Name: expedited radiation biodosimetry by automated dicentric chromosome identification (adci) and dose estimation
Uploaded: 2017-09-04T13:00:00
Duration: 10 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Expedited Radiation Biodosimetry by Automated Dicentric Chromosome Identification ADCI and Dose Estimation at JoVE.com

We moeten dankbaar Dr Ruth Wilkins, radiobiologie en bescherming divisie van Health Canada, en Farrah Flegal, Canadese nucleaire laboratoria en hun laboratoriumpersoneel toegang metafase afbeeldingsgegevens uit hun laboratoria cytogenetische biodosimetry. Dit document werd ondersteund door een contract van Build in Canada innovatie programma aan CytoGnomix (Serienr. EN579-172270/001/SC). De eerste versie van ADCI en ontwikkeling van algoritmen werden gesteund door het innovatiefonds Western; de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC ontdekking Grant 371758-2009); US Public Health Service (DART-dosis CMCR, 5U01AI091173-0); de Canadese basis voor innovatie; Canada Research Chairs, en CytoGnomix Inc

<ol>
	<li>Brewen, J. G., Preston, R. J., Littlefield, L. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation-Induced+Human+Chromosome+Aberration+Yields+Following+an+Accidental+Whole-Body+Exposure+to60+Co+&#947;-Rays.">Radiation-Induced Human Chromosome Aberration Yields Following an Accidental Whole-Body Exposure to60 Co &#947;-Rays.</a> Radiat Res. 49 (3), 647-656 (1972).</li><li>Bender, M. A., Gooch, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Persistent+Chromosome+Aberrations+in+Irradiated+Human+Subjects.">Persistent Chromosome Aberrations in Irradiated Human Subjects.</a> Radiat Res. 16 (1), 44-53 (1962).</li><li>INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Cytogenetic Dosimetry: Applications in Preparedness for and Response to Radiation Emergencies. , (2011).</li><li>Rogan, P. K., Li, Y., Wilkins, R. C., Flegal, F. N., Knoll, J. H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiation+Dose+Estimation+by+Automated+Cytogenetic+Biodosimetry.">Radiation Dose Estimation by Automated Cytogenetic Biodosimetry.</a> Radiat Prot Dosimetry. 172 (1-3), 207-217 (2016).</li><li>Arachchige, A. S., Samarabandu, J., Knoll, J., Khan, W., Rogan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+image+processing+algorithm+for+accurate+extraction+of+the+centerline+from+human+metaphase+chromosomes.">An image processing algorithm for accurate extraction of the centerline from human metaphase chromosomes.</a> 2010 IEEE International Conference on Image Processing. , 3613-3616 (2010).</li><li>Arachchige, A. S., Samarabandu, J., Knoll, J., Khan, W., Rogan, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+Accurate+Image+Processing+Algorithm+for+Detecting+FISH+Probe+Locations+Relative+to+Chromosome+Landmarks+on+DAPI+Stained+Metaphase+Chromosome+Images.">An Accurate Image Processing Algorithm for Detecting FISH Probe Locations Relative to Chromosome Landmarks on DAPI Stained Metaphase Chromosome Images.</a> 2010 Canadian Conference on Computer and Robot Vision. , 223-230 (2010).</li><li>Arachchige, A. S., Samarabandu, J., Rogan, P. K., Knoll, J. H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intensity+integrated+Laplacian+algorithm+for+human+metaphase+chromosome+centromere+detection.">Intensity integrated Laplacian algorithm for human metaphase chromosome centromere detection.</a> 2012 25th IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE). , 1-4 (2012).</li><li>Li, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+large+scale+automated+interpretation+of+cytogenetic+biodosimetry+data.">Towards large scale automated interpretation of cytogenetic biodosimetry data.</a> 2012 IEEE 6th International Conference on Information and Automation for Sustainability. , 30-35 (2012).</li><li>Ranjan, R., Arachchige, A. S., Samarabandu, J., Knoll, J. H. M., Rogan, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+Detection+of+Pale+Path+and+Overlaps+in+Chromosome+Images+using+Adaptive+Search+Technique+and+Re-thresholding.">Automatic Detection of Pale Path and Overlaps in Chromosome Images using Adaptive Search Technique and Re-thresholding.</a> International Conference on Computer Vision Theory and Applications. , 462-466 (2017).</li><li>Arachchige, A. S., Samarabandu, J., Knoll, J. H. M., Rogan, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intensity+Integrated+Laplacian-Based+Thickness+Measurement+for+Detecting+Human+Metaphase+Chromosome+Centromere+Location.">Intensity Integrated Laplacian-Based Thickness Measurement for Detecting Human Metaphase Chromosome Centromere Location.</a> IEEE Trans Biomed Eng. 60 (7), 2005-2013 (2013).</li><li>Rogan, P. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automating+dicentric+chromosome+detection+from+cytogenetic+biodosimetry+data.">Automating dicentric chromosome detection from cytogenetic biodosimetry data.</a> Radiat Prot Dosimetry. 159 (1-4), 95-104 (2014).</li><li>Li, Y., Knoll, J. H., Wilkins, R. C., Flegal, F. N., Rogan, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automated+discrimination+of+dicentric+and+monocentric+chromosomes+by+machine+learning-based+image+processing.">Automated discrimination of dicentric and monocentric chromosomes by machine learning-based image processing.</a> Microsc Res Tech. 79 (5), 393-402 (2016).</li><li>Subasinghe, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Centromere+detection+of+human+metaphase+chromosome+images+using+a+candidate+based+method.">Centromere detection of human metaphase chromosome images using a candidate based method.</a> F1000Res. 5, 1565 (2016).</li><li>Wilkins, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+annual+Canadian+biodosimetry+network+intercomparisons.">Evaluation of the annual Canadian biodosimetry network intercomparisons.</a> Int J Radiat Biol. 91 (5), 443-451 (2015).</li><li>Liu, J., Li, Y., Wilkins, R., Flegal, F., Knoll, J. H. M., Rogan, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Accurate+Cytogenetic+Biodosimetry+Through+Automation+Of+Dicentric+Chromosome+Curation+And+Metaphase+Cell+Selection.">Accurate Cytogenetic Biodosimetry Through Automation Of Dicentric Chromosome Curation And Metaphase Cell Selection.</a> F1000Research. 6, 1396 (2017).</li><li>Schunck, C., Johannes, T., Varga, D., L&#246;rch, T., Plesch, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=New+developments+in+automated+cytogenetic+imaging:+unattended+scoring+of+dicentric+chromosomes,+micronuclei,+single+cell+gel+electrophoresis,+and+fluorescence+signals.">New developments in automated cytogenetic imaging: unattended scoring of dicentric chromosomes, micronuclei, single cell gel electrophoresis, and fluorescence signals.</a> Cytogenet Genome Res. 104 (1-4), 383-389 (2004).</li><li>Ramakumar, A., Subramanian, U., Prasanna, P. G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-throughput+sample+processing+and+sample+management;+the+functional+evolution+of+classical+cytogenetic+assay+towards+automation.">High-throughput sample processing and sample management; the functional evolution of classical cytogenetic assay towards automation.</a> Mutat Res Genet Toxicol Environ Mutagen. 2015, 132-141 (2015).</li><li>Deperas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=CABAS:+a+freely+available+PC+program+for+fitting+calibration+curves+in+chromosome+aberration+dosimetry.">CABAS: a freely available PC program for fitting calibration curves in chromosome aberration dosimetry.</a> Radiat Prot Dosimetry. 124 (2), 115-123 (2007).</li><li>Ainsbury, E. A., Lloyd, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dose+estimation+software+for+radiation+biodosimetry.">Dose estimation software for radiation biodosimetry.</a> Health Phys. 98 (2), 290-295 (2010).</li></ol>

PKR en JHMK samen CytoGnomix, die is het commercialiseren van ADCI en gerelateerde patenten. YL en BCS zijn werknemers van CytoGnomix. ADCI is auteursrechtelijk beschermd en gepatenteerd is de centromeer lokalisatie methode in ADCI (ons Pat. Nr. 8,605,981; Duitse Pat. Nr. 112011103687).

Mogelijkheden en beperkingen van de software
Het protocol beschreven in deze paper introduceert de typische stapsgewijze procedure gebruikt in ADCI importeren en verwerken van cytogenetische metafase afbeeldingen, maken van straling kalibratiekrommen en biologische dosis in individuen of monsters blootgesteld aan onbekende schatten stralingsniveaus. Het is echter niet nodig voor het uitvoeren van deze instructies sequentieel. Bijvoorbeeld, veel proefmonsters van onbekende dosis kunnen worden verwerkt en geanalyseerd met behulp van dezelfde precomputed kalibratiecurve. Bovendien, zodra het conversieproces is voltooid, de selectie van de afbeelding en de DC filteren modellen kan worden herhaald door de gebruiker. Toepassing van een passende afbeelding Keuzemodel arbeidsvoorwaarden hangt af van de kenmerken en kwaliteit van de metafase-afbeeldingsgegevens, die op zijn beurt steunt zowel op het laboratorium-protocol gebruikt voor het bereiden van cellen en de striktheid criteria gebruikt voor het selecteren van cellen met geautomatiseerde metafase opname systemen. Chromosoom morphologies zal verschillen tussen biodosimetry en cytogenetische laboratoria, en dus de afbeelding selectie modellen moeten worden beoordeeld door de gebruiker om te bepalen of de vooraf gedefinieerde afbeelding selectie modellen meegeleverd met de software volstaan om te worden zal het opstellen van ramingen van de precieze dosis of of aangepaste met gebruiker gedefinieerde modellen drempels moeten worden gemaakt. Gebaseerd op onze ervaring, wordt de effectiviteit van afbeelding selectie modellen beïnvloed door de bron en de kwaliteit van de beelden van de cel. Gebruikers kunnen hun eigen selectiecriteria van de afbeelding met behulp van verschillende combinaties van filters te elimineren valse positieve DCs en beeld selectie modellen en de tegenwaarde van de drempel om te selecteren van de gewenste beelden ontwerpen. Er is flexibiliteit in de input van de kalibratiekrommen en schatting van de dosis, zoals coëfficiënten van de lineaire-kwadratische curve en DC frequenties kunnen worden gewijzigd of handmatig ingevoerd.
Hoewel de software is volledig geautomatiseerd, kunnen afbeeldingen handmatig worden beoordeeld en geselecteerd. Deze mogelijkheid is beschikbaar voor het opnemen of verwijderen van individueel verwerkte afbeeldingen via de Microscoop Viewer-functie in de belangrijkste GUI. De software is echter als gevolg van de automatisering, aanzienlijk efficiënter in vergelijking met de handleiding scoring van metafase beelden en tellen van DCs. Een steekproef bestaande uit 1000 afbeeldingen kan verwerkt worden in 20 (tiff) naar 40 (jpg) min op een multicore-prestaties-werkstation. Deze software zal bijzonder nuttig zijn in tijdkritische of arbeidsintensieve situaties, zoals gebeurtenissen waarin meerdere personen zijn blootgesteld of verdacht werden te zijn blootgesteld aan straling, of waar de tijd-gevoelige diagnose en behandeling besluiten zijn kritisch.
Precieze en accurate hoge doorvoer detectie van zowel DCs als schatting van de dosis straling zonder toezicht evaluatie noodzakelijk zijn. Andere beschikbare alternatieven aan de software voldoen niet aan deze voorwaarden. Een gebruiker-bijgewoonde, beeld-gebaseerde cytogenetische analysetechnieken (DCScore, Metasystems17) systeem vereist handmatige controle van kandidaat-DCs, als gevolg van een hoge fout tarief toe te schrijven aan niet-gecorrigeerde overlappingen tussen de chromosomen en het systeem niet herkent stralingsdosis. DCScore zou niet zo effectief als ADCI in een evenement van de straling waarbij een groot aantal potentieel blootgestelde personen. Groot diafragma Microscoop systemen kunnen het verzamelen van beelden van meerdere metafase cellen18, echter doen ze niet analyseren. "CABAS"19 en20 -software "Schatting van de dosis" kalibratie kunnen genereren curven en raming dosis, maar doen niet scoren DCs. Andere biodosimetry-tests die niet zijn gebaseerd op DC analyse omvatten H2AX fluorescentie, fluorescentie in situ hybridisatie met DNA-sondes gericht aan specifieke chromosomen, genexpressie, micronucleus assay, en urine en respiratoire biomarkers. Deze methoden zijn minder specifieke en minder gevoelig voor ioniserende straling, duurder, in sommige gevallen kunnen meer tijd vergen en niet over het algemeen over meerdere referentielaboratoria zijn gestandaardiseerd. De meeste van deze technieken niet gedetecteerd stabiele straling reacties, zodat ze niet worden gebruikt voor de lange termijn evaluatie (&#62; 7 dagen na blootstelling) van de stralingsdosis. Daarentegen, dit resultaat kan personen tot 90 dagen na blootstelling, en gegevens uit elke cytogenetica laboratorium Microscoop imaging systeem kan verwerken. Echter, als een steekproef is getrokken &#62; 4 weken na blootstelling, de gevoeligheid is verminderd als gevolg van het verval van dicentric aberraties1,2,3 en de software niet momenteel DC frequenties voor vertragingen bij de bemonstering wordt opgelost blootgestelde personen.
Deze software heeft wat beperkingen. Bestaande afbeelding selectie modellen meestal acceptabel metafase afbeeldingen selecteren, maar in sommige gevallen niet elimineren onbevredigend beelden, waardoor de nauwkeurigheid van DC detectie kunnen verminderen. Het is nog steeds een open vraag over het ontwerpen van een bevredigende afbeelding Keuzemodel arbeidsvoorwaarden die alle ongeschikt metafasecellen elimineert. De software biedt nauwkeurige schattingen voor monsters die zijn blootgesteld aan hogere stralingsdoses (≥ 2 Gy). Ondanks de aanzienlijke vooruitgang bij het verminderen van het aantal valse positieve DCs16, zijn deze objecten niet afgeschaft. Lagere kwaliteit metafasecellen bij lage stralingsdosis (vooral &#60; 1 Gy) zijn meer vatbaar voor onjuiste positieve detectie van de DC. Lage dosis monsters werden daarom niet opgenomen bij het genereren van de ijkcurve die is gebruikt voor de schatting van de dosis van HC analysemonsters. Indien een curve met lage dosis monsters is gewenst, een lagere waarde van de SVM Sigma vermindert valse positieve graven in lage dosis monsters maar kan resulteren in lagere DC rendementen in hoge dosis monsters. Figuur 8 vergelijkt de HC kromme gebruikt voor de schatting van de dosis (Sigma = 1.5) met een kalibratiekromme pasvorm met extra lage dosis monsters tegen lagere SVM sigma waarde (1.0). In monsters met een onvoldoende aantal metafasecellen en/of afbeeldingen van de metafase van slechte kwaliteit, het niet mogelijk te schatten juist biologische risico's bij lage dosis, mogelijk resulterend in afwijkingen van fysieke dosis meer dan 0,5 Gy.
De software kan niet nauwkeurig beoordelen op straling typen als hun beste dosis / respons-curven een lineaire of in de buurt van-lineaire model past. Tot dusver is getest slechts met monsters die zijn blootgesteld aan X- en gammastralen. Indien een andere stralingsbron is onderzocht, moeten gebruikers zowel kalibratie en test monsters worden blootgesteld aan dezelfde soort straling. De software gebruikt maximale waarschijnlijkheid of kleinste kwadraten montage op een dosis-responscurve met behulp van een lineaire-kwadratisch model bouwen. Er is momenteel geen optie om op te leggen een strikte, lineaire curve past, geschikt voor hoge energie deeltjes belichtingen, maar dergelijke functionaliteit beschikbaar zal zijn in de toekomst.
Toekomstige ontwikkeling
Onze inspanningen zijn gericht op het verbeteren van de afbeelding selectie modellen en nauwkeurige dosis meting, met name van monsters aan lage stralingsdoses blootgesteld. Latere softwareversies geeft standaardfout metingen over dosis schattingen en betrouwbaarheidsintervallen op kalibratiekrommen. Daarnaast is een high-performance computing-versie van de software voor de Blue Gene (BG/Q, IBM) supercomputer in ontwikkeling voor tijdige evaluatie van personen blootgesteld in een massa-ongeval straling-gebeurtenis. Sommige onderdelen van de software zijn al getest en geïmplementeerd op dit platformlass = "xref" > 11.

Straling biodosimetry maakt gebruik van biologische markers, meestal chromosoomafwijkingen zoals dicentric chromosomen (DCs) en chromosoom translocaties voor het meten van stralingsdoses die personen zijn blootgesteld aan. Een biologisch geabsorbeerde dosis kan afwijken van de fysieke dosis gemeten door instrumenten als gevolg van de variabiliteit tussen personen. Ook kan straling van een bepaalde fysieke dosis produceren verschillende biologische risico's als gevolg van onderliggende fysiologische of ecologische omstandigheden. Kennis van de biologische dosis is van bijzonder belang voor zowel de diagnose en de behandeling.
De DC-bepaling is de gouden standaard van de World Health Organization (WHO) en het Internationaal Atoomenergie Agentschap (IAEA) voor de beoordeling van de blootstelling aan biologische straling in mensen. Het was de eerste bepaling geadviseerd door de IAEA en die voor straling dosis beoordeling. DC frequentie is ongeveer 4 weken na straling blootstelling1 relatief stabiel en hun kwantitatieve correlatie met de uitgezonden stralingsdosis is nauwkeurig, waardoor DCs de ideale biomerker. De verhouding tussen de stralingsdosis (waarnaar wordt verwezen in Gray [Gy] eenheden), en DC frequentie (aantal DCs per cel genoemd) kan worden uitgedrukt als lineaire-kwadratische functie.
De cytogenetische test DC geweest de industrie standaard voor ongeveer 55 jaar2. Handmatig is uitgevoerd waarbij 1-2 dagen voor het analyseren van Microscoop gegevens uit een enkel bloedmonster. Enkele honderden tot enkele duizenden beelden nodig zijn om de blootstelling aan straling afhankelijk van de dosis3nauwkeurig te schatten. Bij toepassing van doses meer dan 1 Gy, IAEA raadt aan een minimum van 100 DCs worden gedetecteerd. Onderzoek van 250-500 metafase beelden is gebruikelijk in biodosimetry cytogenetische laboratoria. Voor monsters met belichtingen &#60; 1 Gy, 3000-5000 beelden worden voorgesteld als gevolg van de lagere waarschijnlijkheid van DC vorming. In beide gevallen is het een arbeid-intensieve taak.
Cytogenetische biodosimetry laboratoria hun eigen maken in vitro straling biodosimetry kalibratiekrommen voordat de beoordeling van de biologische doses van analysemonsters. Bloedmonsters van normaal, controle personen zijn blootgesteld aan straling en lymfocyten zijn vervolgens gekweekt en chromosoom metafaseanalyse voorbereid. Met behulp van deze monsters, zijn biologische doses ontvangen geijkt aan de bekende fysieke doses wordt uitgestraald door een standaard stralingsbron. Na de metafase cel beelden zijn geregistreerd, deskundigen onderzoeken van beelden, tellen DCs en DC frequenties voor elk monster berekenen. Een kalibratiekromme is gebouwd door het aanbrengen van een lineaire-kwadratische curve op de DC-frequenties op alle doses. Posities in monster van individuen kunnen vervolgens worden afgeleid overeenkomen met de DC-frequenties aan de geijkte doses op de curve of door te geven hen in de corresponderende lineaire kwadratische formule.
We hebben zowel de detectie van DCs geautomatiseerd en dosis wil versnellen deze procedure met behulp van software. Geautomatiseerde Dicentric chromosoom id dosis Estimator (ADCI) machine leren gebaseerde beeldverwerking technieken gebruikt om te ontdekken en discrimineren dicentric chromosomen (DCs) van bod chromosomen (MCs) en andere objecten en automatiseert straling schatting van de dosis. De software heeft tot doel te aanzienlijk verminderen of elimineren de noodzaak voor handmatige verificatie van DC graven en te versnellen van de schatting van de dosis via automatisering. Het is ontwikkeld met medewerking van biodosimetry referentielaboratoria op gezondheid Canada (HC) en Canadese nucleaire laboratoria (CNL). Hun feedback zal ervoor zorgen dat de prestaties zullen blijven voldoen aan de criteria van de IAEA voor deze test.
De software voert de volgende functies: 1) filteren DCs en selecteren van optimale-metafase cel beelden voor analyse, 2) chromosoom erkenning, DC detectie en bepaling van de frequentie van de DC, en 3) raming van de stralingsdosis van de dosis-gekalibreerd, cytogenetische straling gegevens. Deze software verwerkt groepen metafase afbeeldingen van dezelfde individuele (genoemd een monster), telt het aantal DCs in elk met afbeelding technieken voor gegevensverwerking en de geschatte stralingsdosis ontvangen door elk monster in eenheden van grijswaarden (Gy) retour.
De software is ontworpen om een bereik van chromosoom structuren, graven en dichtheden. Echter presteert het algoritme optimaal in de metafase beelden met een in de omgeving van volledige aanvulling van goed gescheiden, lineaire chromosomen4. Beelden met zeer overlappende sets chromosomen, meerdere cellen, onvolledige metafasecellen, zuster chromatide scheiding, kernen, niet-chromosomale objecten en andere gebreken kunnen verminderen de nauwkeurigheid van het algoritme. Afbeelding selectie modellen en andere object segmentatie drempels op de meeste sub-optimale beelden en valse positieve DCs filteren kunnen gewijd.
Dicentric chromosoom detectie wordt uitgevoerd wanneer een afbeelding wordt verwerkt. Het algoritme probeert om te bepalen welke objecten in een afbeelding zijn chromosomen en zoekt vervolgens de twee regio's meest waarschijnlijk centromeren op elk chromosoom. Vervolgens een reeks van verschillende Support Vector Machine (SVM) leren modellen onderscheiden chromosomen als DCs of normaal, bod chromosomen. De modellen van de SVM verschillen in gevoeligheid en specificiteit van de detectie van de DC (zie stap 3.1.4 hieronder), die kan invloed hebben op de DC-frequenties die worden bepaald bij een steekproef.
ADCI verwerkt sets van Giemsa - (of DAPI) gekleurd metafase digitale beelden (in TIFF of JPG-formaat) van één of meer steekproeven. De software analyseert DCs in zowel kalibratie monsters en analysemonsters. De fysieke doses (in Gy) van kalibratie monsters zijn bekend en worden gebruikt in de generatie van een kalibratiekromme. De fysische en biologische doses van personen met een onbekende posities zijn afgeleid door de software van de machine-gegenereerde ijkcurve. Hoewel laboratoria vergelijkbare technieken gebruiken, variëren de kalibratiekrommen uit verschillende laboratoria vaak3. Beide kalibratie curve en test samples uit hetzelfde laboratorium moeten worden verwerkt voor nauwkeurige dosis schatting van analysemonsters.
Deze software biedt schaalbaarheid voor snelheid en nauwkeurigheid welke adressen die de productiviteit moet omgaan met een gebeurtenis waarin veel mensen gelijktijdig moeten worden getest. Het werd ontwikkeld uit 2008-20174,5,6,7,8,9,10,11,12 ,,13. Met behulp van recente computerhardware, dit bureaubladPC-software kan verwerken en raming stralingsdosis in een patiënt monster van 500 metafase genoom equivalenten in 10-20 min 4. De code is gebaseerd op een set van eigen beeldsegmentatie en machine leren algoritmen voor analyse van het chromosoom. Deskundige analyse van elk chromosoom blootgesteld aan 3 Gy straling gaf vergelijkbare nauwkeurigheden aan ADCI. In een set van 6 monsters van de onbekende risico's (vroeger in de uitoefening van een internationale vaardigheid), de software geschat doses binnen 0,5 Gy van de waarden die zijn verkregen door de handmatige controle van dezelfde gegevens door HC en CNL, die voldoet aan de eisen van de IAEA voor triage biodosimetry. Bovendien, interlaboratorium standaardisatie en uiteindelijk reproduceerbaarheid van dosis schat voordeel van het hebben van een gemeenschappelijke, geautomatiseerde DC scoren algoritme. Niettemin, de software laat aanpassing van beeld filteren en selectie criteria, zodat verschillen in chromosoom bereidingswijzen en kalibratie stralingsbronnen in aanmerking worden genomen.
Deze software is een grafische gebruikersinterface (GUI) - gebaseerd systeem dat analyseert sets van chromosoom beelden met Giemsa (of DAPI) - gekleurd metafasecellen voor afwijkingen die het gevolg zijn van blootstelling aan ioniserende straling. De afbeelding sets zijn digitaal gefotografeerd met een licht (of epifluorescerende) Microscoop systeem en elke set komt overeen met een ander monster. De software maakt gebruik van beeldverwerking technieken te detecteren en discrimineren van DCs van MCs en andere objecten. Empirisch-afgeleide segmentatie filters elimineren vervolgens automatisch valse positieve DCs zonder echte DCs. Tot slot, de software automatisch gefilterd uit ongewenste afbeeldingen gebaseerd op diverse afbeeldingseigenschappen slechte kwaliteit metafase beelden met precomputed (of gebruiker opgegeven) beeld selectie modellen gevonden. Deze afbeeldingen bevatten die met overmatige of onvoldoende aantal "luidruchtig" objecten, meerdere overlappende chromosomen, afbeeldingen ontbreekt metafase chromosomen, buitensporige aantal zuster chromatiden4. De automatisch curator afbeeldingsgegevens worden gebruikt voor het genereren van de kalibratiekromme dosis van monsters van bekende stralingsdosis en schatting van de blootstelling van analysemonsters blootgesteld aan onbekende doses worden gebruikt.
Output van de software kan worden bekeken en opgeslagen als: 1) tekst gebaseerde uitvoer weergegeven in de console, 2) percelen die kunnen worden opgeslagen als beelden en 3) rapporten in HTML-indeling. Vele aspecten van de software kunnen worden aangepast aan de specifieke behoeften van verschillende laboratoria. Individuele laboratoria verstrekken gewoonlijk zowel kalibratie en test monsters opgesteld en verzameld op basis van de cytogenetische protocol in dat laboratorium gevalideerd. Hierdoor behoudt uniformiteit van de bereiding van de monsters en kunt kalibratiekrommen gegenereerd op basis van kalibratie monsters zinvol om te testen monsters afgeleid met behulp van hetzelfde protocol worden toegepast. Kalibratiekrommen kunnen ook worden gemaakt uit kromme coëfficiënten of DC frequenties bij gedefinieerde doses. De meest nauwkeurige schattingen van de dosis worden verkregen door te filteren op lagere kwaliteitsbeelden en valse positieve DCs (FPs). Selectie van optimale beeld deelverzamelingen binnen elk monster wordt bereikt met behulp van 'Image selectie modellen', die subpar beelden die neiging elimineren om FPs. Een reeks van vooraf gevalideerde modellen zijn opgenomen in de software, maar extra modellen met aangepaste drempels en filters kunnen worden gemaakt en opgeslagen, door de gebruiker.
Zodra de software met succes is geladen, de belangrijkste grafische gebruikersinterface (GUI) wordt gepresenteerd (Zie Figuur 1). Vanuit deze interface, monsters, elk bestaande uit een map met beeldbestanden van metafase cel, kunnen worden geselecteerd en verwerkt om te identificeren DCs kalibratiekrommen kunnen worden gemaakt en kan worden vergeleken en blootstelling stralingsdosis van monsters kan worden vastgesteld.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56245/56245fig1.jpg"> 
Figuur 1: De belangrijkste sectoren van de grafische User Interface omvatten: een lijst van monsters (1), een lijst van kalibratie curven (2), het proces wachtrij (3), die toezicht houdt op de status van DC detectie in elke set afbeeldingen van elk monster, een perceel (4), die bevat een overzicht van statistische of andere kwantitatieve eigenschappen van een reeks beelden in monsters of kalibratiekrommen en een console (5) waarin beschrijvende tekst als uitgangen van elke bewerking die wordt uitgevoerd door het programma worden weergegeven. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56245/56245fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Automated Dicentric Chromosome Identifier and Dose Estimator (ADCI)</td>
			<td>CytoGnomix</td>
			<td>NA</td>
			<td>ADCI software is released in a binary installation package file for Microsoft Windows 7, 8, 8.1 and 10; 235 Mb of disk storage are required for a typical installation. The software has been tested with Intel or AMD x86-64 processors; at least 1 Gb RAM is recommended. Analyses have been benchmarked on a computer configured with an Intel I7 processor and 16 Gb RAM. Operation of ADCI requires an active license and a USB-based hardware dongle, which must remain plugged in while the software is executing. The dongle encodes the software expiry date. Each time the software is started, this date is read. The software will allow access to the program if the current date and time precedes the expiration time-date stamp. Extending an expired software license can be accomplished by obtaining a new dongle or by renewing the license with an updated key at startup.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital images of metaphase cell nuclei</td>
			<td>Examples: Metasystems, Leica Microsystems</td>
			<td>M-Search (Metasystems), Cytovision (Leica) software</td>
			<td>High resolution TIFF format; typically &#62;250 digital images generated with a microscope imaging capture system (minimum 63x magnification objective, 10x magnification ocular).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MSI Leopard Pro (recommended, optional)</td>
			<td>Micro-Star International</td>
			<td>MSI GP62 6QF 480CA Leopard Pro</td>
			<td>Multi-core performance workstation.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

expedited radiation biodosimetry by automated dicentric chromosome identification (adci) and dose estimation

Biologische stralingsdosis kan van dicentric chromosoom frequenties in de metafasecellen worden geschat. Het uitvoeren van deze cytogenetische dicentric chromosoom testen is traditioneel een handmatig, arbeidsintensief proces niet geschikt voor het afhandelen van de omvang van de monsters die onderzoek in de nasleep van een ongeval massa-evenement vereisen. Geautomatiseerde Dicentric chromosoom-id en dosis Estimator (ADCI) software automatiseert dit proces door het onderzoek van sets van metafase beelden met behulp van machine learning gebaseerde image processing technieken. De software selecteert passende beelden voor analyse door het verwijderen van ongeschikt beelden, classificeert elk object als een centromeer-bevattende chromosoom of niet-chromosoom, verder onderscheidt chromosomen als bod chromosomen (MCs) of dicentric chromosomen (DCs), bepaalt de frequentie van de DC binnen een monster, en schat van biologische stralingsdosis door DC samplefrequentie te vergelijken met de kalibratiekrommen die zijn berekend met behulp van kalibratie monsters. Dit protocol beschrijft het gebruik van ADCI software. Meestal worden zowel kalibratie (bekende dosis) en test (onbekende dosis) sets van metafase beelden geïmporteerd voor het uitvoeren van nauwkeurige dosis schatting. Optimale beelden voor analyse kunnen worden gevonden automatisch met behulp van vooraf ingestelde beeldfilters of kunnen ook worden gefilterd via handmatige inspectie. De software verwerkt afbeeldingen in elk monster en DC frequenties op verschillende niveaus van vergaande subopties overwogen voor het bellen van DCs, met behulp van een machine learning aanpak worden berekend. Lineaire-kwadratische kalibratiekrommen worden gegenereerd op basis van DC frequenties in kalibratie monsters blootgesteld aan bekende fysieke doses. Doses van analysemonsters blootgesteld aan onzeker stralingswaarden zijn geschatte vanuit hun DC frequenties met behulp van deze kalibratiekrommen. Verslagen kunnen worden gegenereerd op verzoek en verstrekken samenvatting van de resultaten van een of meer monsters, van één of meer kalibratiekrommen of schatting van de dosis.

Watch this Scientific Journal Video about Expedited Radiation Biodosimetry by Automated Dicentric Chromosome Identification ADCI and Dose Estimation at JoVE.com

Expedited Radiation Biodosimetry by Automated Dicentric Chromosome Identification ADCI and Dose Estimation

Versnelde straling Biodosimetry geautomatiseerde door Dicentric chromosoom identificatie (ADCI) en de schatting van de dosis

De bepaling van de cytogenetische dicentric chromosoom (DC) kwantificeert blootstelling aan ioniserende straling. De geautomatiseerde Dicentric chromosoom id en dosis Estimator software schat nauwkeurig en snel biologische dosis van DCs in metafasecellen. Het bod chromosomen en andere objecten onderscheidt van DCs, en schat van biologische stralingsdosis van de frequentie van DCs.

Biological radiation dose can be estimated from dicentric chromosome frequencies in metaphase cells. Performing these cytogenetic dicentric chromosome ...

Research

JoVE Journal

Genetics

Expedited Radiation Biodosimetry by Automated Dicentric Chromosome Identification (ADCI) and Dose Estimation

Detection of Inter-chromosomal Stable Aberrations by Multiple Fluorescence In Situ Hybridization (mFISH) and Spectral Karyotyping (SKY) in Irradiated Mice

Detection of Inter-chromosomal Stable Aberrations by Multiple Fluorescence In Situ Hybridization mFISH and Spectral Karyotyping SKY in Irradiated Mice

Detectie van Inter-chromosomale Stable aberraties door Multiple Fluorescentie<em&gt; In Situ</em&gt; Hybridisatie (mFISH) en Spectral Karyotypering (SKY) in bestraalde muizen

Ionizing radiation (IR) induces numerous stable and unstable chromosomal aberrations. Unstable aberrations, where chromosome morphology is substantially ...

Pooled shRNA Screen for Reactivation of MeCP2 on the Inactive X Chromosome

Gebundelde shRNA scherm voor de heractivering van het MeCP2 op het inactieve X-chromosoom

Forward genetic screens using reporter genes inserted into the heterochromatin have been extensively used to investigate mechanisms of epigenetic control ...

High-throughput Identification of Synergistic Drug Combinations by the Overlap2 Method

High-throughput Identification of Synergistic Drug Combinations by the Overlap2 Method

High-throughput identificatie van synergetische Drug combinaties door de overlapping2 methode

Although antimicrobial drugs have dramatically increased the lifespan and quality of life in the 20th century, antimicrobial resistance threatens our ...

High-throughput Identification of Gene Regulatory Sequences Using Next-generation Sequencing of Circular Chromosome Conformation Capture (4C-seq)

High-throughput Identification of Gene Regulatory Sequences Using Next-generation Sequencing of Circular Chromosome Conformation Capture 4C-seq

High-throughput identificatie van regelgevende gensequenties met behulp van Next-generation Sequencing van circulaire chromosoom conformatie Capture (4C-seq)

The identification of regulatory elements for a given target gene poses a significant technical challenge owing to the variability in the positioning and ...

Identification of Footprints of RNA:Protein Complexes via RNA Immunoprecipitation in Tandem Followed by Sequencing (RIPiT-Seq)

Identification of Footprints of RNA:Protein Complexes via RNA Immunoprecipitation in Tandem Followed by Sequencing RIPiT-Seq

Identificatie van voetafdrukken van RNA: eiwitcomplexen via RNA-immunoprecipitatie in tandem gevolgd door sequencing (RIPiT-SEQ)

RNA immunoprecipitation in tandem (RIPiT) is a method for enriching RNA footprints of a pair of proteins within an RNA:protein (RNP) complex. RIPiT ...

Identification of Host Pathways Targeted by Bacterial Effector Proteins using Yeast Toxicity and Suppressor Screens

Identificatie van Hosttrajecten die zijn getarget door bacteriële Effector eiwitten met behulp van gist toxiciteit en suppressor schermen

Intracellular bacteria secrete virulence factors called effector proteins into the host cytosol that act to subvert host proteins and/or their associated ...

Preparation of Meiotic Chromosome Spreads from Zebrafish Spermatocytes

Bereiding van Meiotic Chromosome Spreads van Zebrafish Spermatocyten

Meiosis is the key cellular process required to create haploid gametes for sexual reproduction. Model organisms have been instrumental in understanding ...

Inducing Hairy Roots by Agrobacterium rhizogenes-Mediated Transformation in Tartary Buckwheat (Fagopyrum tataricum)

Inducing Hairy Roots by Agrobacterium rhizogenes-Mediated Transformation in Tartary Buckwheat Fagopyrum tataricum

Inducerende harige wortels door Agrobacterium rhizogenes-Gemedieerde transformatie in Tartary Boekweit(Fagopyrum tataricum)

Tartary buckwheat (TB) [Fagopyrum tataricum (L.) Gaertn] possesses various biological and pharmacological activities because it contains abundant ...

Identification of Enhancer-Promoter Contacts in Embryoid Bodies by Quantitative Chromosome Conformation Capture (4C)

Identification of Enhancer-Promoter Contacts in Embryoid Bodies by Quantitative Chromosome Conformation Capture 4C

Identificatie van enhancer-promotor contacten in embryoïide lichamen door kwantitatieve chromosoomconformatie Capture (4C)

During mammalian development, cell fates are determined through the establishment of regulatory networks that define the specificity, timing, and spatial ...

Chromosome Screening of Human Preimplantation Embryos by Using Spent Culture Medium: Sample Collection and Chromosomal Ploidy Analysis

Chromosoomscreening van menselijke pre-implantatie-embryo's met behulp van gebruikt kweekmedium: monsterafname en chromosomale ploïdieanalyse

In clinical in vitro fertilization (IVF), the prevailing method for PGT-A requires biopsy of a few cells from the trophectoderm (TE). This is the lineage ...