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 tackar många bidragsgivare och användare till CT-FIRE och CurveAlign genom åren, inklusive 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 och ytterligare tekniska bidrag från Swati Anand och Curtis Rueden. Detta arbete stöddes av finansiering från Semiconductor Research Corporation, Morgridge Institute for Research och NIH beviljar R01CA199996, R01CA181385 och U54CA210190 till K.W.E.

OBS: Detta protokoll beskriver användningen av CT-FIRE och CurveAlign för kollagen kvantifiering. Dessa två verktyg har kompletterande, men olika, huvudmål och är i viss mån sammankopplade. CT-FIRE kan lanseras från CurveAlign-gränssnittet för att utföra de flesta operationer förutom avancerad efterbehandling och ROI-analys. För en fullständig drift av CT-FIRE bör den startas separat.
1. Krav på bildsamling och bild
OBS: Verktyget kan bearbeta alla bild...

Detta protokoll beskriver användningen av CT-FIRE och CurveAlign för fibrillar kollagen kvantifiering och kan tillämpas på alla bilder med kollagen fibrer eller andra linjeliknande eller fiber-liknande långsträckta strukturer som är lämpliga för analys av CT-FIRE eller CurveAlign. Till exempel kan elastin eller elastiska fibrer bearbetas på ett liknande sätt på denna plattform. Vi har testat båda verktygen på beräkningsgenererade syntetiska fibrer21. Beroende på programmet bör anv...

Fibrillära kollagener är framträdande, strukturella ECM-komponenter. Deras organisation förändrar påverkan vävnad funktion och är sannolikt associerade med progressionen av många sjukdomar som sträcker sig från osteogenesis imperfecta1,hjärt dysfunktion2, ochsårläkning 3 till olika typer av cancer inklusive bröst4,5,6,äggstockscancer 7,8,njure9, och bukspottskörtelcancer10. Många etablerade bildframställningsmetoder kan användas för att visualisera fibrillärt kollagen såsom andra harmoniska generationensmikroskopi 11,fläckar eller färgämnen i samband med ljust fält eller fluorescensmikroskopi eller polariserad ljusmikroskopi12,flytande kristallbaserad polariseringsmikroskopi (LC-PolScope)13, och elektronmikroskopi14. I och med att vikten av fibrillar kollagenorganisation har blivit tydligare, och användningen av dessa metoder har ökat, har behovet av förbättrade kollagenfiberanalysmetoder också ökat.
Det har gjorts många ansträngningar för att utveckla beräkningsmetoder för automatiserad mätning av fibrillärt kollagen. Fritt tillgängliga programvaruverktyg är främst inriktade på beräkning av fiberjustering eller orientering genom att anta antingen första derivat eller struktur tensor för pixlar15,16, eller Fourier transform-baserad spektrumanalys för bildplattor17. Alla dessa verktyg är föremål för begränsningar som kravet på manuella steg, felaktig upptäckt av fiberkanten i bullrig bakgrund eller brist på lokaliserad funktionskaraktärisering.
Jämfört med andra fritt tillgängliga kostnadsfria programvaruverktyg med öppen källkod använder de metoder som beskrivs i detta protokoll CT – en optimal, mångsidig, riktad bildrepresentationsmetod – för att ta bort brus från fibrillära kollagenbilder och förbättra eller spåra fiberkanter. Information om plats och orientering kan tillhandahållas direkt från en fiber snarare än genom att använda indirekt pixel-klok eller fönstervis information för att härleda fiberorganisationens mätvärden. Detta CT-baserade ramverk18,19,20,21 kan kvantifiera fiberorganisation på global, ROI- eller fiberbasis, främst via två separata, men länkade, paket som heter "CT-FIRE"18,21 och "CurveAlign"19,21. När det gäller implementeringen av programvaran kan CT-KOEfficienter på flera skalor användas för att rekonstruera en bild som förbättrar kanterna och minskar bruset. Sedan tillämpas en individuell fiberutvinningsalgoritm på den CT-rekonstruerade bilden för att spåra fibrer för att hitta sina representativa centrumpunkter, förlänga fibergrenar från mittpunkterna och länka fibergrenar för att bilda ett fibernätverk. I CurveAlign kan CT-koefficienter på en användarspecificerad skala användas för att spåra lokal fiberorientering, där kurvernas orientering och placering extraheras och grupperas för att uppskatta fiberorienteringen på motsvarande platser. Detta resulterande kvantifieringsramverk har utvecklats i mer än tio år och har utvecklats mycket i många aspekter som funktionalitet, användargränssnitt och modularitet. Till exempel kan detta verktyg visualisera lokal fiberorientering och gör det möjligt för användaren att mäta upp till trettio fiberfunktioner inklusive enskilda fiberegenskaper som längd, vinkel, bredd och rakhet, liksom bulkmätningar som densitet och justering. Dessutom kan användaren mäta fibervinkel i förhållande till manuellt eller automatiskt segmenterade gränser, vilket till exempel spelar en viktig roll i bildbaserad biomarkörutveckling i bröstcancer22 och bukspottskörtelcancerstudier10. Den här plattformen tillhandahåller flera funktionsmoduler, inklusive moduler för ROI-analys, automatisk gränsskapande och efterbearbetning. ROI-modulen kan användas för att kommentera olika former av ROI och utföra motsvarande ROI-analys. Som ett applikationsexempel kan den automatiska gränsskapande modulen användas för att registrera hematoxylin- och eosinbilder (H&E) med andra harmoniska generationens (SHG) bilder och generera bildmasken för tumörgränser från de registrerade H&E-bilderna. Efterbehandlingsmodulen kan underlätta bearbetning och integrering av utdatafiler från enskilda bilder för eventuell statistisk analys.
Denna kvantifieringsplattform kräver inte tidigare erfarenhet av programmering eller bildbehandling och kan hantera stora datamängder inklusive hundratals eller tusentals bilder, vilket möjliggör effektiv kvantifiering av kollagenorganisationen för biologiska eller biomedicinska tillämpningar. Det har använts i stor utsträckning inom olika forskningsområden av många forskare över hela världen, inklusive oss själva. Det finns fyra huvudpublikationer på CT-FIRE och CurveAlign18,19,20,21, varav de tre första har citerats 272 gånger (från och med 2020-05-04 enligt Google Scholar). En genomgång av publikationerna som citerade denna plattform (CT-FIRE eller CurveAlign) indikerar att det finns cirka 110 tidskriftspapper som direkt använde den för sin analys, där cirka 35 publikationer samarbetade med vår grupp, och de andra (~ 75) skrevs av andra grupper. Till exempel, Denna plattform användes för följande studier: bröstcancer22, 23,24,bukspottskörtelcancer10,25, njurcancer9,26,sårläkning 3,27,28,29,30, äggstockscancer8,31,7, livmoderns ligament32, hypophosphatemic dentin33 , basalcellskarcinom34, hypoxisk sarkom35,broskvävnad36,hjärtdysfunktion37,nervceller38,glioblastom39,lymfatiska sammandragningar40,fibrösa cacffolds41,magcancer42,mikrotubule43, och urinblåsa fibros44. Figur 1 visar cancer imaging ansökan av CurveAlign för att hitta tumör-associerade kollagen signaturer av bröstcancer19 från SHG bilden. Figur 2 beskriver ett typiskt schematiskt arbetsflöde för den här plattformen. Även om dessa verktyg har granskats tekniskt18,19,21, och ett vanligt protokoll20 för justeringsanalys med CurveAlign är också tillgängligt, kan ett visuellt protokoll som visar alla väsentliga funktioner vara användbart. Ett visualiserat protokoll, som presenteras här, kommer att underlätta inlärningsprocessen för att använda denna plattform samt mer effektivt ta itu med problem och frågor som användare 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 kollagener är framträdande extracellulära matris (ECM) komponenter, och deras topologi förändringar har visat sig vara associerade med utvecklingen av ett brett spektrum av sjukdomar inklusive bröst, äggstockscancer, njure och bukspottskörteln cancer. Fritt tillgängliga fiberk kvantifieringsprogramverktyg är främst inriktade på beräkning av fiberjustering eller orientering, och de är föremål för begränsningar som kravet på manuella steg, felaktighet vid upptäckt av fiberkanten i bullrig bakgrund eller brist på lokaliserad funktion karakterisering. Kollagenfiberk kvantifieringsverktyget som beskrivs i detta protokoll kännetecknas av att använda en optimal flerskalas bildrepresentation aktiverad av curvelet transform (CT). Detta algoritmiska tillvägagångssätt gör det möjligt att ta bort brus från fibrillära kollagenbilder och förbättring av fiberkanter för att ge plats- och orienteringsinformation direkt från en fiber, snarare än att använda indirekt pixel-klok eller fönstervis information som erhållits från andra verktyg. Detta CT-baserade ramverk innehåller två separata, men länkade, paket som heter "CT-FIRE" och "CurveAlign" som kan kvantifiera fiberorganisation på global, region av intresse (ROI) eller individuell fiberbas. Detta kvantifieringsramverk har utvecklats i mer än tio år och har nu utvecklats till en omfattande och användardriven kollagenk kvantifieringsplattform. Med hjälp av denna plattform kan man mäta upp till cirka trettio fiberfunktioner inklusive enskilda fiberegenskaper som längd, vinkel, bredd och rakhet, liksom bulkmätningar som densitet och justering. Dessutom kan användaren mäta fibervinkel i förhållande till manuellt eller automatiskt segmenterade gränser. Denna plattform tillhandahåller också flera ytterligare moduler, inklusive moduler för ROI-analys, automatisk gränsskapande och efterbearbetning. Att använda denna plattform kräver inte tidigare erfarenhet av programmering eller bildbehandling, och den kan hantera stora datamängder inklusive hundratals eller tusentals bilder, vilket möjliggör effektiv kvantifiering av kollagenfiberorganisationen för biologiska eller biomedicinska applikationer.

Dessa metoder har framgångsrikt tillämpats i många studier. Några typiska tillämpningar inkluderar: 1) Conklin et al.22 används CurveAlign för att beräkna tumör-associerade kollagen signaturer, och fann att kollagen fibrer var oftare anpassade vinkelrätt till kanalen omkretsen i duktal carcinom in situ (DCIS) skador; 2) Drifka et al.10 använde CT-FIRE-läget i CurveAlign för att kvantifiera den stromala kollagenjusteringen för bukspottskörteln duktal adenocarc...

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

Här presenterar vi ett protokoll för att använda ett curvelet transform-baserat MATLAB-mjukvaruverktyg med öppen källkod för kvantifiering av fibrillär kollagenorganisation i den extracellulära matrisen av både normala och sjuka vävnader. Detta verktyg kan appliceras på bilder med kollagenfibrer eller andra typer av linjeliknande strukturer.

Kvantifiera Fibrillar Collagen Organization med Curvelet Transform-baserade verktyg

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

Beredning av Klagomål Matriser för kvantifiering Cellular Sammandragning

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

Kvantifiering De mekaniska egenskaperna hos den endoteliala glykokalyx med atomkraftsmikroskopi

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 Denaturerat Kollagen Strands<em&gt; In vivo</em&gt; Och<em&gt; Ex vivo</em&gt; Via Foto-utlöst Hybridisering av Caged Collagen 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 Organisation av koagulationsfaktor VIII på Lipid Nanorör

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

Analys av Cell Migration inom en tredimensionell kollagenmatris

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 Ställningar med Graderingar 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

Ingenjörs 3D Cellularized kollagengeler för kärlvävnad 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-kollagenbaserad modell av polariserat 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 teknik med vävnadskonstruerad kollagen graft för att reparera stora sena 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

Kvantifiera Intermembrane avstånd med seriell bild utspädningar

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