Analyse von multidimensionalen Mikroskopiedaten mittels Cell-ACDC

Wir verbessern die Analyse multidimensionaler Mikroskopiedaten, indem wir eine Software zur Analyse des Zellteilungszyklus entwickeln, genannt Cell-ACDC, um Engpässe für schnelle biologische Entdeckungen zu überwinden. Aktuelle KI-Modelle sind oft schwer zugänglich. Zusätzlich sind Visualisierung und manuelle Korrektur erforderlich, um hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

Diese Aufgaben können jedoch ohne die richtigen Werkzeuge sehr mühsam werden. Um zu beginnen, klicken Sie im Hauptfenster des Visual- und Correct-Moduls auf Launch GUI. Klicken Sie auf das Ordnersymbol in der Symbolleiste des neuen Fensters und wählen Sie den Ordner mit den Daten aus.

Dann drückt ihr Ordner auswählen, um die Auswahl zu bestätigen. Nutzen Sie das Dropdown-Menü, um den vorverarbeiteten Kanal-Phasenkontrast auszuwählen, und drücken Sie dann OK, um zu bestätigen. Wählen Sie den Namen der Segmentierungsmaske aus und klicken Sie dann auf Laden ausgewählt, um die im vorherigen Schritt erstellte Segmentierungsdatei zu laden.

Bestätigen Sie die Bildeigenschaften, indem Sie auf OK für geladene Positionen klicken. Wenn Sie aufgefordert werden, wählen Sie Nein, um das Laden zusätzlicher Fluoreszenzdaten zu verhindern. Verwenden Sie den Moduswahlschalter, um Segmentierung und Tracking-Modus auszuwählen.

In der Menüleiste navigieren Sie zu Tracking, gefolgt von "Echtzeit-Tracking-Algorithmus auswählen" und wählen Sie den gewünschten Echtzeit-Tracker basierend auf dem Organismus aus. Benutze die linke und rechte Pfeiltaste, um zwischen den Frames zu navigieren. Navigiere zu Bild 10.

Drücken Sie die Taste S, um das manuelle Knopftrennwerkzeug zu aktivieren, und klicken Sie mit der rechten Maustaste, um die Segmentierungsmaske von Zelle eins automatisch zu spalten. Jetzt navigiere zu Bild 14. Drücken Sie die Taste B, um das Pinselwerkzeug zu aktivieren und die fehlende Segmentierungsmaske für den Bud mit der linken Maustaste zu zeichnen.

Fahren Sie mit den folgenden Frames fort, während Sie Segmentierungs- und Tracking-Fehler mit den verfügbaren Werkzeugen korrigieren. Zumindest bis Frame 42 korrekt. Aktivieren Sie die Zellzyklusanalyse mit dem Modusselektor.

Wenn du aufgefordert wirst, wähle Ja, um zu Bild eins zu wechseln. Benutze die linke und rechte Pfeiltaste, um zwischen den Frames zu navigieren. Klicken Sie auf OK, um die Initialisierung der Zellzyklus-Annotationstabelle bei Aufforderung zu akzeptieren, und navigieren Sie zu Bild 41.

Rechtsklick auf Zelle eins oder deren Bud, um die Verbindung zu trennen und das Zellteilungsereignis zu annotieren. Sehen Sie weiterhin alle relevanten Frames an und korrigieren Sie Fehler in automatischen Mother-Bud-Zuweisungen mit den verfügbaren Tools. Um einem Mutter-Bud einen Bud zuzuweisen, aktivieren Sie das Tool "Assigned Bud to Mother" durch Drücken von A. Drücken Sie und halten Sie die rechte Maustaste auf dem Bud, ziehen Sie auf die entsprechende Mutterzelle und lassen Sie die Maustaste los.

Um die Zellzyklus-Annotation neu zu initialisieren, wählen Sie die entsprechende Option in der Symbolleiste aus. Um die Mutter-Knospe-Verbindung zu lösen oder neu zu binden, stellen Sie sicher, dass kein Werkzeug ausgewählt wird. Rechtsklick auf ein bestehendes Mutter-Bud-Paar, um die Verbindung zu lösen, oder klicke erneut mit der rechten Maustaste, um die Verbindung wiederherzustellen.

Aktiviere den normalen Divisionsstammbaum mit dem Moduswahlsystem. Wenn Sie aufgefordert werden, wählen Sie Ja, um zu Bild eins zu gehen, und verwenden Sie die linken und rechten Pfeiltasten, um zwischen den Frames zu navigieren. Korrigieren Sie Fehler in den automatischen Mutter-Tochter-Zuweisungen mit den in der Bearbeiten-Werkzeugleiste verfügbaren Werkzeugen.

Wenn Sie aufgefordert werden, klicken Sie auf Propagate, um die Änderungen anzuwenden. Um einer Mutter eine neue Zellen-ID zuzuweisen, aktivieren Sie das Tool "Mutter für eine neue Zell-ID" finden, indem Sie F drücken. Rechtsklick auf die neue Zelle, um durch Kandidaten-Mütter zu wechseln. Die nukleare Segmentierung in Tumorsphäroiden zeigte eine große Verteilung der Kernvolumen, wobei eine beträchtliche Anzahl von Objekten kleine Volumina zeigte und einige wenige extrem große Volumina.

Eine 3D-Ansicht des Tumororganoids zeigte zahlreiche segmentierte Kerne mit beschrifteten Kennungen, und Z-Schnitte zeigten die roten Segmentierungskonturen, die auf jeden Kern angewendet wurden. Bei Knospenhefe stieg die H2B-Proteinmenge zum Zeitpunkt des Knospenaufbruchs stark an und stagnierte vor der Kernteilung. Die Anzahl der Kerne stieg zum Zeitpunkt der Kernteilung im Hefedatensatz plötzlich an.

Bei embryonalen Mausstammzellen vergrößerte sich die Zellfläche stetig, bis sie ein Maximum erreichte, verringerte sich dann während der Zellteilung und begann später in den Tochterzellen wieder anzusteigen. Cell-ACDC ist also ein Open-Source-Software-Framework, das einen einfachen Zugriff auf KI-Modelle für Biobildanalysen ermöglicht und eine hohe Teilbarkeit von Mikroskopiedaten gewährleistet. Ein wichtiger Aspekt von Cell-ACDC ist, dass die Community die neuen Methoden leicht in einen bestehenden Workflow mit standardisierter Datenstruktur integrieren kann.

Die Nutzung korrigierter Daten von Cell-ACDC zur Feinabstimmung modernster Methoden kann die Grundlage für eine vollautomatisierte Biobildanalyse legen.