Genopbygning af 3-dimensionel Histologi Volumen og dens anvendelse til at studere mus mælkekirtler
Summary
We present an image registration approach for 3-dimensional (3D) histology volume reconstruction, which facilitates the study of the changes of an organ at the level of macrostructures made up of cells . Using this approach, we studied the 3D changes between wild-type and Igfbp7-null mammary glands.
Abstract
Histologi volumen genopbygning letter undersøgelse af 3D form og volumen ændring af et organ på niveau med makrostrukturer fremstillet af celler. Det kan også anvendes til at undersøge og validere nye teknikker og algoritmer i volumetrisk medicinsk billeddannelse og terapier. Skabe 3D atlas fra forskellige organer 1,2,3 høj opløsning er en anden anvendelse af histologi volumen genopbygning. Dette giver en ressource for at undersøge vævsstrukturer og det rumlige forhold mellem de forskellige cellulære funktioner. Vi præsenterer et billede registrering tilgang til histologi volumen genopbygning, der bruger et sæt af optiske blockface billeder. Den rekonstruerede histologi mængde udgør en pålidelig form af forarbejdede prøven uden opformeret efterbehandling registrering fejl. De Hematoxylin og eosin (H & E) farvet sektioner af to mus mælkekirtler blev registreret til deres tilsvarende blockface billeder ved hjælp grænsepunkter udvundet fra edGES af modellen i histologi og blockface billeder. Nøjagtigheden af registreringen blev visuelt vurderet. Tilpasningen af makrostrukturerne ifølge brystkirtler blev også vurderet visuelt ved høj opløsning.
Denne undersøgelse skildrer de forskellige trin i billedet registrering rørledning, der spænder fra excision af mælkekirtlen igennem til 3D histologi volumen genopbygning. Mens 2D histologi billederne afslører de strukturelle forskelle mellem par af afsnittene, 3D histologi volumen giver mulighed for at visualisere forskelle i form og volumen mælkekirtler.
Introduction
IGFBP7 (insulin-lignende vækst faktor bindende protein 7) er et medlem af IGF-bindende protein familie, og har vist sig at binde IGF1 receptor 4. Nedregulering af IGFBP7 er kendt for at være korreleret med dårlig prognose i brystkræft 5, mens genindførelsen af IGFBP7 i xenograft tumormodeller i høj grad hæmmer tumorer vækst på 6 gennem induktion af apoptose og cellulære ældning 7. For at studere virkningerne af IGFPB7 blev en Igfbp7-null mus skabt 5 (upublicerede data). Mens disse mus ikke udvikler tumorer, viser de ændringer i histologi i æggestokkene, muskel og lever samt defekter i mælkekirtler udviklingsmæssige mønstre (upublicerede data). Den defekte fænotype blev først angivet som nul-mus har mindre kuldstørrelse og ikke er i stand til at opretholde flere store kuld (upublicerede data).
3D histologi mængder har potentiale til at give nyttige information for kvantitative og komparative analyser og vurdering af patologiske fund i volumetriske medicinske billeder. Tre-dimensionel konfokal, kan to-foton mikroskopi levere høj opløsning celle morfologiske information af kirtel på lokalt omfang 14, men det har et begrænset synsfelt og dybde. Histologi volumen rekonstruktion giver mere information i løbet af et langt større geografisk udstrækning. Brug traditionelle tilgange nogle forvrængning er forudset under udarbejdelsen af histologiske snit, såsom krympning, ekspansion, tårer, og folder. Disse fordrejninger gør det vanskeligt at registrere serielle histologiske billeder i en 3D-stak for at rekonstruere et 3D-volumen. Da antallet af på hinanden følgende sektioner med defekter øger lighederne mellem intakte sektioner er reduceret, og dermed gør registreringsprocessen mere kompliceret.
Der er blevet foreslået forskellige metoder til at registrere histologiske snit og skabe en kontinuerlig histologi voLume. Nogle teknikker afhænger intensitetsvariationer 8, og andre er baseret på formen af sektionerne 9. For nogle prøver de anatomiske strukturer kan anvendes som vartegn 10,11 sammen med skelsættende-baserede registreringsmetoder 12,13. Men disse interne strukturer måske ikke kunne påvises i hele volumen og for nogle prøver kan identificeres ingen pålidelige anatomiske strukturer. Nogle grupper har brugt en parvise registrering tilgang og registreret fortløbende histologi billederne ene til den anden ved hjælp af konturer eller anatomiske strukturer 16-18. Registrering af serielle histologiske sektion til hinanden uden brug af reference billeder kan udbrede registreringen fejl og ændre den aktuelle form af histologi volumen. Parvis registrering tilgang er baseret på sammenhængen i formen af histologiske sektioner og de interne strukturer i hele stakken af billeder; derfor kræver det tætte prøvetagning af prøven, sommåske ikke altid muligt, fx til kliniske prøver.
I denne rørledning bruger vi blockface billeder som et sæt af reference billeder til histologi volumen genopbygning 19. Blockface billeder er taget af paraffin vævsblokke efter montering på mikrotomen og før hver sektion er skåret. Således ikke skader på individuel seriesnit snit ikke interfererer med registrering af seriesnit 8,11,15. Vi fange blockface billederne på en anden måde fra de andre grupper. Optiske blok ansigtsbilleder er opnået ved en telecentrisk linse til at eliminere eller minimere tønden og perspektiv forvrængning, der normalt opstår, når ved hjælp af regulære linser i optik. Dette er en af fordelene ved den foreslåede fremgangsmåde over de andre offentliggjorte metoder, som udfører blockface billeddannelse ved hjælp af almindelige linser. Billederne er taget på en let skrå vinkel til at bruge refleksion af overfladen af blokken til forøgelse kontrast mellem tissue og paraffin overflade og for at fjerne skyggen af vævet i dybden, under paraffin overflade. Et fotografisk filter bruges også til at polarisere lys, der kommer fra blokken overflade og vævet til at justere kontrasten 19.. For at korrigere for forskydningen af blok på rotationsmikrotom er 2-3 bores huller i hjørnerne af blokken, som er let påviseligt i blockface billeder. Centroiderne af disse huller er brugt sammen med milepæl-baserede stiv registrering at justere blockface billeder.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne undersøgelse har vi udviklet et billede registrering workflow til at rekonstruere et 3D-histologi volumen fra serielle 2D histologi billeder, som ikke kræver interne tilfældigt udvalgte vartegn eller implanterede referencemærker markører i vævet, som kan forvride vævet. Ved den beskrevne metode, er optiske blockface billeder selv bruges som reference billeder før sektionering. Vi bruger eksterne huller boret i paraffin blok til at støtte i at justere blockface billeder, og til at korrigere for 2D tværg…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank the Biomarker Imaging Research Laboratory (BIRL) at Sunnybrook Research Institute for their histology services. Support for this work was provided by the Terry Fox Foundation, the Canadian Breast Cancer Foundation‐the Prairie‐NWT as well as a CIHR grant, #MOP-97996.
Materials
| 16% PFA | VWR International | 15710 | 16% Paraformaldehyde solution |
| Small tissue processing cassettes | VWR International | CA95029-956 | |
| Leica ASP300 Automated Tissue processor | Leica | 14047643515 | |
| 100% ethanol | Fisher Scientific | S25307B | |
| Xylene | VWR International | CA95057-822 | |
| Paraffin | Thermo Fisher | 39501006 | Paraplast Tissue Embedding Medium |
| Leica EG 1160 Embedding Centre | Leica | ||
| Leica rotary microtome | Leica | ||
| Milling machine | Argo | ||
| Microscope slides | VWR International | CA48312-015 | |
| H&E stain | VWR International | ||
| Automatic stainer | |||
| Coverslips | VWR International | 48404-452 | |
| MEDITE RCM 7000 Glass Coverslipper | MEDITE | ||
| Leica SCN400 slide scanner | Leica | ||
| MATLAB | MathWorks Inc | MATLAB 2007b | Development software |
| MeVisLab | MeVis Medical Solutions AG | MeVisLab 2.1 | 3D visualization software |
References
- Sunkin, S. M., et al. Brain Atlas: An integrated spatiotemporal port for exploring the central nervous system. Nucleic Acids Research. 41, 996-1008 (2012).
- Shen, E. H., Overly, C. C., Jones, A. R. The Allen Human Brain Atlas: Comprehensive gene expression mapping of the human brain. Trends in Neurosciences. 35 (12), 711-714 (2012).
- Trifunović, D., Karali, M., Camposampiero, D., Ponzin, D., Banfi, S., Marigo, V. A high-resolution RNA expression atlas of retinitis pigmentosa genes in human and mouse retinas. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 49 (6), 2330-2336 (2008).
- Evdokimova, V., et al. IGFBP7 binds to the IGF-1 receptor and blocks its activation by insulin-like growth factors. Science Signaling. 5 (255), 92 (2012).
- Burger, A., Leyland-Jones, B., Banerjee, K., Spyropoulos, D., Seth, A. Essential roles for IGFBP-3 and IGFBP-rP1 in breast cancer. European J. Cancer. 41 (11), 1515-1527 (2005).
- Amemiya, Y., et al. Insulin like growth factor binding protein-7 reduces growth of human breast cancer cells and xenografted tumors. Breast Cancer Res Treat. 126 (2), 373-384 (2011).
- Benatar, T., et al. IGFBP7 reduces breast tumor growth by induction of senescence and apoptosis pathways. Breast Cancer Res Treat. 133 (2), 563-573 (2012).
- Bardinet, E., et al. Co-registration of histological, optical and MR data of the human brain. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention-Part I. , 548-555 (2002).
- Jacobs, M. A., Windham, J. P., Soltanian-Zadeh, H., Peck, D. J., Knight, R. A. Registration and warping of magnetic resonance images to histological sections. Medical Physics. 26 (8), 1568-1578 (1999).
- Zhan, Y., Ou, Y., Feldman, M., Tomaszeweski, J., Davatzikos, C., Shen, D. Registering histologic and MR images of prostate for image-based cancer detection. Academic radiology. 14 (11), 1367-1381 (2007).
- Dauguet, J., et al. Three-dimensional reconstruction of stained histological slices and 3D non-linear registration with in vivo MRI for whole baboon brain. Journal of Neuroscience Methods. 164 (1), 191-204 (2007).
- Lazebnik, R. S., Lancaster, T. L., Breen, M. S., Lewin, J. S., Wilson, D. L. Volume registration using needle paths and point landmarks for evaluation of interventional MRI treatments. IEEE Transactions on Medical Imaging. 22 (5), 653-660 (2003).
- Breen, M. S., Lazebnik, R. S., Wilson, D. L. Three-dimensional registration of magnetic resonance image data to histological sections with model-based evaluation. Annals of Biomedical Engineering. 33 (8), 1100-1112 (2005).
- Mori, H., Borowsky, A. D., Bhat, R., Ghajar, C. M., Seiki, M., Bissell, M. J. . The American Journal of Pathology. 180 (6), 2249-2256 (2012).
- Gibb, M., Gilbert, D., Heiner, M., et al. Resolving the three-dimensional histology of the heart. Computational Methods in Systems Biology. , 2-16 (2012).
- Wu, M. L., et al. Three-dimensional virtual microscopy of colorectal biopsies. Archives of Pathology & Laboratory Medicine. 129 (4), 507-510 (2005).
- Arganda-Carreras, I., et al. 3D Reconstruction of histological sections: Application to mammary gland tissue. Microscopy Research and Technique. 73 (11), 1019-1029 (2010).
- Song, Y., Treanor, D., Bulpitt, A. J., Magee, D. R. 3D reconstruction of multiple stained histology images. Journal of Pathology Informatics. 4 (2), 7 (2013).
- Shojaii, R., Karavardanyan, T., Yaffe, M., Martel, A. L. Validation of histology image registration. SPIE Medical Imaging. 7962, 79621E, doi:10.1117/12.878762. 7962 (7962E), (2011).
- Ridler, T. W., Calvard, S. Picture thresholding using an iterative selection method. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. 8 (8), 630-632 (1978).
- Freeman, H. Computer processing of line-drawing images. ACM Computing Surveys (CSUR. 6 (1), 57-97 (1974).
- Giardina, C. Accuracy of curve approximation by harmonically related vectors with elliptical loci). Computer Graphics and Image Processing. 6 (3), 277-285 (1977).
- Shojaii, R., Martel, A. L. A novel edge point selection method for registration of histology images. Optical Tissue Image analysis in Microscopy, Histopathology and Endoscopy. (OPTIMHisE) Workshop, MICCAI. , (2009).
- Besl, P., McKay, N. A method for registration of 3-D shapes. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 14 (2), 239-256 (1992).
- Chatterjee, S., et al. Loss of Igfbp7 causes precocious involution in lactating mouse mammary gland. PLoS ONE. 9 (2), e87858 (2013).
- Manjunath, B. S., Chellappa, R. Unsupervised texture segmentation using Markov random field models. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 13 (5), 478-482 (1991).
- Krishnamachari, S., Chellappa, R. Multiresolution Gauss-Markov random field models for texture segmentation. IEEE Transactions on Image Processing: a publication of the IEEE Signal Processing Society. 6 (2), 251-267 (1997).
