Name: quantifying fibrillar collagen organization with curvelet transform-based tools
Uploaded: 2020-11-11T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantifying Fibrillar Collagen Organization with Curvelet Transform-Based Tools at JoVE.com

نشكر العديد من المساهمين والمستخدمين ل CT-FIRE و CurveAlAlign على مر السنين، بما في ذلك الدكتور روب نوفاك، الدكتور كارولين بيهلك، الدكتور جيريمي بريدفيلدت، غونيت ميهتا، أندرو ليخت، الدكتور أديب كيخوسرافي، الدكتور مات كونكلين، الدكتور جين سنغال، الدكتور باولو بروفنزانو، الدكتور بريندا أوغلي، الدكتورة باتريشيا كيلي، الدكتور جوزيف Szulczewski، الدكتور سوزان Ponik ومساهمات تقنية إضافية من وقد تم دعم هذا العمل من خلال تمويل من مؤسسة أبحاث أشباه الموصلات، ومعهد مورغريدج للبحوث، ومنح المعاهد القومية للصحة R01CA199996، R01CA181385 وU54CA210190 إلى K.W.E.

ملاحظة: يصف هذا البروتوكول استخدام CT-FIRE و CurveAlAlign في تحديد كمي الكولاجين. ولهاتين أداتين أهداف رئيسية متكاملة، وإن كانت مختلفة، وترتبطان معا إلى حد ما. يمكن إطلاق CT-FIRE من واجهة CurveAlign لإجراء معظم العمليات باستثناء مرحلة ما بعد المعالجة المتقدمة وتحليل العائد على الاستثمار. لتشغيل كامل من CT-FI...

يصف هذا البروتوكول استخدام CT-FIRE و CurveAlign لتحديد كمية الكولاجين الفيبريلار ويمكن تطبيقها على أي صورة مع ألياف الكولاجين أو غيرها من الهياكل الممدود تشبه الخط أو الألياف مثل مناسبة للتحليل من قبل CT-FIRE أو CurveAlign. على سبيل المثال، يمكن معالجة الألياف الإيلاستين أو المرنة بطريقة مماثلة على هذا ا...

الكولاجين الفيبريلار هي بارزة, مكونات ECM الهيكلية. منظماتهم التغييرات أثر وظيفة الأنسجة ويرتبط على الأرجح مع تطور العديد من الأمراض التي تتراوح بين هشاشة العظام ناقصة1, خلل وظيفي في القلب2, والجرح التئام3 لأنواع مختلفة من السرطان بما في ذلك الثدي4,5,6,المبيض7,8, الكلى9, وسرطان البنكرياس10. ويمكن استخدام العديد من طرائق التصوير المنشأة لتصور الكولاجين الفيبريلار مثل المجهر الجيل التوافقي الثاني11، البقع أو الأصباغ بالتزامن مع مجال مشرق أو المجهر الفلوريسنس أو المجهر ضوء الاستقطاب12، السائل البلورية القائمة على المجهر الاستقطاب (LC-PolScope)13، والمجهر الإلكتروني14. كما أصبحت أهمية تنظيم الكولاجين الفيبريلار أكثر وضوحا، وزيادة استخدام هذه الأساليب، كما نمت الحاجة إلى تحسين نهج تحليل الألياف الكولاجين.
كانت هناك العديد من الجهود لتطوير أساليب حسابية لقياس الكولاجين الثيريلاري الآلي. وتركز أدوات البرمجيات المتاحة بحرية أساسا على حساب محاذاة الألياف أو التوجه من خلال اعتماد إما المشتقة الأولى أو التركيبة للبكسل15،16، أو تحليل رباعية القائمة على تحويل الطيف للوحات الصور17. تخضع جميع هذه الأدوات لقيود مثل متطلبات الخطوات اليدوية ، وعدم الدقة في الكشف عن حافة الألياف في الخلفية الصاخبة ، أو عدم وجود توصيف ميزة مترجمة.
بالمقارنة مع غيرها من الأدوات المتاحة بحرية البرمجيات الحرة المفتوحة المصدر، والأساليب المذكورة في هذا البروتوكول استخدام CT- أفضل، متعددة الدرجات، طريقة التمثيل الصورة الاتجاهية- لإزالة الضوضاء من صور الكولاجين الفيبريلار وتعزيز أو تتبع حواف الألياف. يمكن توفير المعلومات حول الموقع والتوجه مباشرة من الألياف بدلاً من استخدام معلومات غير مباشرة من نوع البكسل أو من ناحية النافذة للاستدلال على مقاييس تنظيم الألياف. هذا الإطار CT القائمعلى 18،19،20،21 يمكن قياس المنظمة الألياف على أساس عالمي ، ROI ، أو الألياف ، وذلك أساسا عن طريق اثنين من منفصلة ، ولكن مرتبطة ، وحزم اسمه "CT - FIRE"18،21 و "CurveAlign"19،21. بقدر ما يتعلق الأمر بتنفيذ البرنامج ، في CT -FIRE ، يمكن استخدام معاملات CT على موازين متعددة لإعادة بناء صورة تعزز الحواف وتقلل من الضوضاء. ثم يتم تطبيق خوارزمية استخراج الألياف الفردية على الصورة التي أعيد بناؤها CT لتتبع الألياف للعثور على نقاط مركزها التمثيلية ، وتوسيع فروع الألياف من نقاط المركز ، وربط فروع الألياف لتشكيل شبكة الألياف. في CurveAlign، يمكن استخدام معاملات CT على مقياس محدد من قبل المستخدم لتتبع اتجاه الألياف المحلية، حيث يتم استخراج اتجاه ومواقع المنحنيات وتجميعها لتقدير اتجاه الألياف في المواقع المقابلة. وقد تم تطوير إطار القياس الكمي الناتج هذا لأكثر من عشر سنوات وتطور بشكل كبير في العديد من الجوانب مثل الأداء الوظيفي، واجهة المستخدم، ونمطية. على سبيل المثال، يمكن لهذه الأداة تصور اتجاه الألياف المحلية وتسمح للمستخدم بقياس ما يصل إلى ثلاثين من ميزات الألياف بما في ذلك خصائص الألياف الفردية مثل الطول والزاوية والعرض والتصوّر، بالإضافة إلى القياسات الكبيرة مثل الكثافة والمحاذاة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمستخدم قياس زاوية الألياف نسبة إلى يدويا أو تلقائيا الحدود مجزأة، والتي، على سبيل المثال، تلعب دورا هاما في التنمية القائمة على الصورة biomarker في سرطان الثدي22 وسرطان البنكرياس دراسات10. توفر هذه المنصة العديد من وحدات الميزات بما في ذلك تلك لتحليل العائد على الاستثمار ، وإنشاء الحدود التلقائية ، والمعالجة اللاحقة. يمكن استخدام وحدة عائد الاستثمار لـ تعليق أشكال مختلفة من عائد الاستثمار وإجراء تحليل عائد الاستثمار المطابق. كمثال على التطبيق، يمكن استخدام وحدة إنشاء الحدود التلقائية لتسجيل صور الحقول الساطعة الهماتوسلين وeosin (H&E) مع صور الجيل التوافقي الثاني (SHG) وتوليد قناع الصورة لحدود الورم من صور H&E المسجلة. ويمكن أن تساعد وحدة ما بعد المعالجة على تيسير معالجة ودمج ملفات بيانات المخرجات من الصور الفردية من أجل التحليل الإحصائي الممكن.
لا تتطلب منصة القياس الكمي هذه خبرة مسبقة في البرمجة أو معالجة الصور ويمكنها التعامل مع مجموعات البيانات الكبيرة بما في ذلك مئات أو آلاف الصور ، مما يتيح تحديد كمي فعال لمنظمة الكولاجين للتطبيقات البيولوجية أو الطبية الحيوية. وقد تم استخدامه على نطاق واسع في مجالات البحث المختلفة من قبل العديد من الباحثين في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك أنفسنا. هناك أربعة منشورات رئيسية على CT-FIRE و CurveAlign18,19,20,21, منها الثلاثة الأولى قد استشهد 272 مرة (اعتبارا من 2020-05-04 وفقا لجوجل الباحث). ويشير استعراض للمنشورات التي استشهدت بهذه المنصة (CT-FIRE أو CurveAlign) إلى أن هناك ما يقرب من 110 من ورقات المجلات التي استخدمتها مباشرة لتحليلها، حيث كان هناك ما يقرب من 35 منشوراً متعاوناً مع مجموعتنا، بينما كتبت مجموعات أخرى (~ 75) منشورات أخرى. فعلى سبيل المثال، تم استخدام هذه المنصة للدراسات التالية: سرطان الثدي22,23,24, سرطان البنكرياس10,25, سرطان الكلى9,26, التئام الجروح3,27,28,29,30, سرطان المبيض8,31,7, الرباط الرحمي32, نقص الفسيفوضية دنتين1 سرطانالخلايا القاعدية34, ساركوما نقص الأكسجة35, نسيج الغضاريف36, خلل في القلب37, الخلايا العصبية38, جليبلاستوما39, تقلصات اللمفية40, cacffolds ليفي41, سرطان المعدة42, ميكروتوبول43, وتليف المثانة44. يوضح الشكل 1 تطبيق تصوير السرطان من CurveAlign للعثور على تواقيع الكولاجين المرتبطة بالورم لسرطان الثدي19 من صورة SHG. يصف الشكل 2 سير عمل تخطيطي نموذجي لهذا النظام الأساسي. على الرغم من أن هذه الأدوات قد استعرضت تقنيا18،19،21، وبروتوكولمنتظم 20 لتحليل المحاذاة مع CurveAlign هو متاح أيضا ، بروتوكول البصرية التي توضح جميع الميزات الأساسية يمكن أن تكون مفيدة. ومن شأن بروتوكول متصور، كما هو معروض هنا، أن ييسر عملية التعلم من استخدام هذه المنصة، فضلا عن معالجة الشواغل والأسئلة التي قد تكون لدى المستخدمين على نحو أكثر كفاءة.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>CT-FIRE</td>
			<td>Univerity of Wisconsin-Madison</td>
			<td>N/A</td>
			<td>open source software available from https://eliceirilab.org/software/ctfire/</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CurveAlign</td>
			<td>University of Wisconsin-Madison</td>
			<td>N/A</td>
			<td>open source software available from https://eliceirilab.org/software/curvealign/</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantifying fibrillar collagen organization with curvelet transform-based tools

الكولاجين الفيبريلار هي المصفوفة خارج الخلية البارزة (ECM) المكونات، وقد تبين أن التغييرات طوبولوجيا لها أن تكون مرتبطة مع تطور مجموعة واسعة من الأمراض بما في ذلك سرطان الثدي, المبيض, الكلى, وسرطان البنكرياس. وتركز الأدوات المتاحة مجانا البرمجيات الكم الألياف أساسا على حساب محاذاة الألياف أو التوجه، وأنها تخضع لقيود مثل شرط الخطوات اليدوية، وعدم الدقة في الكشف عن حافة الألياف في الخلفية صاخبة، أو عدم وجود توصيف ميزة المترجمة. تتميز أداة كمية الألياف الكولاجين الموضحة في هذا البروتوكول باستخدام تمثيل مثالي للصور متعددة الدرجات ممكّن من تحويل curvelet (CT). هذا النهج الخوارزمي يسمح لإزالة الضوضاء من صور الكولاجين الفيبريلار وتعزيز حواف الألياف لتوفير معلومات الموقع والتوجه مباشرة من الألياف، بدلا من استخدام غير المباشرة بكسل الحكمة أو نافذة الحكمة المعلومات التي تم الحصول عليها من أدوات أخرى. يحتوي هذا الإطار المستند إلى CT على حزمتين منفصلتين، ولكن مرتبطتين، تسمى "CT-FIRE" و "CurveAlign" التي يمكنها قياس تنظيم الألياف على مستوى عالمي أو منطقة ذات أهمية (ROI) أو أساس الألياف الفردية. وقد تم تطوير هذا الإطار الكمي لأكثر من عشر سنوات، وتطور الآن إلى منصة شاملة وناقلها المستخدم من أجل تكميم الكولاجين. باستخدام هذه المنصة، يمكن قياس ما يصل إلى حوالي ثلاثين من ميزات الألياف بما في ذلك خصائص الألياف الفردية مثل الطول والزاوية والعرض والات المستقيم، بالإضافة إلى القياسات السائبة مثل الكثافة والمحاذاة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمستخدم قياس زاوية الألياف النسبية للحدود المجزأة يدويا أو تلقائيا. كما توفر هذه المنصة العديد من الوحدات الإضافية بما في ذلك الوحدات لتحليل عائد الاستثمار ، وإنشاء الحدود التلقائية ، والمعالجة اللاحقة. استخدام هذه المنصة لا يتطلب خبرة سابقة في البرمجة أو معالجة الصور ، ويمكن التعامل مع مجموعات البيانات الكبيرة بما في ذلك مئات أو آلاف الصور ، مما يتيح تحديد كمي فعال لتنظيم ألياف الكولاجين للتطبيقات البيولوجية أو الطبية الحيوية.

وقد طبقت هذه الأساليب بنجاح في العديد من الدراسات. بعض التطبيقات النموذجية تشمل: 1) Conklin وآخرون22 تستخدم CurveAlign لحساب الكولاجين المرتبطة بالورم التوقيعات, ووجدت أن ألياف الكولاجين كانت أكثر محاذاة عموديا على محيط القناة في سرطان القناة في الموقع (DCIS) الآفات; 2) Drifka وآخرون<sup class="xref...

Watch this Scientific Journal Video about Quantifying Fibrillar Collagen Organization with Curvelet Transform-Based Tools at JoVE.com

Quantifying Fibrillar Collagen Organization with Curvelet Transform-Based Tools

هنا، نقدم بروتوكول لاستخدام منحنية تحويل القائمة، أداة برنامج MATLAB مفتوحة المصدر لتحديد حجم منظمة الكولاجين الفيبريلار في مصفوفة خارج الخلية من كل من الأنسجة العادية والمامراضة. يمكن تطبيق هذه الأداة على الصور مع ألياف الكولاجين أو أنواع أخرى من الهياكل مثل خط.

قياس القياس فيبريلار منظمة الكولاجين مع Curvelet تحويل القائم على أدوات

Fibrillar collagens are prominent extracellular matrix (ECM) components, and their topology changes have been shown to be associated with the progression ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Preparation of Complaint Matrices for Quantifying Cellular Contraction

إعداد مصفوفات شكوى لقياس تقلص الخليوي

The regulation of cellular adhesion to the extracellular matrix (ECM) is essential for cell migration and ECM remodeling.  Focal adhesions are ...

Quantifying the Mechanical Properties of the Endothelial Glycocalyx with Atomic Force Microscopy

قياس الخواص الميكانيكية للالكنان السكري غشائي مع مجهر القوة الذرية

Our  understanding of the interaction of leukocytes and the vessel wall during  leukocyte capture is limited by an incomplete understanding of the ...

Imaging Denatured Collagen Strands In vivo and Ex vivo via Photo-triggered Hybridization of Caged Collagen Mimetic Peptides

Imaging Denatured Collagen Strands In vivo and Ex vivo via Photo-triggered Hybridization of Caged Collagen Mimetic Peptides

التصوير مبدل طبيعة الكولاجين السواحل<em&gt; في الجسم الحي</em&gt; و<em&gt; خارج الحي</em&gt; عن طريق التهجين أثار صور من المحاكاة محبوس الكولاجين الببتيدات

Collagen is a major structural component of the extracellular matrix that supports tissue formation and maintenance. Although collagen remodeling is an ...

Helical Organization of Blood Coagulation Factor VIII on Lipid Nanotubes

منظمة حلزونية من الدم التخثر عامل الثامن على الدهون الأنابيب النانومترية

Cryo-electron microscopy (Cryo-EM)1 is a powerful approach to investigate the functional structure of proteins and complexes in a hydrated state and ...

Analysis of Cell Migration within a Three-dimensional Collagen Matrix

تحليل الهجرة خلية داخل الكولاجين مصفوفة ثلاثية الأبعاد

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic ...

Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization

Electrospun ألياف نانوية السقالات مع التدريجات ​​في منظمة الألياف

The goal of this protocol is to report a simple method for generating nanofiber scaffolds with gradations in fiber organization and test their possible ...

Engineering 3D Cellularized Collagen Gels for Vascular Tissue Regeneration

الهندسة 3D Cellularized الهلام الكولاجين لتجديد الأنسجة الوعائية

Synthetic materials are known to initiate clinical complications such as inflammation, stenosis, and infections when implanted as vascular substitutes. ...

Engineered 3D Silk-collagen-based Model of Polarized Neural Tissue

استنادا الحرير الكولاجين المهندسة 3D نموذج الاستقطاب العصبية الأنسجة

Despite huge efforts to decipher the anatomy, composition and function of the brain, it remains the least understood organ of the human body. To gain a ...

A Novel Tenorrhaphy Suture Technique with Tissue Engineered Collagen Graft to Repair Large Tendon Defects

تقنية خياطة تينورهافي جديدة مع الأنسجة المهندسة الكولاجين الكسب غير المشروع لإصلاح عيوب وتر كبير

Surgical management of large tendon defects with tendon grafts is challenging, as there are a finite number of sites where donors can be readily ...

Quantifying Intermembrane Distances with Serial Image Dilations

قياس المسافات إينتيرميمبراني مع ديليشنز صورة المسلسل

A recently-described extracellular nanodomain, termed the perinexus, has been implicated in ephaptic coupling, which is an alternative mechanism for ...