Реконструкция 3-Dimensional гистологии Том и его применение для изучения Mouse молочных желез
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
Реконструкция объем Гистология облегчает изучение 3D формы и изменения объема органа на уровне макроструктуры, состоящие из клеток. Она также может быть использован для исследования и проверки новых методов и алгоритмов в объемной области медицинской визуализации и терапии. Создание 3D атласы высокого разрешения различных органов 1,2,3 другое применение реконструкции объема гистология. Это обеспечивает ресурс для исследования тканевых структур и пространственную взаимосвязь между различных клеточных функций. Мы представляем регистрационный подход изображения для реконструкции объема гистология, который использует набор изображений оптических blockface. Реконструированный объем гистология представляет собой надежную форму обработанных образца с не Размножается постобработки ошибки регистрации. В гематоксилином и эозином (H & E) окрашенные срезы двух молочных желез мыши были зарегистрированы в соответствующие blockface изображений с использованием граничные точки, извлеченные из редГЭС образца в гистологии и blockface изображений. Точность регистрации визуально оценивали. Выравнивание макроструктурах молочных желез также визуально оценивают с высоким разрешением.
Это исследование определяет различные шаги этого трубопровода регистрации изображения, начиная от удаления молочной железы через к 3D-реконструкции объема гистологии. В то время как гистологии изображения 2D показывают структурные различия между парами секций, 3D объем гистологии обеспечивает возможность визуализации различий в форме и объема молочных желез.
Introduction
IGFBP7 (инсулиноподобный фактор роста-связывающего белка 7) является членом семейства белков IGF-связывающих, и было показано, чтобы связать IGF1 рецептор 4. Понижающей регуляции IGFBP7, как известно, коррелирует с плохим прогнозом при раке молочной железы 5, в то время как повторное введение IGFBP7 в модели ксенотрансплантата опухоли значительно ингибирует рост опухоли 6 через индукцию апоптоза и клеточного старения 7. С целью изучения влияния IGFPB7, Igfbp7-нулевые мыши была создана 5 (неопубликованные данные). В то время как эти мыши не развиваются опухоли, они показывают изменения в гистологии яичников, мышцах и печени, а также дефекты в молочной железы паттерна развития (неопубликованные данные). Дефектный фенотип было впервые указано как нулевые мыши имеют меньшие размеры для мусора и не в состоянии выдержать несколько больших пометов (неопубликованные данные).
3D объемы гистологии есть потенциал, чтобы обеспечить полезную информаион для количественных и сравнительного анализа и оценки патологических результатов в объемных медицинских изображений. Трехмерная конфокальный, двухфотонного микроскопия может обеспечить высокое разрешение клеток морфологическую информацию железы на местном мере 14, но имеет ограниченное поле зрения и глубины. Реконструкция объем Гистология предоставляет больше информации по гораздо большей пространственной протяженности. Использование традиционных подходов некоторое искажение ожидается в ходе подготовки гистологических срезов, например, усадки, расширения, слезы и складок. Эти искажения затрудняют зарегистрируйтесь серийные гистологические изображения в 3D стека реконструировать 3D объема. В число последовательных секций с дефектами увеличивает сходство между интактных секций уменьшается и, следовательно, делает процесс регистрации сложнее.
Различные методы были предложены для регистрации гистологические срезы и создать непрерывную гистологии VOЛуме. Некоторые методы зависят от вариаций интенсивности 8, и другие основаны на форме секций 9. Для некоторых образцов анатомические структуры могут быть использованы в качестве ориентиров 10,11 вместе с вехой на основе методов регистрации 12,13. Но эти внутренние структуры не могут быть обнаружены по всему объему, а для некоторых образцов нет достоверных анатомические структуры не могут быть идентифицированы. Некоторые группы использовали парного регистрационный подход и зарегистрирован последовательных изображений гистологии друг другу с помощью контуров или анатомические структуры 16-18. Регистрация серийных срезов гистологии друг с другом без использования эталонных изображений может распространяться регистрации ошибок и изменения фактического формы объема, гистологии. Попарное регистрация подход основан на согласованности формой гистологии секций и внутренних структур во всем стопку изображений; Поэтому она требует плотной выборки образца, которыймогут не всегда возможно, например, для клинических образцов.
В этом трубопроводе мы используем blockface изображения в виде набора эталонных изображений для реконструкции объема гистологии 19. Blockface изображения взяты из парафина блоков ткани после его установки на микротоме и перед каждой секции сократить. Таким образом, повреждение индивидуального серийных срезов разреза не мешает регистрации серийных срезов 8,11,15. Мы захватить blockface изображения по-другому от других групп. Изображения лиц оптический блок получаются телецентрическим линзы чтобы исключить или уменьшить искажения ствол и перспективный, который обычно происходит, когда с помощью регулярных линз в оптике. Это одно из преимуществ предложенного подхода над другими опубликованными способами, которые выполняют визуализацию с использованием регулярных blockface линзы. Изображения взяты под небольшим острым углом использовать отражение от поверхности блока для усиления контраста между TISSUE и парафин поверхность и устранить тени ткани в глубине под поверхностью парафина. Фотографический фильтр также используется для поляризации света, исходящего от поверхности блока и ткани, чтобы сбалансировать контрастность 19. Для коррекции смещения блока на поворотном микротоме, 2:58 сверлят отверстия в углах блока, которые легко обнаружить в blockface изображений. В центроиды эти отверстия используются наряду с ориентир на основе жесткой регистрации для выравнивания blockface изображения.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании, мы разработали регистрационный рабочий процесс изображения на реконструкцию объем 3D гистологии от серийных 2D-изображений гистологии, которая не требует внутренних случайно выбранных ориентиров или имплантированные координатных меток внутри ткани, которые могл?…
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).
