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Die dreidimensionale (3D) Organoidkultur hat sich als überlegen gegenüber der zweidimensionalen (2D) Zellkultur erwiesen, um die Biologie in vivo nachzuahmen 1,2. Organoide sind in der Krebsforschung unverzichtbar geworden, um wirksame Behandlungen zu screenen und Einblicke in den Krankheitsverlauf zu gewinnen 3,4,5,6. Obwohl in der Krebsbiologie bekannt ist, dass Unterschiede in der Morphologie mit unterschiedlichen biologischen Verhaltensweisen von Zellen und Geweben korrelieren, stützt sich das Fachgebiet auf traditionelle, begrenzte Formmetriken. Diese Studie beschreibt einen neuartigen räumlichen Algorithmus, der subtile morphologische Merkmale objektiv mit beispielloser Präzision quantifiziert und traditionelle Ansätze wie Fläche, Volumen und Oberfläche übertrifft.
Die linearisierte Transform der komprimierten polaren Koordinaten (LCPC) wurde erfunden, um objektiv und quantitativ komplexe Morphologien in der Gewebehistopathologie zu beschreiben, mit dem Ziel, die Graduierung von Darmpolypen7 zu verbessern. Der Wunsch, diesen Ansatz dann auszuweiten, um makroskopische MRT-basierte räumliche Merkmale in Gehirnpathologien wie bipolarer Störung und Alzheimer zu erfassen, führte zu Augmentationen, die ihn noch weiter verbesserten. Diese Studie beschreibt das Schritt-für-Schritt-Protokoll und Best Practices zur Anwendung zweier Versionen der LCPC-Transformation: das Parallelgittersystem und das radiale Gittersystem, die beide Open-Source-Skripte und Tutorial-Videos enthalten.
Neben traditionellen geometrischen Methoden gibt es mehrere Abstraktionen, die sich als wirksam zur Messung der komplexen Formen von Zellen und Organen erwiesen haben. Dazu gehören die Messung von Exzentrizität, Verrägung, Kontrast und Kurtosis sowie Zernike-Momente zur Erfassung von Kreisform, Asymmetrie, Kantenunregelmäßigkeit und globaler Konturstruktur 8,9,10. Die Fraktalanalyse war auch nützlich, um komplexe Konturen in skalare Werte zu reduzieren, wie zum Beispiel die Fraktaldimension, die misst, wie unregelmäßig die Kontur ist, und die Lacunärität, die misst, wie heterogen unregelmäßige Lücken in der Kontur11,12 auftreten. Zur Messung der Textur ist die Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM)-Methode beliebt, um Kontrast, Energie, Homogenität, Korrelation und Entropie13,14 zu messen. Obwohl alle diese Methoden vorteilhaft sind, wurden keine davon darauf ausgelegt, räumlichen Kontext zu erfassen, wie etwa die Richtung der Schwerkraft, Links- vs. Rechtshändigkeit oder die Lage der zentralen Stützstruktur, die die Richtung der Formänderung beeinflusst. Außerdem erzeugen viele von ihnen einen einzelnen skalaren Wert oder nur eine Handvoll skalare Werte, um räumliche Informationen darzustellen, weshalb die zitierten Studien sie oft in Kombination verwenden, um komplexe Formen zu bewerten.
Die LCPC-Transformation wurde entwickelt, um viele Merkmale aus einer Messung zu erzeugen und das Hinzufügen räumlicher Markierungen zu ermöglichen, die den räumlichen Kontext in die Form kodieren, wie etwa die Richtung der Schwerkraft. Die Methode, die der LCPC-Transformation7 am nächsten kommt, wurde ein Jahr später15 veröffentlicht und teilt dieselbe Kernidee als Ausgangspunkt: Die Fourier-Transformation auf Zellkonturen anzuwenden, um die Form in Form eines Frequenzspektrums zu messen. Die LCPC-Transformation wurde jedoch unabhängig entwickelt, um über verschiedene Gittersysteme angewendet zu werden, die in Verbindung mit Kenntnis des räumlichen Kontexts außerhalb der zu messenden Form verwendet werden sollten. Darüber hinaus erklärt der Erfinder der LCPC-Transformation in diesem Manuskript, dass das resultierende Frequenzspektrum enorme Mengen verborgener räumlicher Informationen enthält. Supplementary File 1 enthält eine ausführliche Diskussion räumlicher Kontexte in der Biologie, die bei der Verwendung der zitierten Methoden oft übersehen werden, und wie die LCPC-Transformation angewendet werden kann, um diesen Kontext zu erfassen. Für Leser, deren Formdaten keinen Unterschied zwischen Kontroll- und Experimentgruppen zeigen, ob ihre Augen einen Unterschied in den Formen erkennen oder deren Formdaten nur sehr geringe Unterschiede zeigen, obwohl sie vermuten, dass es einen größeren Unterschied geben sollte, sollten sie die LCPC-Transformation ausprobieren.
Die LCPC-Transformation bietet ein beispielloses Maß an Präzision bei der Messung räumlicher Informationen, da sie Formen in mehreren Dimensionen darstellt. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden wie Fläche und Volumen, die pro Form nur einen skalaren Wert liefern (z. B. 25 cm²), können die Ergebnisse der LCPC-Transformation mehrere Indizes liefern, die jeweils mit einem anderen morphologischen Aspekt einer Form korrelieren (z. B. Rundheit vs. Schärfe der Ecken, Glätte vs. Zackigkeit der Kanten). Die LCPC-Transformation beschreibt eine 2D-Form, indem sie ein Raster gerader Linien überlagert, die ihre Kontur schneiden. Jedes Gittersystem hat einen Ursprung (Abbildung 1) oder eine Basislinie (Abbildung 2), von der aus lineare Entfernungen gemessen werden kann. Siehe die Abbildungen 1B und 2B für vereinfachte Flussdiagramme, die den Algorithmus beschreiben. Jeder Schnittpunkt zwischen den Gitterlinien und der Kontur der Form wird erkannt. Die Entfernung jeder Schnittmenge wird dann relativ zu einer Basislinie oder einem Ursprung berechnet. Auf diese Weise wandelt die LCPC-Transformation 2D-Formen in eine Reihe aufeinanderfolgender x-y-Koordinatenpaare um. Die x-Koordinate stellt die Position der Gitterlinie von null bis unendlich dar, während die y-Koordinate die Entfernung des Schnittpunkts zur Basislinie oder zum Ursprung darstellt. In dieser Form, die eine diskrete Sinuswelle ist, wird dann die Fast-Fourier-Transformation (FFT) angewendet, um die Daten vom "Positionsbereich" in den Frequenzbereich umzuwandeln. Wenn die x-Koordinate die Zeit darstellt, wäre der "Positionsbereich" in den Standardanwendungen des FFT äquivalent zum "Zeitbereich".
Während das radiale Gittersystem den Abstand jeder Schnittmenge vom Ursprung des radialen Gitters misst (Abbildung 1A), misst das parallele Gittersystem stets die Entfernung der Schnittpunkte mit Bezug auf eine imaginäre Linie links in der Form (Abbildung 2A). Das Open-Source-Skript bestimmt die Position dieser imaginären Linie, indem es den linkesten Pixel der Kontur findet und dann 10 Pixel nach links dieser Position verschiebt. Hier wird die x-Koordinate dieser Position zur Referenzlinie, von der aus alle Schnitte berechnet werden. Diese 10-Pixel-Regel ist willkürlich, aber deshalb müssen alle vom Open-Source-Skript für das Parallelgittersystem analysierten Konturen mindestens 15 Pixel Weißraum auf allen vier Seiten haben.
Bei 2D-Formen mit Falten oder mehreren Schichten können Gitterlinien die Kontur mehrmals schneiden. In diesem Fall werden die Entfernungen aller Schnittpunkte entlang eines Gitters zu einem einzigen Wert addiert. Daher hat jede Gitterlinie nur eine x-Koordinate und eine y-Koordinate. Diese Summe wird durch den Begriff "komprimiert" im Namen LCPC-Transformation dargestellt. Die Darstellung einer nichtlinearen 2D-Form in eine diskrete Sinuswelle wird durch den Begriff "linearisiert" im Namen des Algorithmus dargestellt. Schließlich ist der Begriff "Polarkoordinaten" im Namen des Algorithmus, weil das erste konzeptuale Gittersystem ein 180-Grad-Radialgitter mit Polarkoordinaten7 war. Selbst nachdem erkannt wurde, dass polare und kartesische Koordinaten austauschbar sind, blieb der Name des Algorithmus unverändert. Der Abschnitt Danksagungen beschreibt die persönlichen Gründe, die die Erfindung und Erweiterung der LCPC-Transformation motiviert haben.
Protokoll 1 war die Sequenz zur Erfassung der in Abbildung 3B gezeigten Daten, während Protokoll 2 die Sequenz zur Erfassung der in Abbildung 3C–D dargestellten Daten war. Die Schritte in diesen Protokollen werden in einzelnen Python-Skripten implementiert, die im GitHub-Repository "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform" verfügbar sind16. Protokoll 1 ist ein Beispiel für die Vorverarbeitungsschritte zur Ableitung der "reinen Form" zur Vorbereitung der LCPC-Transformation. Protokoll 2 ist ein Beispiel für Vorverarbeitungsschritte, um Formen "im Maßstab" zu messen, also auf ihren ursprünglichen Maßstäben relativ zueinander.
Die Segmentierung kann manuell in Bildverarbeitungssoftware wie Macs Vorschau oder Microsofts Paint oder mit Schwellenwert-basierten Methoden durchgeführt werden. Bei manueller Ausführung sollte eine der folgenden vier Farben gewählt werden: Blau, Grün, Rosa/Magenta oder Rot. Das GitHub-Repository namens "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16 enthält einen Ordner namens "color extraction scripts". Dieser Ordner enthält vier Jupyter Notebook-Dateien mit Python-Code, die die vier genannten Farben extrahieren und in blaue Masken auf weißem Hintergrund umwandeln. Dieser Prozess kann auch durchgeführt werden, indem die Farbumrissfarbe in einer Bildverarbeitungssoftware wie Fiji/ImageJ geschwellenwert wird. Für Bilder, die Konturen mit berührenden Rändern oder überlappenden Kanten enthalten (z. B. ein Venn-Diagramm), müssen sie mit Bildverarbeitungssoftware getrennt werden, sodass sie unabhängige Objekte im zusammengesetzten Maskenbild mit mehreren organoiden Konturen werden. Dies gilt nicht für Bilder, die nur ein Organoid oder mehrere Organoide enthalten, die sich nicht berühren.