Reconstructie van 3-dimensionale Histologie Volume en de toepassing ervan te studeren Mouse borstklieren
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
Histologie volume reconstructie vergemakkelijkt de studie van 3D vorm en volumeverandering van een orgaan ter hoogte van macrostructuren opgebouwd uit cellen. Het kan ook worden gebruikt om nieuwe en algoritmen volumetrische medische beeldvorming en therapie onderzoeken en valideren. Het maken van 3D high-resolution atlassen van verschillende organen 1,2,3 is een andere toepassing van histologie volume wederopbouw. Dit verschaft een middel voor het onderzoeken van weefsel structuren en de ruimtelijke relatie tussen verschillende cellulaire functies. We geven een beeld registratie aanpak voor histologie volume reconstructie, die een reeks van optische blockface beelden gebruikt. De gereconstrueerde histologie volume vertegenwoordigt een betrouwbare vorm van de verwerkte monster zonder kunstmatig gekweekte nabewerking registratie fout. De hematoxyline en eosine (H & E) gekleurde coupes van twee muizen borstklieren geregistreerd hun overeenkomstige blockface beelden gebruiken grenspunten uit het edges van het monster in de histologie en blockface afbeeldingen. De nauwkeurigheid van de registratie werd visueel beoordeeld. De uitlijning van de macrostructuren van de melkklieren werd ook visueel beoordeeld met een hoge resolutie.
Deze studie schetst de verschillende stappen van deze beeldregistratie pijpleiding, van excisie van de borstklier tot 3D histologie volume reconstructie. Terwijl 2D histologie beelden tonen de structurele verschillen tussen paren van gedeelten, 3D histologie volume biedt de mogelijkheid om de verschillen in vorm en volume van de borstklieren visualiseren.
Introduction
IGFBP7 (insuline-achtige groeifactor bindend eiwit 7) is een lid van de IGF-bindende eiwit familie, en is aangetoond dat de IGF-1 receptor 4 binden. Neerregeling van IGFBP7 bekend is gecorreleerd met slechte prognose bij borstkanker 5, terwijl de herinvoering van IGFBP7 in xenograft tumormodellen sterk remt de groei van tumoren 6 tot inductie van apoptose en cellulaire senescentie 7. Teneinde de effecten van IGFPB7 bestuderen, werd een IGFBP7-null muizen gecreëerd 5 (ongepubliceerde gegevens). Hoewel deze muizen geen tumoren, ze tonen de veranderingen in de histologie van de eierstokken, spier en lever, evenals defecten in borstklieren ontwikkeling patronen (ongepubliceerde gegevens). De defecte fenotype werd eerst aangeduid als KOmuizen kleinere worpen en niet in staat om meerdere grote tomen (ongepubliceerde gegevens) ondersteunen.
3D histologie volumes hebben de potentie om nuttige informat biedenion voor kwantitatieve en vergelijkende analyses en evaluatie van pathologische bevindingen in volumetrische medische beelden. Drie-dimensionale confocale kunnen twee-foton microscopie hoge resolutie cellen morfologische informatie van de klier op lokaal deel 14, maar heeft een beperkt gezichtsveld en diepte. Histologie volume reconstructie geeft meer informatie over een veel grotere ruimtelijke omvang. Met traditionele benaderingen enige vervorming wordt verwacht tijdens de bereiding van histologische secties, zoals krimp, uitbreiding, scheuren en plooien. Deze verstoringen bemoeilijken seriële histologische beelden register naar een 3D-stapel een 3D volume te reconstrueren. Als het aantal opeenvolgende secties met defecten verhoogt de overeenkomsten tussen intacte secties wordt verminderd en daardoor maakt het registratieproces ingewikkelder.
Verschillende werkwijzen zijn voorgesteld om coupes te registreren en een continue histologie vo creërenlume. Sommige technieken afhankelijk intensiteitsvariaties 8 en anderen zijn gebaseerd op de vorm van de profielen 9. Voor sommige exemplaren van de anatomische structuren kan worden gebruikt als oriëntatiepunten 10,11 samen met-mijlpaal registratie op basis van methoden 12,13. Maar deze interne structuren misschien niet aantoonbaar zijn in het hele volume en voor sommige exemplaren geen betrouwbare anatomische structuren kunnen worden geïdentificeerd. Sommige groepen hebben een paarsgewijs registratie aanpak gebruikt en geregistreerd opeenvolgende histologie beelden ene naar de andere met contouren of anatomische structuren 16-18. Registreren seriële histologie secties met elkaar zonder het gebruik van referentiebeelden kunnen registratiefout propageren en verander de werkelijke vorm van de histologie volume. Pair-wise registratie aanpak is gebaseerd op de consistentie van de vorm van de histologie secties en de interne structuren in de hele stapel van de beelden; daarom dichte bemonstering van het model, die vereistmisschien niet altijd mogelijk, bijvoorbeeld voor klinische monsters.
In deze pijpleiding gebruiken we blockface beelden als een set van referentiebeelden voor histologie volume reconstructie 19. Blockface beelden worden genomen van de paraffine weefsel blokken na montage op de microtoom en voor elke sectie wordt gesneden. Zo hoeft schade aan individuele seriecoupes cut niet bemoeien met de registratie van seriecoupes 8,11,15. We detecteren blockface beelden op een andere wijze dan de andere groepen. Het optisch blok gezicht beelden worden verkregen door een telecentrische lens te elimineren of te minimaliseren de loop en perspectivische vertekening, die meestal optreedt bij het gebruik van gewone lenzen in de optica. Dit is een van de voordelen van de voorgestelde aanpak via andere gepubliceerde methoden die blockface beeldvorming uitgevoerd met gewone lenzen. De beelden worden genomen onder een kleine schuine hoek met de reflectie van het oppervlak van het blok voor contrastverbetering tussen Tissue en paraffine oppervlak en de schaduw van het weefsel te elimineren in de diepte, onder de paraffine oppervlak. Een fotografisch filter wordt ook gebruikt om het licht afkomstig van het blok oppervlak en het weefsel om het contrast 19 evenwicht polariseren. Om te corrigeren voor de verplaatsing van het blok op de roterende microtoom worden 02:58 gaten in de hoeken van het blok, die gemakkelijk detecteerbaar zijn in de blockface afbeeldingen. De hartlijnen van deze gaten worden gebruikt samen met landmark-gebaseerde rigide registratie de blockface afbeeldingen uitlijnen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie hebben we een beeld registratie workflow om een 3D histologie volume reconstrueren van seriële 2D histologie beelden, die intern willekeurig geselecteerde monumenten of geïmplanteerde ijkmarkeringen binnen het weefsel, dat het weefsel kan vervalsen niet vereist ontwikkeld. Door de beschreven methode worden optische blockface beelden zelf als referentie beelden voorafgaand aan het snijden. Wij maken gebruik van externe gaten geboord in het paraffine blok om te helpen bij het uitlijnen van de blockf…
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).
