人类胚胎干细胞集落生长的视频生物信息学分析

摘要

视频生物信息学是对从显微视频中提取的生物时空数据进行自动化处理、分析、理解及数据挖掘的技术。本文旨在展示一种利用视频生物信息学方法测量人类胚胎干细胞集落生长的方法。

摘要

由于视频数据结构复杂，包含大量图像，若无计算机软件辅助，从视频资料中提取信息极为困难。视频生物信息学是一种强大的定量方法，利用计算机软件对视频图像进行数据挖掘与分析，以提取时空数据。本文介绍一种视频生物信息学方法，通过分析在配备摄像装置的尼康BioStation CT培养箱中采集的延时视频，量化人类胚胎干细胞（hESC）的生长情况。在实验中，贴附于Matrigel基质上的人类胚胎干细胞集落被连续拍摄48小时。为确定这些集落的生长速率，我们使用CL-Quant软件开发了分析流程，该软件可帮助用户从视频图像中提取多种类型的数据。为准确评估集落生长情况，共设计了三个分析流程：第一个流程将图像分割为集落区域与背景区域；第二个流程增强图像质量，以精确定义整个视频序列中的集落轮廓；第三个流程则用于测量集落随时间变化的像素数量。上述三个流程依次应用于BioStation CT采集的视频数据，以分析单个hESC集落在48小时内的生长速率。为验证CL-Quant分析流程的准确性，我们使用Adobe Photoshop软件对相同数据进行人工分析。将CL-Quant流程与Photoshop分析所得结果进行比较，二者几乎完全一致，表明CL-Quant流程具有高度准确性。本文所述方法可广泛应用于各类视频数据，用于测量hESC或其他以集落形式生长的细胞的生长速率。此外，未来还可开发其他视频生物信息学分析流程，用于研究细胞迁移、细胞凋亡和细胞黏附等其他细胞过程。

方案

第1部分：实验步骤

视频数据包含大量信息，但这些信息通常难以提取，若由人工手动完成，可能需要耗费大量人力时间才能完成。人工手动分析还容易因解读差异而引入误差。视频生物信息学是指利用计算机软件从视频图像中挖掘特定数据的方法。这种分析方法速度快，且能够消除人工手动分析时可能出现的误差。本文旨在演示一种利用视频生物信息学方法对人胚胎干细胞集落生长进行定量分析的技术。

本文中，使用尼康 BioStation CT 培养箱系统采集延时视频图像，该系统可对多个细胞区域进行随时间推移的成像（图 1）。本报告所述方法适用于通过任何视频显微镜装置采集的视频数据。

在我们的实验设计中，我们将 H9 人胚胎干细胞（hESC）接种于 12 孔组织培养板中，培养 48 小时。在此期间，细胞集落充分贴附并铺展在 Matrigel 上。随后，将带有贴壁 hESC 集落的培养板转移至 BioStation CT 中，继续孵育 48 小时。在 BioStation CT 运行期间，每隔 7 分钟采集一次集落的图像，并用于后续生成延时视频序列。随后，利用 CL-Quant 软件开发的视频生物信息学分析流程，对每个集落的视频进行分析，以定量评估集落的生长情况。此外，使用 Adobe Photoshop 对基于 CL-Quant 软件所建流程获得的分析结果进行人工核查，以验证其准确性。

讨论

视频生物信息学工具能够快速从视频图像中提取数据，功能强大。我们用于定量分析人胚胎干细胞（hESC）集落生长的实验方案，展示了视频生物信息学在生物学问题中的一个应用实例。该方法具有定量性，并且能够提供来自单个人胚胎干细胞集落的详细数据，具有独特优势。通过开发视频生物信息学分析流程，还可用于监测其他细胞过程，例如细胞增殖、迁移、凋亡、细胞与基质的黏附以及细胞与相邻细胞之间的黏附。使用CL-Quant软件开发的分析流程已通过Photoshop进行验证，结果证实其准确性可靠。一旦建立了合适的分析流程，即可快速分析来自任何来源的视频数据。与使用Photoshop手动分析相比，采用视频生物信息学工具分析视频数据所需时间显著缩短。此外，计算机分析的误差更小，因为计算机每次都会以完全相同的方式处理数据，而人工分析则可能在每次图像分析时产生误差或做出略有不同的判断。尽管本实验方案未详细讨论，但视频还可用于观察集落形态的变化，这一参数在包含处理组的实验中尤为有用。

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材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
mTeSR1 人胚胎干细胞维持培养基	Stem Cell Technologies	05850	或任何适用于 hESC 培养的培养基。
BD Matrigel	BD Biosciences	356234	或其他合适的基质。
DMEM/F12 基础培养基	Invitrogen	11330-032
不含 Ca2+ 和 Mg2+ 的磷酸盐缓冲液
Accutase 酶解细胞消化液	eBioscience	00-4555-56	或其他合适的细胞解离酶。
3 mm 玻璃珠	Fisher Scientific	11-312A	可选。
12 孔组织培养板	BD Biosciences	353043	或其他任意规格的培养板。
Nikon BioStation CT/IM			或其他适用于采集视频数据的培养箱/显微镜系统。
CL-Quant 软件（Nikon）和/或 Photoshop（Adobe）。