Rekonstruktion av 3-dimensionell histologi volym och dess tillämpning att studera Mouse bröstkörtlar
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 volymuppbyggnaden underlättar studiet av 3D-form och volymförändring av ett organ på nivån av makrostrukturer som består av celler. Den kan också användas för att undersöka och validera nya tekniker och algoritmer i volymetriska medicinsk bildbehandling och terapier. Skapa 3D högupplösta atlaser i olika organ 1,2,3 är en annan tillämpning av histologi volymuppbyggnaden. Detta ger en resurs för att undersöka vävnadsstrukturer och det spatiala förhållandet mellan olika cellulära funktioner. Vi presenterar en bildregistrering tillvägagångssätt för histologi volymrekonstruktion, som använder en uppsättning av optiska blockface bilder. Den rekonstruerade histologi volym motsvarar en pålitlig form av bearbetade provet utan förökas efterbearbetning registrering fel. De hematoxylin och eosin (H & E) färgade snitt av två mus bröstkörtlarna registrerades till deras motsvarande blockface bilder med hjälp av gränspunkter som extraherats från edGES av förlagan i histologi och blockface bilder. Noggrannheten för registrering utvärderades visuellt. Inriktningen av makrostrukturer av bröstkörtlarna också visuellt bedömt vid hög upplösning.
Denna studie skisserar de olika stegen i den här bildregistrering pipeline, från excision av bröstkörteln genom att 3D histologi volym rekonstruktion. Medan 2D histologi bilden avslöjar strukturella skillnader mellan par av sektioner, ger 3D-histologi volym förmågan att visualisera skillnaderna i form och volym av mjölkkörtlarna.
Introduction
IGFBP7 (insulinliknande tillväxtfaktorbindande protein 7) är en medlem av IGF-bindande protein familj, och har visat sig binda IGF1 receptorn 4. Nedreglering av IGFBP7 är känd för att vara korrelerade med dålig prognos vid bröstcancer 5, medan återinförandet av IGFBP7 i xenografttumörmodeller hämmar kraftigt tumörerna tillväxt 6 genom induktion av apoptos och cellernas åldrande 7. För att studera effekterna av IGFPB7 ades ett Igfbp7-noll mus skapat 5 (opublicerade data). Även om dessa möss inte utveckla tumörer, visar de förändringar i histologi i äggstockarna, muskler och lever samt defekter i bröstkörtlarna utvecklings mönstring (opublicerade data). Den defekta fenotypen först anges som de null möss har mindre kullstorlekar och inte kan upprätthålla flera stora kullar (opublicerade data).
3D histologi volymerna har potential att ge användbar information för kvantitativa och jämförande analyser och bedömning av patologiska fynd i volymetriska medicinska bilder. Tredimensionellt konfokala kan två-foton-mikroskopi ge hög upplösningscell morfologisk information av körteln på lokal utsträckning 14, men den har ett begränsat synfält och djup. Histologi volymuppbyggnaden ger mer information över ett mycket större rumslig utsträckning. Med traditionella metoder viss snedvridning förutses under utarbetandet av histologiska sektioner, såsom krympning, utvidgning, tårar, och veck. Dessa förvrängningar göra det svårt att registrera seriella histologiska bilder till en 3D-stacken för att rekonstruera en 3D-volym. När antalet på varandra följande sektioner med defekter ökar likheten mellan intakta sektioner reduceras och följaktligen gör registreringsprocessen mer komplicerad.
Olika metoder har föreslagits för att registrera histologiska sektioner och för att skapa en kontinuerlig histologi volume. Vissa tekniker är beroende av intensitetsvariationer 8, och andra är baserat på formen av sektionerna 9. För vissa prover de anatomiska strukturer kan användas som landmärken 10,11 tillsammans med landmärkesbaserade registreringsmetoder 12,13. Men dessa interna strukturer kanske inte upptäckas genom hela volymen och för vissa exemplar inga tillförlitliga anatomiska strukturer kan identifieras. Vissa grupper har använt en parvis registrerings strategi och registrerade histologi bilder i följd en till en annan med hjälp av konturer eller anatomiska strukturer 16-18. Registrera serie histologi sektioner till varandra utan att använda referensbilder kan fortplanta registrerings fel och ändra själva formen på histologi volymen. Parvis registrerings strategin bygger på konsekvensen i form av de histologiska sektionerna och de interna strukturerna hela bunten av bilder; därför det kräver tät provtagning av provet, vilketkanske inte alltid är möjligt, t.ex. för kliniska prover.
I denna rörledning använder vi blockface bilder som en uppsättning referensbilder för histologi volymuppbyggnaden 19. Blockface bilder tas av paraffin vävnadsblock efter montering på mikrotomen och före varje sektion är bortskuren. Således ger skador på enskilda seriesnitt skär inte störa registreringen av seriesnitt 8,11,15. Vi fånga blockface bilderna på ett annat sätt än de andra grupperna. De optiska blocket ansiktsbilder erhålls genom en telecentrisk lins för att eliminera eller minimera pipan och perspektivförvrängning, som vanligtvis inträffar när du använder vanliga linser i optiken. Detta är en av fördelarna med det föreslagna tillvägagångssättet under de andra publicerade metoder, som utför blockface avbildning med vanliga linser. Bilderna är tagna med en liten sned vinkel för att använda reflektion av ytan på blocket för kontrastförstärkning mellan tissue och paraffin ytan och för att eliminera skuggan av vävnad på djupet, under paraffinet yta. Ett fotografiskt filter används också för att polarisera det ljus som kommer från blocket ytan och vävnaden för att balansera kontrasten 19. För att korrigera för förskjutningen av blocket på den roterande mikrotom är 2-3 hål borras i hörnen av det block, som är lätt detekterbara i de blockface bilder. De masscentra hos dessa hål används tillsammans med landmärke baserade stela registrering för att rikta in blockface bilder.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denna studie har vi utvecklat en bildregistrerings arbetsflöde för att rekonstruera en 3D-histologi volym från seriella 2D histologiska bilder som inte kräver interna slumpmässigt utvalda landmärken eller implanterade referensmarkörer i vävnaden, vilket kan snedvrida vävnaden. Med den metod som beskrivs, är optiska bilder blockface själva används som referensbilder före snittning. Vi använder externa hål som borrats i paraffin-block för att hjälpa till att rikta in de blockface bilder och för att kor…
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).
