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追踪干细胞的地图应用程序

时间:2021-04-03 11:23:33 来源:

研究干细胞的研究人员有远大的目标。有些人想治愈癌症或治疗心脏病。其他人则想生长患者移植所需的组织和器官。一些小组甚至致力于开发针对个人遗传学的高度个性化药物。所有这些想法都面临着类似的障碍:开发用于干细胞的测量工具具有挑战性,难以确定是什么使各种新的与干细胞相关的产品安全,有效或高质量。

在过去的几年中,NIST的科学家一直在尝试以一种使用过智能手机和地图绘制应用程序的人都熟悉的方式来解决此问题。但是,他们开发的系统远远超出了典型应用程序中的任何功能。它结合了录像和高功率计算,使世界更接近评估,理解和量化可用于相关疗法或产品的细胞群体的特征。

新的图像分析系统称为Web图像处理管道(WIPP),就像一个映射应用程序,该应用程序允许用户与宏观对象的微观视图进行交互。使用WIPP,可以将细胞培养物划分为真实位置,可以使用非常类似于GPS点或地理地图或地图应用程序上象限的系统进行探索和引用。但是WIPP还允许用户从他们选择的任何角度检查陪替氏培养皿中随时间变化的情况。

Springer Verlag在2018年1月出版的新参考书《大图像数据的Web微分析》中详细介绍了此新界面的工作。2016年5月发表在《干细胞研究》杂志上的一篇文章中也对此进行了描述。

“您可以与同事共享结果,并以多种不同方式(在空间,时间和功能上)分析这些单元所发生的情况。您可以反复查看单元的时间变化。”该书的作者兼WIPP背后的IT主管彼得·巴杰西(Peter Bajcsy)说。

WIPP设计用于与诱导性多能干(iPS)细胞一起工作,该细胞是从成人组织中提取的细胞,其行为类似于胚胎干细胞。iPS细胞可用于从人体的所有三个基本层制造新细胞:外胚层(皮肤),内胚层(胃肠道和呼吸道)和中胚层(血液和骨骼)。iPS细胞技术仍是相对较新的技术,目前尚不清楚源自iPS细胞的哪种组织类型将首先产生最大的影响。随着细胞在处理过程中变成不同的细胞类型,研究人员正在寻找有效而可靠地衡量进展的方法。

iPS型品系通常从已建立的细胞库中购买,这些细胞库的运作方式类似于血库。取决于应用和它们生长所在的实验室,将细胞在不同的专用培养基中和不同的经过特殊处理的表面上进行培养。定期补充培养基,以使活细胞数量增加时保持多能状态。它们可以用于实验中以研究基础生物学,也可以分化成可以开发用于医学治疗或用于测试药物的特定成熟细胞。

每个单元都很重要。如果一个不良细胞迅速繁殖并占据了培养的主导地位,它可能会变成肿瘤或使该制剂不适用于治疗。为了完全了解这些干细胞系统中正在发生的事情,研究人员希望通过观察它们的变化,生长,繁殖或死亡来了解培养皿中细胞的特征,从而尽可能消除对患者的潜在危险。

“我们相信活细胞成像确实是唯一可用于及时跟踪单个细胞并了解单个细胞水平上给定时间点的行为与未来有何关系的工具,”图像团队负责人迈克尔·哈尔特(Michael Halter)说。 WIPP项目的收购。“我们不只是要分析一个或几个殖民地。我们想看所有的殖民地,我们想随着时间的推移看它们。”

WIPP如何运作

最初,活细胞成像研究的整个概念似乎很简单:使用现有的众所周知的工具(例如视频显微镜)拍摄给定细胞集落的镜头。运行素材,观察随时间变化的细胞情况。

然而,问题是规模和规模之一。每道菜都充满了成千上万个细胞,要拍摄足够的图像以捕获每个细胞的运动和变化,可能对计算机的要求很高。例如,为期5天的实验进行了3次运行,可以得出等于TB的数据集(1 TB = 10 12字节)。试图将数据传输到笔记本电脑或台式机系统的硬盘驱动器上—将数据加载到总大小通常仅为1-3 TB的计算机内存中—并以任何灵活或灵活的方式使用它都是不可能的,因为当前硬件和软件限制。如果没有足够的处理能力和计算机内存,这些笔记本电脑和较小的台式机将开始令人窒息。

WIPP软件屏幕截图

WIPP软件的静止图像,其中在深色背景上显示了几个用红色勾勒出轮廓的单元格和几个用绿色勾勒出的单元格。还如图:培养皿中细胞地理位置的地图。图片来源:Jose Garcia / NIST

WIPP通过利用服务器的计算能力和Web界面的灵活性来解决此问题。研究人员将其数据上传到服务器,该服务器执行一些计算操作,而其他数据则通过Web浏览器在台式机上进行。整个WIPP系统都是开放访问的,并且是公共领域的,尽管研究人员自己的数据集在特定项目之前是私有的,直到他们选择将其公开。

使用显微镜按顺序拍摄正在生长菌落的细胞培养皿的各个部分。然后将这些图像像被子一样缝合在一起,以形成每个时刻的整个盘子的视图。然后,每个复杂的合成的单时间点图像都像电影一样运行,从而揭示了细胞的整个历史。

尽管在概念上听起来很简单,但事实证明,设计和建模过程非常困难,并且在计算上具有挑战性。首先,生物学和计算领域的专家必须找到一种通用语言,以便将生物学知识与数学模型和信息技术相匹配。接下来,必须对新过程进行验证,以便用户可以信任任何结果度量。然后必须将这些测量结果集成到一个产品中。

最后,用于图像校准的复杂算法必须设计为有效运行,不仅可以使用多种类型的Internet浏览器在系统服务器上,而且可以在潜在的客户端计算机上高效运行。这些算法满足了复杂的需求,例如:背景和平场校正,缝合以使图像“像被子一样”排列,细胞集落或细胞的分割以及特征提取,以表征分割的对象。结果感觉很像通过电话访问的在线Earth-mapping应用程序。用户可以从一个很大的培养皿“地图”视图开始,该图显示所有细胞,并使用光标从培养皿的一部分跳到另一部分,并根据需要放大和缩小以使其看起来更近。他们可以从粗略的细节切换到更精细的细节。

常规在线地图绘制和WIPP之间的主要区别在于系统内置的复杂性。当您使用手机通过在线地图找到城市公园之类的地方时,您正在寻找公园的位置以及如何从您所在的位置到达那里。在WIPP系统中,您可以在各种地图中四处旅行,并访问细胞培养皿中的不同位置。但是您还可以看到随着时间的流逝,每个位置都会发生什么,以及那里的细胞是如何变化和生长的。这几乎就像用手机查看公园的位置,还像是那里生活的每只松鼠,鸟和蠕虫的年龄,它们拥有的后代数量以及在特定时间吃的食物量一样您参观的早晨。

WIPP将计算整合到图像的后面,提取分析数据以匹配实验的每个视图。这使用户可以收集有关形状,大小,纹理特征,荧光强度,对比度和这些测量值的变化率的关键测量值,并可以分析随时间和空间变化的每个菌落内的细胞数量。

您还可以保留计算数据和关的图像,并以不同的方式随时间重新混合它们。例如,如果要查看一个单元是存活还是死亡,可以执行此操作。但是,如果您以后决定要查看在先前的实验中哪些细胞繁殖迅速,哪些细胞繁殖缓慢,您也可以这样做。

研究人员甚至可以在其实验中使用WIPP系统来获得计算的可追溯性,这在过去几年中变得尤为重要,因为当发现无法在后续研究中再现其结果时,一些著名的研究已被撤回。实验。

“如果有人不信任您的电话号码,” Bajcsy说,“他们可以使用此工具返回您的原始视野和原始图像集。对于计算的可追溯性和实验结果的可重复性,这确实很重要。如果在此台式机上进行了某些计算并且在另一台笔记本电脑上进行了某些计算,并且算法参数,软件版本,软件配置和计算链未自动记录和链接,则您将无法跟踪结果。现在,您有了一个包含所有内容的中央存储库。”

该系统还可用于评估制造过程中和制造后的下一代药品。长期以来,质量保证一直是药物生产的一部分,但是随着活细胞的使用以及治疗的日趋普遍,质量保证正变得越来越复杂。食品和药物管理局最近对白血病基因治疗的批准就是一个很好的例子。在这样的制造过程中,质量的评估和测量必须是可重复的且精确的,因为生命受到威胁。这种质量控制必须在细胞种群水平上进行,这需要WIPP可以处理的大数据规模。

独特的合作

WIPP是NIST的两个团队之间的共同努力的结果:致力于支持蜂窝系统的高质量测量的人员和从事信息技术的人员。

“如果我们自己完成此操作,我们将获得现成的软件工具包,并且永远不会朝这个方向发展,”生物学家Halter说。“现在,强大的软件系统可供众多研究人员使用。”

Bajcsy说:“如果没有共同努力并结合生物学和建模专业知识,我们将无法获得对这些超大型成像实验的有意义的分析。”

NIST向任何想将其用于研究目的的人免费提供WIPP接口的使用。也可以使用用于创建它的开源代码。Halter和Bajcsy希望致力于进一步扩大干细胞潜力的其他人将在新的应用程序中通过WIPP进行扩展或改进。

Halter说:“人体的生物学是如此复杂。” “我们需要先进的方法来评估干细胞研究中的新产品,然后再将它们投放到医疗设备或人体中。该工具是朝着这个方向迈出的非常重要的一步。”

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