Reconstrução de 3-Dimensional Volume Histologia e sua Aplicação para o Estudo de Rato glândulas mamárias
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
Reconstrução de volume Histologia facilita o estudo da forma 3D e variação de volume de um órgão a nível de macroestruturas formadas por células. Ele também pode ser usado para investigar e validar novas técnicas e algoritmos em imagiologia médica volumétrico e terapias. Criação de atlas de alta resolução em 3D de diferentes órgãos 1,2,3 é outra aplicação de reconstrução do volume histologia. Isto fornece um recurso para investigar estruturas de tecidos e as relações espaciais entre várias características celulares. Nós apresentamos uma abordagem registro de imagens para a reconstrução do volume histologia, que utiliza um conjunto de imagens blockface ópticos. O volume histologia reconstruída representa uma forma confiável do espécime processados com nenhum erro de registro de pós-processamento propagada. Os (H & E) cortes corados hematoxilina e eosina de duas glândulas mamárias do rato foram registrados às suas imagens blockface correspondentes usando pontos de fronteira extraídos do edges do espécime em histologia e blockface imagens. A precisão do registro foi avaliada visualmente. O alinhamento das macroestruturas das glândulas mamarias também foi avaliada visualmente em alta resolução.
Este estudo delineia as diferentes etapas deste gasoduto registro de imagens, que vão desde a excisão da glândula mamária por meio de reconstrução 3D volume de histologia. Enquanto as imagens de histologia 2D revelar as diferenças estruturais entre pares de seções, o volume de histologia 3D proporciona a capacidade de visualizar as diferenças de forma e volume das glândulas mamárias.
Introduction
IGFBP7 (insulina como factor de crescimento da proteína de ligação 7) é um membro da família de proteínas de ligação a IGF, e tem sido demonstrado que se ligam ao receptor de IGF1 4. Down-regulação da IGFBP7 é conhecido por ser correlacionados com mau prognóstico no câncer de mama 5, enquanto a reintrodução de IGFBP7 em modelos de tumores Xenoenxerto inibe significativamente os tumores de crescimento de 6 a indução de apoptose e senescência celular 7. A fim de estudar os efeitos da IGFPB7, um mouse IGFBP7 nulo foi criado 5 (dados não publicados). Enquanto estes ratinhos não desenvolveram tumores, que mostram alterações na histologia do ovário, músculo e fígado, assim como defeitos na padronização do desenvolvimento da glândula mamaria (dados não publicados). O fenótipo defeituoso foi indicado pela primeira vez como os ratos nulos têm tamanho das ninhadas menores e são incapazes de sustentar várias ninhadas grandes (dados não publicados).
Volumes de histologia 3D têm o potencial de fornecer informat útilíon para análises quantitativas e comparativas e avaliação de achados patológicos em imagens médicas volumétricos. Confocal tridimensional, microscopia de dois fótons podem fornecer células de alta resolução informação morfológica da glândula em extensão local 14, mas tem um campo de visão limitado e profundidade. Reconstrução volume de Histologia fornece mais informações sobre uma extensão muito maior espacial. Usando abordagens tradicionais alguma distorção é antecipado durante a preparação dos cortes histológicos, como encolhimento, expansão, lágrimas e dobras. Essas distorções dificultam a registar imagens histológicas de série em uma pilha 3D para reconstruir um volume 3D. À medida que o número de secções consecutivas com defeitos aumenta as semelhanças entre as secções intactas é reduzida e, consequentemente, faz com que o processo de registo mais complicado.
Diferentes métodos têm sido propostos para registar cortes histológicos e criar um vo histologia contínualume. Algumas técnicas dependerá variações de intensidade de 8, e os outros são baseados na forma de secções 9. Para alguns espécimes as estruturas anatômicas podem ser usados como pontos de referência 10,11, juntamente com métodos de registo com base em marcos 12,13. Mas estas estruturas internas pode não ser detectável durante todo o volume e para algumas amostras sem estruturas anatómicas fiáveis podem ser identificados. Alguns grupos têm usado uma abordagem de registro de pares e registrou imagens de histologia consecutivos de um para outro usando contornos ou estruturas anatômicas 16-18. Registrando cortes histológicos de série para um outro sem o uso de imagens de referência podem propagar o erro de registro e alterar a forma real do volume de histologia. Abordagem de registro de pares depende da consistência da forma dos cortes histológicos e as estruturas internas em toda a pilha de imagens; portanto, requer amostragem densa da amostra, o quepode nem sempre possível, por exemplo, para amostras clínicas.
Neste oleoduto usamos imagens blockface como um conjunto de imagens de referência para o volume de histologia reconstrução 19. Imagens Blockface são tomadas dos blocos de parafina do tecido após a montagem no micrótomo e antes de cada seção é cortada. Assim, os danos ao indivíduo cortes seriados corte não interfere com o registro de cortes seriados 8,11,15. Nós capturar as imagens blockface de uma maneira diferente dos outros grupos. As imagens da face do bloco óptico são obtidos por uma lente telecêntrica para eliminar ou minimizar a distorção do tambor e em perspectiva, que normalmente ocorre quando se usa lentes regulares em óptica. Esta é uma das vantagens da abordagem proposta em relação aos outros métodos publicados, que realizam imagiologia blockface usando lentes normais. As imagens são obtidas com um ligeiro ângulo oblíquo para usar a reflexão da superfície do bloco, para aumento do contraste entre a tissue e parafina superfície e para eliminar a sombra do tecido em profundidade, abaixo da superfície da parafina. Um filtro fotográfico também é usada para polarizar a luz vinda a partir da superfície do bloco e o tecido para equilibrar o contraste 19. Para corrigir o deslocamento do bloco no micrótomo rotativo, 2-3 orifícios são perfurados nos cantos do bloco, que são facilmente detectáveis nas imagens blockface. Os centróides desses buracos são usados juntamente com registro rígido à base de referência para alinhar as imagens blockface.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste estudo, desenvolvemos um fluxo de trabalho de registro das imagens para reconstruir um volume 3D a partir de histologia série de imagens de histologia em 2D, que não requer marcos internos selecionados aleatoriamente ou marcadores fiduciais implantados dentro do tecido, o que pode distorcer o tecido. Pelo método descrito, as próprias imagens blockface ópticos são usados como imagens de referência anteriores a corte. Usamos furos externos perfurados no bloco de parafina para auxiliar no alinhamento das…
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).
