Оптимизированный автоматизированный анализ модуляции гомеостаза митохондрий живых нейронов изоформ-специфическими рецепторами ретиноевой кислоты
28 июля 2023 г.
Митохондриальная сеть чрезвычайно сложна, что делает ее очень сложной для анализа. Новый инструмент MATLAB анализирует митохондрии с конфокальными изображениями в реальном времени на таймлапс-изображениях, но приводит к большому объему вывода, требующему индивидуального ручного вмешательства. Для решения этой проблемы была разработана рутинная оптимизация, позволяющая быстро анализировать файлы.
Мои исследования сосредоточены на области неврологии, и, в частности, мы хотим понять молекулярную основу болезней. Это привело нас к изучению клеток, их структуры и органелл, которые выполняют различные клеточные функции. Все чаще митохондриям уделяется все больше внимания.
Аномалии на митохондриальном уровне становятся абсолютно фундаментальными для понимания патологических процессов, и они могут даже стать интересными мишенями для новых лекарств или терапевтических стратегий. Здесь, в Университете Авейру, мы смогли разработать инструменты, которые представляют интерес для изучения митохондрий. Не только микроскопия и более традиционные подходы, но и инструменты автоматизированного анализа в сочетании с биоинформационными стратегиями, чтобы иметь возможность количественно оценивать и предоставлять более детальный анализ при рассмотрении митохондриальной функции.
Самые последние достижения включают алгоритмы машинного обучения для сегментации изображений и количественной оценки митохондриальных параметров. А также высокопроизводительные платформы визуализации и алгоритмы глубокого обучения для повышения точности и эффективности митохондриальной характеризации. Технологии, используемые в настоящее время для развития митохондриального анализа, включают микроскопию высокого разрешения, системы визуализации в реальном времени, инструменты вычислительного анализа в сочетании с протоколами машинного обучения и редактирование генома CRISPR-Cas9 для морфологии митохондрий и биологического анализа.
Текущие экспериментальные задачи в области митохондрий включают разработку надежных и точных измерений митохондриальных параметров, учет гетерогенности митохондриальных популяций, анализ взаимодействия между митохондриальной и клеточной биологией, а также разработку неинвазивных инструментов для изучения митохондрий in vivo. Наш инструмент повышает эффективность и надежность, позволяя проводить надежный автоматизированный анализ митохондрий. Кроме того, мы можем исследовать потенциал модуляции рецепторов гиалуроновой кислоты в персонализированной медицине для митохондрий.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Данное исследование сосредоточено на совершенствовании анализа митохондрий — органелл, необходимых для функционирования клеток, — путем разработки автоматизированных инструментов для эффективной обработки изображений. Используя MATLAB, исследователи решили проблемы, связанные со сложной структурой митохондриальной сети, что позволило проводить быстрый анализ изображений, полученных методом таймлапс-съемки. Также рассматривается влияние митохондриальных аномалий на механизмы развития заболеваний и терапевтические стратегии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Нейронауки
- Биология митохондрий
- Автоматизированный анализ изображений
Теоретические основы
- Митохондрии имеют решающее значение для различных клеточных функций.
- Аномалии в митохондриях связаны с патологическими процессами.
- Усовершенствованные методы микроскопии и вычислительные инструменты необходимы для анализа функций митохондрий.
- Визуализация высокого разрешения и биоинформатические стратегии имеют критическое значение для детального анализа.
Цель исследования
- Разработка инструмента MATLAB для анализа прижизненных конфокальных изображений митохондрий.
- Повышение эффективности анализа митохондрий за счет автоматизации.
- Решение проблем, связанных с точностью измерения параметров митохондрий.
Используемые методы
- Системы живой конфокальной визуализации для регистрации митохондриальной динамики.
- Инструменты автоматизированного анализа, разработанные с использованием MATLAB.
- Алгоритмы машинного обучения для сегментации и количественного анализа изображений.
- Система CRISPR-Cas9 для изучения морфологии митохондрий.
- Особое внимание уделено разработке неинвазивных методов для исследований in vivo.
Основные результаты
- В ходе исследования был успешно разработан инструмент для автоматизации анализа митохондрий.
- Данный инструмент повышает надежность и эффективность количественного определения параметров митохондрий.
- Решается проблема сложности и вариабельности популяций митохондрий.
- Подчеркивается значимость функции митохондрий при заболеваниях и в терапевтических целях.
Выводы
- Разработанный инструмент обеспечивает надежный анализ митохондрий, расширяя возможности исследований в области клеточной биологии и механизмов заболеваний.
- Вносит вклад в понимание роли митохондрий в персонализированной медицине.
- Исследование подчеркивает потенциал новых терапевтических стратегий, направленных на функцию митохондрий.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Автоматизированный высокопроизводительный анализ живых митохондрий нейронов позволяет проводить масштабируемую количественную оценку динамики митохондриальной сети в системах, релевантных для изучения заболеваний. Данная возможность устраняет критический барьер на этапах первичного поиска и валидации мишеней, обеспечивая получение надежных и воспроизводимых данных о функции органелл и их ответе на изоформ-специфическую модуляцию рецепторов ретиноевой кислоты. Этот подход повышает прогностическую достоверность и снижает механистические риски при разработке терапевтических портфелей для лечения нейродегенерации и заболеваний, связанных с митохондриальной дисфункцией.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Обеспечивает количественный анализ модуляции митохондриальной сети специфическими изоформами рецепторов.
- Поддерживает функциональную валидацию мишени за счет автоматизированного и воспроизводимого измерения динамики органелл.
- Способствует снижению механистических рисков путем разграничения аксональных и соматических митохондриальных ответов.
- Предоставляет высококонтентные данные для уточнения путей на основе выдвинутых гипотез.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает валидированные масштабируемые рабочие процессы анализа изображений для анализов митохондрий в живых клетках.
- Стандартизирует выходные данные для тысяч файлов, сокращая необходимость ручного вмешательства и вероятность ошибок.
- Позволяет проводить быстрый скрининг влияния соединений на митохондриальный гомеостаз в нейрональных моделях.
- Обеспечивает воспроизводимость анализа и количественный выход данных для последующих платформ скрининга.
Трансляционные и доклинические исследования
- Сопоставляет характеристики митохондриальной сети с нейрональными системами, имеющими значение для конкретных заболеваний.
- Обеспечивает возможность визуализации до и после лечения для разработки трансляционных биомаркеров.
- Поддерживает непрерывность процесса от этапа поиска до доклинической валидации модуляторов митохондрий.
- Предоставляет данные для обоснованного с учетом рисков продвижения кандидатов в нейротерапевтические препараты.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Этот метод автоматизированного анализа объединяет этапы от первичного поиска до идентификации соединений-лидеров и доклинических исследований, обеспечивая надежное количественное фенотипирование митохондрий в живых нейронных системах.
- Открывающая биология: обеспечивает проверку гипотез и анализ путей митохондриальной модуляции изоформами рецепторов.
- Скрининг: предоставляет готовые к анализу, воспроизводимые результаты для высокопроизводительной оценки соединений.
- Аналитика: позволяет получать количественные измерения параметров митохондрий с временным разрешением для сравнительного анализа.
- Трансляционные исследования: обеспечивают преемственность доклинических исследований за счет возможности визуализации одних и тех же клеток до и после терапии.
- Корпоративное использование: предлагает масштабируемый и адаптируемый рабочий процесс для различных приложений в области исследования нейронов и митохондрий.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает прогностическую достоверность и снижает механистическую неопределенность при валидации митохондриальных мишеней.
- Операционная ценность: оптимизирует обработку данных, повышает воспроизводимость и обеспечивает масштабируемость для высокопроизводительного анализа.
- Стратегическая ценность: улучшает качество принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала в портфелях препаратов для лечения нейродегенерации.
- Влияние на портфель: позволяет проводить приоритезацию терапевтических программ, направленных на митохондрии, с учетом оценки рисков.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области визуализации живых клеток и компьютерного анализа.
- Зависит от наличия доступа к конфокальной микроскопии и аналитической инфраструктуре на базе MATLAB.
- Требуется межкомандная стандартизация обработки данных и интерпретации результатов.
- При оптимизации протокола метод применим к различным нейрональным моделям и схемам лечения.
- Объем выходных данных и управление ими требуют надежной информатики.
