2016 Fiscal Year Research-status Report
情報科学的アプローチによるインスリン受容体周辺の膜環境の動態解析
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16K16153
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
竹本 智子 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究領域, 研究員 (00450403)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 画像処理 / 領域分割 / 細胞内ロジスティクス / 画像解析 / 可視化 / 細胞膜 / 画像認識 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脂質ラフトは，細胞内の情報伝達プラットフォームの役割を担い，細胞内輸送や免疫応答などの機能発現に関与し，病態の発生原因になるとされるが，未だその動態については明らかになっていない．そこで脂質ラフトと，ラフト上に存在する各種のシグナル受容体に注目することで，シグナル伝達時の脂質ラフトの動態を明らかにしようとする研究が行われている．特に本研究では，近年新たに確立された観察系として，インスリン受容体を環境感受性の蛍光プローブで標識し，受容体周辺の膜環境のみを観察することに成功した観察系から得た大量のタイムラプス画像を用いて，インスリン刺激に対する受容体周辺の膜環境変化を画像解析しようとしている．
具体的な課題として，580nm前後及び630nm前後の短・高波長から得た２チャンネルのタイムラプス画像から，受容体を領域分割する必要がある．取得画像は，低侵襲撮影や，対象の移動や蛍光退色に伴う時間変化などによって，極めてノイズが多い．大量画像処理や，領域分割の後の解析に客観性を持たせるためには，現在は手作業で行っている領域分割を自動化することが求められている．そこで我々は，本研究に先だって研究・開発を進めている画像処理法の性能評価システムを用いて，対象の時間変化やノイズにロバストな領域分割法について検討している．
現在までに，画像処理法の性能評価システムを用いて，インスリン受容体の領域分割を1000以上の方法で処理し，各結果の性能評価を行った．その結果，システムが分割性能が高いと判断した方法は，細胞観察者の領域判断を反映できていることを確認した．その後，システムが最も精度が良いと判断した領域分割法を用いて，タイムラプス画像から受容体を領域分割し，インスリン刺激前後の受容体領域の画素値変化を可視化した．現在これらの結果から，画像解析による膜環境変化の動態解析の可否について検討している．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は，インスリン刺激に対する受容体周辺の膜環境変化を画像解析を目的とし，以下の３課題をH28年度～H30年度に遂行することを掲げている．
１．対象領域の認識
２．現象の定量・可視化
３．現象の相関解析
H28年度は，１の対象領域の認識について，インスリン受容体領域の自動領域分割法の決定を実施した．具体的には，我々が先だって開発した画像処理法の性能評価システムを用いて，約1000以上の領域分割法から，観察画像に適した方法を網羅的に評価した．その結果，最も領域分割性能が高いと判断された領域分割法を用いて，タイムラプス画像から受容体を領域分割し，インスリン刺激前後の受容体領域の画素値変化を可視化した．この変化量の可視化は，インスリン刺激前後の膜動態（具体的には親水性及び疎水性）の変化を表現していることから，画像解析による膜動態の観察に繋がる．現在は，この結果の妥当性について，研究協力者に生物学的視点から評価を受けている．以上のことから，Ｈ28年度については，当初の計画通り，概ね順調に進展していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに行った領域分割法の性能評価を元に，大量のタイムラプス画像からインスリン受容体の領域分割を行い，インスリン刺激前後の膜動態について可視化する．このとき可視化するものは，膜の親水性・疎水性を表すＧＰ値（Generalized polarization value）である．本研究では時間ごとのＧＰ値だけではなく，インスリン刺激前後の局所的なＧＰ値変化及び，細胞膜構造との空間的配置を考慮した大局的なＧＰ値変化として可視化することを目指している．極めて微小な変化を可視化するため，本研究ではピクセル間の時間変化だけではなく，背景差分法で用いられる正規化距離による差分ＧＰ値や，Difference of Gaussianによる局所的顕著特徴に基づく差分ＧＰ値を試す予定である．また，求めた差分ＧＰ値をPseudo color表現で可視化する際には，バイオイメージの可視化表現に適しているとされるSeismic colormapの使用を予定しているが，本対象に適していないと判断した場合には，National Center for Atmospheric Researchで推奨されているものから，本研究に適した表現法を網羅的に試す予定である．
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| Causes of Carryover |
本研究を遂行するにあたり、画像処理実験・解析用PCを購入する予定であったが、所属機関の女性研究者助成事業による研究費配布により、本研究費での当該年度のPC購入を見送った。
また、本研究を遂行するにあたり、海外研究協力者との研究打ち合せ等が必要であったが、当該年度は研究内容と結果を鑑み、スカイプ等を活用することによって直接打ち合せの必要がなくなったため、その分の経費を使用しないこととなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H29年度は、H28年度の研究結果をもとに、海外研究協力者との直接打ち合せが必要であることから、旅費等を多く計上する必要がある。
また、画像解析実験を進めるにあたり、複数台のPCが必要になることが見込まれることから、新たな計算用PCの購入を予定している。以上にH28年度の繰り越し金を活用したい。
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