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

אנו מודים לתורמים ומשתמשים רבים ל-CT-FIRE ו-CurveAlign לאורך השנים, כולל ד"ר רוב נובאק, ד"ר קרולין פלקה, ד"ר ג'רמי ברדפלדט, גונת מהטה, אנדרו ליכט, ד"ר אדיב קיחוסרבי, ד"ר מאט קונקלין, ד"ר ג'יין סקווירל, ד"ר פאולו פרובנזנו, ד"ר ברנדה אוגל, ד"ר פטרישיה קילי, ד"ר ג'וזף סולצ'בסקי, ד"ר סוזן פוניק ותרומות טכניות נוספות מסוואטי אנאנד וקרדיט. עבודה זו נתמכה על ידי מימון של חברת מחקר מוליכים למחצה, מכון מורגרידג' למחקר, ו NIH מענקים R01CA199996, R01CA181385 ו U54CA210190 כדי K.W.E.

הערה: פרוטוקול זה מתאר את השימוש ב- CT-FIRE וב- CurveAlign לכימות קולגן. לשני כלים אלה יש מטרות עיקריות משלימות, אך שונות, והן מקושרות זו לזו במידה מסוימת. CT-FIRE יכול להיות משוגר מממשק CurveAlign לנהל את רוב הפעולות למעט ניתוח שלאחר עיבוד וההתחזור על ההשקעה מתקדמים. להפעלה מלאה של CT-FIRE, זה צריך להיות משוגר ב?...

פרוטוקול זה מתאר את השימוש CT-FIRE ו CurveAlign עבור כימות קולגן fibrillar והוא יכול להיות מיושם על כל תמונה עם סיבי קולגן או מבנים מוארכים אחרים דמויי קו או סיבים מתאים לניתוח על ידי CT-FIRE או CurveAlign. לדוגמה, אלסטין או סיבים אלסטיים יכולים להיות מעובדים באופן דומה בפלטפורמה זו. בדקנו את שני הכלים על סיבים ?...

קולגני פיברילאר בולטים, מרכיבי ECM מבניים. הארגון שלהם משנה את תפקוד רקמת ההשפעה והם קשורים ככל הנראה עם התקדמות של מחלות רבות החל osteogenesis imperfecta1, תפקוד לקוי של הלב2, ואת הפצע ריפוי3 סוגים שונים של סרטן כולל השד4,5,6, השחלות7,8, כליות9, וסרטן הלבלב10. ניתן להשתמש באופני הדמיה מבוססים רבים כדי לדמיין קולגן פיברילאר כגון מיקרוסקופיה דור הרמוני שני11, כתמים או צבעים בשילוב עם מיקרוסקופיה שדה בהיר או פלואורסצנטי או מיקרוסקופ אור מקוטב12, מיקרוסקופ קיטוב מבוסס גביש נוזלי (LC-PolScope)13, ומיקרוסקופ אלקטרונים14. ככל שהחשיבות של ארגון קולגן פיברילאר הפכה ברורה יותר, והשימוש בשיטות אלה גדל, גדל גם הצורך בגישות משופרות לניתוח סיבי קולגן.
היו מאמצים רבים לפתח שיטות חישוביות למדידה אוטומטית של קולגן פיברילאר. כלי תוכנה זמינים בחופשיות מתמקדים בעיקר בחישוב יישור סיבים או אוריינטציה על ידי אימוץ טנזור נגזר או מבנה ראשון עבור פיקסלים15,16, או ניתוח ספקטרום מבוסס שינוי פורייה עבור אריחי תמונה17. כל הכלים הללו כפופים למגבלות כגון דרישה לשלבים ידניים, אי דיוק בזיהוי קצה הסיבים ברקע רועש או היעדר אפיון תכונות מקומי.
בהשוואה לכלי תוכנה חופשיים אחרים הזמינים באופן חופשי בקוד פתוח, השיטות המתוארות בפרוטוקול זה משתמשות ב- CT - שיטת ייצוג תמונה אופטימלית, רב-גוונית וכיוונית - כדי להסיר רעש מתמונות קולגן פיברילאר ולשפר או לעקוב אחר קצוות סיבים. ניתן לספק מידע על מיקום והתמצאות ישירות מסיבים ולא באמצעות המידע העקיף מבחינת פיקסלים או מבחינת חלונות כדי להסיק את המדדים של ארגון הסיבים. מסגרת מבוססת CT זו18,19,20,21 יכולה לכמת את ארגון הסיבים על בסיס גלובלי, החזר על ההשקעה או סיבים, בעיקר באמצעות שתי חבילות נפרדות, אך מקושרות, בשם "CT-FIRE"18,21 ו- "CurveAlign"19,21. בכל הנוגע ליישום התוכנה, ב- CT-FIRE, מקדמי CT על קשקשים מרובים יכולים לשמש לשחזור תמונה המשפרת קצוות ומפחיתה רעש. לאחר מכן, אלגוריתם מיצוי סיבים בודד מוחל על התמונה המשוחזרת על ידי CT כדי לעקוב אחר סיבים למציאת נקודות המרכז הייצוגיות שלהם, הרחבת ענפי סיבים מנקודות המרכז וקישור ענפי סיבים ליצירת רשת סיבים. ב- CurveAlign, מקדמי CT בקנה מידה שצוין על-ידי המשתמש יכולים לשמש למעקב אחר כיוון סיבים מקומי, שבו הכיוון והמיקומים של עקומות מופקים ומקובצים כדי להעריך את כיוון הסיבים במיקומים המתאימים. מסגרת כימות זו פותחה במשך יותר מעשר שנים והתפתחה מאוד בהיבטים רבים כגון פונקציונליות, ממשק משתמש ומודולריות. לדוגמה, כלי זה יכול לדמיין כיוון סיבים מקומי ומאפשר למשתמש למדוד עד שלושים תכונות סיבים כולל תכונות סיבים בודדים כגון אורך, זווית, רוחב וישירות, כמו גם מדידות בצובר כגון צפיפות ויישור. בנוסף, המשתמש יכול למדוד זווית סיבים יחסית באופן ידני או אוטומטי גבולות מקוטעים, אשר, למשל, ממלא תפקיד חשוב בהתפתחות סמן ביולוגי מבוסס תמונה בסרטן השד22 ומחקרי סרטן הלבלב10. פלטפורמה זו מספקת מספר מודולי תכונות, כולל מודולים לניתוח החזר על ההשקעה, יצירת גבולות אוטומטית ולאחר עיבוד. ניתן להשתמש במודול ההחזר על ההשקעה כדי להוסיף ביאורים לצורות שונות של החזר ההשקעה ולבצע ניתוח החזר על ההשקעה המתאים. כדוגמה ליישום, מודול יצירת הגבולות האוטומטי יכול לשמש לרישום תמונות שדה בהירות של המטוקסילין ואאוסין (H&E) עם תמונות דור הרמוני שני (SHG) וליצור את מסכת התמונה של גבולות הגידול מתמונות H&E הרשומות. מודול שלאחר העיבוד יכול לסייע בעיבוד ואינטגרציה של קבצי נתוני פלט מתמונות בודדות לצורך ניתוח סטטיסטי אפשרי.
פלטפורמת כימות זו אינה דורשת ניסיון קודם בתכנות או בעיבוד תמונה ויכולה לטפל בערכות נתונים גדולות הכוללות מאות או אלפי תמונות, המאפשרות כימות יעיל של ארגון קולגן עבור יישומים ביולוגיים או ביו-רפואיים. זה כבר בשימוש נרחב בתחומי מחקר שונים על ידי חוקרים רבים בכל רחבי העולם, כולל את עצמנו. ישנם ארבעה פרסומים עיקריים על CT-FIRE ו CurveAlign18,19,20,21, מתוכם שלושת הראשונים צוטטו 272 פעמים (נכון ל 2020-05-04 על פי Google Scholar). סקירה של הפרסומים שציטטו פלטפורמה זו (CT-FIRE או CurveAlign) מצביעה על כך שיש כ -110 כתבי עת שהשתמשו בו ישירות לניתוח שלהם, שבו כ -35 פרסומים היו בשיתוף פעולה עם הקבוצה שלנו, והאחרים (~ 75) נכתבו על ידי קבוצות אחרות. למשל, פלטפורמה זו שימשה למחקרים הבאים: סרטן השד22,23,24, סרטןהלבלב 10,25, סרטן הכליה9,26, ריפוי פצעים3,27,28,29,30, סרטן השחלות8,31,7, רצועה הרחם32, hypophosphatemic dentin33, קרצינומה של תאי בזלת34, סרקומה היפוקסית35, רקמת סחוס36, תפקוד לקוי של הלב37, נוירונים38, גליובלסטומה39, התכווצויות לימפתיות40, cacffolds סיבי41, סרטןקיבה 42, microtubule43, ופיברוזיס שלפוחית השתן44. איור 1 מדגים את יישום ההדמיה של סרטן CurveAlign כדי למצוא את חתימות הקולגן הקשורות לגידול של סרטן השד19 מתמונת SHG. איור 2 מתאר זרימת עבודה סכמטית טיפוסית של פלטפורמה זו. למרות שכלים אלה נבדקו טכנית18,19,21, ופרוטוקול רגיל20 לניתוח יישור עם CurveAlign זמין גם, פרוטוקול חזותי המדגים את כל התכונות החיוניות יכול להיות שימושי. פרוטוקול חזותי, כפי שמוצג כאן, יקל על תהליך הלמידה של שימוש בפלטפורמה זו, כמו גם יתייחס בצורה יעילה יותר לחששות ולשאלות שעשויות להיות למשתמשים.

<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

קולגנים Fibrillar הם מרכיבים בולטים מטריצה חוץ תאית (ECM), ושינויים בטופולוגיה שלהם הוכחו להיות קשורים עם התקדמות של מגוון רחב של מחלות כולל השד, השחלות, הכליות, סרטן הלבלב. כלי תוכנה לכימות סיבים הזמינים באופן חופשי מתמקדים בעיקר בחישוב יישור סיבים או אוריינטציה, והם כפופים למגבלות כגון דרישה של צעדים ידניים, אי דיוק בזיהוי קצה הסיבים ברקע רועש, או חוסר אפיון תכונות מקומי. הכלי לכמות סיבי קולגן המתואר בפרוטוקול זה מאופיין בשימוש בייצוג תמונה רב-גווני אופטימלי המופעל על-ידי המרה מעוגלת (CT). גישה אלגוריתמית זו מאפשרת הסרת רעש מתמונות קולגן פיברילאר ושיפור קצוות הסיבים כדי לספק מידע מיקום והתמצאות ישירות מסיבים, במקום להשתמש במידע העקיף מבחינת פיקסלים או מבחינת חלונות המתקבל מכלים אחרים. מסגרת מבוססת CT זו מכילה שתי חבילות נפרדות, אך מקושרות, בשם "CT-FIRE" ו- "CurveAlign" שיכולות לכמת את ארגון הסיבים על בסיס גלובלי, אזור עניין (ROI) או סיבים בודדים. מסגרת כימות זו פותחה במשך יותר מעשר שנים וכעת התפתחה לפלטפורמת כימות קולגן מקיפה ומונעת על ידי משתמשים. באמצעות פלטפורמה זו, ניתן למדוד עד כשלושים תכונות סיבים כולל תכונות סיבים בודדים כגון אורך, זווית, רוחב וישירות, כמו גם מדידות בצובר כגון צפיפות ויישור. בנוסף, המשתמש יכול למדוד זווית סיבים יחסית לגבולות מחולקים באופן ידני או אוטומטי. פלטפורמה זו מספקת גם מספר מודולים נוספים, כולל מודולים לניתוח החזר על ההשקעה, יצירת גבולות אוטומטית ולאחר עיבוד. שימוש בפלטפורמה זו אינו דורש ניסיון קודם בתכנות או בעיבוד תמונה, והוא יכול להתמודד עם ערכות נתונים גדולות כולל מאות או אלפי תמונות, המאפשר כימות יעיל של ארגון סיבי קולגן עבור יישומים ביולוגיים או ביו-רפואיים.

שיטות אלה יושמו בהצלחה במחקרים רבים. כמה יישומים אופייניים כוללים: 1) Conklin et al.22 השתמשו CurveAlign כדי לחשב חתימות קולגן הקשורות לגידול, ומצא כי סיבי קולגן היו מיושרים לעתים קרובות יותר בניצב להיקף צינור קרצינומה צינורית במקום (DCIS) נגעים; 2) Drifka et al.10 השתמשו במצב CT-FIRE ב CurveAl...

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

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לשימוש מבוסס טרנספורמציה מעוקל, קוד פתוח MATLAB תוכנה כלי לכימות ארגון קולגן fibrillar במטריצה חוץ תאית של רקמות נורמליות ומחלות כאחד. ניתן להחיל כלי זה על תמונות עם סיבי קולגן או סוגים אחרים של מבנים דמויי קו.

כימות ארגון קולגן פיברילאר עם כלים מבוססי המרה של Curvelet

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

הכנת מטריצות תלונה לכימות התכווצות נייד

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

כימות תכונות המכאניות של Glycocalyx האנדותל עם מיקרוסקופי כוח אטומי

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

הדמיה גידים קולגן המפוגל<em&gt; בvivo</em&gt; ו<em&gt; Ex vivo</em&gt; באמצעות הכלאה-מופעל על תמונה של Caged קולגן כוזב פפטידים

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

ארגון סליל של דם קרישת פקטור VIII ביפידים צינוריות

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

ניתוח של נדידת תאים בתוך קולגן מטריקס תלת ממדי

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 nanofiber פיגומים עם דרגות בארגון סיבים

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

הנדסת ג&#39;ל קולגן Cellularized 3D לשחזור רקמות וכלי דם

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

דגם של רקמות עצביות מקוטב מבוסס משי-קולגן מהונדס 3D

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

טכניקת תפירת טנורהאפי חדשנית עם שתל קולגן מהונדס רקמה לתיקון פגמים גדולים בגיד

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

לכימות מרחקים Intermembrane עם תמונות טורי Dilations

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