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La culture organoïde tridimensionnelle (3D) s’est avérée supérieure à la culture cellulaire bidimensionnelle (2D) en imitant la biologie in vivo 1,2. Les organoïdes sont devenus indispensables dans la recherche sur le cancer pour le dépistage de traitements efficaces et pour obtenir des informations sur la progression de la maladie 3,4,5,6. Bien qu’il soit bien connu en biologie du cancer que les distinctions morphologiques corrèlent avec un comportement biologique distinct des cellules et des tissus, ce domaine repose sur des métriques de forme traditionnelles qui sont limitées en portée. Cette étude décrit un nouvel algorithme spatial qui quantifie objectivement des caractéristiques morphologiques subtiles avec une précision sans précédent, surpassant les approches traditionnelles telles que la surface, le volume et la surface.
La transformée des coordonnées polaires comprimées linéarisées (LCPC) a été inventée pour décrire objectivement et quantitativement des morphologies complexes observées en histopathologie tissulaire, dans le but d’améliorer le gradage des polypesdu côlon 7. Le désir d’élargir ensuite cette approche pour capturer les caractéristiques spatiales basées sur l’IRM macroscopique dans les pathologies cérébrales, telles que le trouble bipolaire et la maladie d’Alzheimer, a conduit à des augmentations qui l’ont encore renforcée. Cette étude décrit le protocole étape par étape et les meilleures pratiques pour appliquer deux versions de la transformée LCPC : le système à grille parallèle et le système à grille radiale, qui disposent tous deux de scripts open source et de vidéos tutoriels.
Outre les méthodes géométriques traditionnelles, il existe plusieurs abstractions qui ont été efficaces pour mesurer les formes complexes des cellules et des organes. Cela inclut la mesure de l’excentricité, de l’asie, du contraste et de la kurtose, ainsi que des moments de Zernike pour capturer la circularité, l’asymétrie, l’irrégularité des arêtes et la structure globaledes contours 8,9,10. L’analyse fractale a également été utile pour réduire des contours complexes en valeurs scalaires, telles que la dimension fractale, qui mesure l’irrégularité du contour, et la lacunarité, qui mesure à quel point les espaces apparaissent hétérogènement irréguliers dans le contour11,12. Pour mesurer la texture, la méthode de la matrice de cooccurrence des niveaux de gris (GLCM) est populaire pour mesurer le contraste, l’énergie, l’homogénéité, la corrélation etl’entropie 13,14. Bien que toutes ces méthodes soient bénéfiques, aucune n’a été conçue pour capturer le contexte spatial, tel que la direction de la gravité, la position gauche ou droitière, ou la position de la structure centrale de soutien qui influence la direction du changement de forme. De plus, beaucoup d’entre eux produisent une seule valeur scalaire ou seulement quelques valeurs scalaires pour représenter des informations spatiales, c’est pourquoi les études citées les utilisent souvent en combinaison pour évaluer des formes complexes.
La transformée LCPC a été conçue pour produire de nombreuses caractéristiques à partir d’une seule mesure et permettre l’ajout de marqueurs spatiaux qui codent le contexte spatial dans la forme, comme la direction de gravité. La méthode la plus proche de la transforméeLCPC 7 a été publiée un an après15, partageant la même idée centrale comme point de départ : appliquer la transformée de Fourier aux contours de cellules pour mesurer la forme sous forme d’un spectre de fréquences. Cependant, la transformée LCPC a été développée indépendamment pour être appliquée via des systèmes de grille distincts destinés à être utilisés en conjonction avec la connaissance du contexte spatial en dehors de la forme mesurée. De plus, l’inventeur de la transformée LCPC explique dans ce manuscrit que le spectre de fréquences résultant contient d’immenses quantités d’informations spatiales cachées. Le Fichier Supplémentaire 1 contient une discussion approfondie sur les contextes spatiaux en biologie souvent négligés lors de l’utilisation des méthodes citées et sur la manière dont la transformée LCPC peut être appliquée pour capturer ce contexte. Pour les lecteurs dont les données de forme ne montrent aucune différence entre les groupes témoins et expérimentaux, que leurs yeux puissent voir ou non une différence dans les formes, ou dont les données de forme montrent très peu de différence, même s’ils soupçonnent qu’il devrait y avoir une différence plus importante, ils devraient essayer la transformée LCPC.
La transformée LCPC offre un niveau de précision sans précédent dans la mesure de l’information spatiale car elle représente des formes en plusieurs dimensions. Contrairement aux méthodes traditionnelles, comme la surface et le volume, qui ne donnent qu’une seule valeur scalaire par forme (c’est-à-dire 25cm 2), les résultats de la transformée LCPC peuvent donner plusieurs indices, chacun corrélé à un aspect morphologique différent d’une forme (c’est-à-dire rondeur vs. netteté des coins, lissage vs. dentelage des arêtes). La transformée LCPC décrit une forme 2D en superposant une grille de lignes droites qui croisent son contour. Chaque système de grille possède une origine (Figure 1) ou une ligne de base (Figure 2) à partir de laquelle mesurer la distance linéaire. Voir les figures 1B et 2B pour des organigrammes simplifiés décrivant l’algorithme. Chaque point d’intersection entre les lignes de grille et la courbe de niveau de la forme est détecté. La distance de chaque intersection est ensuite calculée par rapport à une ligne de base ou à l’origine. De cette manière, la transformation LCPC convertit des formes 2D en une série de paires de coordonnées x-y consécutives. La coordonnée x représente la position de la ligne de grille de zéro à infini, tandis que la coordonnée y représente la distance de l’intersection à la ligne de base ou à l’origine. Dans cette forme, qui est une onde sinusoïde discrète, la transformée rapide de Fourier (FFT) est ensuite appliquée pour convertir les données du « domaine de position » vers le domaine fréquentiel. Si la coordonnée x représentait le temps, alors le « domaine de position » serait équivalent au « domaine temporel » dans les applications standard de la FFT.
Alors que le système de grille radiale mesure la distance de chaque intersection depuis l’origine de la grille radiale (Figure 1A), le système de grille parallèle mesure toujours la distance des intersections par rapport à une droite imaginaire située à gauche de la forme (Figure 2A). Le script open source détermine la position de cette ligne imaginaire en trouvant le pixel le plus à gauche du contour, puis en déplaçant 10 pixels à gauche de cette position. Ici, la coordonnée x de cette position devient la ligne de référence à partir de laquelle toutes les intersections sont calculées. Cette règle des 10 pixels est arbitraire, mais c’est pourquoi tous les contours analysés par le script open source pour le système de grille parallèle doivent comporter au moins 15 pixels d’espace blanc sur les quatre côtés.
Pour les formes 2D avec plis ou plusieurs couches, les lignes de grille peuvent croiser le contour plus d’une fois. Dans ce cas, les distances de toutes les intersections le long d’une ligne de grille sont additionnées en une seule valeur. Ainsi, chaque ligne de grille n’a qu’une seule coordonnée x et une coordonnée y. Cette somme est représentée par le terme « compressé » dans le nom de transformation LCPC. Le rendu d’une forme 2D non linéaire en une onde sinusoïde discrète est représenté par le terme « linéarisé » dans le nom de l’algorithme. Enfin, le terme « coordonnées polaires » figure dans le nom de l’algorithme car le premier système de grille conceptualisé était une grille radiale à 180 degrés de coordonnéespolaires 7. Même après avoir réalisé que les coordonnées polaire et cartésienne sont interchangeables, le nom de l’algorithme est resté tel quel. La section remerciements décrit les raisons personnelles qui ont motivé l’invention et l’augmentation de la transformation LCPC.
Le protocole 1 était la séquence pour obtenir les données illustrée à la figure 3B, tandis que le protocole 2 était la séquence pour obtenir les données illustrées à la figure 3C–D. Les étapes de ces protocoles sont implémentées dans des scripts Python individuels disponibles dans le dépôt GitHub « Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform »16. Le protocole 1 est un exemple des étapes de prétraitement pour dériver la « forme pure » en préparation de la transformation LCPC. Le protocole 2 est un exemple d’étapes de prétraitement pour mesurer des formes « à l’échelle », c’est-à-dire à leurs échelles d’origine les unes par rapport aux autres.
La segmentation peut être réalisée manuellement dans des logiciels de traitement d’image, tels que Preview Mac ou Microsoft Paint, ou en utilisant des méthodes basées sur des seuils. Si cela se fait manuellement, l’une des quatre couleurs suivantes doit être choisie : bleu, vert, rose/magenta ou rouge. Le dépôt GitHub appelé « Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform »16 contient un dossier appelé « color extraction scripts ». Ce dossier contient quatre fichiers Jupyter Notebook avec du code Python qui extraient les quatre couleurs mentionnées précédemment et les convertissent en masques bleus sur fond blanc. Ce processus peut également être réalisé en faisant un seuil de la couleur du contour dans un logiciel de traitement d’image tel que Fiji/ImageJ. Pour les images contenant des contours avec des bordures en contact ou des bords qui se chevauchent (par exemple, un diagramme de Venn), elles devront être séparées à l’aide d’un logiciel de traitement d’image, afin qu’elles deviennent des objets indépendants dans l’image masque composite contenant plusieurs contours organoïdes. Cela ne s’applique pas aux images qui ne contiennent qu’un seul organoïde ou plusieurs organoïdes qui ne se touchent pas.