Method Article

곡선 변환 기반 도구를 사용하여 피브릴라 콜라겐 조직을 정량화

DOI:

10.3791/61931

⸱

November 11th, 2020

 , 
1Laboratory for Optical and Computational Instrumentation, Center for Quantitative Cell Imaging, University of Wisconsin-Madison, 2Departments of Medical Physics and Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, 3Morgridge Institute for Research, Madison, Wisconsin, 4test, test

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기서는 정상 및 병이 있는 조직의 세포외 매트릭스에서 세브릴라 콜라겐 조직을 정량화하기 위한 커브릿 변환 기반 오픈 소스 MATLAB 소프트웨어 도구를 사용하는 프로토콜을 제시합니다. 이 도구는 콜라겐 섬유 또는 다른 유형의 라인 과 같은 구조를 가진 이미지에 적용 할 수 있습니다.

Abstract

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피브릴라 콜라겐은 눈에 띄는 세포 외 매트릭스 (ECM) 구성 요소이며, 그들의 토폴로지 변화는 유방, 난소, 신장 및 췌장암을 포함한 광범위한 질병의 진행과 관련이 있는 것으로 나타났습니다. 자유롭게 사용할 수 있는 섬유 정량화 소프트웨어 도구는 주로 섬유 정렬 또는 방향계산에 중점을 두고 있으며, 수동 단계의 요구 사항, 시끄러운 배경에서 섬유 에지 감지의 부정확성 또는 국소화 된 기능 특성화의 부족과 같은 제한 사항이 적용됩니다. 이 프로토콜에 설명된 콜라겐 섬유 수량 도구는 커브릿 변환(CT)에 의해 활성화된 최적의 다중 스케일 이미지 표현을 사용하는 것이 특징입니다. 이러한 알고리즘 접근 방식을 통해 피브릴라 콜라겐 이미지에서 노이즈를 제거하고 섬유 가장자리가 향상되어 다른 도구에서 얻은 간접 픽셀 또는 창 별 정보를 사용하는 대신 섬유에서 직접 위치 및 방향 정보를 제공할 수 있습니다. 이 CT 기반 프레임워크에는 글로벌, 관심 영역(ROI) 또는 개별 섬유 기준으로 섬유 조직을 정량화할 수 있는 "CT-FIRE" 및 "CurveAlign"이라는 두 개의 별도 패키지가 포함되어 있습니다. 이 정량화 프레임워크는 10년 이상 개발되었으며 이제 포괄적인 사용자 중심의 콜라겐 정량화 플랫폼으로 발전했습니다. 이 플랫폼을 사용하면 길이, 각도, 너비 및 직선과 같은 개별 섬유 특성과 밀도 및 정렬과 같은 벌크 측정을 포함하여 최대 30개의 섬유 기능을 측정할 수 있습니다. 또한 사용자는 수동으로 또는 자동으로 분할된 경계를 기준으로 광섬유 각도를 측정할 수 있습니다. 또한 이 플랫폼은 ROI 분석, 자동 경계 생성 및 후처리를 위한 모듈을 포함한 몇 가지 추가 모듈을 제공합니다. 이 플랫폼을 사용하면 프로그래밍 또는 이미지 처리에 대한 사전 경험이 필요하지 않으며 수백 또는 수천 개의 이미지를 포함한 대규모 데이터 집합을 처리할 수 있으므로 생물학적 또는 생체 의학 응용 을 위한 콜라겐 섬유 조직의 효율적인 정량화를 가능하게 합니다.

Introduction

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피브릴라 콜라겐은 눈에 띄는 구조ECM 구성 요소입니다. 이들의 조직 변화는 조직 기능에 영향을 미치고 골발생불완전성 1,심장 기능 장애2,상처 치유3에서 유방4,5,6,난소7,8,신장9,췌장암10을포함한 다양한 유형의 암에 이르는 많은 질병의 진행과 연관될 가능성이 있다. 많은 확립된 이미징 양식은 제2 고조파 생성 현미경검사법(11),밝은 필드 또는 형광 현미경 또는 편광 광 현미경 검사법과 함께 피브릴라 콜라겐을 시각화하는 데 사용할 수 있으며, 액정 계 편광 현미경 검사법(LC-PolScope) 13, 전자 현미경검사법14. 피브릴라 콜....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

참고: 이 프로토콜은 콜라겐 정량화를 위해 CT-FIRE 및 CurveAlign의 사용을 설명합니다. 이 두 도구는 상호 보완적이지만 다른 주요 목표를 가지고 있으며 어느 정도 함께 연결됩니다. CT-FIRE는 CurveAlign 인터페이스에서 시작하여 고급 후처리 및 ROI 분석을 제외한 대부분의 작업을 수행할 수 있습니다. CT-FIRE의 전체 작동을 위해 별도로 시작해야합니다.

1. 이미지 수집 및 이미지 요구 사항

참고: 이 도구는 이를 수집하는 데 사용되는 이미징 양식에 관계없이 MATLAB에서 읽을 수 있는 라인 모양 구조로 모든 이미지 파일을 처리할 수 있습니다.

  1. 기본 실행 매개 변수는 이 형식을 기반으로 하는 것처럼 이미지 유형으로 8비트 그레이스케일을 사용합니다.
    참고: SHG 이미징은 널리 사용되는 라벨프리 및 고해상도 피브릴라 콜라겐 이미징 방법입니다. 유방암 연구19의 SHG 이미지는 데모를 목적으로 여기에서 사용될 것입니다.

2. 소프트웨어 설치 및 시스템 요구 사항

참고: 독립 실행형 버전과 소스 ....

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Results

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이러한 방법은 수많은 연구에서 성공적으로 적용되었습니다. 몇몇 전형적인 응용 프로그램은 다음을 포함합니다: 1) Conklin 외.22 종양 관련 콜라겐 서명을 계산하기 위하여 CurveAlign를 이용하고, 콜라겐 섬유가 더 빈번하게 그(DCIS) 병변에 있는 덕트 암에 있는 덕트 둘레에 수직으로 정렬되었다는 것을 것을을 발견했습니다; 2) Drifka외. 10 은 커브얼에서 CT-FIRE 모드를 사용하여 췌장 성 연골 선암 및 정상 /만성 췌장염 조직에 대한 기질 콜라겐 정렬을 정량화하고 정상 / 만성 조직에서 비해 암 조직에 대한 정렬이 증가된 것으로 나타났습니다. 3) Alkmin 외.7 은 난소 기질 콜라겐의 SHG 이미지에서 F 액틴 섬유의 각 분포및 전반적인 콜라겐 정렬을 정량화하기 위해 CurveAlign을 사용했으며, 매트릭스 형태는 세포 운동성 및 F-액틴 정렬을 구동하는 데 중요한 .......

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 피브릴라 콜라겐 정량화를 위해 CT-FIRE 및 CurveAlign의 사용을 설명하고 콜라겐 섬유 또는 CT-FIRE 또는 CurveAlign에 의해 분석에 적합한 다른 라인 과 같은 또는 섬유와 같은 길쭉한 구조를 가진 모든 이미지에 적용 될 수 있습니다. 예를 들어 엘라스틴 또는 탄성 섬유는 이 플랫폼에서 유사한 방식으로 처리될 수 있습니다. 우리는 계산 생성 합성 섬유(21)에두 도구를 모두 테스트했습니다. 응용 프로그램에 따라 사용자는 데이터에 가장 적합한 분석 모드를 선택해야 합니다. CT 섬유 분석 모드는 CT의 커브를 직접 사용하여 섬유 위치 및 방향을 나타낼 수 있으며 로컬 섬유 구조의 변화에 민감합니다. CT 모드는 소음 수준이 높고, 섬유가 풍부하거나, 섬유 두께의 변화가 높은 복잡한 조건에서 섬유와 방향을 찾는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 CT 모드는 이미지의 가장 밝은 부분만 선택하므로 이미지 강도가 크게 변할 때 강도가 낮은 일부 섬유를 놓치게 .......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는 닥터 롭 노박을 포함하여 수년에 걸쳐 CT-FIRE 및 CurveAlign에 많은 기여자와 사용자에게 감사드립니다, 캐롤린 펠케 박사, 제레미 브레드펠트 박사, 구네트 메타, 앤드류 라이히트 박사, 아디브 케이호스라비 박사, 맷 콘클린 박사, 제인 다람쥐, 파올로 프로방스자노 박사, 브렌다 오글 박사, 패트리샤 킬리 박사, 조셉 셀체프스키 박사, 스앤 스니크 박사 이 작품은 반도체 연구 회사, 모드리지 연구소, NIH보조금 R01CA199996, R01CA181385 및 U54CA210190을 K.W.E에 지원했습니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
CT-FIREUniverity of Wisconsin-MadisonN/A오픈소스 소프트웨어 https://eliceirilab.org/software/ctfire/
CurveAlignUniversity of Wisconsin-Madison/https://eliceirilab.org/software/curvealign/
N

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Nadiarnykh, O., et al. Second harmonic generation imaging microscopy studies of osteogenesis imperfecta. Journal of Biomedical Optics. 12 (5), 051805(2007).
  2. Kouris, N. A., et al. A nondenatured, noncrosslinked c....

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