A novel approach for analyzing the three-dimensional dynamics of cell motility by the combined use of scanning ion conductance microscopy and machine-learning

结合使用扫描离子电导显微镜和机器学习来分析细胞运动三维动力学的新方法

• 批准号: 20K07217
• 负责人: 水谷 祐輔
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K07217/
• 关键词: イオンコンダクタンス顕微鏡; 細胞質突起; 機械学習; 画像解析

本研究は，走査型イオンコンダクタンス顕微鏡（SICM）を用いて取得できる生きた細胞の頂上膜面の細胞質突起の画像からダイナミクスを解析し，そのダイナミクスと細胞機能の関係性を解明することを目的としている。そのダイナミクスの解析には，本研究を通して構築する機械学習を用いたコンピュータ支援構造判別評価システムを使用し，困難さを多く含む画像判別を自動化することでより効率的におこなう事を並行して実施するものである。取り組んでいる課題を以下に示した。1. 画像データセットの収集と機械学習用データを用いたシステムの構築：　申請者は現在までに各種実験を通して撮像したSICM像を所有し，継続的に画像データセットの収集および本研究に学習データとして用いるデータセットを選別しタグ付け作業をおこなった。また，システムの構築は，フリーウエアで構築を進め，テスト画像データ等を処理させるなど適したものの選定をおこない，機械学習の作業環境整備を進め，識別アルゴリズムの作成を進展させている。2. 　各細胞の細胞質突起の構造観察：　SICMを用いた画像取得は，探針であるガラスピペットの形状や細胞の状態に依って適した画像取得に関するパラメータは異なる。本研究では，細胞質突起の観察における各種条件を精査することで，現状において適した画像取得パラメータを見出した。3. 　可逆的形態変化のコントロール可能な細胞質突起構造をもつ細胞の探索：　Tet受容体恒常発現細胞（TetR-Ca9-22 cells) の樹立に成功したが，当初期待していた顕著な細胞形態の変化は認められなかった。そこで，RAW264細胞をマクロファージ様細胞に分化誘導する実験モデルを検討し，本研究に適すると考える可逆的形態変化のコントロール可能な突起構造を有する条件を新たに見出した。

这项研究旨在分析活细胞顶部膜表面上的细胞质投影图像的动力学，可以使用扫描离子电导显微镜（SICM）获得，并阐明动力学和细胞功能之间的关系。使用计算机辅助的结构歧视和评估系统对这种动态进行分析，使用机器学习，这是通过本研究构建的，并且通过包含许多困难的图像歧视自动化，它是并行进行的。我们正在处理的问题在下面列出。 1。使用机器学习数据的图像数据集和系统构建的收集：申请人迄今为止通过各种实验捕获的SICM图像，并且已连续收集的图像数据集和所选数据集用作本研究中的培训数据，并标记了它们。此外，正在使用免费软件构建系统，并且正在开发合适的项目（例如处理图像数据等）的选择，以改善机器学习的工作环境，并创建了识别算法的创建。 2。观察每个细胞的细胞质投影的结构：使用SICM的图像采集取决于玻璃移液管的形状，这是探针和细胞的状况。在这项研究中，我们仔细检查了观察细胞质过程的各种条件，并为当前情况找到了适当的图像采集参数。 3。寻找可以控制可逆形态变化的细胞质结构的细胞：我们成功地建立了表达TET受体稳态（TERT-CA9-22细胞）的细胞，但没有观察到细胞形态的显着变化，我们最初曾被预期。因此，我们研究了一个实验模型，该模型诱导RAW264细胞分化为巨噬细胞样细胞，并发现了一种新疾病，该疾病具有可控制的突出结构，可用于可逆的形态变化，这被认为是适合本研究的。

项目成果

Scanning ion conductance microscopy of isolated metaphase chromosomes in a liquid environment

液体环境中分离的中期染色体的扫描离子电导显微镜

• DOI: 10.1007/s10577-021-09659-0
• 发表时间: 2021
• 期刊: Chromosome Research
• 影响因子: 2.6
• 作者: T. Ushiki;K. Ishizaki;Y. Mizutani;M. Nakajima;F. Iwata
• 通讯作者: F. Iwata

Scanning ion-conductance microscopy with a double-barreled nanopipette for topographic imaging of charged chromosomes

使用双管纳米移液器的扫描离子电导显微镜对带电染色体进行形貌成像

• DOI: 10.1093/jmicro/dfab009
• 发表时间: 2021
• 期刊: Microscopy
• 影响因子: 1.8
• 作者: Iwata Futoshi;Shirasawa Tatsuru;Mizutani Yusuke;Ushiki Tatsuo
• 通讯作者: Ushiki Tatsuo

細胞分裂に伴う核膜の動態に関する構造学的解析

细胞分裂过程中核膜动力学的结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 早津 学;水谷 祐輔;三上 剛和
• 通讯作者: 三上 剛和

Scanning Ion Conductance Microscopy (Bioanalytical Reviews, 3)

扫描离子电导显微镜（生物分析评论，3）

• 发表时间: 2022
• 作者: L. A. Baker; A. Bhargava;M.-H. Choi;I. D. Dietzel;A. Gesper;J. Gorelik;A. Haak;P. Happel;F. Iwata;Y. Korchev;C. W. Leasor ;M. V. Makarova;Y. Mizutani;M. Nakajima;P. Novak;T. E. Schaeffer;A. Shevchuk;Y. Takahashi;T. Ushiki;H. von Eysmond
• 通讯作者: H. von Eysmond