Kwantyfikacja organizacji kolagenu fibrylarnego za pomocą narzędzi opartych na transformacji Curvelet

Yuming Liu; Kevin W. Eliceiri

doi:10.3791/61931

Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Kwantyfikacja organizacji kolagenu fibrylarnego za pomocą narzędzi opartych na transformacji Curvelet

6.3K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61931

⸱

11 listopada 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

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół korzystania z opartego na transformacji krzywej, otwartego narzędzia programowego MATLAB do ilościowego określania organizacji kolagenu fibrylarnego w macierzy zewnątrzkomórkowej zarówno normalnych, jak i chorych tkanek. To narzędzie można zastosować do obrazów z włóknami kolagenowymi lub innymi rodzajami struktur przypominających linie.

Streszczenie

Kolageny fibrylarne są ważnymi składnikami macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), a zmiany ich topologii okazały się być związane z postępem wielu chorób, w tym raka piersi, jajnika, nerki i trzustki. Ogólnodostępne narzędzia oprogramowania do kwantyfikacji włókien koncentrują się głównie na obliczaniu wyrównania lub orientacji włókien i podlegają ograniczeniom, takim jak wymóg ręcznych kroków, niedokładność w wykrywaniu krawędzi włókna w hałaśliwym tle lub brak zlokalizowanej charakterystyki cech. Narzędzie do kwantyfikacji włókien kolagenowych opisane w tym protokole charakteryzuje się wykorzystaniem optymalnej wieloskalowej reprezentacji obrazu umożliwianej przez transformację krzywej (CT). To algorytmiczne podejście pozwala na usunięcie szumów z obrazów kolagenu fibrylarnego i ulepszenie krawędzi włókien w celu dostarczenia informacji o lokalizacji i orientacji bezpośrednio ze światłowodu, zamiast korzystania z pośrednich informacji dotyczących pikseli lub okien uzyskanych z innych narzędzi. Ta struktura oparta na tomografii komputerowej zawiera dwa oddzielne, ale połączone pakiety o nazwach "CT-FIRE" i "CurveAlign", które mogą określić ilościowo organizację światłowodów na podstawie globalnej, regionu zainteresowania (ROI) lub pojedynczego światłowodu. Ten system kwantyfikacji był opracowywany przez ponad dziesięć lat i obecnie przekształcił się w kompleksową i zorientowaną na użytkownika platformę kwantyfikacji kolagenu. Za pomocą tej platformy można zmierzyć do około trzydziestu cech włókien, w tym właściwości poszczególnych włókien, takich jak długość, kąt, szerokość i prostoliniowość, a także pomiary masowe, takie jak gęstość i wyrównanie. Dodatkowo użytkownik może mierzyć kąt światłowodu względem granic segmentowanych ręcznie lub automatycznie. Platforma ta zapewnia również kilka dodatkowych modułów, w tym do analizy ROI, automatycznego tworzenia granic i przetwarzania końcowego. Korzystanie z tej platformy nie wymaga wcześniejszego doświadczenia w programowaniu ani przetwarzaniu obrazów i może obsługiwać duże zbiory danych, w tym setki lub tysiące obrazów, umożliwiając wydajną kwantyfikację organizacji włókien kolagenowych do zastosowań biologicznych lub biomedycznych.

Wprowadzenie

Fibrillar collagens są znaczącymi, strukturalnymi składnikami ECM. Ich zmiany organizacyjne wpływają na funkcjonowanie tkanek i są prawdopodobnie związane z postępem wielu chorób, począwszy od wrodzonej łamliwości kości¹, dysfunkcji serca² i gojenia się ran³ po różne rodzaje raka, w tym piersi4^,⁵^,⁶, ovarian⁷^,⁸, Nerka⁹, oraz rak trzustki¹⁰. Do wizualizacji kolagenu fibrylarnego można wykorzystać wiele....