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

Vi takker mange bidragsytere og brukere til CT-FIRE og CurveAlign gjennom årene, inkludert Dr. Rob Nowak, Dr. Carolyn Pehlke, Dr. Jeremy Bredfeldt, Guneet Mehta, Andrew Leicht, Dr. Adib Keikhosravi, Dr. Matt Conklin, Dr. Jayne Squirrell, Dr. Paolo Provenzano, Dr. Brenda Ogle, Dr. Patricia Keely, Dr. Joseph Szulczewski, Dr. Suzanne Ponik og ytterligere tekniske bidrag fra Swati Anand og Curtis Rueden. Dette arbeidet ble støttet av finansiering fra Semiconductor Research Corporation, Morgridge Institute for Research og NIH gir R01CA199996, R01CA181385 og U54CA210190 til K.W.E.

MERK: Denne protokollen beskriver bruken av CT-FIRE og CurveAlign for kollagenkvantifisering. Disse to verktøyene har komplementære, men forskjellige, hovedmål og er knyttet sammen til en viss grad. CT-FIRE kan startes fra CurveAlign-grensesnittet for å utføre de fleste operasjoner, bortsett fra avansert etterbehandling og avkastningsanalyse. For full drift av CT-FIRE, bør den lanseres separat.
1. Krav til bildesamling og bilde
MERK: Verktøyet kan behandle en h...

Denne protokollen beskriver bruken av CT-FIRE og CurveAlign for fibrillar kollagen kvantifisering og kan brukes på et bilde med kollagenfibre eller andre linjelignende eller fiberlignende langstrakte strukturer egnet for analyse av CT-FIRE eller CurveAlign. For eksempel kan elastin eller elastiske fibre behandles på en lignende måte på denne plattformen. Vi har testet begge verktøyene på beregningsmessig genererte syntetiske fibre21. Avhengig av programmet bør brukerne velge analysemodusen ...

Fibrillar kollagen er fremtredende, strukturelle ECM-komponenter. Deres organisasjon endrer innvirkning vev funksjon og er sannsynlig forbundet med utviklingen av mange sykdommer som spenner fra osteogenese imperfecta1,hjertedysfunksjon 2,og sårheling3 til ulike typer kreft inkludert bryst4,5,6,ovarian7,8, nyre9, og bukspyttkjertelkreft10. Mange etablerte bildemodaliteter kan brukes til å visualisere fibrillar kollagen som andre harmonisk generasjon mikroskopi11,flekker eller fargestoffer i forbindelse med lyse felt eller fluorescensmikroskopi eller polarisert lysmikroskopi12,flytende krystallbasert polariseringmikroskopi (LC-PolScope)13og elektronmikroskopi14. Etter hvert som betydningen av fibrillar kollagenorganisasjon har blitt klarere, og bruken av disse metodene har økt, har behovet for forbedret kollagenfiberanalyse også vokst.
Det har vært mange anstrengelser for å utvikle beregningsmetoder for automatisert måling av fibrillar kollagen. Fritt tilgjengelige programvareverktøy er hovedsakelig fokusert på beregning av fiberjustering eller orientering ved å vedta enten første derivat eller struktur tensor for piksler15,16eller Fourier transform-basert spektrumanalyse for bildefliser17. Alle disse verktøyene er underlagt begrensninger som kravet om manuelle trinn, unøyaktighet i påvisning av fiberkanten i støyende bakgrunn, eller mangel på lokalisert funksjonskarakterisering.
Sammenlignet med andre fritt tilgjengelige åpen kildekode-gratis programvareverktøy, bruker metodene som er beskrevet i denne protokollen CT – en optimal, multiskala, retningsbestemt bilderepresentasjonsmetode – for å fjerne støy fra fibrillarlagenbilder og forbedre eller spore fiberkanter. Informasjon om plassering og orientering kan gis direkte fra en fiber i stedet for ved å bruke den indirekte pikselvise eller vindusvise informasjonen til å utlede beregningene til fiberorganisasjonen. Dette CT-baserterammeverket 18,19,20,21 kan kvantifisere fiberorganisasjon på global, avkastning eller fiberbasis, hovedsakelig via to separate, men koblede pakker kalt "CT-FIRE"18,21 og "CurveAlign"19,21. Når det gjelder implementeringen av programvaren, kan CT-FIRE-koeffisienter på flere skalaer brukes til å rekonstruere et bilde som forbedrer kantene og reduserer støy. Deretter brukes en individuell fiberekstraksjonsalgoritme på det CT-rekonstruerte bildet for å spore fibre for å finne sine representative senterpunkter, utvide fibergrener fra midtpunktene og knytte fibergrener for å danne et fibernettverk. I CurveAlign kan CT-koeffisienter på en brukerspesifisert skala brukes til å spore lokal fiberorientering, der retningen og plasseringen av kurveletter ekstraheres og grupperes for å estimere fiberorienteringen på de tilsvarende stedene. Dette resulterende kvantifiseringsrammeverket er utviklet i mer enn ti år og har utviklet seg sterkt i mange aspekter som funksjonalitet, brukergrensesnitt og modularitet. For eksempel kan dette verktøyet visualisere lokal fiberorientering og lar brukeren måle opptil tretti fiberfunksjoner, inkludert individuelle fiberegenskaper som lengde, vinkel, bredde og retthet, samt bulkmålinger som tetthet og justering. I tillegg kan brukeren måle fibervinkel i forhold til manuelt eller automatisk segmenterte grenser, som for eksempel spiller en viktig rolle i bildebasert biomarkørutvikling i brystkreft22 og kreftstudieri bukspyttkjertelen 10. Denne plattformen inneholder flere funksjonsmoduler, inkludert de for roi-analyse, automatisk grenseoppretting og etterbehandling. ROI-modulen kan brukes til å kommentere ulike former for avkastning og utføre tilsvarende avkastningsanalyse. Som et eksempel på søknad kan den automatiske grenseopprettingsmodulen brukes til å registrere hematoksylin og eosin (H&E) lyse feltbilder med andre harmoniske generasjonsbilder (SHG) og generere bildemasken av tumorgrenser fra de registrerte H&E-bildene. Etterbehandlingsmodulen kan bidra til å lette behandling og integrering av utdatafiler fra individuelle bilder for mulig statistisk analyse.
Denne kvantifiseringsplattformen krever ikke tidligere erfaring med programmering eller bildebehandling og kan håndtere store datasett, inkludert hundrevis eller tusenvis av bilder, noe som muliggjør effektiv kvantifisering av kollagenorganisasjon for biologiske eller biomedisinske applikasjoner. Det har vært mye brukt i ulike forskningsfelt av mange forskere over hele verden, inkludert oss selv. Det er fire hovedpublikasjoner på CT-FIRE og CurveAlign18,19,20,21, hvorav de tre første har blitt sitert 272 ganger (per 2020-05-04 ifølge Google Scholar). En gjennomgang av publikasjonene som siterte denne plattformen (CT-FIRE eller CurveAlign) indikerer at det er omtrent 110 tidsskriftpapirer som direkte brukte den til deres analyse, der ca 35 publikasjoner samarbeidet med gruppen vår, og de andre (~ 75) ble skrevet av andre grupper. For eksempel, denne plattformen ble brukt til følgende studier: brystkreft22,23,24, kreft ibukspyttkjertelen 10,25, nyrekreft9,26, sårheling3,27,28,29,30, eggstokkreft8,31,7, uterosacral ligament32, hypofosfatmisk dentin33, basalcellekarsinom34, hypoksisk sarkom35, bruskvev36, hjertedysfunksjon37, nevroner38, glioblastom39, lymfatiske sammentrekninger40, fibrøse kaktos41, magekreft42, mikrotubuli43og blærefibrose44. Figur 1 demonstrerer kreftavbildningsapplikasjonen av CurveAlign for å finne de tumorrelaterte kollagensignaturenetil brystkreft 19 fra SHG-bildet. Figur 2 beskriver en typisk skjematisk arbeidsflyt for denne plattformen. Selv om disse verktøyene har blitt gjennomgått teknisk18,19,21,og en vanligprotokoll 20 for justering analyse med CurveAlign er også tilgjengelig, en visuell protokoll som demonstrerer alle de essensielle funksjonene kan være nyttig. En visualisert protokoll, som presentert her, vil lette læringsprosessen ved å bruke denne plattformen, samt mer effektivt ta opp bekymringer og spørsmål som brukerne kan ha.

<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

Fibrillar kollagen er fremtredende ekstracellulære matrix (ECM) komponenter, og deres topologi endringer har vist seg å være forbundet med utviklingen av et bredt spekter av sykdommer, inkludert bryst, eggstokkene, nyre, og bukspyttkjertelkreft. Fritt tilgjengelige fiber kvantifisering programvareverktøy er hovedsakelig fokusert på beregning av fiber justering eller orientering, og de er underlagt begrensninger som kravet om manuelle trinn, unøyaktighet i påvisning av fiber kanten i støyende bakgrunn, eller mangel på lokalisert funksjon karakterisering. Kollagen fiber kvantisering verktøyet beskrevet i denne protokollen er preget av å bruke en optimal multiskala bilde representasjon aktivert av kurve transformering (CT). Denne algoritmiske tilnærmingen gjør det mulig å fjerne støy fra fibrillar kollagenbilder og forbedring av fiberkanter for å gi steds- og orienteringsinformasjon direkte fra en fiber, i stedet for å bruke den indirekte pikselvise eller vindusvise informasjonen hentet fra andre verktøy. Dette CT-baserte rammeverket inneholder to separate, men koblede pakker kalt "CT-FIRE" og "CurveAlign" som kan kvantifisere fiberorganisasjon på en global interesseregion (ROI) eller individuell fiberbasis. Dette kvantifiseringsrammeverket er utviklet i mer enn ti år og har nå utviklet seg til en omfattende og brukerdrevet kollagenkvantifiseringsplattform. Ved hjelp av denne plattformen kan man måle opptil tretti fiberfunksjoner, inkludert individuelle fiberegenskaper som lengde, vinkel, bredde og retthet, samt bulkmålinger som tetthet og justering. I tillegg kan brukeren måle fibervinkel i forhold til manuelt eller automatisk segmenterte grenser. Denne plattformen tilbyr også flere ekstra moduler, inkludert de for ROI-analyse, automatisk grenseoppretting og etterbehandling. Bruk av denne plattformen krever ikke tidligere erfaring med programmering eller bildebehandling, og den kan håndtere store datasett, inkludert hundrevis eller tusenvis av bilder, noe som muliggjør effektiv kvantifisering av kollagenfiberorganisasjon for biologiske eller biomedisinske applikasjoner.

Disse metodene har blitt brukt i mange studier. Noen typiske applikasjoner inkluderer: 1) Conklin et al.22 brukte CurveAlign til å beregne tumor-assosiert kollagen signaturer, og fant at kollagen fibre var oftere justert vinkelrett på kanalen omkretsen i ductal karsinom in situ (DCIS) lesjoner; 2) Drifka et al.10 brukte CT-FIRE-modus i CurveAlign å kvantifisere stromal kollagen justering for bukspyttkjertel ductal adenokarsinom og normal / kronisk pankreatitt vev, og fan...

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

Her presenterer vi en protokoll for å bruke et kurveglassede, åpen kildekode MATLAB-programvareverktøy for å kvantifisere fibrillar kollagenorganisasjon i den ekstracellulære matrisen av både normalt og sykt vev. Dette verktøyet kan brukes på bilder med kollagenfibre eller andre typer linjelignende strukturer.

Kvantifisere fibrillar kollagenorganisasjon med kurve transformerebaserte verktøy

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

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

Kvantifisere mekaniske egenskaper endotel Glycocalyx med Atomic Force Microscopy

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

Imaging denaturert kollagen Strands<em&gt; In vivo</em&gt; Og<em&gt; Ex vivo</em&gt; Via Photo-utløst Hybridisering av Caged Kollagen Mimetic Peptider

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

Helical Organisering av koagulasjonsfaktor VIII på Lipid Nanorør

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

Analyse av celle migrasjon innenfor en tre-dimensjonal Kollagen Matrix

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

Elektrospunnede nanofiber Stillas med graderinger i Fiber Organization

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

Ingeniør 3D Cellularized Kollagen Geleer til Vaskulær Tissue Regeneration

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

Engineered 3D Silk-kollagen-basert modell av polarisert Neural Tissue

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

En ny Tenorrhaphy sutur teknikk med vev konstruert kollagen graft å reparere store sene defekter

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

Kvantifisere Intermembrane avstander med føljetong bilde Dilations

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