[发明专利]在高通量系统中应用机器学习以分析显微图像的系统和方法

说明书

本发明描述了用于将高通量流动成像显微镜与卷积神经网络结合以分析诸如聚合生物分子之类的颗粒以及用于各种诊断、治疗和工业应用的细胞的系统、方法和设备。

相关申请的交叉引用

本国际PCT申请要求2018年7月31日提交的美国临时申请第62/712,970号的权益和优先权。以上引用的申请的整个说明书和附图全部结合于此作为参考。

联邦资助研究声明

本发明是在政府的支持下完成的，并获得了美国国立卫生研究院授予的批准号EB006006和GM130513。美国政府享有本发明的某些权利。

技术领域

本发明的各方面涉及分析成像数据和评估成像样本以检测、诊断和监测有害颗粒物质的系统和方法，诸如体液中的外来感染性微生物、水中的颗粒污染物或生物医药制剂中的聚合蛋白，例如作为可注射蛋白质治疗剂等的质量控制的一部分。

背景技术

显微镜图像的高通量分析在医疗保健和生物医药领域具有众多潜在应用。一个示例是分析哺乳动物血液样本中的细胞。在该应用中，常规显微镜和其他细胞鉴定技术的低通量阻碍了对诸如细菌和病毒等病原性细胞或潜在地与疾病相关联的稀有哺乳动物细胞的及时诊断。即使在使用自动显微镜载玻片读取器的情况下，通量也受限于样本制备时间、需要应用费时的染色技术、每个显微镜载玻片可分析的样本量小以及检测和鉴定稀有哺乳动物细胞或血液样本中存在的大量正常细胞中的微量水平的外来感染性微生物所带来的挑战。为了检测和鉴定少量的外来感染性微生物，通常必须培养血液样本以使外来感染性微生物的数量增加到更容易检测的水平，该过程可能需要数天的血液培养并进一步限制了通量。因此，对血液样本内病原体的鉴定经常需要数天，并涉及复杂的程序，这种情况可能不适当地延误有效治疗，诸如抗生素的适当的选择。在某些情况下，这些延误已被证明对患者是致命的或造成了不必要的痛苦。治疗受感染患者的常见做法是使用广谱抗生素。然而，由于细菌对许多抗生素具有抗性的问题，广谱抗生素可能无法有效治疗许多感染。此外，对于相同的患者群体，诸如早产儿，由于使用不当或不必要的抗生素引起的副作用可能使这些患者面临严重并发症的风险。如果可以进行快速且准确的诊断，则可以预防或更有效且更迅速地治疗许多传染病病例。因此，需要基于生物样本来鉴定感染病原体的快速且准确的方法。

为了检测血液中的稀有哺乳动物细胞，可以进行附加低通量分析，该分析利用细胞特异性染色剂和标记结合荧光活化细胞分选(FACS)和其他流式细胞仪技术。FACS技术的低通量提高了检测血液样本中稀有细胞的有效极限，从而限制了诊断和治疗相关疾病状态的能力。因此，需要快速且准确的方法来鉴定血液样本中的稀有细胞。

在高通量图像分析的另一种有希望的应用中，目标是监测蛋白质治疗药物的质量和稳定性。蛋白质治疗剂是流行且广泛发展的药物类别，但是药物容器、储存环境、运输机制和/或制造过程中的加工条件会导致多种意外的有害蛋白质聚集体在药物产品中形成。一些蛋白质聚集体会导致昂贵的生物医药产品的功效降低，而一些聚集体甚至会引起不良的药物反应，诸如有害的免疫反应、过敏反应、输液反应、补体激活甚至死亡。其他类型的颗粒污染物，诸如从玻璃容器表面脱落的玻璃薄片以及从预填充注射器中的润滑层中析出的硅油滴也会造成不利影响，因此必须在药品和原料药材料中进行仔细监测。因此，至关重要的是快速监测、检测和分类药品和原料药中的蛋白质聚集体。当前的监管方法和标准能力不足以鉴定、检测和表征这些有问题的蛋白质聚集体和污染颗粒。