إعادة بناء 3 الأبعاد حجم الأنسجة وتطبيقاتها لدراسة ماوس الغدد الثديية
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
إعادة الإعمار حجم الأنسجة يسهل دراسة شكل 3D وتغير حجم جهازا على مستوى macrostructures تتكون من الخلايا. ويمكن أن تستخدم أيضا للتحقيق والتحقق من صحة تقنيات وخوارزميات جديدة في التصوير الطبي والعلاجات الحجمي. إنشاء الأطالس 3D عالية الدقة من مختلف الأجهزة 1،2،3 هو تطبيق آخر من إعادة الإعمار حجم الأنسجة. وهذا يوفر موردا للتحقيق في هياكل الأنسجة والعلاقة المكانية بين مختلف الميزات الخلوية. نقدم نهجا تسجيل الصورة لاعادة الاعمار حجم الأنسجة، الذي يستخدم مجموعة من الصور الضوئية blockface. يمثل حجم الأنسجة التي أعيد بناؤها على شكل موثوق من العينة المجهزة مع عدم وجود خطأ تسجيل مرحلة ما بعد المعالجة نشر. تم تسجيل الهيماتوكسيلين ويوزين (H & E) أقسام ملطخة اثنين من الغدد الثديية الماوس إلى صور blockface يناظرها باستخدام نقاط الحدود المستخرجة من إدغيس للعينة في الأنسجة وblockface الصور. تم تقييم دقة تسجيل بصريا. كما تم تقييم محاذاة macrostructures في الغدد الثديية بصريا في ارتفاع القرار.
هذه الدراسة يحدد الخطوات المختلفة لهذا الخط تسجيل الصورة، بدءا من استئصال الغدة الثديية من خلال لإعادة الإعمار 3D حجم الأنسجة. بينما الأنسجة 2D الصور تكشف عن الاختلافات الهيكلية بين أزواج من المقاطع، ويوفر حجم الأنسجة 3D القدرة على تصور الاختلافات في الشكل والحجم من الغدد الثديية.
Introduction
IGFBP7 (الأنسولين مثل عامل النمو ملزمة البروتين 7) هو عضو في الأسرة البروتين ملزمة IGF، ولقد ثبت لربط مستقبلات IGF1 4. ومن المعروف أسفل التنظيم من IGFBP7 أن يرتبط بسوء التشخيص بسرطان الثدي في 5، في حين أن إعادة إدخال IGFBP7 في نماذج ورم طعم أجنبي يمنع كثيرا من الأورام النمو من 6 إلى استحثاث موت الخلايا المبرمج والشيخوخة الخلوية 7. من أجل دراسة آثار IGFPB7، أنشئ الماوس Igfbp7 فارغة 5 (بيانات غير منشورة). في حين أن هذه الفئران لا تتطور الأورام، فإنها تظهر تغيرات في الأنسجة من المبيض والعضلات والكبد وكذلك عيوب في الزخرفة التنموية الغدة الثديية (بيانات غير منشورة). وأشير النمط الظاهري عيب أول ما الفئران فارغة ذات أحجام أصغر القمامة وغير قادرين على الحفاظ على الفضلات كبيرة متعددة (بيانات غير منشورة).
كميات الأنسجة 3D لديها القدرة على توفير المعلومات حول عملية مفيدةايون للالتحليلات الكمية والنسبية وتقييم نتائج مرضية في الصور الطبية الحجمي. متحد البؤر ثلاثي الأبعاد، يمكن أن اثنين من الفوتون المجهري توفير مستوى عال من الدقة خلية المعلومات المورفولوجية للغدة على مدى 14 المحلية، لكنه لا يملك حقل محدود من عرض وعمق. يوفر إعادة الإعمار حجم الأنسجة مزيد من المعلومات على حد المكانية أكبر بكثير. باستخدام الأساليب التقليدية ومن المتوقع بعض التشويه أثناء إعداد المقاطع النسيجية، مثل الانكماش والتوسع، والدموع، والطيات. هذه التشوهات تجعل من الصعب على تسجيل الصور النسيجي المسلسل في كومة 3D لإعادة بناء وحدة تخزين 3D. حيث بلغ عدد أقسام متتالية مع العيوب يزيد من أوجه التشابه بين أبواب سليمة يتم تقليل وبالتالي يجعل عملية التسجيل أكثر تعقيدا.
وقد اقترحت أساليب مختلفة لتسجيل المقاطع النسيجية وخلق الأنسجة فو المستمرلوم. بعض التقنيات تعتمد على الاختلافات كثافة 8، وتستند الآخرين على شكل أقسام 9. بالنسبة لبعض العينات الهياكل التشريحية يمكن أن تستخدم جنبا إلى جنب مع المعالم 10،11 القائم على أساليب التسجيل معلما 12،13. ولكن هذه الهياكل الداخلية قد لا تكون قابلة للكشف في جميع أنحاء مجلدا كاملا وبالنسبة لبعض العينات لا يمكن تحديد الهياكل التشريحية موثوق بها. وقد استخدمت بعض الجماعات نهج تسجيل الزوج الحكيم وتسجيل الصور على التوالي الأنسجة واحد إلى آخر باستخدام ملامح أو الهياكل التشريحية 16-18. تسجيل أقسام الأنسجة المسلسل مع بعضها البعض دون استخدام صور المرجعية قد نشر خطأ التسجيل وتغيير الشكل الفعلي من حجم الأنسجة. يعتمد نهج تسجيل الزوج الحكيم على اتساق شكل أقسام الأنسجة والهياكل الداخلية في جميع أنحاء كومة من الصور؛ وبالتالي فإنه يتطلب أخذ عينات كثيفة من العينة، والتيربما ليس من الممكن دائما، على سبيل المثال، لالعينات السريرية.
في هذا الخط نستخدم الصور blockface كمجموعة من الصور المرجعية لإعادة الإعمار حجم الأنسجة 19. تؤخذ الصور Blockface من كتل الأنسجة البارافين بعد تصاعد على مشراح وقبل أن يتم قطع كل قسم. وبالتالي، الأضرار التي لحقت الفردية قطع المقاطع المسلسل لا يتعارض مع تسجيل مقاطع المسلسل 8،11،15. نحن التقاط الصور blockface بطريقة مختلفة عن المجموعات الأخرى. يتم الحصول على صور الوجه كتلة البصرية بواسطة عدسة telecentric للقضاء أو التقليل برميل وتشويه المنظور، والذي يحدث عادة عند استخدام العدسات العادية في مجال البصريات. هذه هي واحدة من مزايا النهج المقترح على الطرق الأخرى المنشورة، والتي تؤدي التصوير blockface استخدام عدسات العادية. تؤخذ الصور في زاوية مائلة طفيف استخدام انعكاس سطح كتلة لتعزيز التباين بين TISSرق والبارافين سطح وإزالة ظلال الأنسجة في العمق، وتحت سطح البارافين. ويستخدم فلتر التصوير أيضا من استقطاب الضوء القادم من سطح كتلة وأنسجة لتحقيق التوازن في المقابل 19. لتصحيح تشريد كتلة على مشراح دوارة، يتم حفر 2-3 ثقوب في زوايا كتلة، والتي يمكن اكتشافها بسهولة في الصور blockface. يتم استخدام النقطة الوسطى من هذه الثقوب جنبا إلى جنب مع تسجيل جامدة على أساس تاريخية لمحاذاة الصور blockface.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة، قمنا بتطوير سير عمل تسجيل الصورة لإعادة بناء وحدة تخزين الأنسجة 3D من المسلسل صور الأنسجة 2D، والتي لا تتطلب المعالم الداخلية تم اختيارها عشوائيا أو علامات إيمانية مزروع داخل الأنسجة، والتي قد تشوه الأنسجة. من خلال طريقة وصفها، وتستخدم الصور الضوئية blo…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
