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El cultivo de organoides tridimensionales (3D) ha demostrado ser superior al cultivo celular bidimensional (2D) en la imitación de la biologíain vivo 1,2. Los organoides se han vuelto indispensables en la investigación del cáncer para el cribado de tratamientos efectivos y para obtener conocimientos sobre la progresión de laenfermedad 3,4,5,6. Aunque es bien sabido en biología del cáncer que las distinciones morfológicas se correlacionan con un comportamiento biológico distinto de células y tejidos, el campo se basa en métricas tradicionales de forma que son limitadas en alcance. Este estudio describe un novedoso algoritmo espacial que cuantifica objetivamente características morfológicas sutiles con una precisión sin precedentes, superando enfoques tradicionales como el área, el volumen y la superficie.
La transformada linealizada de coordenadas polares comprimidas (LCPC) fue inventada para describir objetiva y cuantitativamente morfologías complejas observadas en histopatología tisular, con el objetivo de mejorar la gradación de póliposde colon 7. El deseo de ampliar este enfoque para capturar características espaciales basadas en resonancia magnética macroscópica en patologías cerebrales, como el trastorno bipolar y la enfermedad de Alzheimer, llevó a aumentos que lo potenciaron aún más. Este estudio describe el protocolo paso a paso y las mejores prácticas para aplicar dos versiones de la transformada LCPC: el sistema de cuadrícula paralela y el sistema de cuadrícula radial, ambas con scripts de código abierto y vídeos tutoriales.
Además de los métodos geométricos tradicionales, existen múltiples abstracciones que han sido efectivas para medir las formas complejas de células y órganos. Estos incluyen medir la excentricidad, la asimetría, el contraste y la kurtosis, junto con momentos de Zernike para capturar circularidad, asimetría, irregularidad de bordes y estructura globalde contornos 8,9,10. El análisis fractal también ha sido útil para reducir contornos complejos a valores escalares, como la Dimensión Fractal, que mide cuán irregular es el contorno, y la lacunaridad, que mide lo heterogéneamente irregulares que aparecen los huecos en elcontorno 11,12. Para medir texturas, el método Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM) es popular para medir contraste, energía, homogeneidad, correlación yentropía 13,14. Aunque todos estos métodos son beneficiosos, ninguno fue diseñado para captar contexto espacial, como la dirección de la gravedad, la izquierda frente a la diestra, o la ubicación de la estructura central de soporte que influye en la dirección del cambio de forma. Además, muchos de ellos producen un único valor escalar o solo unos pocos valores escalares para representar información espacial, por lo que los estudios citados suelen usarlos en combinación para evaluar formas complejas.
La transformada LCPC fue diseñada para producir muchas características a partir de una sola medición y para permitir la adición de marcadores espaciales que codifican el contexto espacial en la forma, como la dirección de la gravedad. El método más cercano a la transformadaLCPC 7 se publicó un año después del15, compartiendo la misma idea central como punto de partida: aplicar la transformada de Fourier a los contornos de las celdas para medir la forma en forma de un espectro de frecuencias. Sin embargo, la transformada LCPC se desarrolló de forma independiente para aplicarse mediante sistemas de cuadrícula distintos que estaban destinados a usarse junto con el conocimiento del contexto espacial fuera de la forma que se está midiendo. Además, el inventor de la transformada LCPC explica en este manuscrito que el espectro de frecuencias resultante contiene enormes cantidades de información espacial oculta. El Archivo Suplementario 1 contiene una extensa discusión sobre contextos espaciales en biología que a menudo se pasan por alto al usar los métodos citados y cómo la transformada LCPC puede aplicarse para capturar este contexto. Para los lectores cuyos datos de forma no muestran diferencia entre grupos control y experimentales, ya sea que sus ojos puedan ver diferencia en las formas, o cuyos datos de forma muestren muy poca diferencia, aunque sospechen que debería haber una diferencia mayor, deberían probar la transformada LCPC.
La transformada LCPC proporciona un nivel de precisión sin precedentes en la medición de información espacial porque representa formas en múltiples dimensiones. A diferencia de los métodos tradicionales, como el área y el volumen, que solo producen un valor escalar por forma (es decir, 25 cm2), los resultados de la transformada LCPC pueden dar lugar a múltiples índices, cada uno correlacionado con un aspecto morfológico diferente de una forma (es decir, redondez vs. nitidez de las esquinas, suavidad vs. dentada de los bordes). La transformada LCPC describe una forma 2D superponiendo una cuadrícula de líneas rectas que se intersectan con su contorno. Cada sistema de cuadrícula tiene un origen (Figura 1) o una línea base (Figura 2) desde la cual medir la distancia lineal. Consulte las Figuras 1B y 2B para diagramas de flujo simplificados que describen el algoritmo. Se detecta cada punto de intersección entre las líneas de la cuadrícula y el contorno de la forma. La distancia de cada intersección se calcula entonces en relación con una línea base u origen. De este modo, la transformada LCPC convierte las formas 2D en una serie de pares consecutivos de coordenadas x-y. La coordenada x representa la posición de la línea de cuadrícula desde cero hasta el infinito, mientras que la coordenada y representa la distancia de la intersección a la línea base u origen. En esta forma, que es una onda sinusoidal discreta, se aplica la transformada rápida de Fourier (FFT) para convertir los datos del "dominio de posición" al dominio de la frecuencia. Si la coordenada x representara el tiempo, entonces el "dominio de posición" sería equivalente al "dominio del tiempo" en las aplicaciones estándar de la FFT.
Mientras que el sistema de cuadrícula radial mide la distancia de cada intersección desde el origen de la cuadrícula radial (Figura 1A), el sistema de cuadrícula paralela siempre mide la distancia de las intersecciones con referencia a una línea imaginaria situada a la izquierda de la forma (Figura 2A). El script de código abierto determina la posición de esta línea imaginaria encontrando el píxel más a la izquierda del contorno y luego moviendo 10 píxeles hacia la izquierda de esta posición. Aquí, la coordenada x de esta posición se convierte en la línea de referencia desde la que se calculan todas las intersecciones. Esta regla de los 10 píxeles es arbitraria, pero por eso todos los contornos analizados por el script de código abierto para el sistema de cuadrícula paralela deben tener al menos 15 píxeles de espacio en blanco en los cuatro lados.
Para formas 2D con pliegues o múltiples capas, las líneas de cuadrícula pueden intersectar el contorno más de una vez. En este caso, las distancias de todas las intersecciones a lo largo de una línea de cuadrícula se suman a un solo valor. Así, cada línea de cuadrícula tiene solo una coordenada x y una coordenada y. Esta suma se representa con el término "comprimido" en el nombre de transformada LCPC. La representación de una forma 2D no lineal en una onda sinusoidal discreta se representa con el término "linealizada" en el nombre del algoritmo. Por último, el término "coordenadas polares" está en el nombre del algoritmo porque el primer sistema de cuadrícula conceptualizado fue una cuadrícula radial de 180 grados de coordenadaspolares 7. Incluso después de darse cuenta de que las coordenadas polares y cartesianas son intercambiables, el nombre del algoritmo se mantuvo tal cual. La sección de agradecimientos describe las razones personales que motivaron la invención y ampliación de la transformación LCPC.
El Protocolo 1 era la secuencia para obtener los datos mostrados en la Figura 3B, mientras que el Protocolo 2 era la secuencia para obtener los datos mostrados en la Figura 3C–D. Los pasos de estos protocolos están implementados en scripts Python individuales disponibles en el repositorio de GitHub "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16. El Protocolo 1 es un ejemplo de los pasos de preprocesamiento para derivar la "forma pura" en preparación para la transformación LCPC. El Protocolo 2 es un ejemplo de pasos de preprocesamiento para medir formas "a escala", es decir, a sus escalas originales entre sí.
La segmentación puede realizarse manualmente en software de procesamiento de imágenes, como la Vista Previa de Mac o la Paint de Microsoft, o utilizando métodos basados en umbrales. Si se hace manualmente, se debe elegir uno de los siguientes cuatro colores: azul, verde, rosa/magenta o rojo. El repositorio de GitHub llamado "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16 contiene una carpeta llamada "color extraction scripts". Esta carpeta contiene cuatro archivos Jupyter Notebook con código Python que extraen los cuatro colores mencionados y los convierten en máscaras azules sobre fondo blanco. Este proceso también puede realizarse umbralizando el color del contorno en un software de procesamiento de imágenes como Fiji/ImageJ. Para imágenes que contienen contornos con bordes en contacto o bordes superpuestos (por ejemplo, un diagrama de Venn), deberán separarse mediante software de procesamiento de imágenes, de modo que se conviertan en objetos independientes en la imagen compuesta de la máscara que contiene múltiples contornos organoides. Esto no se aplica a imágenes que contienen solo un organoide o varios organoides que no se tocan entre sí.