본 자료는 연구 지원 (또는에 의해 일부 지원) 기술 상용화 사무소, 솔트 레이크 시티, UT, 연구 및 개발 사무실, 재활 R &amp; D 서비스, DVA SLC 보건 의료 시스템, 솔트 레이크 시티, UT, 국방부에 기반 PRMRP 그랜트 (번호 PR054520), 알버트 &amp; 마가렛 호프만의 의자와 Orthopaedics의학과는 의학의 유타 스쿨 대학, 솔트 레이크 시티, UT, 시뮬레이션에 대한 기술 지원은 과학적 컴퓨팅의 통합 바이오 메디컬 컴퓨팅을위한 센터에 의해 제공된 및 이미징 연구소는 통합 바이오 메디컬 컴퓨팅에 대한 NIH / NCRR 센터 P41 - RR12553 - 07에서 소프트웨어에 의해 일부 가능하게되었습니다. 추가 감사가 biofilm의 이미지에 대한 논문 준비와 더스틴 윌리엄스 지원 Gwenevere 쇼로 연장됩니다.

1 부 : 절단술 재건을위한 계산된 Tomography (CT) 검사를 사용 <ol><li> 회고 중부 표준시 스캔은 IRB와 HIPAA의 승인을 취득 후 실무 베테랑 병원의 유타와학과 대학에서 수집되었다. </li><li> 그들은 X - 선 흡수에 따라 조직 유형 간의 명확한 구별을 허용하기 때문에 중부 표준시 스캔이 선택되었습니다. </li><li> CTS는 수동으로 검사 및 이미지 유물을 방지하기 위해 금속 임플란트의 부재에 따라 연구에 포함되었다. </li></ol> 2 부 : Seg3D와 모델 생성 <ol><li> 파일 Dicom 이미지로 다운로드하여 새로운 볼륨으로 Seg3D (버전 1.11.0, software.sci.utah.edu)에로드되었습니다. </li><li> 미디언 필터는 기하학적으로 정의된 조직 구조를 결정하기 전에 가져온 볼륨을 원활하게하기 위해 사용되었습니다. </li><li> 뼈, 골수, 기관 및 지방 조직의 조직 경계는 대화형으로 중부 표준시 파일을 (그림 1) thresholding에 의해 생성된되었습니다. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="그림 1" /> 그림 1 : 절단술 잔여 사지의 화살 크로스 섹션 thresholded 및 특정 조직 종류로 구분됩니다. </li><li> 근육은 수동으로 thresholded 근육 조직 내부의 씨앗 포인트를 설정하고 씨앗 포인트에 연결된 모든 조직을 찾기 위해 필터를 연결 자신감을 사용하여 얻은 것입니다. 이 단계는 CTS에서 유사한 흡수성에 따라 근육을 함께 그룹화되었을 수도 있습니다 잘못된 조직을 제거. </li><li> 중부 표준시 이미지에서 안정적으로 분별하는 것은 불가능했다 피부는, 전체 모델 1 둘러싸인 균일한 두께의 레이어를 생성하기 위해 평균 피부 두께에 따라 바깥쪽 조직 2mm를 dilating에 의해 생성되었다. </li><li> Segmentations 수동으로 검사했다, 정확성을 보장하기 위해 수정 및 유한 요소 분석 (그림 1)에 필요한 단일 레이블지도에 계층 구조에서 결합. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="그림 2" /> 그림 2 : Seg3D로 만든 양자 절단술 대표 계층 모델입니다. </li></ol> 파트 3 : 유한 요소 분석을위한 준비 <ol><li> 10cm의 이식은 이식 정형 외과 장치와 전기 자극에 대한 음극 역할을 Matlab에서 설계 SCIRun (버전 4.0, software.sci.utah.edu)에 가져왔습니다. </li></ol> 부 4 : 전극 배치 &amp; 디자인 <ol><li> 그것이 상호 작용 전극 배치 및 시뮬레이션을 지원하기 때문에 SCIRun는 전극 설계를 활용했다. </li><li> 네트워크는 생성되고 모듈은 메쉬 (그림 3)을 생성하는 특정 기능으로 구성되었습니다. 모듈 경계 조건, 조직 conductivities, 메쉬 상세 검색, Matlab histograms 생성, 레코딩 필드 데이터 등 (표 1)을 정의하는 것이 중요했다. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="그림 3" /> 그림 3 : 두 개의 밴드 외부 전극 구성을 사용하여 파일럿 연구에서 대표 네트워크 이미지. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> 표 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> 세그먼트 조직에 할당된 Conductivities </td></tr><tr><td> 조직 유형 </td><td> Conductivities [S / m] </td></tr><tr><td> 오르간 </td><td> 0.22 </td></tr><tr><td> 피부 </td><td> 0.26 </td></tr><tr><td> 지방의 </td><td> 0.09 </td></tr><tr><td> 근 </td><td> 0.25 </td></tr><tr><td> 피질 뼈 </td><td> 0.02 </td></tr><tr><td> 골수 </td><td> 0.07 </td></tr></tbody></table></li><li> 전극에 대한 구성은 한 패치 전극, 두 패치 전극, 하나의 연속 밴드 두 지속적인 밴드로 구성되어. </li><li> 외부 전극 밴드는 환자 중부 표준시 스캔에서 생성된 모델의 잔여 사지에 적용 두께 1.6 cm 하였다. </li><li> 전극 패치는 잔류 사지의 약 절반 직경을 포함 스트립으로 배치하고 두께 3cm 하였다. </li><li> osseointegrated 임플란트를 나타내는 내부 피질 임플란트는 완벽한 임플란트에 적합 허용 2을 채우기 위해 endosteal 직경로 설정되었습니다. </li></ol> 제 5 부 : 유한 요소 분석 <ol><li> 시뮬레이션은 전기 통계가없이 시간 의존성과 유사 정적 접근 방법을 사용하여 계산 될 수 있다고 가정 생성되었습니다. </li><li> 모델은 Seg3D segmentations에서 생성된 각 조직 유형에 대한 라플라스의 방정식을 해결하여 계산되었다. </li><li> 경계 조건은 전류와 전류가 몸 안에 남아있는 지침을 주입하는 전극에 의해 형성되었다. </li><li> 전극과 보형물은 주변 조직보다 훨씬 더 큰 전도성을했기 때문에, 그것은했습니다보형물 (음극)이 일정한 가능성에 있다고 ssumed, 마찬가지로 표면 전극은 percutaneous의 주입에서 일정한 전위차로 모델링되었다. </li><li> 전극 구성 및 크기 조정의 효능을 평가하기 위해 환자의 특정 모델이 개발되었으며 보형물 인터페이스 주변 전기 가능성화된 필드 강도를 결정하는 데 사용되었다. </li><li> 모델은 piecewise, 동질 ohmic 및 동위 원소로 취급되었다 약 1,800,000 요소로 구성되어 hexahedral 메쉬를 사용하여 생성되었습니다. </li><li> 이 실험에 대한 최적의 모델은 상대적인 차이 &lt;5% 모델의 정확도 (표 2)를 확보하기 위해 메쉬 민감도 연구로 확인 전압 기울기를 가진 선정되었습니다. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> 표 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> 절단술 모델 메쉬 민감도 연구 </td><td></td></tr><tr><td> 망사 </td><td> 요소 </td><td> 노드 </td><td> 상대 차이 </td></tr><tr><td> 100 100 50 </td><td> 149089 </td><td> 161131 </td><td> 0.0995 </td></tr><tr><td> 125 125 75 </td><td> 350180 </td><td> 371472 </td><td> 0.0802 </td></tr><tr><td> 150 150 100 </td><td> 673032 </td><td> 706082 </td><td> 0.0545 </td></tr><tr><td> 175 175 125 </td><td> 1,146,778 </td><td> 1,194,044 </td><td> 0.0527 </td></tr><tr><td> 200 200 150 </td><td> 1,796,690 </td><td> 1,860,772 </td><td> 0.0439 </td></tr><tr><td> 250 250 200 </td><td> 3,745,038 </td><td> 3,850,202 </td><td> 0.0364 </td></tr><tr><td> 275 275 225 </td><td> 5,097,243 </td><td> 5,226,587 </td><td> 0.0301 </td></tr><tr><td> 300 300 250 </td><td> 6,742,588 </td><td> 6,898,729 </td><td> 0.0000 </td></tr></tbody></table></li><li> 이 해결사 반복 사용하여 유한 요소 모델의 전기 측정은 전극 구성을위한 계산했다. </li></ol>

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이 기술은 특히, 골격 첨부 파일을 향상 재활을 줄이고 세균 접착력이 일지 제출의 첫번째 저자에 의해 발명 소설 아이디어 방지하는 기능을 음극으로 정형 외과 임플란트를 이용, 문서의 공개. 발명 공개 양식은 유타 대학에 제출되었으며, 미국 잠정 특허가 공개 모든 기술을 보호 제기되었습니다.

전기 자극 패러다임을 이해 의료와 전투의 현장에 피난 전략 향상 참혹한 전쟁 관련 부상을 이겨낸 전사의 증가로 이어질 수가있다. 향상된 생존율은 의학 발전이지만, 군인과 여자가 필요 사지 절단과 전투에서 재방 문하는 집약적인 베테랑 업무 건강 케어 시스템 3 치료, 재활 및 광범위한 고가의 보철 서비스를 접속하십시오. 1000 전쟁과 관련된 사지 절단 작전 지속 자유 (OEF) 및 운영 이라크 자유 (OIF) 충돌 4 결과로 발생한다는 의회 보고서 세부 사항. OEF와 OIF 베테랑의 경우, 재방 전사의 약 15 %가 여러 팔다리를 잃었 및 소켓 기술은 옵션이 아니거나 환자에 의해 거부되었습니다 어디 군인과 여자를 반환 많은 수의 짧은 잔여 사지 있습니다. 고정 장치가 편안하게 5 사용하는 성가신 어려운되기 때문에 보철물 상부 끝단의보고 중단 사용도 50 %를 초과했습니다. 낮은 끝단 보철 똑같이 문제가되고 부드러운 조직 소켓과 관련된 일반적인 문제 도전 terrain6 걸을 수 없다는 제한 잔여 사지 길이 7, 환자의 불편 5 비 생리 로딩 8 우려, heterotopic 골화 9의 위험으로부터 자극을 포함 쇠약 질병 10. 그러나, osseointegration 기술은 고통 11, 피부 자극 12 감소 osseoperception 13 강화, 이동성 6 개선, 소켓 6와 관련된 압력 염증을 감소, ambulation 7,14 에너지를 줄이고 더 나은가 제한과 베테랑 전사와 서비스를 제공 수있는 소설 수술 기법이다 잔여 사지 길이 15. osseointegration의 많은 신체적, 심리적 장점에도 불구하고, 관련 수술 절차, 고급 감염 방지 처리 streategies 16 필요 긴 재활 프로그램을 필요로하고 1.5 년 수술후 17까지 지속될 수 제한 중량 베어링 프로토콜이 포함됩니다. 잔여 사지의 호스트 뼈 길이의 생존은 osseointegration이 군인과 여자를 반환을위한 열쇠입니다 개선하기 위해 새로운 장치를 개발, 근육 첨부 및 기능에 중요하기 때문에. 따라서, 제어 전기 자극을 사용하는 지능형 osseointegrated 임플란트 디자인 (OIID) 시스템의 개발은 재활의 길이를 줄이고 베테랑과 무사 절단 수술을받은 사람에 대한 골격 첨부 파일을 높일 수 있습니다. 현재는 장치가 상용 및 percutaneous osseointegrated 임플란트와 함께 사용하기위한 감독 없으므로하지만, 프로그램의 동기는 유한 요소 분석 안전성과 효능을 확인하기위한 것입니다. 뼈 리모델링, osteoids 및 mineralization의 구체적 증착에 전기 자극의 역할을 이해하는 것은 투기 남아있다. 그러나, 뼈의 관찰 전기 활동이 기계적 로딩 18,19 따라서 전기 자극 유도 뼈 수리 19 효과적인 메커니즘 수의 결과 수 있습니다. 가설 뒤에 논리는 골절 치료 모델에서 설명합니다. 긴 뼈가로드되면, 긴장의 측면 양전기되고 뼈가가 고장되면 치유가 시작하고 항상성 21을 재개 때까지 압축 사이드 음전 기의 20,21 그러나, 사이트는 주변 환경과 관련하여 음전 기의 유지됩니다. 전기 신호와 자연 치유 층계를 시뮬레이션하는 것은 칼슘 증착 22, 산소 내용과 산도 23 약간 변경, 성장 요인 22 모집과 지원을 믿고 추가 세포외 기질 24 osteoblast 마이 그 레이션 및 분비로 지원되었습니다. 혼자 전기 자극을가 완료 뼈 복구를 적용 수있는 전제는 재정과 현재의 새로운 가설이 완료 조합은 기계적 하중과 전기 자극을 19 공동 자극에 의해 형성되는 것을 제안했습니다. 생체내에서 관찰 전기 자극은 콜라겐의 압전 변형이나 뼈 매트릭스 25 과거의 미네랄 일부를 흐르는 이온 성분에 의해 만들어진 대형 전자 운동 전류와 관련된 있습니다. 사실, 자발적인 잠재력은 뼈 26 미네랄 동격 속도 증가, 6 millivolts 및 상호 크기로 뼈를에보고되었습니다. 브라이튼과 Friedenberg 18,21,27,28하여 초기 작품은 1960 년대와 1970 년대와 D에 뼈 재생을위한 전기 자극의 개념을 사용그 직류가 전통적인 치료 방법에 비해 시간이 짧은 기간에 비 노동 조합을 복구하는 데 사용할 수 emonstrated. 추가 모델은 제한적인 체중 베어링과 뼈 형성을 조사하고 제어하고 전기 자극 팔다리 25 사이 osteogenic 활동에 31% 증가를 증명하고있다. 전기 자극 분야의 연구자들은 전기 자극을 함께 osteoblast 매트릭스 증착에 대한 메커니즘을 이해하는 방식을 용이하게 가지고 있지만, 불충 분한 이해는이 기술의 확장을 제한하고 있습니다. 비 - 조합 및 골절 치료 모델, 환자 불편의 사례와 실패 시도가 성공적으로 치유의 많은 경우가 있지만 문학에서뿐만 아니라 29 가득 차있다. 전기 자극과 문제는 잘못된 통계를 전기 제어 및 전적 현재 magnitudes에 집중 과학자와 임상에서 발생합니다. 이전 연구는 대략 500,000 매년 30 발생하지 않는 노동 조합을 해결하기 위해 &#39;마술 총알 &quot;로 현재에 봤어요. 그러나, 모델 간의 repeatability는 주울 가열 합병증 31 일부터 제한 및 전류 밀도가 32 결정하지되었습니다. 화된 조직 괴사 및 환자 불편 33 방지하기 위해 국제 전기 기술위원회에 의해 명시된 바와 같이 사실은, 모든 생명 의학 제조 장치는 전류 밀도 미만 2mA / cm 2로 제한해야합니다. 이외 골격 고정과 지원에서 제어 전기 자극은 또한 정형 외과 이식에 박테리아 접착력을 방지하고 osteomyelitis 및 biofilm 형성 34-37에 대한 위험을 줄일 수 있습니다. 정형 외과 장치에서 Biofilm 형성은 환자의 합병증 및 이러한 장치 38에 따라 사람들을 위해 상당한 고민로 이어집니다. 중점을 완전히 이전 수술 39 계측 및 임플란트를 소독하도록 필요성에 위치, 그러나 그것은 참으로 40에 감염된 많은 부정적인 교양 가지 경우에서 분명 같은 박테리아의 접착력을 진단하는 것이 어렵습니다. 이 문제는 종종 biofilms 자연 40 성장하는 것은, 체외 39 정확하게 성장해야 세균 세포의 표면의 청결과 영향을받는 사람 39 면역 시스템의 유형에 따라 다릅니다 수없는 느린있다는 사실과 함께합니다. oseeointegration 기술과 유럽 transfemoral 절단 수술을받은 사람의 조사는 가장 자주 문제가 (자주 표면 감염, 3분의 1 periprosthetic 감염) 41 감염 공개. 수술 준비 광대한 개선이되었습니다 있지만, 박테리아를 근절하는 것은 자신의 비 - 플라톤의 양식 34,35,39로 인해 근절하기 위해 biofilms 더 어려운 500-5000000 시간 사이에 있기 때문에 osseointegration 개선을위한 근본적인 요인 중 하나입니다. 따라서, 유해 박테리아 식민지를 제거하고 골격 고정을 증가를위한 양상으로 전기 자극을 이용하면 환자의 건강과 OIID 효능의 보호를 보장을위한 중요한 요소입니다. 베테랑과 전사 절단 수술을받은 사람을 사용의 장점은 상대적인 젊음과 이러한 개인의 기타 건강들이 적극적인 재활 치료와 percutaneous 게시물은 외래 도움이 될 것이며, 전기 자극에 대한 노출 음극으로 개발할 수 있습니다위한 이상적인 인구 만드는 것이 있습니다. osseointegrated 임플란트의 존재가 추가 수술 절차는 전기 부품을 삽입할 필요로하지 않는 장치가 외부 제어 수 있으며 감염 42 더 이상 위험을 방지할 수 있습니다. 따라서, 베테랑과 무사 절단 수술을받은 사람의 잔여 사지, V / cm 10-10의 크기에 전기장에 전류 주입 방법을 이해함으로써 설립 제어 및 보형물 인터페이스에서 측정 수 있습니다. 그것은이 osteoblast 마이 그 레이션을 유도하고 골격 첨부 파일을 향상시킬 전달하는 전기의 안전한 수준을 만들 것이라는 것을 가상입니다. 이 정도의 전기장은 임플란트 인터페이스에서 뼈의 수량과 품질을 향상하고 가속 재활과 절단술을위한 골격 고정에 대한 전망을 향상시킬 것입니다. 전기 자극을 사용 intramedullary 인공 이식에 osseointegration을 가속하는 양상으로 조사 및 환자 관리를 개선하기 translational 연구를위한 다양한 기회를 제공하지 않았습니다. 실험 결과 percutaneous 전기 자극 장치와 환자 특정 모델에 대한 필요성은 연구에 지원되었다. 제안된 생물 의학 장치에 대한 개발 시뮬레이션 증가 osteoblast 마이 그 레이션에 의해 골격 첨부 파일을 신속하게하고 세균 유착 27,34,36,39 방지의 기능을 할 수 있습니다. 컴프utation 모델링 효과적으로 1-10 V / 2mA / cm 2 이하 cm 전기 분야 및 전류 밀도가 기능 음극으로 임플란트를 사용하여 생성 수 있으며 대부분의 homogenously 두 밴드 외부 전극을 사용하여 배포되는 것으로 나타났습니다. 인체 43 현재 경로를 정의하는 무능력, OIID 시스템은 전기 자극과 관련된 고전적인 문제를 해결하는 첫 걸음 수 있습니다. 따라서, 골격 첨부 파일을 향상을위한 도구를 설정하면 osseointegrated 절차에 필요한 재활의 길이를 줄이는 도와 수 있습니다. 이전 절단 수술을받은 사람에 대한 전기 자극을 활용하면뿐만 아니라 탐색해야하는 중요한 측면이다. 뼈 질량은 골격 성장이 중단 후 최대 세기의하지만 여덟째 아홉째 decade과 44로 크게 줄어 듭니다. 긴 뼈가 나이가 변화, endosteal 직경 45 느슨해진 보형물로 이어질 수 periosteal 직경보다 더 빠르게 증가하는 경향이있다. 약한 근육에 의해 뼈에 부담의 감소와 함께 결합이 문제는 골다공증과 osteopenia 45로 쇠약 질병에 공헌하고 osseointegrated 임플란트 환자 치료에 대한 추가 옵션이 필요할 수 있습니다. 그러나, 제어 전기 자극 및 기계적 하중은 뼈 ongrowth의 상승 촉매제 역할을하고 OIID 시스템을 사용하여 노인 환자 호스트 뼈 침대 무결성을 유지할 수 있습니다.

bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees

미국 절단 수술을받은 사람의 예상 번호는 2050 년까지 3,600,000로 늘어날 것으로 예상됩니다. 이러한 개인의 대부분은 일상적인 활동을 수행하는 인공 팔다리에 따라 다르지만 전통적인 소켓 기술을 사용하여 인공의 suspensions은 사지 손실이있는 사람 성가신과 불편을 증명할 수. 또한, 높은 근위 사지 절단과 함께 사람들을 위해, 제한된 잔여 사지 길이는 모두 함께 exoprosthesis 첨부 파일을 방지할 수 있습니다. Osseointegrated 임플란트 기술은 호스트 뼈와 보형물 사이에 회사 골격 첨부 파일을 수있는 새로운 조직의 절차입니다. osseointegrated 임플란트와 유럽의 절단 수술을받은 사람의 예비 결과는 뼈가 보형물 인터페이스에 하중을 직접 전달함으로써 향상된 임상 결과를 보여주었다. 소켓 기술을 통해 osseointegration의 명백한 이점에도 불구하고, 현재 재활 절차는 전기 자극을 통해 빠른 골격 첨부 파일이 줄어들 수 있습니다 사전에 제한 하중 베어링의 오랜 기간을 필요로합니다. osseointegrated 임플란트 지능형 설계 (OIID) 시스템의 목표는 골격 첨부 파일을 가속화하고 periprosthetic 감염을 방지하는 전기 시스템의 주입 부분을 확인하는 것입니다. 최적의 전극 크기와 위치를 결정하기 위해, 우리는 전기 분야와 절단술 잔류 손발의 전기 자극을하는 동안 발생하는 전류 밀도의 전산 모델링과 개념의 증명을 시작하였습니다. 보험에게 환자의 안전을 제공하기 위해, 회고 계산의 tomography 스캔과 과목이 선택되었으며 입체 reconstructions는 IRB의 해부 학적 정확성을 (Seg3D 및 SCIRun) 보장 및 HIPAA 유학을 승인하기 위해 사용자 정의 소프트웨어 프로그램을 사용하여 만들어졌습니다. 이러한 소프트웨어 패키지는 환자 특정 모델의 개발을 지원하고 전극 위치와 크기의 대화형 조작에 대한 허용. 예선 결과는 전기 분야 및 전류 밀도가, osteoblast 마이 그 레이션을 유발 골격 고정을 향상시키고 periprosthetic 감염을 방지 도움이 될 수에 필요한 균일한 전기장 배포판을 달성하기 위해 보형물 인터페이스에서 생성할 수 있음을 나타냅니다. 모델과 실험 전극 구성에 따라 외부 두 밴드 구성은 미래에지지합니다.

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Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

사지 손실 혈관 o​​cclusive 질병 및 외상에 기인에 의한 대체 의지 첨부 파일을 개발하는 필요가있다. 작품의 목표는 골격 고정을 향상시키고 osseointegrated 기술을 필요로 환자 periprosthetic 감염 속도를 줄이기 위해 osseointegrated 임플란트 지능형 설계 시스템을 도입하는 것입니다.

절단 수술을받은 사람에 대한 Osseointegrated 지능형 임플란트 설계 시스템의 생체 분석

The projected number of American amputees is expected to rise to 3.6 million by 2050.  Many of these individuals depend on artificial limbs to perform ...

bioelectric-analyses-an-osseointegrated-intelligent-implant-design

Research

JoVE Journal

Biology

13.9K 조회수.  Department of Veteran Affairs. 사지 손실 혈관 o​​cclusive 질병 및 외상에 기인에 의한 대체 의지 첨부 파일을 개발하는 필요가있다. 작품의 목표는 골격 고정을 향상시키고 osseointegrated 기술을 필요로 환자 periprosthetic 감염 속도를 줄이기 위해 osseointegrated 임플란트 지능형 설계 시스템을 도입하는 것입니다.

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Video Bioinformatics Analysis of Human Embryonic Stem Cell Colony Growth

Because video data are complex and are comprised of many images, mining information from video material is difficult to do without the aid of computer software.  Video bioinformatics is a powerful quantitative approach for extracting spatio-temporal data from video images using computer software to perform dating mining and analysis. In this article, we introduce a video bioinformatics method for quantifying the growth of human embryonic stem cells (hESC) by analyzing time-lapse videos collected in a Nikon BioStation CT incubator equipped with a camera for video imaging. In our experiments, hESC colonies that were attached to Matrigel were filmed for 48 hours in the BioStation CT.  To determine the rate of growth of these colonies, recipes were developed using CL-Quant software which enables users to extract various types of data from video images.  To accurately evaluate colony growth, three recipes were created. The first segmented the image into the colony and background, the second enhanced the image to define colonies throughout the video sequence accurately, and the third measured the number of pixels in the colony over time.  The three recipes were run in sequence on video data collected in a BioStation CT to analyze the rate of growth of individual hESC colonies over 48 hours. To verify the truthfulness of the CL-Quant recipes, the same data were analyzed manually using Adobe Photoshop software. When the data obtained using the CL-Quant recipes and Photoshop were compared, results were virtually identical, indicating the CL-Quant recipes were truthful. The method described here could be applied to any video data to measure growth rates of hESC or other cells that grow in colonies. In addition, other video bioinformatics recipes can be developed in the future for other cell processes such as migration, apoptosis, and cell adhesion.  

Video bioinformatics is the automated processing, analysis, understanding, and data mining of biological spatio-temporal data extracted from microscopic videos. The purpose of this article is to demonstrate a method for measuring human embryonic stem cell colony growth using a video bioinformatics method.

비디오 생물 정보학 인간의 배아 줄기 세포 콜로니 성장 분석

Because video data are complex and are comprised of many images, mining information from video material is difficult to do without the aid of computer ...

연구

생물학

Isolation of Translating Ribosomes Containing Peptidyl-tRNAs for Functional and Structural Analyses

Recently, structural and biochemical studies have detailed many of the molecular events that occur in the ribosome during inhibition of protein synthesis by antibiotics and during nascent polypeptide synthesis. Some of these antibiotics, and regulatory nascent polypeptides mostly in the form of peptidyl-tRNAs, inhibit either peptide bond formation or translation termination1-7. These inhibitory events can stop the movement of the ribosome, a phenomenon termed "translational arrest". Translation arrest induced by either an antibiotic or a nascent polypeptide has been shown to regulate the expression of genes involved in diverse cellular functions such as cell growth, antibiotic resistance, protein translocation and cell metabolism8-13. Knowledge of how antibiotics and regulatory nascent polypeptides alter ribosome function is essential if we are to understand the complete role of the ribosome in translation, in every organism.
Here, we describe a simple methodology that can be used to purify, exclusively, for analysis, those ribosomes translating a specific mRNA and containing a specific peptidyl-tRNA14. This procedure is based on selective isolation of translating ribosomes bound to a biotin-labeled mRNA. These translational complexes are separated from other ribosomes in the same mixture, using streptavidin paramagnetic beads (SMB) and a magnetic field (MF). Biotin-labeled mRNAs are synthesized by run-off transcription assays using as templates PCR-generated DNA fragments that contain T7 transcriptional promoters. T7 RNA polymerase incorporates biotin-16-UMP from biotin-UTP; under our conditions approximately ten biotin-16-UMP molecules are incorporated in a 600 nt mRNA with a 25% UMP content. These biotin-labeled mRNAs are then isolated, and used in in vitro translation assays performed with release factor 2 (RF2)-depleted cell-free extracts obtained from Escherichia coli strains containing wild type or mutant ribosomes. Ribosomes translating the biotin-labeled mRNA sequences are stalled at the stop codon region, due to the absence of the RF2 protein, which normally accomplishes translation termination. Stalled ribosomes containing the newly synthesized peptidyl-tRNA are isolated and removed from the translation reactions using SMB and an MF. These beads only bind biotin-containing messages.
The isolated, translational complexes, can be used to analyze the structural and functional features of wild type or mutant ribosomal components, or peptidyl-tRNA sequences, as well as determining ribosome interaction with antibiotics or other molecular factors 1,14-16. To examine the function of these isolated ribosome complexes, peptidyl-transferase assays can be performed in the presence of the antibiotic puromycin1. To study structural changes in translational complexes, well established procedures can be used, such as i) crosslinking to specific amino acids14 and/or ii) alkylation protection assays1,14,17.

A major impediment to biochemical analyses of ribosomes containing nascent peptidyl-tRNAs has been the presence of other ribosomes in the same samples, ribosomes not involved in the translation of the specific mRNA sequence being analyzed. We developed a simple methodology to purify, exclusively, the ribosomes containing the nascent peptidyl-tRNA of interest.

기능 및 구조 분석을위한 Peptidyl - tRNAs를 포함 번역 리보솜의 분리

Recently, structural and biochemical studies have detailed many of the molecular events that occur in the ribosome during inhibition of protein synthesis ...

Evisceration of Mouse Vitreous and Retina for Proteomic Analyses

While the mouse retina has emerged as an important genetic model for inherited retinal disease, the mouse vitreous remains to be explored. The vitreous is a highly aqueous extracellular matrix overlying the retina where intraocular as well as extraocular proteins accumulate during disease.1-3 Abnormal interactions between vitreous and retina underlie several diseases such as retinal detachment, proliferative diabetic retinopathy, uveitis, and proliferative vitreoretinopathy.1,4 The relative mouse vitreous volume is significantly smaller than the human vitreous (Figure 1), since the mouse lens occupies nearly 75% of its eye.5 This has made biochemical studies of mouse vitreous challenging. In this video article, we present a technique to dissect and isolate the mouse vitreous from the retina, which will allow use of transgenic mouse models to more clearly define the role of this extracellular matrix in the development of vitreoretinal diseases.

The dissection technique illustrates evisceration of the vitreous, retina, and lens from the mouse eye, separation by centrifugation, and characterization with protein assays.

Proteomic 분석을위한 마우스 유리체 및 망막의 내장 적출

While the mouse retina has emerged as an important genetic model for inherited retinal disease, the mouse vitreous remains to be explored. The vitreous is ...

Trajectory Data Analyses for Pedestrian Space-time Activity Study

It is well recognized that human movement in the spatial and temporal dimensions has direct influence on disease transmission1-3. An infectious disease typically spreads via contact between infected and susceptible individuals in their overlapped activity spaces. Therefore, daily mobility-activity information can be used as an indicator to measure exposures to risk factors of infection. However, a major difficulty and thus the reason for paucity of studies of infectious disease transmission at the micro scale arise from the lack of detailed individual mobility data. Previously in transportation and tourism research detailed space-time activity data often relied on the time-space diary technique, which requires subjects to actively record their activities in time and space. This is highly demanding for the participants and collaboration from the participants greatly affects the quality of data4.
Modern technologies such as GPS and mobile communications have made possible the automatic collection of trajectory data. The data collected, however, is not ideal for modeling human space-time activities, limited by the accuracies of existing devices. There is also no readily available tool for efficient processing of the data for human behavior study. We present here a suite of methods and an integrated ArcGIS desktop-based visual interface for the pre-processing and spatiotemporal analyses of trajectory data. We provide examples of how such processing may be used to model human space-time activities, especially with error-rich pedestrian trajectory data, that could be useful in public health studies such as infectious disease transmission modeling.
The procedure presented includes pre-processing, trajectory segmentation, activity space characterization, density estimation and visualization, and a few other exploratory analysis methods. Pre-processing is the cleaning of noisy raw trajectory data. We introduce an interactive visual pre-processing interface as well as an automatic module. Trajectory segmentation5 involves the identification of indoor and outdoor parts from pre-processed space-time tracks. Again, both interactive visual segmentation and automatic segmentation are supported. Segmented space-time tracks are then analyzed to derive characteristics of one's activity space such as activity radius etc. Density estimation and visualization are used to examine large amount of trajectory data to model hot spots and interactions. We demonstrate both density surface mapping6 and density volume rendering7. We also include a couple of other exploratory data analyses (EDA) and visualizations tools, such as Google Earth animation support and connection analysis. The suite of analytical as well as visual methods presented in this paper may be applied to any trajectory data for space-time activity studies.

A suite of spatiotemporal processing methods are presented to analyze human trajectory data, such as that collected using a GPS device, for the purpose of modeling pedestrian space-time activities.

보행자 공간 시간 활동 학습을위한 궤적 데이터 분석

It is well recognized that human movement in the  spatial and temporal dimensions has direct influence on disease transmission1-3.  An infectious disease ...

Nanogold Labeling of the Yeast Endosomal System for Ultrastructural Analyses

Endosomes are one of the major membrane sorting checkpoints in eukaryotic cells and they regulate recycling or destruction of proteins mostly from the plasma membrane and the Golgi. As a result the endosomal system plays a central role in maintaining cell homeostasis, and mutations in genes belonging to this network of organelles interconnected by vesicular transport, cause severe pathologies including cancer and neurobiological disorders. It is therefore of prime relevance to understand the mechanisms underlying the biogenesis and organization of the endosomal system. The yeast Saccharomyces cerevisiae has been pivotal in this task. To specifically label and analyze at the ultrastructural level the endosomal system of this model organism, we present here a detailed protocol for the positively charged nanogold uptake by spheroplasts followed by the visualization of these particles through a silver enhancement reaction. This method is also a valuable tool for the morphological examination of mutants with defects in endosomal trafficking. Moreover, it is not only applicable for ultrastructural examinations but it can also be combined with immunogold labelings for protein localization investigations.

Yeast, Saccharomyces cerevisiae, has been a key model organism to identify and study genes regulating the biogenesis and functions of the endosomal system. Here we present a detailed protocol for the specific labeling of the endosomal compartments for ultrastructural studies.

미세 구조의 분석을위한 효모 엔도 좀의 시스템 Nanogold 라벨링

Endosomes are one of the major membrane sorting checkpoints in eukaryotic cells and they regulate recycling or destruction of proteins mostly from the ...

An Experimental and Bioinformatics Protocol for RNA-seq Analyses of Photoperiodic Diapause in the Asian Tiger Mosquito, Aedes albopictus

Photoperiodic diapause is an important adaptation that allows individuals to escape harsh seasonal environments via a series of physiological changes, most notably developmental arrest and reduced metabolism. Global gene expression profiling via RNA-Seq can provide important insights into the transcriptional mechanisms of photoperiodic diapause. The Asian tiger mosquito, Aedes albopictus, is an outstanding organism for studying the transcriptional bases of diapause due to its ease of rearing, easily induced diapause, and the genomic resources available. This manuscript presents a general experimental workflow for identifying diapause-induced transcriptional differences in A. albopictus. Rearing techniques, conditions necessary to induce diapause and non-diapause development, methods to estimate percent diapause in a population, and RNA extraction and integrity assessment for mosquitoes are documented. A workflow to process RNA-Seq data from Illumina sequencers culminates in a list of differentially expressed genes. The representative results demonstrate that this protocol can be used to effectively identify genes differentially regulated at the transcriptional level in A. albopictus due to photoperiodic differences. With modest adjustments, this workflow can be readily adapted to study the transcriptional bases of diapause or other important life history traits in other mosquitoes.

An Experimental and Bioinformatics Protocol for RNA-seq Analyses of Photoperiodic Diapause in the Asian Tiger Mosquito, Aedes albopictus

RNA-Seq analyses are becoming increasingly important for identifying the molecular underpinnings of adaptive traits in non-model organisms. Here, a protocol to identify differentially expressed genes between diapause and non-diapause Aedes albopictus mosquitoes is described, from mosquito rearing, to RNA sequencing and bioinformatics analyses of RNA-Seq data.

아시아 타이거 모기에 Photoperiodic 휴면의 RNA-서열 분석을위한 실험 및 생물 정보학 프로토콜,<em&gt; Aedes albopictus</em

Photoperiodic diapause is an important adaptation that allows individuals to escape harsh seasonal environments via a series of physiological changes, ...

Improved Swiss-rolling Technique for Intestinal Tissue Preparation for Immunohistochemical and Immunofluorescent Analyses

Understanding the role of factors that regulate intestinal epithelial homeostasis and response to injury and regeneration is important. The current literature describes several different methodological approaches to obtain images of intestinal tissues for data validation. In this paper, we delineate a common protocol relating to the derivation and processing of mouse intestinal tissues. Proper fixation of intestinal tissues and Swiss-roll techniques that enhance intestinal epithelial morphology are discussed. Postresection processing and reorientation of embedded intestinal tissues are critical in obtaining paraffin-embedded blocks that display intact intestinal structural features after sectioning. The Swiss-rolling technique helps in histological assessment of the complete intestinal or colonic sections examined. An ability to differentiate intestinal structural features can be vital in quantitative measurements of intestinal inflammation and tumorigenesis along the entire length. Finally, paraffin-embedded sections are ideal for robust processing using both immunohistochemical and immunofluorescent detection methods. Nonfluorescent immunohistochemical sections provide a vibrant image of the tissue detailing different cellular structural features but do not provide flexibility for intracellular co-localization experiments. Multiple fluorescent channels can be appropriately utilized with immunofluorescent detection for co-localization experiments, lending support to mechanistic studies.

Accurate identification and location of epithelial cells along the intestinal mucosal lining are essential to define different cell lineages. Proper imaging of intestinal tissues is crucial for identification of protein expression patterns with maximum resolution. This study aims to delineate the optimal methods and conditions for processing mouse intestinal tissues.

면역 조직 화학적 및 면역 형광 분석을위한 창자 조직 준비를위한 향상된 스위스 압연 기술

Understanding the role of factors that regulate intestinal epithelial homeostasis and response to injury and regeneration is important. The current ...

Laboratory Protocol for Genetic Gut Content Analyses of Aquatic Macroinvertebrates Using Group-specific rDNA Primers

Analyzing food webs is essential for a better understanding of ecosystems. For example, food web interactions can undergo severe changes caused by the invasion of non-indigenous species. However, an exact identification of field predator-prey interactions is difficult in many cases. These analyses are often based on a visual evaluation of gut content or the analysis of stable isotope ratios (&#948;15N and &#948;13C). Such methods require comprehensive knowledge about, respectively, morphologic diversity or isotopic signature from individual prey organisms, leading to obstacles in the exact identification of prey organisms. Visual gut content analyses especially underestimate soft bodied prey organisms, because maceration, ingestion and digestion of prey organisms make identification of specific species difficult. Hence, polymerase chain reaction (PCR) based strategies, for example the use of group-specific primer sets, provide a powerful tool for the investigation of food web interactions. Here, we describe detailed protocols to investigate the gut contents of macroinvertebrate consumers from the field using group-specific primer sets for nuclear ribosomal deoxyribonucleic acid (rDNA). DNA can be extracted either from whole specimens (in the case of small taxa) or out of gut contents of specimens collected in the field. Presence and functional efficiency of the DNA templates need to be confirmed directly from the tested individual using universal primer sets targeting the respective subunit of DNA. We also demonstrate that consumed prey can be determined further down to species level via PCR with unmodified group-specific primers combined with subsequent single strand conformation polymorphism (SSCP) analyses using polyacrylamide gels. Furthermore, we show that the use of different fluorescent dyes as labels enables parallel screening for DNA fragments of different prey groups from multiple gut content samples via automated fragment analysis.

Most common gut content analyses of macroinvertebrates are visual. Requiring intense knowledge about morphological diversity of prey organisms, they miss soft bodied prey and, due to strong comminution of prey, are nearly impossible for some organisms, including amphipods. We provide detailed, novel genetic approaches for macroinvertebrate prey identification in the diet of amphipods.

Macroinvertebrates 사용 하 여 그룹별 수생 rDNA 뇌관의 유전 직감 콘텐츠 분석을 위한 실험실 프로토콜

Analyzing food webs is essential for a better understanding of ecosystems. For example, food web interactions can undergo severe changes caused by the ...

Establishment of an Extracellular Acidic pH Culture System

Conditions of the tumor microenvironment, such as hypoxia or nutrient starvation, play critical roles in cancer progression and malignancy. However, the role of acidic extracellular pH in tumor aggressiveness and its underlying mechanism has not been extensively studied compared to hypoxic or nutrient starvation conditions. In addition, a well-defined culture method to mimic the acidic extracellular tumor microenvironment has not been fully reported.
Here we present a simple in vitro culture method to maintain acidic extracellular pH using reduced bicarbonate and increased lactate or HCl concentrations in the culture medium. The medium pH was sustained for at least 24 h and gradually decreased by 72 h following culture of PANC-1 and AsPC-1 pancreatic cancer cells. Three distinct acidic media conditions in this study highly upregulated pH-responsive genes such as MSMO1, INSIG1, and IDI1 compared to hypoxia or nutrient starvation. The upregulation of these genes can be used as a marker of acidic pH. These simple techniques are beneficial to elucidate underlying mechanisms of tumor malignancy under acidic tumor microenvironment. Therefore, our extracellular acidic pH culture system enables discovery of cellular acidic pH responses not only in cancer cells but also in primary cells, such as renal tubular cells, in relation to the other acidic disorders including, diabetic ketoacidosis, lactic acidosis, renal tubular acidosis, and respiratory acidosis.

The acidic tumor microenvironment plays critical roles in tumor progression. To assess the effects of acidic extracellular pH on cancer cells in vitro, we established simple acidic culture systems.

Conditions of the tumor microenvironment, such as hypoxia or nutrient starvation, play critical roles in cancer progression and malignancy. However, the ...

Tissue Collection of Bats for -Omics Analyses and Primary Cell Culture

As high-throughput sequencing technologies advance, standardized methods for high quality tissue acquisition and preservation allow for the extension of these methods to non-model organisms. A series of protocols to optimize tissue collection from bats has been developed for a series of high-throughput sequencing approaches. Outlined here are protocols for the capture of bats, desired demographics to be collected for each bat, and optimized methods to minimize stress on a bat during tissue collection. Specifically outlined are methods for collecting and treating tissue to obtain (i) DNA for high molecular weight genomic analyses, (ii) RNA for tissue-specific transcriptomes, and (iii) proteins for proteomic-level analyses. Lastly, also outlined is a method to avoid lethal sampling by creating viable primary cell cultures from wing clips. A central motivation of these methods is to maximize the amount of potential molecular and morphological data for each bat and suggest optimal ways to preserve tissues so they retain their value as new methods develop in the future. This standardization has become particularly important as initiatives to sequence chromosome-level, error-free genomes of species across the world have emerged, in which multiple scientific parties are spearheading the sequencing of different taxonomic groups. The protocols outlined herein define the ideal tissue collection and tissue preservation methods for Bat1K, the consortium that is sequencing the genomes of every species of bat.

This is a protocol for the optimal tissue preparation for genomic, transcriptomic, and proteomic analyses of bats caught in the wild. It includes protocols for bat capture and dissection, tissue preservation, and cell culturing of bat tissue.

-Omics 분석 및 1 차 적인 세포 배양을 위한 박쥐의 조직 수집

As high-throughput sequencing technologies advance, standardized methods for high quality tissue acquisition and preservation allow for the extension of ...