Facilitating Drug Discovery: An Automated High-content Inflammation Assay in Zebrafish

Zebrafish larvae are particularly amenable to whole animal small molecule screens1,2 due to their small size and relative ease of manipulation and ...

Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany

In this chapter we describe automated imaging methods used to measure the transport of an established membrane transport marker from the endoplasmic reticulum to the plasma membrane. The method is fast and significantly robust to be applied in systematic studies on a large scale such as genome-wide screening projects. We further describe the use of software macros and plugins in Image J that allow the quantification of the kinetics of membrane transport intermediates in fluorescence microscopy time-lapse sequences.

Imaging platforms for measurement of membrane trafficking.

&#xC790;&#xB3D9;&#xD654; &#xB41C; &#xD604;&#xBBF8;&#xACBD; &#xD50C;&#xB7AB;&#xD3FC;&#xC758; &#xAC1C;&#xBC1C;&#xC740; &#xB300;&#xADDC;&#xBAA8; &#xAD00;&#xCC30; &#xD568;&#xC73C;&#xB85C;&#xC368; &#xAC8C;&#xB188; &#xADDC;&#xBAA8; &#xC0DD; &#xD654; &#xD655; &#xC801;&#xC778; &#xAE30;&#xBC95;&#xC744; &#xBCF4;&#xC644; &#xD558;&#xB294; &#xC0DD;&#xBB3C; &#xD559;&#xC801; &#xACFC;&#xC815;&#xC758; &#xD65C;&#xC131;&#xD654; &#xD558; &#xACE0; &#xC788;&#xB2E4;. &#xADF8;&#xB7EC;&#xB098;, &#xC0C1;&#xC5C5;&#xC801;&#xC73C;&#xB85C; &#xC774;&#xC6A9; &#xAC00;&#xB2A5;&#xD55C; &#xC2DC;&#xC2A4;&#xD15C; &#xACE0;&#xC815;-&#xD544;&#xB4DC;-&#xC758;-&#xC870;&#xD68C;, &#xAD00;&#xC2EC;, &#xAE30;&#xB2A5;&#xC758; &#xC7A0;&#xC7AC;&#xC801;&#xC778; &#xB204;&#xB77D; &#xC120;&#xB3C4; &#xB610;&#xB294; &#xC140;&#xB8F0;&#xB7EC; &#xC138;&#xBD80; &#xBD80;&#xC871; &#xC804;&#xCCB4; &#xAC1C;&#xCCB4;&#xC758; &#xC800;&#xD574;&#xC0C1;&#xB3C4; &#xB370;&#xC774;&#xD130; &#xC81C;&#xD55C; &#xB429;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xC774;&#xAC83;&#xC740; &#xC804;&#xCCB4; &#xC720;&#xAE30; &#xCCB4; &#xC2EC;&#xC0AC;&#xB85C; &#xD070; &#xBCF5;&#xC7A1; &#xD55C; &#xAC1C;&#xCCB4;&#xB97C; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xD558;&#xB294; &#xACBD;&#xC6B0;&#xC5D0; &#xD2B9;&#xD788; &#xB192;&#xC740; &#xCF58;&#xD150;&#xCE20; &#xC2EC;&#xC0AC; &#xBD84;&#xC11D; &#xC2E4;&#xD5D8;&#xC758; &#xD6A8;&#xC728;&#xC131; &#xC81C;&#xD55C;. &#xC5EC;&#xAE30; &#xC6B0;&#xB9AC;&#xAC00; &#xD45C;&#xC900; &#xC640;&#xC774;&#xB4DC; &#xD544;&#xB4DC; &#xAC80;&#xC0AC; &#xD604;&#xBBF8;&#xACBD;&#xC5D0; &#xC140;&#xB8F0;&#xB7EC; &#xD574;&#xC0C1;&#xB3C4;&#xC5D0;&#xC11C; &#xC804;&#xCCB4; zebrafish &#xD0DC;&#xC544;&#xC758; &#xC790;&#xB3D9;&#xD654; &#xB41C; &#xC9C0;&#xB2A5;&#xD615; &#xB192;&#xC740; &#xCF58;&#xD150;&#xCE20; &#xC2EC;&#xC0AC;&#xC5D0; &#xB300; &#xD55C; &#xB3C4;&#xAD6C; &#xC9D1;&#xD569;&#xC744; &#xBCF4;&#xC5EC; &#xC90D;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xC0AC;&#xC6A9;&#xC790; &#xC9C0;&#xC815; &#xAC1C;&#xBC1C; &#xB41C; &#xC54C;&#xACE0;&#xB9AC;&#xC998;&#xC744; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xD558; &#xC5EC;, &#xB450;&#xB1CC;&#xB294; &#xC790;&#xB3D9;&#xC73C;&#xB85C; &#xAC10;&#xC9C0;&#xC73C;&#xB85C; &#xAD00;&#xC2EC; &#xAC19;&#xC740; &#xC9C0;&#xC5ED;&#xC5D0; &#xBBF8;&#xB9AC; &#xC815;&#xC758; &#xB41C;. &#xAD00;&#xC2EC;&#xC758; &#xC601;&#xC5ED;&#xC740; &#xC774;&#xD6C4;&#xC5D0; &#xB192;&#xC740; &#xD655;&#xB300;, &#xC140;&#xB8F0;&#xB7EC; &#xD574;&#xC0C1;&#xB3C4; &#xB370;&#xC774;&#xD130;&#xC758; &#xBE60;&#xB978; &#xCEA1;&#xCC98;&#xB97C; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xD558;&#xBA74; &#xC790;&#xB3D9;&#xC73C;&#xB85C; &#xBA87; &#xAD70;&#xB370;. &#xC6B0;&#xB9AC;&#xAC00; &#xC720;&#xC804;&#xC790; &#xBCC0;&#xD615; zebrafish&#xC758; &#xBBF8; &#xBC1C;&#xB2EC; &#xB450;&#xB1CC;&#xC758; 3 &#xCC28;&#xC6D0; &#xB370;&#xC774;&#xD130; &#xC9D1;&#xD569;&#xC744; &#xD68D;&#xB4DD;&#xC744; &#xC704;&#xD55C;&#xC774; &#xBC29;&#xBC95;&#xC744; &#xD65C;&#xC6A9;. &#xB610;&#xD55C;, &#xC6B0;&#xB9AC; &#xB530;&#xB77C;&#xC11C; &#xB0B4;&#xBD80; &#xC7A5;&#xAE30;&#xC640; &#xC138;&#xD3EC; &#xAD6C;&#xC870;&#xC758; &#xD45C;&#xC900;&#xD654; &#xB41C; &#xC774;&#xBBF8;&#xC9D5; &#xCD09;&#xC9C4; &#xB4F1; &#xC774;&#xBBF8;&#xC9D5; zebrafish &#xD0DC;&#xC544;&#xC758; &#xC815;&#xD655;&#xD55C; &#xBC29;&#xD5A5;&#xC5D0; &#xB300; &#xD55C; &#xAE08;&#xD615; &#xB514;&#xC790;&#xC778; &#xAC1C;&#xBC1C; &#xBCF4;&#xACE0;&#xC11C;. &#xB3C4;&#xAD6C; &#xC9D1;&#xD569;&#xC740; &#xC720;&#xC5F0; &#xD558;&#xBA70; &#xB2E4;&#xC591; &#xD55C; &#xC751;&#xC6A9; &#xD504;&#xB85C;&#xADF8;&#xB7A8;&#xC5D0;&#xC11C; &#xC11C;&#xB85C; &#xB2E4;&#xB978; &#xD45C;&#xBCF8; &#xC774;&#xBBF8;&#xC9D5;&#xC5D0; &#xC27D;&#xAC8C; &#xC801;&#xC6A9;&#xD560; &#xC218; &#xC788;&#xC2B5;&#xB2C8;&#xB2E4;.

&#xC790;&#xB3D9;&#xD654; &#xB41C; &#xAE30;&#xB2A5; &#xAC10;&#xC9C0; &#xBC0F; zebrafish &#xD0DC;&#xC544;&#xC758; &#xACE0;&#xD574;&#xC0C1;&#xB3C4; &#xC2EC;&#xC0AC;&#xC5D0; &#xB300; &#xD55C; &#xC774;&#xBBF8;&#xC9C0;.

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The development of automated microscopy platforms has enabled large-scale observation of biological processes, thereby complementing genome scale biochemical techniques. However, commercially available systems are restricted either by fixed-field-of-views, leading to potential omission of features of interest, or by low-resolution data of whole objects lacking cellular detail. This limits the efficiency of high-content screening assays, especially when large complex objects are used as in whole-organism screening. Here we demonstrate a toolset for automated intelligent high-content screening of whole zebrafish embryos at cellular resolution on a standard wide-field screening microscope. Using custom-developed algorithms, predefined regions of interest-such as the brain-are automatically detected. The regions of interest are subsequently imaged automatically at high magnification, enabling rapid capture of cellular resolution data. We utilize this approach for acquiring 3-D datasets of embryonic brains of transgenic zebrafish. Moreover, we report the development of a mold design for accurate orientation of zebrafish embryos for dorsal imaging, thereby facilitating standardized imaging of internal organs and cellular structures. The toolset is flexible and can be readily applied for the imaging of different specimens in various applications.

Automated feature detection and imaging for high-resolution screening of zebrafish embryos.

Le d&eacute;veloppement de plateformes de microscopie automatis&eacute; a permis &agrave; grande &eacute;chelle d&#39;observation des processus biologiques, compl&eacute;tant ainsi les techniques biochimiques d&#39;&eacute;chelle du g&eacute;nome. Cependant, les syst&egrave;mes disponibles dans le commerce sont limit&eacute;s fixe-champ-de-vues, conduisant &agrave; une omission &eacute;ventuelle des caract&eacute;ristiques d&#39;int&eacute;r&ecirc;t, ou de donn&eacute;es basse r&eacute;solution des objets entiers manquent de d&eacute;tails cellulaires. Ce qui limite l&#39;efficacit&eacute; des tests de d&eacute;pistage de haute teneur, surtout lorsqu&#39;on utilise des objets complexes de grande taille comme dans tout organisme d&eacute;pistage. Nous d&eacute;montrons un ensemble d&#39;outils pour le d&eacute;pistage de haute teneur intelligent automatis&eacute; d&#39;embryons entiers &agrave; r&eacute;solution cellulaire sur un microscope standard grand champ d&eacute;pistage. En utilisant des algorithmes d&eacute;velopp&eacute;s sur mesure, pr&eacute;d&eacute;finis des r&eacute;gions d&#39;int&eacute;r&ecirc;t tels que le cerveau-sont automatiquement d&eacute;tect&eacute;. Les r&eacute;gions d&#39;int&eacute;r&ecirc;t sont par la suite mis en image automatiquement &agrave; fort grossissement, ce qui permet une capture rapide de donn&eacute;es cellulaires de r&eacute;solution. Nous utilisons cette approche pour acqu&eacute;rir des ensembles de donn&eacute;es 3D du cerveau embryonnaire des poissons z&egrave;bres transg&eacute;niques. De plus, nous rapportons la conception d&#39;un moule pour une orientation pr&eacute;cise des embryons de poisson-z&egrave;bre pour l&#39;imagerie dorsale, facilitant ainsi l&#39;imagerie standardis&eacute;e des organes internes et les structures cellulaires. L&#39;ensemble d&#39;outils est flexible et peut &ecirc;tre facilement appliqu&eacute;e pour l&#39;imagerie de diff&eacute;rents sp&eacute;cimens dans diverses applications.

Fonction automatique de d&eacute;tection et d&#39;imagerie pour le criblage &agrave; haute r&eacute;solution des embryons de poisson-z&egrave;bre.

Die Entwicklung der automatisierte Mikroskopie-Plattformen hat gro&szlig; angelegte Beobachtung biologischer Prozesse, damit erg&auml;nzt Genom Skala biochemische Techniken erm&ouml;glicht. Handels&uuml;bliche Systeme sind jedoch beschr&auml;nkt behoben-Feld-von-Ansichten, zu m&ouml;glichen Unterlassung der Funktionen von Interesse, oder durch niedrig aufl&ouml;sende Daten ganze Objekte zellul&auml;re Detail fehlt. Dies schr&auml;nkt die Wirksamkeit von hoch-Content Screening-Assays, insbesondere wenn gro&szlig;e komplexe Objekte wie im gesamten Organismus Screening verwendet werden. Hier zeigen wir eine Toolset f&uuml;r automatisierte intelligente hoch-Inhalt-Screening ganze Zebrafish Embryos bei zellul&auml;ren Aufl&ouml;sung am Mikroskop standard Breite-Feld-Vorf&uuml;hrung. Mit eigens entwickelte Algorithmen, vordefinierte Regionen von Interesse wie die Gehirn-werden automatisch erkannt. Die Regionen von Interesse sind anschlie&szlig;end automatisch bei hoher Vergr&ouml;&szlig;erung, damit schnellen Erfassung von zellul&auml;ren Aufl&ouml;sung Daten &uuml;berhaupt. Wir nutzen diesen Ansatz f&uuml;r den Erwerb von 3-d-Datasets von embryonalen Gehirn von transgenen Zebrab&auml;rbling. Dar&uuml;ber hinaus berichten wir die Entwicklung einer Werkzeugkonstruktion f&uuml;r genaue Ausrichtung der Zebrafisch-Embryonen f&uuml;r dorsalen Imaging, standardisierte Darstellung der inneren Organe und zellul&auml;re Strukturen erleichtern. Das Toolset ist flexibel und kann ohne weiteres f&uuml;r die Bildgebung von verschiedenen Exemplaren in verschiedenen Anwendungen angewendet werden.

Automatische Feature-Erkennung und Bildbearbeitung f&uuml;r hochaufl&ouml;sende Screening von Zebrafisch-Embryonen.

Lo sviluppo di piattaforme di microscopia automatizzata ha permesso l&#39;osservazione su larga scala di processi biologici, quindi integrando tecniche biochimiche di genoma scala. Tuttavia, sistemi commercialmente disponibili sono limitati fisso-campo-di-viste, che porta a potenziale omissione delle caratteristiche di interesse, o di dati a bassa risoluzione di interi oggetti manca dettaglio cellulare. Questo limita l&#39;efficienza delle analisi di screening ad alto contenuto, soprattutto quando grandi oggetti complessi sono utilizzati come screening intero organismo. Qui mostriamo un set di strumenti per screening automatizzato di alto contenuto intelligente di embrioni di zebrafish intero cellulare con risoluzione su un microscopio standard wide-field screening. Utilizzando algoritmi personalizzati sviluppati, predefiniti regioni di interesse, ad esempio il cervello, sono rilevata automaticamente. Le regioni di interesse sono successivamente ripresi automaticamente a forte ingrandimento, permettendo l&#39;acquisizione rapida di dati cellulare risoluzione. Utilizziamo questo approccio per acquisire DataSet 3D del cervello embrionale di zebrafish transgenici. Inoltre, segnaliamo lo sviluppo di una progettazione di stampi per l&#39;orientamento preciso di embrioni di zebrafish per imaging dorsale, facilitando in tal modo standardizzato immagini degli organi interni e strutture cellulari. Il set di strumenti &egrave; flessibile e pu&ograve; essere facilmente applicato per l&#39;imaging di diversi esemplari in varie applicazioni.

Funzione automatica di rilevamento e imaging per lo screening ad alta risoluzione di embrioni di zebrafish.

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El desarrollo de plataformas de microscop&iacute;a automatizada ha permitido la observaci&oacute;n a gran escala de los procesos biol&oacute;gicos, as&iacute; como complemento de t&eacute;cnicas bioqu&iacute;micas de la escala de genoma. Sin embargo, los sistemas disponibles en el mercado est&aacute;n restringidos fijo-campo-de-vistas, hacia la posible omisi&oacute;n de caracter&iacute;sticas de inter&eacute;s, o datos de baja resoluci&oacute;n de objetos todo falta detalle celular. Esto limita la eficacia de ensayos de cribado de alto contenido, especialmente cuando se utilizan grandes objetos complejos como en conjunto-organismo proyecci&oacute;n. Aqu&iacute; demostramos un conjunto de herramientas para la detecci&oacute;n de alto contenido inteligente automatizado de embriones de pez cebra toda resoluci&oacute;n celular en un microscopio est&aacute;ndar de amplio campo de proyecci&oacute;n. Utilizando algoritmos desarrollados a medida, predefinidos regiones de inter&eacute;s, tales como el cerebro-se detecta autom&aacute;ticamente. Las regiones de inter&eacute;s son posteriormente reflejadas autom&aacute;ticamente en alta magnificaci&oacute;n, lo que permite la r&aacute;pida captura de datos de celulares de resoluci&oacute;n. Utilizamos este enfoque para adquirir conjuntos de datos 3D del cerebro embrionario del pez cebra transg&eacute;nico. Por otra parte, se presenta el desarrollo de un dise&ntilde;o de molde para la orientaci&oacute;n exacta de embriones de pez cebra imagen dorsal, facilitando im&aacute;genes estandarizadas de &oacute;rganos internos y estructuras celulares. El conjunto de herramientas es flexible y puede ser f&aacute;cilmente aplicado para la proyecci&oacute;n de imagen de diferentes muestras en diversas aplicaciones.

Urban Liebel

Institute for Toxicology and Genetics,
Institute for Applied Informatics

Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany

Facilitating Drug Discovery: An Automated High-content Inflammation Assay in Zebrafish

Urban Liebel

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Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany

Facilitating Drug Discovery: An Automated High-content Inflammation Assay in Zebrafish

Institute for Toxicology and Genetics,
Institute for Applied Informatics