Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki i Korzystania ze Zwierząt Uniwersytetu Medycznego w Guangzhou. Doświadczenia przeprowadzono na 6-8 tygodniowych samcach myszy C57BL/6 o masie 25-30 g. Myszy przebywały w 12-godzinnym cyklu światła i ciemności (światło: 25 lux) z nielimitowanym dostępem do pożywienia i wody, a następnie zostały losowo przydzielone do grup kontrolnej i BLM.
1. Jednostronne wlewanie dotchawicze do płuc
- Zanurzyć w narkozie samce myszy C57BL/6 (wiek 6-8 tygodni, masa 25-30 g), podając dożylnie wtrysk 1% pentobarbitalu sodu (50 mg/kg).
- Monitorować głębokość narkozy, obserwując częstotliwość oddechów oraz odruch cofania kończyn.
- Unieruchomić mysz w pozycji na plecach na plastikowej płytce ustawionej pod kątem 70°-90°, stabilizując ją za siekacze i kończyny.
- Używając sterylnych pęsety tępich, delikatnie odsunąć język.
- Wprowadzić specjalnie przygotowaną tępą igłę 22 G do tchawicy, wykorzystując laryngoskop dla małych zwierząt w celu wizualizacji nagłoska i struktur gardła. Obrócić płytkę przeciwnie do ruchu wskazówek zegara do kąta -70°, aby ustawić lewy oskrzele główny równolegle do oskrzeli głównego. Przesuwać igłę do momentu poczucia oporu.
UWAGA: Wcześniej zmierzyć długość cewnika na myszy treningowej o podobnej wielkości, aby zapewnić optymalną głębokość wprowadzenia.
- Szybko obrócić pod kątem 30° i wstrzyknąć 40 µL roztworu bleomycyny (0,02 mg). Wyjąć igłę.
- Utrzymać mysz w tej pozycji przez co najmniej 30 s, aby zapewnić właściwe rozprowadzenie leku.
- Pozostawić mysz do wybudzenia w pozycji na brzuchu na podgrzewanym kocu.
2. Skanowanie mikrotomografią komputerową (micro-CT)
UWAGA: Myszy skanowano za pomocą systemu mikro-CT zgodnie z instrukcjami producenta.
- Przeprowadzić skanowanie mikro-CT myszy przez 3 tygodnie po podaniu bleomycyny.
- Dodać odpowiednią ilość izofluranu do waporyzatora aparatu do gazowej anestezji małych zwierząt, włączyć waporyzator, ustawić stężenie indukcyjne na 3% i umieścić myszy w komorze indukcyjnej do momentu utraty odruchu prostowania oraz pojawienia się powolnego, głębokiego oddechu.
- Wyjąć myszy z komory indukcyjnej i ułożyć je na plecach na stole skanującym w taki sposób, aby kończyny były wyprostowane, a ciała wyrównane wzdłuż linii środkowej.
- Ustawić stężenie podtrzymujące izofluranu na stole skanującym na 1%.
- Ustawić tryb skanowania mikro-CT: poprzeczne pole widzenia 43 mm, rozdzielczość 2K x 2K, wielkość piksela 0,042 mm, grubość warstwy 0,042 mm.
- Po skanowaniu umieścić myszy na ogrzewającym kocu aż do ich wybudzenia.
3. Post-processy mikro-CT: Jednostronna selektywna segmentacja płuc i analiza objętości
UWAGA: Przetwarzanie obrazów i analiza ilościowa zostały przeprowadzone przy użyciu bezpłatnego oprogramowania o otwartym kodzie źródłowym 3D Slicer (http://www.slicer.org), zgodnie z instrukcjami producenta. Zastosowano kliniczne zakresy jednostek Hounsfielda (HU) dla okna płucnego w celu normalizacji obrazów HU, segmentując miąższ płuc na obszary prawidłowo napowietrzone ([-1000, -350] HU), jak zgłoszono we wcześniejszych publikacjach8,9,11. Procedura przetwarzania obrazów przedstawia się następująco:
- Uruchom program 3D Slicer. Interfejs operacyjny przedstawiono na Rycini 1.
- Kliknij Load, aby zaimportować dane obrazowe w formacie DICOM. Obrazy w przekrojach osiowym, czołowym i strzałkowym zostaną wyświetlone w głównym interfejsie (Rycina 2).
- Dostosuj parametry widoku strzałkowego zgodnie z Rycina 3 (opcjonalnie). (1: pokaż ukryte opcje; 2: wybierz Rename current volume; 3: wprowadź New name).
- W module Segment Editor kliknij Add, aby utworzyć segmentację do selektywnej analizy płuc (prawe płuco) (Rycina 4) (1: Wolumeny; 2: Edytor segmentów; 3: Dodaj segment; 4: Ustaw próg; 5: Dostosuj zakres progu; 6: Użyj jako maski; 7: Ustaw pędzel sferyczny).
- Ustaw zakres progu na [-1000, -350] HU i włącz opcję Use for Masking.
- Użyj narzędzia Paint z pędzlem sferycznym, aby wysegmentować żądane obszary płuc.
- Wybierz narzędzie Island i zaznacz opcję Keep Selected Island. Podświetl prawe płuco, a następnie kliknij Show 3D, aby wyświetlić model 3D w panelu wizualizacji (Rycina 5) (1: Edytuj wyspy (komponenty spójne); 2: Wybierz „Keep selected island”; 3: Pokaż model 3D).
- W panelu Terminology zmień kolor modelu 3D na niebieski (opcjonalnie).
- Powtórz kroki 3.4–3.6 dla lewego płuca. Przetwarzaj warstwa po warstwie obrazy TK klatki piersiowej w przekroju osiowym, aby obliczyć objętość wentylowanego lewego płuca i stworzyć model 3D (Rycina 6).
- Zmień kolor 3D modelu lewego płuca na żółty (opcjonalnie).
- Ustaw przezroczystość segmentacji prawego płuca na 0,2.
- Wyeksportuj model 3D zgodnie z potrzebami (Rycina 7).
- Zrób zrzuty ekranu widoku 3D lub obrazów przekrojów i zapisz je (Rycina 8) (1: Zrzut ekranu z adnotacjami; 2: Wybierz format obrazu; 3: Zmodyfikuj ścieżkę zapisu).
- Użyj modułu Segment Statistics, aby obliczyć objętość płuc (mm3) dla każdego segmentu i przeprowadzić analizę ilościową obszarów prawidłowo napowietrzonych (Rycina 9).

Rysunek 1: Interfejs oprogramowania 3D Slicer. Na rysunku przedstawiono główny interfejs operacyjny oprogramowania 3D Slicer. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Obrazy TK włóknienia płuc wywołanego jednostronnym wlewem wewnątrztrachealnym u myszy. Widoki osiowy, czołowy i strzałkowy wraz z rekonstrukcją 3D płuc po wlewie bleomycyny. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 3: Regulacja parametrów widoku strzałkowego. Rycina przedstawia regulację parametrów umożliwiającą precyzyjną wizualizację i analizę. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 4: Edycja segmentacji i dostrajanie parametrów. Rysunek przedstawia proces edycji segmentacji oraz odpowiadające mu dostrajanie parametrów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Segmentacja 3D prawego płuca. Proces składa się z trzech kolejnych kroków: edycji składowych spójnych w celu segmentacji płuc (Krok 1), wybrania opcji Keep selected island w celu wyizolowania prawego płuca (Krok 2) oraz kliknięcia Show 3D w celu wyrenderowania modelu w panelu wizualizacji (Krok 3). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 6: Rekonstrukcja 3D lewego płuca na podstawie analizy mikro-CT. Obrazy CT klatki piersiowej w płaszczyźnie osiowej zostały przetworzone warstwa po warstwie w celu segmentacji obszarów napowietrzonych, ilościowego oznaczenia objętości wentylowanej oraz zrekonstruowania modelu 3D. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 7: Rekonstrukcja 3D płuc na podstawie analizy mikro-CT objętości płuc wentylowanych w modelu jednostronnej włóknienia płuc. Zrekonstruowane modele zostały wyeksportowane w określonych formatach do zdefiniowanych katalogów. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 8: Instrukcja zapisywania obrazów. Rysunek przedstawia kolejne kroki zapisywania obrazów, począwszy od uruchomienia funkcji zapisu w menu Annotation Screenshot, poprzez wybór formatów, aż po zdefiniowanie ścieżek przechowywania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Analiza statystyczna oparta na mikro-CT w jednostronnym modelu włóknienia płuc. Analizie poddano dane ilościowe pochodzące z obszarów normo-napowietrzonych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
4. Barwienie trichromem Massona
- Utkwić próbkę płuc w 4% paraformaldehydzie w temperaturze pokojowej (RT) przez noc, odwodnić za pomocą serii etanoli o rosnącym stężeniu, a następnie zalać do parafiny. Przygotować skrawki o grubości 5 µm za pomocą mikrotomu obrotowego.
- Przebarwić skrawki metodą trichromu Massona w następujący sposób.
- Opłukać odparafinizowane i rehydratowane skrawki w wodzie destylowanej, a następnie poddać działaniu zaprawy w podgrzanym płynie Bouina w temperaturze 56-60 °C przez 1 h lub przez noc w RT.
- Po przemyciu przebarwić skrawki roztworem żelazowej hematoksyliny Weigerta przez 10 min, płukać pod bieżącą ciepłą wodą z kranu przez 10 min, a następnie zanurzyć w roztworze czerwieni Biebricha i fuksyny kwasowej na 10-15 min.
- Przeprowadzić różnicowanie za pomocą roztworu kwasu fosfomolibdenowo-fosfotungstowego przez 10-15 min, monitorując proces do momentu, aż regiony bogate w kolagen zmienią kolor z czerwonego na przezroczysty.
- Następnie przenieść preparaty bezpośrednio do roztworu błękitu anilinowego na 5-10 min, opłukać w wodzie destylowanej i różnicować w 1% roztworze kwasu octowego przez 2-5 min.
- Po odwodnieniu w serii etanoli (od 95% do alkoholu absolutnego) i przejaśnianiu w ksylenie, zamontować skrawki w medium żywicznym.
5. Analiza uczenia maszynowego barwienia trychromowego Massona
- Przeprowadzić histopatologiczną ocenę analizy składu kolagenu w płucach kontrolnych oraz traktowanych bleomycyną, wykorzystując barwienie trichromem Massona.
- Aby zminimalizować błędy wynikające z subiektywnej oceny obserwatora, należy pozyskać cyfrowe obrazy wysokiej rozdzielczości zabarwionych przekrojów płuc za pomocą skanera całych preparatów (whole-slide image scanner).
- Następnie ilościowo przeanalizować obszary kolagenu przy użyciu zautomatyzowanego oprogramowania do analizy obrazu8,9,12. Proces uczenia opisano krótko poniżej.
- Ręcznie wyznaczyć kilka reprezentatywnych adnotacji dla każdej kategorii tkanki (np. kolagenu, tkanki prawidłowej i tkanki włóknistej). Wykorzystać wyekstrahowane cechy na poziomie pikseli z adnotowanych obszarów treningowych do zbudowania zbioru treningowego dla maszyny wektorów wspierających (SVM).
- W przypadku przekrojów barwionych metodą Massona zdefiniować klasyfikację tkanek w trzech kategoriach: kolagen, tkanka prawidłowa i tło.
UWAGA: Model uczenia maszynowego przechodzi iteracyjne szkolenie na obrazach całych preparatów (WSIs) poprzez wielokrotne adnotowanie i dopracowywanie, aż do momentu, gdy oceny zweryfikowane przez patologa potwierdzą dokładną kategoryzację tkanek. Po osiągnięciu satysfakcjonującej dokładności klasyfikacji proces staje się w pełni zautomatyzowany: cechy są ekstrahowane z każdego piksela w obrębie prawidłowych obszarów zainteresowania (ROIs), a SVM następnie przewiduje odpowiednią kategorię tkanki z wysoką precyzją.