Quantificazione dell'organizzazione del collagene fibrilla con strumenti a base di trasformata curvelet

Yuming Liu; Kevin W. Eliceiri

doi:10.3791/61931

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Articolo metodologico

Quantificazione dell'organizzazione del collagene fibrilla con strumenti a base di trasformata curvelet

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DOI:

10.3791/61931

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11 novembre 2020

Yuming Liu¹ , Kevin W. Eliceiri¹^,²^,³

¹Laboratory for Optical and Computational Instrumentation, Center for Quantitative Cell Imaging, University of Wisconsin-Madison, ²Departments of Medical Physics and Biomedical Engineering, University of Wisconsin-Madison, ³Morgridge Institute for Research, Madison, Wisconsin, ⁴test, test

In questo articolo

Sommario

Qui presentiamo un protocollo per utilizzare uno strumento software MATLAB open source a base di trasformata curvelet per quantificare l'organizzazione del collagene fibrilla nella matrice extracellulare dei tessuti normali e malati. Questo strumento può essere applicato a immagini con fibre di collagene o altri tipi di strutture simili a linee.

Abstract

I collageni fibrillari sono componenti prominenti della matrice extracellulare (ECM) e i loro cambiamenti di topologia hanno dimostrato di essere associati alla progressione di una vasta gamma di malattie tra cui tumori al seno, alle ovaie, ai reni e al pancreas. Gli strumenti software di quantificazione delle fibre liberamente disponibili si concentrano principalmente sul calcolo dell'allineamento o dell'orientamento della fibra e sono soggetti a limitazioni come il requisito di passaggi manuali, imprecisione nel rilevamento del bordo della fibra in uno sfondo rumoroso o mancanza di caratterizzazione localizzata delle funzionalità. Lo strumento di quantificazione delle fibre di collagene descritto in questo protocollo è caratterizzato dall'utilizzo di una rappresentazione ottimale dell'immagine su più scale abilitata dalla trasformazione curvelet (CT). Questo approccio algoritmico consente la rimozione del rumore dalle immagini di collagene fibrilla e il miglioramento dei bordi delle fibre per fornire informazioni sulla posizione e sull'orientamento direttamente da una fibra, piuttosto che utilizzare le informazioni indirette per pixel o per finestra ottenute da altri strumenti. Questo framework basato su CT contiene due pacchetti separati, ma collegati, denominati "CT-FIRE" e "CurveAlign" in grado di quantificare l'organizzazione delle fibre su base globale, regione di interesse (ROI) o singola fibra. Questo quadro di quantificazione è stato sviluppato per più di dieci anni e ora si è evoluto in una piattaforma di quantificazione del collagene completa e guidata dall'utente. Utilizzando questa piattaforma, si possono misurare fino a una trentina di caratteristiche della fibra tra cui proprietà individuali della fibra come lunghezza, angolo, larghezza e rettilineità, nonché misurazioni alla rinfusa come densità e allineamento. Inoltre, l'utente può misurare l'angolo della fibra rispetto ai limiti segmentati manualmente o automaticamente. Questa piattaforma fornisce anche diversi moduli aggiuntivi tra cui quelli per l'analisi del ROI, la creazione automatica dei limiti e la post-elaborazione. L'utilizzo di questa piattaforma non richiede una precedente esperienza di programmazione o elaborazione delle immagini e può gestire set di dati di grandi dimensioni tra cui centinaia o migliaia di immagini, consentendo una quantificazione efficiente dell'organizzazione delle fibre di collagene per applicazioni biologiche o biomediche.

Introduzione

I collageni fibrillari sono componenti ECM strutturali prominenti. La loro organizzazione cambia la funzione tissutale di impatto e sono probabilmente associati alla progressione di molte malattie che vanno dall'osteogenesi imperfetta^1,disfunzione cardiaca²e guarigione^{delle ferite 3} a diversi tipi di cancro tra cui^{il seno 4,}^5,^6,ovarico^7,^8,^{rene 9}e tumori pancreatici¹⁰. Molte modalità di imaging consol....