Rekonstruksjon av tre-dimensjonal Histologi Volum og sin søknad til Study Mouse melkekjertler
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 volum rekonstruksjon muliggjør studium av 3D-form og volumendring av et organ på nivået av makrostrukturer som består av celler. Det kan også brukes til å etterforske og validere nye metoder og algoritmer i volumetrisk medisinsk bildebehandling og terapier. Opprette 3D høyoppløselige atlas av ulike organer 1,2,3 er en annen anvendelse av histologi volum gjenoppbygging. Dette gir en ressurs for å undersøke vev strukturer og den romlige forholdet mellom ulike cellulære funksjoner. Vi presenterer en bilderegistrerings tilnærming for histologi volum rekonstruksjon, som bruker et sett av optiske blockface bilder. Den rekonstruerte histologi volum representerer en pålitelig form av prosessert prøven uten Spredd etterbehandling registreringsfeil. De hematoxylin og eosin (H & E) farget deler av to musebrystkjertlene ble registrert til sine respektive blockface bilder ved hjelp av grensepunkter hentet fra edtot. av prøven i histologi og blockface bilder. Nøyaktigheten av registreringen ble visuelt vurdert. Justeringen av de makrostrukturer av brystkjertlene ble også vurdert visuelt med høy oppløsning.
Denne studien skisserer de ulike trinnene i denne bilderegistrerings rørledningen, som strekker seg fra eksisjon av brystkjertelen gjennom til 3D histologi volum rekonstruksjon. Mens 2D histologiske bilde viser de strukturelle forskjeller mellom par av seksjoner, gir 3D histologi volum evnen til å visualisere forskjellene i form og volum av brystkjertlene.
Introduction
IGFBP7 (insulin-like growth factor binding protein 7) er et medlem av IGF-bindende protein-familien, og har vist seg å binde IGF1 receptor 4. Nedregulering av IGFBP7 er kjent for å være forbundet med dårlig prognose i brystkreft 5, mens den gjeninnføring av IGFBP7 i xenograft tumor modeller i stor grad hemmer tumor vekst-6 til og med induksjon av apoptose og celle senescence 7.. For å studere effekter av IGFPB7, ble en Igfbp7-null mus opprettet 5 (upubliserte data). Selv om disse musene ikke utvikle svulster, de viser endringer i histologi i eggstokk, muskel og lever samt defekter melkekjertler utviklings mønster (upubliserte data). Den defekte fenotype ble først angitt som null mus har mindre kullstørrelse og er ute av stand til å opprettholde flere store kull (upubliserte data).
3D histologi volumer har potensial til å gi nyttig information for kvantitative og komparative analyser og vurdering av patologiske funn i volumetriske medisinske bilder. Tredimensjonal confocal, kan to-foton mikros gi høy oppløsning celle morfologisk informasjon av kjertelen ved lokal utbredelse 14, men den har et begrenset synsfelt og dybde. Histologi volum rekonstruksjon gir mer informasjon over et mye større geografisk utstrekning. Ved hjelp av tradisjonelle tilnærminger noe forvrengning er forventet under utarbeidelsen av histologiske snitt, for eksempel svinn, utvidelse, tårer, og folder. Disse forvrengninger gjør det vanskelig å registrere serielle histologiske bilde til en 3D-stabel for å rekonstruere et 3D volum. Ettersom antallet av etterfølgende seksjoner med defekter øker likhetene mellom intakte seksjonene er redusert og følgelig gjør registreringsprosessen mer komplisert.
Forskjellige metoder har vært foreslått å registrere histologiske seksjoner og for å skape en kontinuerlig histologi volume. Noen teknikker avhenger av styrkevariasjoner 8, og andre er basert på formen av seksjonene 9. For noen eksemplarer de anatomiske strukturene kan brukes som landemerker 10,11 sammen med landemerke baserte registreringsmetoder 12,13. Men disse interne strukturer kan ikke være synlig gjennom hele volumet og for noen eksemplarer ingen pålitelige anatomiske strukturer kan identifiseres. Noen grupper har brukt et par-messig registrering tilnærming og registrert påfølgende histologi bilder til hverandre ved hjelp av konturer eller anatomiske strukturer 16-18. Registrering av serie histologiske seksjoner til hverandre uten bruk av referansebilder kan forplante registreringsfeil og endre selve formen på histologi volum. Par-messig registrerings tilnærming er avhengig av konsistensen av formen på de histologiske seksjoner og den interne strukturer i hele stabelen av bildene; Derfor krever det tette sampling av prøven, noekanskje ikke alltid er mulig, for eksempel, for kliniske prøver.
I denne rørledningen bruker vi blockface bilder som et sett av referansebilder for histologi volum gjenoppbygging 19. Blockface bildene er tatt av parafin vevsblokker etter montering på mikrotomen og før hver del er kuttet. Dermed gjør skade på enkelte seriesnitt kutt ikke forstyrre registrering av seriesnitt 8,11,15. Vi fange blockface bildene på en annen måte fra de andre gruppene. Den optiske blokken ansiktsbilder oppnås ved en telesentrisk linse for å eliminere eller minimalisere sylinderen og perspektiv forvrengning, som vanligvis oppstår ved bruk av vanlige linser i optikken. Dette er en av fordelene med den foreslåtte tilnærmingen i de andre publiserte fremgangsmåter, som utfører blockface avbildning ved hjelp av vanlige linser. Bildene blir tatt ved en svak skråvinkel til å bruke speilbildet av overflaten på blokken for kontrastforbedring mellom tissue og paraffin overflate og for å eliminere skyggen av vevet i dybden, under parafin overflate. En fotografisk filter blir også brukt til å polarisere det lys som kommer fra blokkoverflaten og vevet for å balansere kontrast 19.. For å korrigere for forskyvning av blokken i et roterende mikrotom er 2-3 hull boret i hjørnene på blokken, som er lett synlig på de blockface bilder. De centroids av disse hullene blir brukt sammen med landemerke basert rigid registrering for å justere blockface bilder.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien har vi utviklet en bilderegistrerings arbeidsflyt for å rekonstruere en 3D histologi volum fra serie 2D histologi bilder, som ikke krever interne tilfeldig utvalgte landemerker eller implanterte fiducial markører i vevet, som kan forvrenge vev. Ifølge fremgangsmåten som er beskrevet, er optiske blockface bildene selv brukt som referansebilder før snitting. Vi benytter eksterne hull boret i parafinblokk for å hjelpe til med å rette inn blockface bilder, og for å korrigere for 2D transversal bevege…
Disclosures
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 |
References
- 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).
