Анализ размера трёхмерных клеточных моделей с помощью технологий компьютерного зрения
Анализ размера трёхмерных клеточных моделей с помощью технологий компьютерного зрения
Аннотация
Трёхмерные клеточные модели активно используются в качестве объекта исследований в данное время. Клеточные сфероиды являются особо привлекательным объектом в связи с универсальностью, дешевизной и простотой применения. Определение размера трёхмерных клеточных культур является существенным аспектом при изучении характеристик и поведения трёхмерных клеточных моделей. Ручное определение морфологических характеристик является долгим и трудоёмким процессом. Цель исследования – анализ размера трёхмерных клеточных моделей с помощью технологий компьютерного зрения. Данный способ реализован на языке программирования Python с использованием библиотеки OpenCV. Предлагаемый способ был применён для анализа изображений трёхмерных клеточных моделей, полученных из разных клеточных линий и клеточных концентраций.
1. Введение
Появление трехмерных клеточных культур привело к важным открытиям в биологии опухолей . Клеточные сфероиды стали промежуточным уровнем между культивированием клеток в виде монослоя и тканями у животных и людей . В онкологических исследованиях, клеточные сфероиды довольно реалистично демонстрируют трехмерный рост и организацию солидных опухолей и, следовательно, имитируют межклеточные взаимодействия и условия микросреды, обнаруженные в опухолях . Например, клеточные сфероиды развивают центральный некроз, аналогичный тому, который наблюдается во многих опухолях in vivo . Это обуславливает применимость клеточных сфероидов в исследованиях эффективности и цитотоксичности терапевтических соединений.
Определение размера и оценка закономерностей роста являются двумя существенными аспектами при изучении характеристик и процессов, происходящих в трехмерных клеточных моделей. Это важные факторы в исследованиях, в которых, например, количественно оценивается поглощение и распределение радиоактивных агентов, и в терапевтических исследованиях, где фармакологические соединения могут вызывать морфологические и структурные изменения в опухолях .
Наиболее часто используемый метод определения размера клеточных сфероидов заключается в измерении двух диаметров сфероида с помощью калиброванного окулярного микрометра на инвертированном микроскопе . Затем эти значения используются для ориентировочного определения объема трехмерной клеточной модели . Это измерение является как трудоемким, так и неточным, особенно для гетерогенных клеточных сфероидов и трехмерных клеточных культур, которые не имеют правильную форму и ровный контур. В связи с этим методы, которые автоматически сегментируют и измеряют морфологические показатели множества изображений клеточных сфероидов, играют важную роль в исследовании трехмерных клеточных моделей. Некоторые инструменты для сегментации и обработки изображений клеточных сфероидов доступны в виде плагинов ImageJ, пакетов Matlab или отдельных программ , . Морфологические особенности клеточных сфероидов, такие как отсутствие четких контуров, могут осложнять детекцию клеточных сфероидов. Из-за различий в размерах и морфологии сфероидов существующие инструменты не всегда могут обобщать результаты должным образом. Поиск универсального способа автоматизированного количественного анализа позволит расширить использование сфероидов в качестве надежной модели клеточной биологии. В связи с этим, целью работы является анализ размера трехмерных клеточных моделей с помощью технологий компьютерного зрения.
2. Методы и принципы исследования
Изображения клеточных сфероидов были получены с помощью инвертированного микроскопа «Микромед И» и видеокуляра "ORBITOR 0,3 MPix", а также программного обеспечения "Future Win Joe". Для получения изображений клеточных сфероидов использовали различные клеточные линии: фибробласты легкого эмбриона человека ФЛЭЧ-104, клетки почки эмбриона человека НЕК 293, клетки аденокарциномы легкого человека А549. Клетки почки эмбриона человека НЕК 293 и аденокарцинома легкого человека А549 имеют эпителиоподобную морфологию, фибробласты легкого эмбриона человека ФЛЭЧ-104 – фибробластоподобную морфологию. В исследовании использовали изображения клеточных сфероидов различных размеров. Различные размеры клеточных сфероидов обеспечивали с помощью изменения начальной концентрации 5000, 8000, 10000, 15000, 30000 клеток/сфероид.
Способ определения размера трехмерных клеточных моделей реализован на языке программирования Python с использованием библиотек Pillow, OpenCV, Scikit-image . В качестве основного морфологического параметра клеточных сфероидов оценивали диаметр. Используемый для измерения диаметра автоматизированный способ включает в себя следующие процессы: загрузку изображений, преобразование изображения в оттенки серого, выделение области интереса, маркировку областей, наложение меток на исходное изображение, определение морфологических показателей, сохранение результатов для дальнейшей работы. Результат сохраняли в виде файла формата Excel. Для проверки применимости и корректности работы данного способа использовали ручной метод определения диаметра клеточных сфероидов с помощью программного обеспечения ImageJ.
3. Основные результаты
Рисунок 1 - Исходные изображения клеточных сфероидов
Примечание: шкала соответствуют 200 мкм
Рисунок 2 - Результат бинаризации изображений (а-в) и маркировки клеточных сфероидов на изображениях (г-е)
Рисунок 3 - Результат детекции клеточного сфероида и отдельного скопления клеток
Примечание: клеточная линия: ФЛЭЧ-104
Рисунок 4 - Результат измерения диаметра клеточных сфероидов ручным и автоматизированным методом
Примечание: ns – достоверных различий нет, * – имеются достоверные различия
4. Заключение
Таким образом, в данной работе был применен метод автоматизированного определения диаметра клеточных сфероидов, полученных из разных клеточных линий. Автоматизированный метод был основан на библиотеках Python. Сравнительный анализ исследуемого способа и ручного методов показал, что автоматизированный метод может применяться для обработки изображений клеточных сфероидов, имеющих различные морфологические характеристики и начальную концентрацию клеток.