小核(MN)アッセイは、DNA損傷を定量化するための確立されたテストです。ただし、手動顕微鏡や特徴ベースの画像分析などの従来の手法を使用してアッセイをスコアリングすることは、面倒で困難です。この論文では、イメージングフローサイトメトリーデータを使用してMNアッセイをスコアリングするための人工知能モデルを開発する方法論について説明します。
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小核(MN)アッセイは、DNA損傷を定量化するための確立されたテストです。ただし、手動顕微鏡や特徴ベースの画像分析などの従来の手法を使用してアッセイをスコアリングすることは、面倒で困難です。この論文では、イメージングフローサイトメトリーデータを使用してMNアッセイをスコアリングするための人工知能モデルを開発する方法論について説明します。
小核(MN)アッセイは、化学物質の遺伝毒性を評価するために世界中の規制機関によって使用されています。アッセイは2つの方法で実施することができる:一度分裂した、細胞質分裂がブロックされた二核細胞または完全に分裂した単核細胞におけるMNをスコアリングすることによって。歴史的に、光学顕微鏡はアッセイをスコアリングするためのゴールドスタンダードの方法でしたが、それは面倒で主観的です。フローサイトメトリーは、近年、アッセイのスコアリングに使用されていますが、細胞画像の重要な側面を視覚的に確認できないため、制限されています。イメージングフローサイトメトリー(IFC)は、ハイスループット画像キャプチャと自動画像解析を組み合わせたもので、MNアッセイのすべての重要なイベントの画像を迅速に取得し、スコアリングするために成功裏に適用されています。最近、畳み込みニューラルネットワークに基づく人工知能(AI)手法を使用して、IFCが取得したMNアッセイデータをスコアリングできることが実証されました。このホワイトペーパーでは、AIソフトウェアを使用してディープラーニングモデルを作成し、すべての主要なイベントをスコアリングし、このモデルを適用して追加データを自動的にスコアリングするためのすべての手順について説明します。AIディープラーニングモデルの結果は、手動顕微鏡と比較して優れているため、IFCとAIを組み合わせることでMNアッセイの完全に自動化されたスコアリングが可能になります。
小核(MN)アッセイは、ヒト用の化粧品、医薬品、および化学物質の開発におけるDNA損傷を評価するための遺伝毒物学の基本です1,2,3,4。小核は、分裂後に核に取り込まれず、核とは別の小さな円形体に凝縮する染色体全体または染色体断片から形成されます。したがって、MNは、遺伝毒性試験1におけるDNA損傷を定量するためのエンドポイントとして使用できます。
MNを定量するための好ましい方法は、サイトカラシン-B(Cyt-B)を用いて分裂をブロックすることによって一回分裂した二核細胞(BNC)内である。このバージョンのアッセイでは、細胞毒性は、単核(MONO)および多核(POLY)細胞のスコアリングによっても評価されます。このアッセイは、ブロックされていないMONO細胞におけるMNをスコアリングすることによっても実行することができ、これはより速く、より簡単にスコアリングすることができ、増殖を評価するために曝露前および曝露後の細胞カウントを使用して細胞毒性を評価する5,6。
アッセイの物理的スコアリングは、すべての重要なイベントを視覚的に確認できるため、歴史的に手動顕微鏡によって行われてきました。しかし、手動顕微鏡は困難で主観的です1。そのため、顕微鏡スライドスキャンやフローサイトメトリーなどの自動化技術が開発されていますが、それぞれに独自の利点と制限があります。スライドスキャン法では重要なイベントを視覚化できますが、スライドは最適なセル密度で作成する必要があり、達成が困難な場合があります。さらに、この手法は細胞質の可視化を欠いていることが多く、MONO細胞とPOLY細胞のスコアリングを損なう可能性があります7,8。フローサイトメトリーはハイスループットなデータキャプチャを提供しますが、細胞を溶解する必要があるため、Cyt-B型のアッセイを使用することはできません。さらに、非イメージング技術として、従来のフローサイトメトリーは重要な事象の視覚的検証を提供しない9、10。
そのため、MNアッセイを行うためにイメージングフローサイトメトリー(IFC)が検討されている。ImageStreamX Mk IIは、従来のフローサイトメトリーの速度と統計的堅牢性を、顕微鏡の高解像度イメージング機能を単一のシステムで組み合わせた11。IFCを使用することにより、すべての主要なイベントの高解像度画像をキャプチャし、特徴ベースの12,13または人工知能(AI)技術14,15を使用して自動的にスコアリングできることが示されています。IFCを使用してMNアッセイを行うことにより、顕微鏡検査と比較して、より短時間でより多くの細胞を自動的にスコアリングすることができます。
この作業は、前述の画像分析ワークフロー16 から逸脱し、Amnis AIソフトウェア(以下「AIソフトウェア」と呼ぶ)を使用してランダムフォレスト(RF)および/または畳み込みニューラルネットワーク(CNN)モデルを開発およびトレーニングするために必要なすべてのステップについて説明します。AI支援タグ付けツールを使用したグラウンドトゥルースデータの入力、モデルトレーニング結果の解釈、追加データを分類するためのモデルの適用など、必要なすべてのステップが説明されており、遺伝毒性と細胞毒性の計算が可能になります15。
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1. イメージングフローサイトメトリーを用いたデータ取得
注:Rodrigues et al.16 を参照し、次の変更を加えて、IFCを使用する取得領域を最適な画像キャプチャのために変更する必要があるかもしれないことに注意してください。
2. すべての .rif ファイルに対して .daf ファイルを作成する
3. AIソフトウェアで実験を作成する
4. AI支援タグ付けツールを使用したグラウンドトゥルースデータの入力
5. モデルの精度の評価
6. モデルを使用したデータの分類
7. 分類結果のレポートの生成
8.MN頻度と細胞毒性の決定







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図1は、AIソフトウェアを使用してMNアッセイのモデルを作成するためのワークフローを示しています。ユーザーは、目的の.dafファイルをAIソフトウェアにロードし、AI支援クラスター(図2)と予測(図3)タグ付けアルゴリズムを使用して、オブジェクトをグラウンドトゥルースモデルクラスに割り当てます。すべてのグラウンドトゥルースモデルクラスに十分なオブジェクトが入力されたら、RFまたはCNNアルゴリズムを使用してモデルをトレーニングできます。トレーニング後、クラス分布ヒストグラム、精度統計、対話型の混同行列などのツールを使用してモデルのパフォーマンスを評価できます(図4)。AIソフトウェアの結果画面から、ユーザーはワークフローのトレーニング部分に戻ってグラウンドトゥルースデータを強化するか、十分な精度が達成された場合、ユーザーはモデルを使用して追加のデータを分類できます。
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ここで紹介する研究では、MNアッセイのスコアリングを自動化するためのディープラーニングアルゴリズムの使用について説明しています。最近のいくつかの出版物は、直感的でインタラクティブなツールが、深い計算知識を必要とせずに画像データを分析するための深層学習モデルの作成を可能にすることを示しています18,19。ユーザーインターフェイス駆動型ソフトウェアパッケージを使用してこの作業で説明されているプロトコルは、非常に大きなデータファイルでうまく機能し、ディープラーニングモデルを簡単に作成できるように設計されています。AIソフトウェアパッケージでRFおよびCNNモデルを作成およびトレーニングするために必要なすべてのステップについて説明し、アッセイのCyt-Bバージョンと非Cyt-Bバージョンの両方ですべての重要なイベントの高精度な識別と定量化を可能にします。最後に、これらのディープラーニングモデルを使用して追加データを分類し、化学的細胞毒性とMN頻度を評価する手順について説明します。
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著者らは、ImageStreamイメージングフローサイトメーターと本研究で使用したAmnis AIソフトウェアのメーカーであるDiaSorin CompanyであるLuminex Corporationに雇用されています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 15 mL遠心チューブ | ファルコン | 352096 | |
| クレンザー - コールタークレンツ | ベックマン・コールター | 8546931 | 容器に200mLのクレンザーを充填します。 https://www.beckmancoulter.com/wsrportal/page/itemDetails?itemNumber=8546931#2/10//0/25/ 1/0/asc/2/8546931///0/1//0/ |
| Colchicine | MilliporeSigma | 64-86-8 | |
| コーニング ボトルトップ真空フィルター | ミリポアシグマ | CLS430769 | 0.22 & マイクロ;m フィルター、500 mL ボトル |
| サイトカラシン B | ミリポアシグマ | 14930-96-2 | 5 mg ボトル |
| デバプラー - 70% イソプロパノール | ミリポアシグマ | 1.3704 | 容器に 200 mL のデバプラーを充填します。 http://www.emdmillipore.com/US/en/product/2-Propanol-70%25-%28V%2FV%29-0.1-%C2%B5m-filtred,MDA_CHEM-137040?ReferrerURL=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F |
| ジメチルスルホキシド (DMSO) | ミリポアシグマ | 67-68-5 | |
| ダルベッコのリン酸塩緩衝生理食塩水 1X | EMD ミリポア | BSS-1006-B | PBS Ca++MG++ 無料 |
| ウシ胎児血清 | HyClone | SH30071.03 | |
| ホルムアルデヒド 10%、メタノールフリー Ultra Pure | Polysciences, Inc. | 04018 | これが4%と1%のホルマリンに使用されているものです。注意:ホルマリン/ホルムアルデヒドは、吸入および飲み込むと有毒です。 目、呼吸器系、皮膚に刺激を与えます。 吸入や皮膚接触により感作性を引き起こす可能性があります。目に重大な損傷を与える恐れがあります。 潜在的ながんの危険性があります。 http://www.polysciences.com/default/catalog-products/life-sciences/histology-microscopy/fixatives/formaldehydes/formaldehyde-10-methanol-free-pure/ |
| Guava Muse Cell Analyzer | Luminex | 0500-3115 | 標準構成のGuava Muse Cell Analyzerを使用しました。 |
| Hoechst 33342 | Thermo Fisher | H3570 | 10 mg/mL solution |
| Mannitol | MilliporeSigma | 69-65-8 | |
| MEM Non-Essential Amino Acids 100X | HyClone | SH30238.01 | |
| MIFC - ImageStreamX Mark II | Luminex, a DiaSorin company | 100220 | 405 nm、488 nm、642 nm レーザーを搭載した 2 台のカメラ ImageStreamX Mark II を使用しました。 |
| MIFC解析ソフトウェア - IDEAS | Luminex, a DiaSorin company | 100220 | "画像解析ソフトウェア" MIFC (ImageStreamX MKII)のコンパニオンソフトウェアMIFC |
| software - INSPIRE | Luminex, a DiaSorin社 | 100220 | "Image acquisition software" これは、MIFC(ImageStreamX MKII)を実行するソフトウェアです |
| Amnis AIソフトウェア | Luminex、DiaIsorinの会社 | 100221 | 「AIソフトウェア」 これは、データを分析するための人工知能モデルの作成を可能にするソフトウェアです |
| マイトマイシン C | ミリポアシグマ | 50-07-7 | |
| NEAA 混合物 100x | ロンザ バイオウィテカー | 13-114E | |
| ペニクリン/ストレプトマイシン/グルタミン溶液 100X | Gibco | 15070063 | |
| 塩化カリウム (KCl) | MilliporeSigma | P9541 | |
| リンス - 超純水または脱イオン水 | NA | NA 超純水または脱イオン水を使用してください。 容器に900mLのリンスを入れます。 | |
| RNase | MilliporeSigma | 9001-99-4 | |
| RPMI-1640 Medium 1x | HyClone | SH30027.01 | |
| シース - PBS | MilliporeSigma | BSS-1006-B | これはダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水 1x Ca++MG++無料 容器に900mLのシースを入れます。 |
| 滅菌水 | HyClone | SH30529.01 | |
| 滅菌器 - 0.4%–0.7% 次亜塩素酸 | VWR | JT9416-1 | これは、クロロックス漂白剤を水で溶出させることによって作ることができる 10% クロロックス漂白剤です。 容器に200mLの滅菌器を入れます。 |
| T25フラスコ | ファルコン | 353109 | |
| T75フラスコ | ファルコン | 353136 | |
| TK6細胞 | ミリポアシグマ | 95111735 |
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