
３．ＮａＯＨを使用して溶液のｐＨを５．５に調整する。１００ｍＬの場合、蒸留Ｈ２Ｏ溶液には３６６ｍｇのＮａＯＨ（固体）又は９．１５ｍＬの１Ｍ ＮａＯＨを加えることが必要とされ得る。
４．溶液の体積が１００ｍＬに達するまで、更なる蒸留Ｈ２Ｏ溶液を加える。
詳細には：
【表1】
５．その後、ステップ４で得られた溶液を４℃で貯蔵する。
次に、ポリマープレミックスを調製する（１．１ｍＬ）：
６．１重量％のＣＭＣを準備し、そのうち５０ｍｇを、撹拌を使用して（例えば、９００ｒｐｍのマグネチックスターラを用いて）５ｍＬの蒸留Ｈ２Ｏに溶解させる。
７．１００μＬのＡＡＤ（５０ｍｇ／ｍＬ）を１ｍＬの１％ＣＭＣ溶液に加え、ピペッティングでこれを混合する。
８．このプレミックスを４℃で予冷する。
９．４ｍｇのＥＤＣを４μＬの蒸留Ｈ２Ｏに溶解させ、これによってＥＤＣ（１ｍｇ／μＬ）を調製する。
１０．ＥＤＣをプレミックスに加え、ピペッティングで溶液の均質性を確実なものとする。
詳細には：
【表2】
１１．次に、移動ゲルをより迅速に型に移し、インキュベートする。
型の体積が大きい場合には、ゲルを加える前に、型を－２０℃の冷凍庫で予冷する。こうして、
１２．－２０℃でインキュベートする。ゲルを含有する型は、２４時間にわたって冷凍庫に入れられなければならない。その後、クリオゲルは型から注意して取り外されなければならない。
【0047】
したがって、開口した３次元構築物は、１％ＣＭＣクリオゲルから形成される。この構築物は、開口した内部空間１０ｚ内に複数の細胞又は分析対象物質１を収容するための試料マトリックス１０として機能する。特に、１％ＣＭＣクリオゲルは、細胞付着にとって親和性が低いことが見出されている。そのため、試料マトリックス１０の開口構築物はヒト又は動物の体を模倣する最適な条件を提供し、これによって細胞構造が生存することが可能となり、これらをスフェロイドに形成してゲル材料に代わり互いに相互作用させることが可能となる。
【0048】
上記の調製技術で得られた試料マトリックス１０の一例の直径は５ｍｍであり、高さは２ｍｍである。より好ましくは、試料マトリックス１０の寸法は、意図された用途に応じて、直径が３～１０ｍｍの範囲、高さが１～６ｍｍの範囲であり得る。
【0049】
試料マトリックス１０は、細胞生存率を増加させ、例えば肝細胞代謝を研究する上で必要とされる代謝条件を最適化する。一例では、図２ｂに示されるように、非がん性のマウス肝細胞から構成されたＡＭＬ１２細胞株を使用し、実験室条件下で細胞老化を研究した。クリオゲルの試料マトリックス１０で細胞１を播種した１３時間後に、スフェロイドの形成が既に観察され得ることが観察された。試料マトリックス１０の開口した３次元構築物は、開気孔１１ｚが細胞間にある状態で、相互接続クリオゲルストランド１１ａ～１１ｂにより細胞１が内部空間１０ｚの内側に保持され、それら自体で凝集することを確認している。
【0050】
加えて、上で開示されるようなＣＭＣ材料から作製された試料マトリックス１０は、ＮＭＲ信号取得中に干渉せず、これによって超偏極基剤の正確な灌流が可能になることに留意されたい。
【0051】
図２ｂでは、１００万個の細胞をクリオゲルに播種し、縦方向のイメージングのために顕微鏡内部に直ちに入れた。スフェロイド形成は、細胞播種後開始３時間から最大１０時間後まで観察された。
【0052】
細胞の凍結保存は、伝統的には細胞懸濁液中で行われてきた。この公知の技術を用いると、細胞がストレスフリー状態になるまで、及び培養されているフラスコの底を覆う前に、２Ｄシステムで培養される。通常、細胞を、例えば－８０℃の凍結培地（例えば、凍結保存剤として血清及びＤＭＳＯを含有）に注ぐ。約１２～２４時間後、保存のために予冷した細胞を窒素タンクに移動させる。解凍されると、細胞は２Ｄ条件に戻して培養される。ただし、このプロセスは、細胞を実験装備で使用され得る前に３～４日間を要する。
【0053】
超偏極基剤６による放散及びＮＭＲ装置３００による測定前に、分析対象物質１を含有する複数の３Ｄ試料マトリックス１０の保存可能性を分析するため、分析対象物質を含有する３Ｄ試料マトリックス１０は、サブゼロ温度に冷凍され、数日間にわたってその温度を維持するように構造化されている。驚くべきことに、分析対象物質１を含有する３Ｄ試料マトリックス１０は、分析対象物質１に悪影響を及ぼすことなく、又は損傷を与えることなく、解凍サイクル後であったとしても良好な条件で分析対象物質１を維持することができる。生存率及び代謝アッセイによって、分析対象物質は、システム使用のために細胞培養室又はインキュベータを必要とすることなく解凍プロセス後も機能性を維持することが確認される。
【0054】
解凍サイクル後であっても良好であり、かつ分析対象物質に悪影響を及ぼすことがない、又は損傷を与えることがない条件で分析対象物質１を維持するための本開示による試料マトリックス１０の機能性の一例として、図２ｃは、アラマーブルー試験から取得された代謝結果を示す。これは、最大１１日間の期間にわたって構築物内部で細胞を凍結保存した後にクリオゲル構築物内部で生存した状態のままであり、凍結保存プロセスを受けていない細胞と同様の生存率を有することを示す。この結果は、アラマーブルー試験の蛍光及び吸光度の両方の読み取り値で示される。この２つの出力は、同一の代謝試験に由来している。
【0055】
更には、図２ｄは、クリオゲルの内側の２つの共焦点顕微鏡画像Ａ及びＢ（１００μｍのスケールバー）における凍結保存を受ける前後の構造一体性を示す。図２ｄＡ（左）は、凍結保存プロセス前に撮像された試料マトリックス１０のクリオゲルを示すが、図２ｄＢ（右）は、凍結保存プロセス後に撮像された試料マトリックス１０のクリオゲルを示す。観察され得るように、クリオゲル繊維１１ａ～１１ｂに対する損傷は凍結保存中には発生せず、そのため試料マトリックス１０の開口した３Ｄ構築物の構造一体性が保たれる。
【0056】
図２ｃ及び図２ｄの結果は、細胞／分析対象物質１が図２ａに示されているようなクリオゲル構築物に播種されることができ、かつ２４時間後に液体窒素中で凍結保存されることができるという証拠を示す。試験は、凍結保存を受けなかったクリオゲルの結果と比較すると、解凍後最大１１日まで高い生存率を示す。更には、クリオゲル構築物は、細胞／分析対象物質１の播種後に凍結保存プロセスを維持することができ、超偏極基剤６のその後の注入及びＮＭＲデータ取得にとって必要であるそれらの構造一体性を維持する。
【0057】
【0058】
参照符号１００は、マイクロ流体デバイスであるシステムの構成要素を示す。一例では、マイクロ流体デバイス１００は、参照符号１０１、１０２及び１０４で示されている構造のスタックからなる。参照符号１０１は、ガラススライド１０１－１上に積層された複数の（例えば、３層の）ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）層１０１－２、１０１－３及び１０１－４から構成された基板構造を説明する。ガラススライドの典型的及び好適な寸法は、７５×５０ｍｍである。これは、ＮＭＲ装置の寸法を含むように変更され得る。
【0059】
図３ｂは、より詳細にはマイクロ流体デバイス１００を詳述し、特に基板構造１０１上に取り付けられた単一のマイクロ流体素子１１０を詳述する。好ましくは、好ましくはマイクロ流体デバイス１００は、このような複数のマイクロ流体素子１１０を含む。これらのそれぞれは、分析対象物質１を含む試料マトリックス１０を個別に収容するためのこうしたウェル又は測定チャンバ１１０ａを備える。
【0060】
図３ａに示されるように、基板構造１０１は、いくつかの象限又はアレイ１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙ（ここでは４つのアレイ）を含む。各アレイ１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙは、同一の構成であるいくつかの（ここでは４つの）マイクロ流体素子１１０から構成される。この例では、示されているように、基板構造１０１の構成は、４×４（１６）マイクロ流体素子１１０から構成されている。一例では、各マイクロ流体素子１１０は、直径Ｄが６ｍｍ、高さＨが１０ｍｍの寸法を有するウェル／測定チャンバ１１０ａを含む。図３ｄを参照されたい。
【0061】
各マイクロ流体素子１１０は、チャンネル１１１ａ及び１１１ｂを含有する。これは、ウェル又は測定チャンバ１１０ａと流体連通する。チャンネル１１１ａは、測定チャンバ１１０ａにマトリックス灌流媒体５を供給するためのマトリックス灌流供給ラインを示す。チャンネル１１１ｂは、マイクロ流体素子出口ラインを示す。チャンネル１１１ａ及び１１１ｂは、基板構造（ガラススライド）１０１上に第２のＰＤＭＳ層１０１－２（例えば、厚さ５ｍｍ）に設けることができる。
【0062】
更には、マイクロ流体素子１１０はチャンネル１１１ｃを含むが、これはチャンバ出口ラインとして機能する。チャンネル１１１ｃは、第３のＰＤＭＳ層１０１－３（例えば、厚さ１ｍｍ）に設けることができる。
【0063】
チャンネル１１２は、測定チャンバ１１０ａに超偏極基剤６（例えば、超偏極ピルビン酸）を供給するための超偏極基剤供給ラインを示す。チャンネル１１２は、第４のＰＤＭＳ層１０１－４（例えば、厚さ４ｍｍ）に設けることができる。
【0064】
有利な例では、ＰＤＭＳ層１０１－１、１０１－２及び１０１－３は、４インチサイズのシリコンウェーハ上にフォトリソグラフィで作製されたＳＵ－８微細構造を使用するレプリカ成形により製造される。２００℃のホットプレートを使用し、シリコン基板を３０分間脱水し、その後、２２．５ｍＬ／分及び３０ＷでＯ２プラズマ（ＰＤＣ－００２，Ｈａｒｒｉｃｋ Ｐｌａｓｍａ，Ｉｔｈａｃａ，ＮＹ，ＵＳＡ）処理を２０分間使用し、洗浄／活性化させた。フォトレジスト材料（ＳＵ－８ ２１００，ＫＡＹＡＫＵ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．，Ｗｅｓｔｂｏｒｏｕｇｈ，ＭＡ，ＵＳＡ）をスピンコートし、厚さ２００μｍのＳＵ－８層を形成した。また、ＰＤＭＳプレポリマーを１０：１（ベース：硬化剤、ｗ／ｗ）の比率で調製し、真空デシケータ中で脱気した。次いでプレポリマーを、ＳＵ－８型を含有するペトリ皿上にキャストし、６５℃で４時間戻し、その後室温で一晩静置した。Ｏ２プラズマを使用し、ガラススライドを含む３つのＰＤＭＳ層を活性化して共に接合し、厚さ１１ｍｍのデバイスを得た。
【0065】
図３ｄに詳細に示されているように、マイクロ流体デバイス１００の各マイクロ流体素子１１０については、超偏極剤供給ライン１１２は、ウェル／測定チャンバ１１０ａの底壁１１０ｚに対してマトリックス灌流供給ライン１１１ａの位置上部の位置に位置づけられている。同様に、チャンバ出口ライン１１１ｃは、超偏極剤供給ライン１１２の位置よりも低い位置及び測定チャンバ１１０ａの底壁１１０ｚに対してマトリックス灌流供給ライン１１１ａの位置よりも高い位置に位置づけられている。特に、マトリックス灌流供給ライン１１１ａは、測定チャンバ１１０ａの底壁１１０ｚに位置づけられている。したがって、使用中、底側から上側に向かって、分析対象物質１を含む開口した多孔質の試料マトリックス１０をチャンバ出口ライン１１１ｃに向けてフラッシュする。
【0066】
したがって、測定チャンバ１１０ａを通るマトリックス灌流媒体５（培地）の連続流れだけではなく、分析される分析対象物質のための超偏極基剤６の注入も可能になる。特に、いくつかのチャンネル１１１ａ－１１１ｃ－１１２の特定の高さの構成によって、チャンバ出口ライン１１１ｃは、ウェル１１１ａの底１１０ｚからの一定の液体高さｈを維持しつつ、それぞれのウェル／測定チャンバ１１０ａからマトリックス灌流媒体５を引き出す。したがって、使用中、これはウェル１１０ａあたり、約１４０μＬの総媒体体積を占める。
【0067】
マイクロ流体デバイス１００の例では、４つのマイクロ流体素子１１０の４つのグループ（それぞれがウェル／測定チャンバ１１０ａを有する）によって、最大で４つの生物学的試料を分析することが可能である。マイクロ流体素子１１０は、４つのウェル１１０ａの４つの個別のセット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙにグループ化されるため、４つのウェル／測定チャンバ１１０ａの各セットは、中央マトリックス灌流供給ライン１１１ａ´及び中央マトリックス灌流出口ライン１１１ｂ´を介して培地５を共有する。
【0068】
図３ｂでは、マイクロ流体抵抗１１５は、各マイクロ流体素子１１０のマイクロ流体チャンネル１１１ａ－１１１ｂ－１１１ｃ－１１２に概略的に示されている。図３ｂは各マイクロ流体チャンネル１１１ａ－１１１ｂ－１１１ｃ－１１２に位置づけられているこうしたマイクロ流体抵抗１１５を示しているが、マトリックス灌流供給ライン１１１ａ及びマイクロ流体素子出口ライン１１１ｂのうちの少なくとも１つにマイクロ流体抵抗１１５を有することで十分である。サーペンタインとして構造化されたマイクロ流体抵抗１１５をより詳細に示している図３ｅもまた参照されたい。
【0069】
ウェル／測定チャンバ１１０ａの入口１１１ａ及び出口１１１ｂでのマイクロ流体抵抗１１５によって、分析対象物質１を含む３Ｄ試料マトリックス１０を含有する各ウェル／測定チャンバ１１０ａを通る流量を同じにすることが可能である。更に、セット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙのウェル／測定チャンバ１１０ａすべてを、マトリックス灌流媒体５を引き出す嵌め込み型吸引リザーバ１１４に連結する。別の例では、マイクロ流体抵抗１１５は、マイクロ流体素子１１０の各セット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙの一部である各中央マトリックス灌流供給ライン１１１ａ´及び中央マトリックス灌流出口ライン１１１ｂ´に配置され得る。
【0070】
超偏極剤供給ライン１１２は、ウェル／測定チャンバ１１０ａの底壁１１０ｚに対してマトリックス灌流供給ライン１１１ａ及びチャンバ出口ライン１１１ｃの両方の位置上部の位置に位置づけられているため、チャンネル１１２は、同一セット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙの一部であるウェル／測定チャンバ１１０ａすべてに超偏極基剤６を分配することができる。したがって、セット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙ間の分離が維持され、セット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙそれぞれに超偏極基剤６を注入することが可能となり、より異なる多様な分析が可能となる。
【0071】
分析対象物質１に適切な環境は、インキュベーションエンクロージャ１０２中のマイクロ流体デバイス１００を収容することで作成される。インキュベーションエンクロージャ１０２は、作業員がマイクロ流体デバイス１１０を操作してＮＭＲ装置３００に入れる間、安定した温度及びガス（Ｏ２及びＣＯ２）並びに滅菌条件を維持する。
【0072】
したがって、マイクロ流体デバイス１００は、そのインキュベーションエンクロージャ１０２の中に温度制御ユニット１０３を含む。温度制御ユニット１０３は、各マイクロ流体素子１１０を維持するように機能し、したがって、アセンブリは、体温の超偏極基剤６を含む分析対象物質１を含有する３Ｄ試料マトリックスで構成されている。こうした後者の要件は、いくつかのマイクロ流体素子１１０を備えるマイクロ流体デバイス１００がＮＭＲ装置３００内に収容されているときには必要である。こうすることで、ヒト又は動物の体を模倣する最適な測定条件が実現され、これが維持される。特定の例では、温度制御ユニットは、水入口１０３ａ及び水出口１０３ｂを備えた水循環回路１０３を含む。
【0073】
インキュベーションエンクロージャ１０２内部の温度は、水浴から水ジャケットとして機能するエンクロージャ基部１０２ａへと温水を圧送することで制御されている。それ以外の場合では、エンクロージャ蓋１０２ｂは、入口１０４ａ及び出口１０４ｂを有し、安定したガスインキュベーションを実現する。
【0074】
本発明によるシステム及び方法の適切な使用については、開口した多孔質空間１０ｚ内に分析対象物質１を備え、図２ａ～図２ｂに関連して記載される試料マトリックス１０は、マイクロ流体デバイス１００の各マイクロ流体素子１１０のウェル／測定チャンバ１１０ａ内部にそれぞれ配置されている。その後、流体システムは、いくつかのマイクロ流体チャンネル１１１ａ－１１１ｂ－１１１ｃ－１１２から構成され、各ウェル／測定チャンバ１１０ａを通り培地５の連続流れを可能とし、これによって中に含有された分析対象物質１を含む各試料マトリックス１０を灌流する。
【0075】
流体システムは、真空ポンプ及びチューブポンプに連結されたリザーバ１１４を含む（図５では両方とも参照符号１５０で示されている）。この装備は、４つのセット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙすべてについて複製されている。チューブポンプ１５０は、マトリックス灌流媒体５（培地）をリザーバ１１４からマイクロ流体素子１１０（デバイス１００）の各ウェル／測定チャンバ１１０ａへと往復で流動させ、それによって試料マトリックス１０及び分析対象物質１を灌流する。真空ポンプ１５０は、リザーバ１１４に負圧を印加し、マイクロ流体素子出口ライン１１１ｂを介してマイクロ流体素子１１０からマトリックス灌流媒体５（培地）を吸引する。
【0076】
超偏極ＮＭＲ測定を実施するため、チューブポンプを遮断し、超偏極（ＨＰ）作製装置２００から得られるような特定量の超偏極（ＨＰ）基剤６（例えば、超偏極Ｃ１３標識ピルビン酸）は、特定の中央超偏極剤供給ライン１１２´へと注入される。中央超偏極剤供給ライン１１２´は、特定量の超偏極（ＨＰ）基剤６をより少量の試料に分ける。超偏極（ＨＰ）基剤６のより少量の試料の数は、セット１０１ｖ－１０１ｗ－１０１ｘ－１０１ｙのマイクロ流体素子１１０の数と等しい。
【0077】
この例では、特定の中央超偏極剤供給ライン１１２´は、１６個のマイクロ流体素子１１０の各ウェル／測定チャンバ１１０ａと流体連通している。この構成によって、分析対象物質／細胞１を含む試料マトリックス１０を含有するウェル１１０ａすべてが同一の超偏極試料体積６を受容することが可能となる。例えば、８００μＬの試料体積により、ウェル１１０ａ／マイクロ流体素子１１０あたり５０μＬの超偏極（ＨＰ）基剤６がもたらされる。
【0078】
多孔質及び試料マトリックス製造方法論を理由として、試料マトリックス１０の開口した３次元構築物は高い透過性を呈するが、これによって分析対象物質１を含有する３Ｄ試料マトリックス１０を通した超偏極（ＨＰ）基剤６の急速な分配が可能となる。超偏極（ＨＰ）基剤６の急速な分配は、超偏極（ＨＰ）基剤６の減衰速度が急速であることから重要である。
【0079】
システムのある特定の例によれば、超偏極（ＨＰ）作製装置２００は、動的核偏極（ＤＮＰ）装置又はパラ水素誘導偏極（ＰＨＩＰ）装置であってもよい。
【0080】
図４に示されているように、溶解ＤＮＰは、２つの磁石ユニットを使用して典型的には行われる：１つの磁石ユニット２１０は、超偏極（ＨＰ）作製装置２００内に実装されて固体状態で基剤６を（好ましくは、３．４～７．０Ｔ磁場強度Ｂ０にて）偏極させるが、一方で他の磁石ユニットは専用のＮＭＲ装置３００の磁石ユニットである。適切なデータ取得のために、ＮＭＲ装置３００の現在の水平ボア医療用磁石ユニットは、最大７Ｔのより高い磁場が現在利用可能であるものの、典型的には１．５～３Ｔの範囲である。高分解能垂直ボアＮＭＲ装置は、最大２８．２Ｔのより高い磁場に達する。
【0081】
溶解ＤＮＰプロセスは、基剤６を超偏極させることで開始する。基剤の一例としては、例えばＣ１３標識ピルビン酸である。遊離偏極磁場印加ラジカル（不対電子を含有する物質）に加え、ガラス化剤は基剤６に配合されてもよい。基剤が単独でガラスを形成しない場合には、グリセロール又はＤＭＳＯなどのガラス化剤を使用して基剤６をガラス化することが可能である。これは、分析対象物質１中のラジカルの均一な分布及び良好なマイクロ波透過を確実にする。
【0082】
この調製ステップの後、基剤６を、超偏極（ＨＰ）作製装置２００のＤＮＰ磁石ユニット２１０に挿入し、マイクロ波を照射して電子核偏極移動を駆動させた。固体状態の偏極ビルドアップは、ラジカル及び基剤の性質及び濃度、電子及び核の緩和率並びに凍結混合物の組成を含む多くの要因に応じて変化する。核偏極が最大に達するためには、数時間を要する場合がある。１３Ｃを偏極させると、１３Ｃに適したＭＷ周波数で凍結試料を直接照射することで通常のＤＮＰ増強が実行される。６．７ＴのＤＮＰ磁石を１．２Ｋで使用することで、溶解前２０分で１３Ｃの偏極を７０％達成することができる。
【0083】
偏極ビルドアップが終了すると、１８０℃及び１０バールの圧力で熱水を使用して超偏極基剤６を解凍して低温保持装置に入れ、最終的に液体形態の超偏極基剤を得た。
【0084】
超偏極（ＨＰ）作製装置２００で超偏極させた後、続いて超偏極基剤６を、分析する分析対象物質１を含む少なくとも１種の３Ｄ試料マトリックス１０を含有するマイクロ流体デバイス１００に注入する。続いて、測定チャンバ１１０ａに収容された少なくとも１種の３Ｄ試料マトリックス１０（注入されるある量の超偏極基剤６を含む分析対象物質１を含有する）を含むマイクロ流体デバイス１００をＮＭＲ装置３００に入れ、その後１３Ｃ信号を取得する（動物又は試験管への注入時のいずれか）。
【0085】
代替的な実施形態では、測定チャンバ１１０ａに収容された少なくとも１種の３Ｄ試料マトリックス１０を備え、分析対象物質１を含有するマイクロ流体デバイス１００をＮＭＲ装置３００に入れ、その後ある量の超偏極基剤６をマイクロ流体デバイス１００に注入し、それによって分析される分析対象物質１を注入する。
【0086】
図５に示されるように、このプラットフォームの好ましい実施形態では、ＮＭＲ装置３００は、関連する測定チャンバ１１０ａに収容された超偏極基剤６を注入された分析対象物質１をそれぞれ含有する１種以上の試料マトリックス１０を含むマイクロ流体デバイス１００を、標的領域３１０に収容するように構造化されている。システム１０００は、超偏極基剤６を含む分析対象物質１（実際には、大容量の特定の種類の細胞又は分析対象物質１）の１つの試料のみの生理学的状態を決定するように構造化される。
【0087】
実際には、図３ａ及び図３ｂに関連する、記載のマイクロ流体デバイス１００は複数の（例えば、４×４）マイクロ流体素子１１０を有し、それぞれ、関連する測定チャンバ１１０ａで分析されるある量の超偏極基剤６を注入された細胞又は分析対象物質１を含む３Ｄ試料マトリックスを収容するように構造化されている。したがって、こうした実施形態により、同時に、並びにバッチ式及びインライン式で同量の超偏極基剤６を使用し、同一又は異なる分析対象物質１の複数の試料を処理し、かつ操作することが可能である、より標準化されて再現性のある分析技術が実現可能となる。
【0088】
ＮＭＲ装置３００はまた、使用中、標的領域３１０で１つ以上の磁場勾配Ｂ０を印加するための少なくとも１つの磁石ユニット３１０及び少なくとも１つの磁気勾配ユニット（図示せず）を収容する。ＮＭＲ装置３００は、そのハウジングに、標的領域３１０に向けて１つ以上のＲＦパルスのセットを印加するための少なくとも１つの高周波（ＲＦ）パルス生成ユニット（図示せず）及び細胞又は分析対象物質１を含む１つ又は複数の量の超偏極基剤６を更に含む。
【0089】
マイクロ流体デバイス１００のいくつかのマイクロ流体素子１１０の測定チャンバ１１０ａの３Ｄ試料マトリックス１０に収容されたすべての試料（超偏極基剤６を注入された１つ又は複数量の細胞又は分析対象物質１）からの分光情報３３３を同時に得るためには、ＲＦパルスシーケンスは、少なくとも１種の高周波（ＲＦ）パルス生成ユニットにより生成されて適用される。これらのＲＦパルスシーケンスは、データ取得の比較的短い時間窓で可能な限り多くの空間的に局在しているスペクトル情報３３３を提供する。超偏極基剤６の偏極はある程度急速に経時的に減衰するため、このような短期間の時間では可能な限り多くのスペクトル情報を得ることが望ましい。
【0090】
エコープラナーイメージング（ＥＰＩ）などの伝統的なパルスシーケンスは、単一のデータ取得ショットにてＮＭＲ画像を再構成するために必要な情報を取得するが、スペクトル情報を取得することはできない。エコープラナー分光イメージング（ＥＰＳＩ）により、異なる化学シフトでの原子核処理を区別することが可能となるが、各データ取得ショットは部分的情報のみを取得することから、複数のデータ処理ショットが必要となる。化学シフトイメージング（ＣＳＩ）は、２Ｄ空間情報及び３次元、すなわち各ボクセルについてのスペクトル情報を提供し、複数のデータ取得ショットが必要とされる。
【0091】
近年、シングルショットＮＭＲ及び空間時間エンコーディング（ｓｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌ ｅｎｃｏｄｉｎｇ、ＳＰＥＮ）などのイメージング技術によって、単一のスペクトルデータ取得での化学シフト識別が可能となる。２つのバージョンのこれらのパルスシーケンスは、超偏極１３Ｃ実験に有用であると考えられる。１つの選択肢としては、関心対象の形状を有する領域を励起することで局在分光法を実施することが挙げられる。こうして選択された領域から、ＮＭＲ信号が取得され、分析される試料の励起領域に原子核の化学シフトすべてを含有するスペクトルを得る。
【0092】
このようにして標的領域で生成されたＮＭＲ信号の時間シーケンスセットは、ＮＭＲ装置４００のＲＦ受信ユニットのＲＦコイルを使用して獲得される。ＲＦコイルは、分析対象物質１の原子核処理により誘導される標的領域３１０内の磁場における変化を電磁電流信号３３３に変換し、コンピュータ処理ユニット４００にこれを伝達する。コンピュータ処理ユニット４００は、取得された信号を分析し、分析に基づいて分析対象物質１の生理学的状態を決定する。
【0093】
ＮＭＲ測定後にデータ取得が行われると、灌流システムが再び開始し、超偏極（ＨＰ）基剤６の残りをマトリックス灌流媒体５で希釈する。
【0094】
図６に概説されるように、コンピュータ処理ユニット４００は、１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用してＮＭＲ装置３００から取得された少なくとも取得された信号３３３を分析するように構造化されている。したがって、コンピュータ処理ユニット４００は、時間依存電磁電流信号に変換されたＮＭＲ信号をＮＭＲ装置３００から取得するように構造化されているデータ受信ユニット４０１を実装する。少なくとも１つのデータ受信ユニット４０１は、ＮＭＲ信号の時間シーケンスセットのデータ流を受信するための好適な信号配線を利用し、指定されたＺｉｇＢｅｅ（商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）など、データを交換するためのネットワークプロトコル又は無線ネットワーク用のＷｉーＦｉベースプロトコルに従って操作する無線データ通信インターフェースにより、ＮＭＲ装置３００に接続され得る。
【0095】
本発明によるコンピュータ実装方法のステップでは、コンピュータ処理ユニット４００は、強度対時間のようにＮＭＲ信号の時間シーケンスセット（時間領域信号－自由誘導減衰、ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｓｉｇｎａｌ－ｆｒｅｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｄｅｃａｙ、ＦＩＤ）を増幅して記憶する。この目的について、コンピュータ処理ユニット４００は、ＮＭＲ信号の時間シーケンスセットの１つ又は複数の時間周波数表現を生成するための少なくとも１つの時間周波数変換アルゴリズムを実装する、少なくとも１つのデータ変換ユニット４０１を利用する。単純な分光実験では、ＮＭＲ信号はゼロフィリング、フーリエ変換及びベースライン補正される。スペクトルの各ピークの曲線下領域を計算し、補正係数をフリップ角又は他の取得特性に適用する。より複雑なパルスシーケンスは、信号のデコンボリューション（例えば、ＳＰＥＮ）を必要とする場合である。
【0096】
ＮＭＲ信号の時間シーケンスセットの時間周波数変換４４４は、短時間フーリエ変換、ウェーブレット変換、フィルタバンク又は離散コサイン変換に代表されるが、これらに限定されない群から選択され得る。
【0097】
コンピュータ処理ユニット４００は、分析対象物質１の生理学的状態を決定するために１つ以上の機械学習アルゴリズムを使用し、ＮＭＲ信号の時間シーケンスセットの時間周波数表現を分析するように構造化されている。例示目的については、１つ以上の機械学習アルゴリズムは、図６の参照符号４０２で示されている。一例では、コンピュータ処理ユニット４００は、中に記憶されたコンピュータコード化命令を含むコンピュータ可読記憶ユニット（図示せず）を組み込んだアルゴリズム処理ユニット４０２を実装してもよく、コンピュータコード化命令は、実行されると機械学習アルゴリズムを実施する。
【0098】
コンピュータ処理ユニット４００の記憶ユニットは、ハードディスクユニット又はソリッドステートストレージユニット、又は本開示によるコンピュータ実装方法を実施するコンピュータコードを実装するラップトップ又はコンピュータに搭載されたＵＳＢストレージユニットなどのリムーバブルストレージユニットであり得る。
【0099】
本開示によれば、本開示のコンピュータ処理ユニット４００は、ラップトップ又はコンピュータ（の一部）であり得るが、これは本開示によるコンピュータ実装方法を実施するコンピュータコードを実装することができる。例えば、本開示の方法は、コンピュータプログラム又は製品内に組み込むことができる。このコンピュータプログラム又は製品は、例えばラップトップ又はコンピュータなどのコンピュータによってコンピュータプログラム又は製品プログラムが実行されると、コンピュータに本明細書に開示のコンピュータ実装方法のステップを実行させる、コンピュータコード化命令を含む。
【0100】
特定の実施形態では、中に保存されたコンピュータコード化命令を含むコンピュータ可読記憶媒体が提案される。このコンピュータコード化命令は、コンピュータにより実行されると、本願に開示されたコンピュータ実装方法のステップをコンピュータに実行させる。こうしたコンピュータ可読記憶媒体は、（ソリッドステート）ハードドライブ、又はＵＳＢドライブ、又は（デジタル）光ディスクであり得る。
【0101】
代替的な例では、１つ以上の機械学習アルゴリズム４０２をデータ変換ユニット４０１内部に組み込むことができる。したがって、本開示によるコンピュータ実装方法のいくつかの別個のステップを実施する単独の計算ユニットを形成する。
【0102】
分析対象物質１の生理学的状態を決定すると、結果は、例えばコンピュータ若しくはラップトップディスプレイ、又は別個のディスプレイユニット４０３といったデータ出力ユニット４０３により出力又は表示され得る。
【0103】
１つ以上の機械学習アルゴリズム４０２を使用して分析対象物質１の試料の生理学的状態を識別するためには、標準的な技術と比較すると試料の感度が高いといった利点を有することから、取得されたＭＲＩ画像は、好ましくはマイクロ流体デバイス１００の測定チャンバ１１０ａに位置づけられた開口した３Ｄ試料マトリックス１０に収容された、又はバイアルに収容された超偏極基剤６を注入された分析対象物質１の試料から生成されることが不可欠である。本発明は、分析対象物質１の生理学的状態の存在又は発生についての指標として機能する取得されたＭＲＩ画像における重要パターンを識別することが必要である。
【0104】
したがって、一例では、機械学習アルゴリズム４０２は、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークを含んでもよい。そうした特定の例では、コンピュータ処理ユニット４００は、超偏極基剤を注入された分析対象物質の既知の生理学的状態についての、経時的な信号の訓練シーケンスを特徴とする経時的な信号のシーケンスを用いて、コンピュータ実装人工ニューラルネットワーク４０２を訓練することと、超偏極基剤（これは、訓練データに関連する）を注入された分析対象物質の未知の生理学的状態についての、経時的な信号の少なくとも１つの試験シーケンスを特徴とする入力信号のシーケンスをコンピュータ実装人工ニューラルネットワークに適用することと、適用された経時的な信号の各試験シーケンスを分析し、経時的な信号の各試験シーケンスについて、超偏極基剤を注入された分析対象物質の予測される生理学的状態を生成することと、を行うように構成された訓練ユニット（図示せず）を更に含む。
【0105】
コンピュータ実装人工ニューラルネットワーク４０２の訓練を支援するため、ＮＭＲ／ＭＲＩ画像はまず、専門家により注釈付け又は標識される。ＮＭＲ／ＭＲＩ画像におけるこれらの注釈又は標識は、疑問視されている細胞／器官／分析対象物質１に対する外部刺激応答（薬物など）に対応する重要パターンを示す。これらの標識された重要パターンは、特定の超偏極基剤６を含む、論点の分析対象物質１の既知の生理学的状態についての信号の訓練シーケンスを特徴づける。
【0106】
一例では、これらの注釈又は標識は、信号強度に対応する画像の色であり得る。この信号強度は、結果としてある特定の疾患段階を示し、それによって特定の超偏極基剤６を含む注入に関連する、論点の分析対象物質１の既知の生理学的状態を示す。
【0107】
このように標識された十分な量の重要パターンからなる統計学的に有意なデータコホートを収集した後、コンピュータ実装人工ニューラルネットワーク４０２は、こうした信号シーケンスの訓練セットで経時的に訓練され、その後超偏極基剤を注入された分析対象物質の未知の生理学的状態を有する信号シーケンスの検証又は試験セットで試験される。人工ニューラルネットワーク４０２のモデルが許容可能な真度を達成すると、ＮＭＲ／ＭＲＩ画像の新しい新規セットでＮＭＲ／ＭＲＩ画像の信号強度などの重要パターンを自動的に示し、かつこれらを進行中のデータ処理に組み込まれ得るデータフォーマットに変換し、これによって更なるパラメータを追加し、最終出力の品質を改善することができるようになると考えられる。
【0108】
更なる例では、本明細書に記載のシステム及び方法は、ＰＥＴイメージングなどであるがこれに限定されない他のイメージング技術の使用を含んでもよい。例では、使用される入力された訓練画像は、陽電子放出断層撮影（ｐｏｓｉｔｒｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＰＥＴ）イメージング及び他の分子イメージング技術などであるがこれに限定されない他のイメージング技術で得られた画像を含んでもよい。こうした例では、システム及び方法は、機械学習アルゴリズム４０２の訓練で使用される画像を取得するために使用されるイメージング技術で分析対象物質１の試料画像を取得することを含む。
【0109】
したがって、人工ニューラルネットワーク４０２は、ＮＭＲ／ＭＲＩ画像において代謝変化がこうした訓練済みの疾患段階（例えば、信号強度）と相関する場合には、疾患段階（分析される分析対象物質の生理学的状態）を検出することができる。
【0110】
マイクロ流体デバイス１００と超偏極（ＨＰ）作製装置２００及びＮＭＲ装置３００を組み合わせたシステム１０００の重要な利点の１つは、インビトロ条件下での外部刺激に対する動物又はヒト由来のいずれかによる実際の器官の応答をエミュレートする能力である。エミュレーションが正確であるほど、結果の値は高くなる。正確なエミュレーション及び試験条件の特徴的な性質の作成に関与する入力がとてつもなく複雑であることで、高度な技術を要求し、１つ以上のコンピュータ実装人工ニューラルネットワーク４０２を利用するコンピュータ処理ユニット４００の実装が必要となる。
【0111】
実装といった点では、人工ニューラルネットワーク４０２は、すべてのプロセスパラメータを含む、プロセス流れに使用される原料に由来するあらゆるデータで訓練される。得られたハードウェア及び分析出力４４４は、動物及びヒトの両方についてのインビトロ条件で同一の外部刺激に対する実際の応答と比較される。統計学的に有意なデータのコホートでの比較結果に基づき、人工ニューラルネットワーク４０２は、どのパラメータが実際の細胞／器官／分析対象物質１のより緊密なエミュレーションに寄与するのかを決定することができる。
【0112】
最終的には、コンピュータ実装人工ニューラルネットワーク４０２は、インビトロ試験について疑問視されている細胞／器官／分析対象物質１の実際の条件をエミュレートするのに必要とされるパラメータを予測することができる。これに加えて、重要なパラメータのより良好に理解することによって、構築が複雑である様々な他の器官の有効なモデルを構築するのに役立つ。
【0113】
したがって、インビトロ及びインビボ条件について、分析対象物質１を含む１つ以上の試料マトリックス１０を収容するマイクロ流体デバイス１００、超偏極（ＨＰ）作製装置２００及びＮＭＲ装置３００からなる本開示によるシステムを使用して細胞／器官／分析対象物質から得られたデータを比較することで、人工ニューラルネットワーク４０２を実装することは、現在の技術を使用して確立することがほぼ不可能である橋渡しギャップを克服するのに役立つ。
【0114】
マイクロ流体デバイス１００の複数のマイクロ流体素子１１０の測定チャンバ１１０ａによって、同一の外部刺激、すなわち、標的領域３１０における同一の超偏極剤６及び同一の磁場勾配並びにＲＦパルスを印加されたセットに対する細胞／器官／分析対象物質１の複数の応答を試験することが可能となる。目的は、調査中の主な細胞／器官／分析対象物質１に加えて、他の細胞／器官／分析対象物質に関する外部刺激の影響を理解することである。根底にある生物学的プロセスの複雑さを考慮すると、人工知能のような高度な方法は、様々な細胞／器官／分析対象物質における応答の相関を理解し、最終的に相関、それによる応答を予測する上で高度に有益である。
【0115】
実装といった点では、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークモデル４０２は、外部刺激に対する一次及び二次器官の応答で訓練される。データの統計学的に有意なコホートで訓練した後、コンピュータ実装人工ニューラルネットワークモデル４０２は、一次器官に試験されている同じ外部刺激（特に、使用される超偏極剤６）に対する二次器官の応答を予測する。これらの結果は、研究者がこれらの効果を引き起こしている根底にある生物学的機構を理解し、目標を絞り込むのに役立つ。
【0116】
システム１０００により、非侵襲的手法でＨＰ及びＭＲ技術を使用して分析対象物質の生理学的状態に関する代謝データをリアルタイムで取得し、分析することが可能である、多様なプラットフォームが生成される。このプラットフォームにより、より高度な機能的ヒト特異薬物試験システムの開発を達成することができる。
【図1】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図2d】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図3d】
【図3e】
【図4】
【図5】
【図6】
【国際調査報告】