שחזור נפח היסטולוגיה 3 ממדים ויישומו לחקר מאוס החלב בלוטות
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
שחזור היסטולוגיה נפח מאפשר המחקר של צורת 3D ושינוי נפח של איברים ברמה של macrostructures המורכב של תאים. זה גם יכול לשמש כדי לחקור ולאמת את טכניקות חדשניות ואלגוריתמים בתחום הדמיה רפואית נפחית וטיפולים. יצירת אטלסים ברזולוציה גבוהה 3D של איברים שונים 1,2,3 היא יישום אחר של שיקום היסטולוגיה נפח. זה מספק משאבים לחקירת מבני רקמות והיחסים מרחביים בין תכונות תאיות השונות. אנו מציגים גישת רישום תמונה לשיקום היסטולוגיה נפח, אשר עושה שימוש בסט של תמונות blockface אופטיות. משוחזר היסטולוגיה הנפח מייצג צורה אמינה של דגימת מעובד ללא שגיאות רישום שלאחר עיבוד מופץ. סעיפי hematoxylin ו eosin (H & E) המוכתמות של שתי בלוטות החלב עכבר נרשמו לתמונות blockface המקבילה שלהם באמצעות נקודות גבול שחולצו מן edGES של הדגימה בתמונות היסטולוגיה וblockface. הדיוק של הרישום הוערך באופן חזותי. היישור של macrostructures של בלוטות החלב הוערך גם מבחינה ויזואלית ברזולוציה גבוהה.
מחקר זה מתאר את השלבים השונים של צינור רישום תמונה זו, החל מכריתה של בלוטת החלב ועד לשחזור היסטולוגיה נפח 3D. בעוד תמונות היסטולוגיה 2D לחשוף את ההבדלים המבניים בין הזוגות של חלקים, 3D היסטולוגיה נפח מספק את היכולת לדמיין את ההבדלים בצורה ובנפח של בלוטות החלב.
Introduction
IGFBP7 (אינסולין כמו גורם גדילת חלבון מחייב 7) הוא חבר של משפחת החלבון קושר IGF, והוכח להיקשר לקולטן IGF1 4. למטה רגולציה של IGFBP7 ידועה להיות מתואם עם פרוגנוזה גרועה בסרטן השד 5, ואילו החידוש של IGFBP7 במודלי גידול xenograft מאוד מעכב את גידולי צמיחת 6 באמצעות אינדוקציה של אפופטוזיס והזדקנות תאית 7. כדי לחקור את ההשפעות של IGFPB7, עכבר Igfbp7-null נוצר 5 (נתונים שלא פורסמו). בעוד עכברים אלו לא לפתח גידולים, הם מראים שינויים בהיסטולוגיה של השחלה, שריר ובכבד, כמו גם ליקויים בדפוסי החלב בלוטה התפתחותית (נתונים שלא פורסמו). פנוטיפ הפגום צוין ראשון כמו שיש לי העכברים null גדלי המלטה קטנים יותר ואינם מצליח לשמור על המלטות מרובות גדולות (נתונים שלא פורסמו).
יש לי כרכי היסטולוגיה 3D הפוטנציאל לספק informat שימושייון לניתוחים והערכה כמותית והשוואתיים של ממצאים פתולוגיים בתמונות רפואיות נפחית. confocal תלת ממדים, שני הפוטונים במיקרוסקופ יכול לספק מידע מורפולוגי של תאים ברזולוציה גבוהה של הבלוטה ב14 מידה מקומית, אבל יש לו שדה ראייה מוגבל ועומק. שחזור היסטולוגיה נפח מספק מידע נוסף על מרחבי מידה גדולה הרבה יותר. תוך שימוש בגישות מסורתיות כמה עיוות צפויה במהלך תקופת ההכנה של סעיפים היסטולוגית, כגון התכווצות, התרחבות, דמעות, וקפלים. עיוותים אלה מקשים לרשום תמונות היסטולוגית סידוריים לתוך ערימת 3D לשחזר נפח 3D. ככל שמספר סעיפים ברציפות עם מומים מגדיל את הדמיון בין סעיפים בשלמות מצטמצם וכתוצאה מכך הופכת את תהליך הרישום מורכב יותר.
שיטות שונות הוצעו כדי לרשום סעיפים היסטולוגית וליצור vo היסטולוגיה רציףlume. כמה טכניקות תלויות בוריאציות בעוצמה 8, ואחרים המבוססים על הצורה של הסעיפים 9. עבור חלק מדגימות יכולים לשמש מבנים אנטומיים כציוני דרך 10,11 יחד עם שיטות רישום המבוסס על ציון 12,13. אבל המבנים הפנימיים אלה עלולים שלא להתגלות לאורך כל הנפח ועבור חלק מדגימות לא ניתן לזהות מבנים אנטומיים אמינים. חלק מהקבוצות השתמשו בגישת רישום זוג חכם ורשומות תמונות היסטולוגיה רציפות אחד למשנו באמצעות קווי המתאר או מבנים אנטומיים 16-18. רישום סעיפי היסטולוגיה סידוריים זה לזה ללא השימוש בתמונות התייחסות עשויה להפיץ טעות ברישום ולשנות את הצורה האמיתית של היסטולוגיה הנפח. גישת רישום זוג חכמה מסתמכת על העקביות של צורה של סעיפי היסטולוגיה והמבנים הפנימיים לאורך הערימה של התמונות; לכן הוא דורש דגימה צפופה של הדגימה, אשראולי לא תמיד אפשרי, למשל, לדגימות קליניות.
בצנרת זו אנו משתמשים בתמונות blockface כסט של תמונות התייחסות לשיקום היסטולוגיה נפח 19. תמונות Blockface נלקחות מאבני רקמות פרפין לאחר גובר על microtome ולפני כל קטע הוא לחתוך. לפיכך, נזק לקיצוץ סעיפים סידוריים בודד לא מפריע לרישום של חלקים סידוריים 8,11,15. אנו ללכוד את תמונות blockface בצורה שונה מהקבוצות האחרות. תמונות הפנים של הבלוק האופטי מתקבלות על ידי עדשת telecentric כדי למנוע או למזער את עיוות החבית ופרספקטיבה, אשר מתרחשת בדרך כלל בעת שימוש בעדשות רגילות באופטיקה. זהו אחד היתרונות של הגישה המוצעת על פני השיטות האחרות שפורסמו, אשר מבצעות הדמיה blockface שימוש בעדשות רגילות. התמונות שצולמו בזווית אלכסונית קלה להשתמש בהשתקפות של פני השטח של הבלוק להגברת ניגוד בין Tissמשטח UE ופרפין ולחסל את הצל של הרקמה בעומק, מתחת לפני שטח פרפין. מסנן צילום משמש גם כדי לקטב את האור המגיע ממשטח הבלוק והרקמות כדי לאזן את הניגוד 19. כדי לתקן את העקירה של הגוש על microtome הסיבובי, פעמים עד שלושה הם קדחו חורים בפינות הרחוב, שהם בקלות לזיהוי בתמונות blockface. Centroids של חורים אלה משמשים יחד עם רישום נוקשה המבוסס על אתר כדי ליישר את תמונות blockface.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה, פיתחנו תהליך עבודה רישום תמונה לשחזר 3D היסטולוגיה נפח מתמונות סידורי 2D היסטולוגיה, אשר אינו מחייבות את ציוני דרך פנימיות שנבחרו באקראי או סמני fiducial מושתלים בתוך הרקמה, הדבר שעלול לעוות את הרקמות. בשיטה שתוארה, תמונות blockface אופטיות עצמם משמשות כהפנית התמונות…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
