Automazione del test del micronucleo mediante citometria a flusso di imaging e intelligenza artificiale

Riepilogo

Il test del micronucleo (MN) è un test ben consolidato per quantificare il danno al DNA. Tuttavia, la valutazione del test utilizzando tecniche convenzionali come la microscopia manuale o l'analisi delle immagini basata sulle caratteristiche è laboriosa e impegnativa. Questo articolo descrive la metodologia per sviluppare un modello di intelligenza artificiale per valutare il test MN utilizzando i dati di citometria a flusso di imaging.

Abstract

Il test del micronucleo (MN) viene utilizzato in tutto il mondo dagli organismi di regolamentazione per valutare le sostanze chimiche per la tossicità genetica. Il test può essere eseguito in due modi: segnando MN in cellule binucleate una volta divise, bloccate dalla citochinesi o cellule mononucleate completamente divise. Storicamente, la microscopia ottica è stata il metodo gold standard per valutare il test, ma è laboriosa e soggettiva. La citometria a flusso è stata utilizzata negli ultimi anni per valutare il test, ma è limitata dall'incapacità di confermare visivamente aspetti chiave delle immagini cellulari. La citometria a flusso di imaging (IFC) combina l'acquisizione di immagini ad alta produttività e l'analisi automatizzata delle immagini ed è stata applicata con successo per acquisire rapidamente immagini e valutare tutti gli eventi chiave nel test MN. Recentemente, è stato dimostrato che i metodi di intelligenza artificiale (AI) basati su reti neurali convoluzionali possono essere utilizzati per valutare i dati del saggio MN acquisiti da IFC. Questo documento descrive tutti i passaggi per utilizzare il software di intelligenza artificiale per creare un modello di deep learning per valutare tutti gli eventi chiave e applicare questo modello per assegnare automaticamente un punteggio a dati aggiuntivi. I risultati del modello di deep learning AI si confrontano bene con la microscopia manuale, consentendo quindi un punteggio completamente automatizzato del test MN combinando IFC e AI.

Introduzione

Il test del micronucleo (MN) è fondamentale nella tossicologia genetica per valutare il danno al DNA nello sviluppo di cosmetici, prodotti farmaceutici e chimici per uso umano 1,2,3,4. I micronuclei sono formati da interi cromosomi o frammenti cromosomici che non si incorporano nel nucleo dopo la divisione e si condensano in piccoli corpi circolari separati dal nucleo. Pertanto, il MN può essere utilizzato come endpoint per quantificare il danno al DNA nei test di genotossicità¹.

Il metodo ....

Protocollo

1. Acquisizione dati mediante citometria a flusso di imaging

NOTA: Fare riferimento a Rodrigues et ^al.16 con le seguenti modifiche, notando che le regioni di acquisizione utilizzando IFC potrebbero dover essere modificate per un'acquisizione ottimale dell'immagine:

1. Per il metodo non-Cyt-B, eseguire un conteggio delle cellule utilizzando un contatore di cellule disponibile in commercio seguendo le istruzioni del produttore (vedere la tabella dei materiali) su ciascuna coltura immediatamente prima della coltura e immediatamente dopo il periodo di recupero.
2. Se si ese....

Risultati

La Figura 1 mostra il flusso di lavoro per l'utilizzo del software AI per creare un modello per il test MN. L'utente carica i file .daf desiderati nel software AI, quindi assegna gli oggetti alle classi del modello di verità di terra utilizzando gli algoritmi di tagging cluster assistito da AI (Figura 2) e predict (Figura 3). Una volta che tutte le classi del modello di verità di base sono state popolate con oggetti sufficienti, i.......

Discussione

Il lavoro qui presentato descrive l'uso di algoritmi di deep learning per automatizzare il punteggio del test MN. Diverse pubblicazioni recenti hanno dimostrato che strumenti intuitivi e interattivi consentono la creazione di modelli di deep learning per analizzare i dati delle immagini senza la necessità di conoscenze computazionali approfondite^18,19. Il protocollo descritto in questo lavoro utilizzando un pacchetto software basato sull'interfaccia utente è st.......

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
15 mL centrifuge tube	Falcon	352096
Cleanser - Coulter Clenz	Beckman Coulter	8546931	Fill container with 200 mL of Cleanser.  https://www.beckmancoulter.com/wsrportal/page/itemDetails?itemNumber=8546931#2/10//0/25/ 1/0/asc/2/8546931///0/1//0/
Colchicine	MilliporeSigma	64-86-8
Corning bottle-top vacuum filter	MilliporeSigma	CLS430769	0.22 µm filter, 500 mL bottle
Cytochalasin B	MilliporeSigma	14930-96-2	5 mg bottle
Debubbler - 70% Isopropanol	MilliporeSigma	1.3704	Fill container with 200 mL of Debubbler.  http://www.emdmillipore.com/US/en/product/2-Propanol-70%25-%28V%2FV%29-0.1-%C2%B5m-filtred,MDA_CHEM-137040?ReferrerURL=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)	MilliporeSigma	67-68-5
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline 1X	EMD Millipore	BSS-1006-B	PBS Ca++MG++ Free
Fetal Bovine Serum	HyClone	SH30071.03
Formaldehyde, 10%, methanol free, Ultra Pure	Polysciences, Inc.	04018	This is what is used for the 4% and 1% Formalin. CAUTION: Formalin/Formaldehyde toxic by inhalation and if swallowed.  Irritating to the eyes, respiratory systems and skin.  May cause sensitization by inhalation or skin contact. Risk of serious damage to eyes.  Potential cancer hazard.  http://www.polysciences.com/default/catalog-products/life-sciences/histology-microscopy/fixatives/formaldehydes/formaldehyde-10-methanol-free-pure/
Guava Muse Cell Analyzer	Luminex	0500-3115	A standard configuration Guava Muse Cell Analyzer was used.
Hoechst 33342	Thermo Fisher	H3570	10 mg/mL solution
Mannitol	MilliporeSigma	69-65-8
MEM Non-Essential Amino Acids 100X	HyClone	SH30238.01
MIFC - ImageStreamX Mark II	Luminex, a DiaSorin company	100220	A 2 camera ImageStreamX Mark II eqiped with the 405 nm, 488 nm, and 642 nm lasers was used.
MIFC analysis software - IDEAS	Luminex, a DiaSorin company	100220	"Image analysis sofware" The companion software to the MIFC (ImageStreamX MKII)
MIFC software - INSPIRE	Luminex, a DiaSorin company	100220	"Image acquisition software" This is the software that runs the MIFC (ImageStreamX MKII)
Amnis AI software	Luminex, a DiaSorin company	100221	"AI software" This is the software that permits the creation of artificial intelligence models to analyze data
Mitomycin C	MilliporeSigma	50-07-7
NEAA Mixture 100x	Lonza BioWhittaker	13-114E
Penicllin/Streptomycin/Glutamine solution 100X	Gibco	15070063
Potassium Chloride (KCl)	MilliporeSigma	P9541
Rinse - Ultrapure water or deionized water	NA	NA	Use any ultrapure water or deionized water.  Fill container with 900 mL of Rinse.
RNase	MilliporeSigma	9001-99-4
RPMI-1640 Medium 1x	HyClone	SH30027.01
Sheath - PBS	MilliporeSigma	BSS-1006-B	This is the same as Dulbecco's Phosphate Buffered Saline 1x  Ca++MG++ free.  Fill container with 900 mL of Sheath.
Sterile water	HyClone	SH30529.01
Sterilizer - 0.4%–0.7% Hypochlorite	VWR	JT9416-1	This is assentually 10% Clorox bleach that can be made by deluting Clorox bleach with water.  Fill container with 200 mL of Sterilzer.
T25 flask	Falcon	353109
T75 flask	Falcon	353136
TK6 cells	MilliporeSigma	95111735