High-throughput analyse van optische toewijzingsgegevens met behulp van ElectroMap
4 juni 2019
Dit protocol beschrijft de installatie en het gebruik van ElectroMap, een op MATLAB gebaseerd open-source software platform voor de analyse van cardiale optische toewijzingsgegevens. ElectroMap biedt een veelzijdige High-throughput tool voor analyse van optische mapping spanning en calcium datasets over een breed scala van cardiale experimentele modellen.
Het gebruik van multi-array en optische mapping technologieën in cardiale onderzoek breidt zich uit. Echter, wat momenteel ontbreekt is robuuste, high-throughput opensource software voor de analyse van elektrofysiologie gegevens. Daarom hebben we nieuwe software ontwikkeld genaamd ElectroMap om onderzoekers te helpen met hun analyse.
ElectroMap bevat nieuwe en gevestigde methoden om cardiale mapping gegevens die kunnen worden verkregen van elke soort met behulp van meerdere verschillende camera's, meerdere verschillende fluorescerende kleurstoffen, en verschillende acquisitie modaliteiten met inbegrip van optische mapping en multi-elektrode array systemen te analyseren. Naast het meten van standaard AP parameters zoals actie potentiële duur, geleidende test, en morfologie, ElectroMap maakt analyse en kwantificeren activiteit. Begin met het downloaden van alle bestanden van de nieuwste broncoderelease van ElectroMap uit de GitHub-repository.
Rits de gedownloade inhoud open naar een gewenste locatie. Open MATLAB en navigeer naar de maplocatie als host van de ElectroMap-broncode. Open vervolgens de bestandselektromap.
m en druk op run in de editor om de ElectroMap-gebruikersinterface te starten. Druk vervolgens op de map om de afbeelding te laden en naar de locatie van het te analyseren gegevensbestand of bestanden te navigeren. Selecteer het bestand dat moet worden geladen vanuit de interface en druk op het laden van afbeeldingen.
Eenmaal geladen verschijnt het eerste frame en geeft een rode omtrek automatische drempelwaarde van de afbeelding aan. Wijzig dit desgewenst naar een drempelwaarde op basis van de amplitude van de signaaltijdcursus door de optie in het vervolgkeuzemenu voor drempelwaarden te wijzigen. Houd er rekening mee dat zodra de drempelwaarde is geselecteerd, deze vervolgens wordt toegepast voor de hele afbeeldingsstapel.
Wijzig desgevraagd de drempeloptie in handmatige handleiding waarmee de schuifregelaar handmatig de afbeeldingsdrempel wordt aangepast. Selecteer bovendien het aangepaste interessegebied voor analyse door de juiste vinkjes onder de drempelopties te selecteren. Houd er rekening mee dat geavanceerde opties voor de selectie van de regio's, zoals het aantal gebieden, beschikbaar zijn in de ROI-selectie in het bovenste menu.
Zodra een geschikte drempelwaarde is toegepast, drukt u afbeeldingen om de verwerking toe te passen. Zorg er op dit moment voor dat de juiste camera-instellingen zijn ingevoerd voor framesnelheid en kilohertz en pixelgrootte in micrometers en opties voor signaalverwerking, zoals venstertijdframe, ruimtelijke en temporele filtering. Nadat het bestand is verwerkt, inspecteer de pieken in het weefsel gemiddelde signaal gelabeld door rode cirkels.
Segmenteer het signaal op basis van gedetecteerde pieken. Druk op segmentsignaal. Pas desgevraagd aangepaste segmentatie van het signaal toe door in te zoomen op het tijdstip van interesse en segmentsignaal te selecteren.
Nadat de afbeeldingen zijn verwerkt, wordt de knop Kaarten voor producten actief. Druk op productiekaarten om actiepotentieel, activeringstijd, geleidingssnelheid en signaal-ruisverhoudingsanalyse toe te passen. Selecteer de gewenste segmenten in het keuzevak om de analyse op elke segment toe te passen.
Selecteer vervolgens pixelinformatie ophalen om een gedetailleerde weergave van het signaal van een pixel in de afbeelding te zien en pixels te vergelijken om signalen van maximaal zes locaties gelijktijdig te plotten. Om toegang te krijgen tot meer gedetailleerde analyse van geleidingssnelheid, persgeleiding. Druk vervolgens op één vector om geleiding te analyseren met behulp van de enkele vectormethode waarbij de verloopvector wordt berekend op basis van de vertragingsinactivatietijd tussen twee punten.
Druk ten slotte op de lokale vector om de multi-vectormethode toe te passen met de instellingen die overeenkomen met die van de hoofdinterface. Druk op activeringscurve om het percentage weefsel dat wordt geactiveerd als functie van de tijd in kaart te brengen. Als u andere parameters met ElectroMap wilt kwantificeren, selecteert u een van de andere gewenste analyses in het vervolgkeuzemenu boven de weergavekaart.
Druk op afzonderlijke bestandsanalyse om een speciale module te openen voor de duur van de doorvoer en de analyse van de geleiding van elk geïdentificeerd segment in een bestand. Voer de analyse uit op de hele afbeelding of op geselecteerde regio's of bezienswaardigheden. Als u gegevens uit ElectroMap wilt exporteren, drukt u op exportwaarden om de waarden van de momenteel weergegeven kaart op te slaan in de hoofdgebruikersinterface.
Druk vervolgens op exportkaart om een pop-up weer te geven met de momenteel weergegeven kaart die vervolgens kan worden opgeslagen in verschillende afbeeldingsindelingen. Voeg desgewenst een kleurbalk toe door het pictogram van de kleurenbalk te selecteren. Stel de schaal in door bewerken en kleurenkaart te selecteren.
Druk tot slot op activeringsvideo om een animatie van de activeringsreeks weer te geven die kan worden opgeslagen als een geanimeerd GIF-bestand. Dit toont de actie potentiële morfologie van de murine atria in vergelijking met de cavia ventrikel geregistreerd met behulp van spanning gevoelige kleurstoffen zoals eerder gemeld. Ondanks de verschillende vorm van het actiepotentieel en het gebruik van twee afzonderlijke optische kaartcamera's met verschillende framesnelheden en pixelformaten, kan ElectroMap worden gebruikt om beide gegevenssets met succes te analyseren door de juiste parameters te selecteren.
De toepassing van ensemble gemiddeld in plaats van andere methoden kan verbeteren SNR van geïsoleerde murine links atria. Een verandering van pacing frequentie van drie hertz naar 10 hertz veranderde APD niet wanneer er geen ensemble gemiddelde wordt ondernomen, maar een verwachte daling van de APD op 10 hertz pacing werd waargenomen wanneer gemeten op uit ensemble gemiddelde gegevens. Verder, muis links atria werden tempo op een 120 milliseconde cyclus lengte en cyclus lengte werd stapsgewijs verkort met 10 milliseconden tot het bereikte 50 milliseconden.
ElectroMap identificeert automatisch de pacing cyclus lengte en groep weefsel gemiddelde pieken dienovereenkomstig. APD en diastolische interval ingekort. Amplitude van de optisch gemeten pieken daalde terwijl de tijd tot piek steeg.
Dit protocol laat zien hoe u de instellingen in ElectroMap installeren en instellen om snel de potentiële duur, geleidingssnelheid, piek-naar-piekvariabiliteit te analyseren en ook hoe u gemiddeld inwerken om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. We hopen dat de release van deze vrij beschikbare software onderzoekers zal helpen met hun analysebehoeften en zal leiden tot een aantal belangrijke ontdekkingen in cardiale onderzoek. We zullen doorgaan met het bouwen van algoritmen die we hebben ontwikkeld en we moedigen anderen aan om ons te helpen de ElectroMap-mogelijkheden verder uit te breiden.
Overzicht
Dit protocol beschrijft de installatie en het gebruik van ElectroMap, een open-source softwareplatform op basis van MATLAB voor de analyse van data uit optische mapping van het hart. ElectroMap biedt een veelzijdige high-throughput tool voor de analyse van voltage- en calciumdatasets uit optische mapping in een breed scala aan cardiale experimentele modellen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Cardiale elektrofysiologie
- Optische mapping
- Softwareontwikkeling
Achtergrond
- Multi-array en optische mapping-technologieën worden in toenemende mate gebruikt in cardiaal onderzoek.
- Er is behoefte aan robuuste, high-throughput open-source software voor de analyse van elektrofysiologische gegevens.
- ElectroMap incorporeert zowel nieuwe als gevestigde methoden voor het analyseren van cardiale mapping-gegevens.
- De software ondersteunt gegevens van verschillende soorten en acquisitiemodaliteiten.
Doel van de studie
- Om een gebruiksvriendelijke tool te bieden voor het analyseren van data van optische mapping van het hart.
- Om de meting van actiepotentiaalparameters en conductieanalyse te vergemakkelijken.
- Om de signaal-ruisverhouding bij de analyse van elektrofysiologische data te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Download en installeer ElectroMap vanuit de GitHub-repository.
- Laad en verwerk optical mapping-beelden met behulp van MATLAB.
- Pas automatische en handmatige drempelwaarde-instelling (thresholding) toe voor beeldanalyse.
- Voer segmentatie uit en genereer kaarten voor de analyse van actiepotentialen.
Belangrijkste resultaten
- ElectroMap analyseert succesvol gegevens van verschillende optische mapping-opstellingen.
- Actiepotentiaalduur en geleidingssnelheid kunnen effectief worden gekwantificeerd.
- Ensemble-middeling verbetert de signaal-ruisverhouding bij de gegevensanalyse.
- Aangepaste segmentatie en gedetailleerde pixelanalyse worden ondersteund.
Conclusies
- ElectroMap is een waardevolle tool voor onderzoekers in de cardiale elektrofysiologie.
- De software verbetert de analyse van complexe datasets van optische mapping.
- Het open-source karakter bevordert de toegankelijkheid en samenwerking binnen het onderzoek.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
ElectroMap speelt in op de behoefte aan robuuste, high-throughput opensourcesoftware in het onderzoek naar cardiale elektrofysiologie, waardoor gestandaardiseerde analyse van complexe optical mapping-data over verschillende soorten en experimentele modellen mogelijk wordt. Door de signaal-ruisverhouding te verbeteren via ensemble-averaging en door ondersteuning te bieden voor geautomatiseerde multi-beat analyse, verhoogt het platform het voorspellende vertrouwen bij targetvalidatie en mechanische risicoreductie voor de ontdekking van cardiovasculaire geneesmiddelen. Het modulaire ontwerp vergemakkelijkt de integratie in discovery-workflows, wat de ontwikkeling van assays en de afstemming van translationele biomarkers in preklinische modellen ondersteunt.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door kwantificering van de actiepotentiaalduur, geleidingssnelheid en signaal-ruisverhouding in multicellulaire cardiale preparaten.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicoreductie door reproduceerbare, kwantitatieve elektrofysiologische resultaten te leveren voor functionele targetvalidatie.
- Voorspellende waarde: Faciliteert portfoliotriage door elektrofysiologische veranderingen te identificeren die bij analyse van een enkele slag over het hoofd zouden kunnen worden gezien, middels ensemble-middeling.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream-workflows door de verwerking van optical mapping-gegevens te standaardiseren en analyse met een hoge doorvoer van volledige experimentele opnames mogelijk te maken.
- Operationele waarde: Pakt assay-standaardisatie en reproduceerbaarheid aan via geautomatiseerde detectie van de pacing-frequentie, signalsegmentatie en aanpasbare pre-processing-parameters.
- Schaalbaarheid: Benadrukt de screeningparaatheid en het hergebruik van het platform via ondersteuning voor meerdere fluorescente kleurstoffen, acquisitiemodaliteiten en soortspecifieke gegevens.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele Continuïteit: Bespreekt de relevantie voor ziekten en de afstemming van translationele biomarkers door het mogelijk maken van gedetailleerd onderzoek naar conductie, alternans en single-file analyse in cardiac modellen.
- Preklinische Validatie: Beschrijft de continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door acute responsen en beat-to-beat variabiliteit bij veranderende pacingfrequenties te kwantificeren.
- Risicogebaseerde Vooruitgang: Behandelt beslissingen over risicogebaseerde voortgang door electrofysiologische veranderingen te detecteren die de signaalkwaliteit in ruisgevoelige datasets verbeteren.
Integratie van Pipeline & Workflow
ElectroMap integreert in het ontdekkingscontinuüm van vroege ontdekking tot lead-identificatie en preklinisch werk door kwantitatieve elektrofysiologische metingen te leveren die hypothesetoetsing en biologische risicobeperking ondersteunen.
- Discovery Biology: Legt uit hoe de methode hypothesetoetsing, pathway-verduidelijking of biologische risicoreductie ondersteunt via de analyse van spannings- en calciumdynamiek in hartweefsel.
- Screening: Beschrijft de assay-gereedheid, reproduceerbaarheid of kwantitatieve outputs wanneer dit door het artikel wordt ondersteund, inclusief actiepotentiaalduur, geleidingssnelheid en mapping van de signaal-ruisverhouding.
- Analytics: Benadrukt metingen, read-outs of statistische outputs die teams helpen om condities te vergelijken, zoals piek-tot-piek variabiliteit en veranderingen in het diastolische interval bij variërende pacingfrequenties.
- Translationeel Onderzoek: Verbindt de methode met preklinische continuïteit of biomarker-afstemming uitsluitend wanneer de bron dit ondersteunt, via aangepaste modules voor geleidings- en alternansanalyse.
- Enterprise Reuse: Presenteert de methode als een herbruikbare capaciteit in plaats van een eenmalige techniek, waarbij de nadruk ligt op het open-source karakter en de aanpasbaarheid aan verschillende experimentele modellen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende betrouwbaarheid, targetvalidatie, vermindering van mechanistische ambiguïteit in de cardiale elektrofysiologie.
- Operationele waarde: Standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van de analyse van optical mapping-gegevens over laboratoria en modellen heen.
- Strategische waarde: Betere go/no-go-beslissingen, kapitaalefficiëntie en verminderd biologisch risico in een laat stadium door verbeterde signaalkwaliteit en detectie van subtiele elektrofysiologische veranderingen.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering en beslissingen over verdere ontwikkeling op basis van reproduceerbare, high-throughput elektrofysiologische profilering.
Overwegingen voor implementatie
- Vereiste wetenschappelijke expertise in MATLAB-gebaseerde softwareomgevingen en principes van de cardiale elektrofysiologie.
- Behoeften aan instrumentatie en analytische infrastructuur omvatten optical mapping-systemen, fluorescerende kleurstoffen en compatibele acquisitiehardware.
- Eisen voor standaardisatie tussen teams voor consistente drempelwaarde-bepaling, selectie van regio's van belang en parameterdefinities tussen gebruikers en locaties.
- Aanpassingsfactoren voor verschillende modelsystemen, inclusief soortspecifieke framerates, pixelgroottes en signaalverwerkingsopties.
- Praktische beperkingen ondersteund door het bronmateriaal: afhankelijkheid van correcte camera-instellingen voor framerate en kilohertz, en de noodzaak voor handmatige aanpassing van de drempelwaarde wanneer automatische methoden onvoldoende zijn.
