$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
תרבית אורגנואידים תלת-ממדית (3D) הוכיחה את עצמה כעדיפה על תרבית תאים דו-ממדית (2D) במחקות ביולוגיה בחיים 1,2. אורגנואידים הפכו לבלתי נפרדים במחקר סרטן לסינון טיפולים יעילים ולהשגת תובנות על התקדמות המחלה 3,4,5,6. בעוד שידוע בביולוגיה של סרטן שהבדלים במורפולוגיה קשורים להתנהגות ביולוגית מובחנת של תאים ורקמות, התחום נשען על מדדי צורה מסורתיים שמוגבלים בהיקפו. מחקר זה מתאר אלגוריתם מרחבי חדשני שמכמת באופן אובייקטיבי תכונות מורפולוגיות עדינות בדיוק חסר תקדים, ועולה על גישות מסורתיות כמו שטח, נפח ושטח משטח.
הטרנספורמציה הקואורדינטית הפולרית הדחוסת (LCPC) הומצאה כדי לתאר באופן אובייקטיבי וכמותי מורפולוגיות מורכבות הנצפות בהיסטופותולוגיה של רקמות, במטרה לשפר את דירוגפוליפי המעי הגס. הרצון להרחיב את הגישה הזו כדי ללכוד תכונות מרחביות מבוססות MRI מקרוסקופיות בפתולוגיות מוח, כגון הפרעה דו-קוטבית ומחלת אלצהיימר, הוביל להרחבות שהעמיקו אותה אף יותר. מחקר זה מתאר את הפרוטוקול שלב אחר שלב ואת שיטות העבודה המומלצות ליישום שתי גרסאות של טרנספורמציית LCPC: מערכת הרשת המקבילה ומערכת הרשת הרדיאלית, שלתיהן יש סקריפטים בקוד פתוח וסרטוני הדרכה.
מלבד שיטות גיאומטריות מסורתיות, קיימות הפשטות רבות שהיו יעילות למדידת צורות מורכבות של תאים ואיברים. אלה כוללים מדידת אקסצנטריות, סטייה, ניגודיות וקורטוזיס, יחד עם רגעי זרניקה ללכידת מעגליות, אסימטריה, אי-סדירות קצוות ומבנה קווי מתאר גלובלי 8,9,10. ניתוח פרקטלי היה גם שימושי לצמצום קווי המתאר המרוכבים לערכים סקלריים, כמו ממד פרקטלי, שמודד עד כמה הקוטור לא סדיר, ולקונריות, שמודדת כיצד פערים לא סדירים נראים בהטרוגניות בקונטור11,12. למדידת מרקם, שיטת מטריצת ההופעה המשולבת ברמה אפורה (GLCM) פופולרית למדידת ניגודיות, אנרגיה, הומוגניות, קורלציה ואנטרופיה13,14. למרות שכל השיטות הללו מועילות, אף אחת מהן לא נועדה ללכוד הקשר מרחבי, כמו כיוון הכבידה, יד שמאל מול ימין, או מיקום מבנה התמיכה המרכזי שמשפיע על כיוון שינוי הצורה. יתרה מזאת, רבים מהם מייצרים ערך סקלרי יחיד או רק קומץ ערכים סקלריים לייצוג מידע מרחבי, ולכן המחקרים המצוטטים משתמשים בהם לעיתים קרובות בשילוב כדי להעריך צורות מורכבות.
טרנספורמציית LCPC תוכננה לייצר תכונות רבות ממדידה אחת ולאפשר הוספת סימנים מרחביים שמקודדים הקשר מרחבי לצורה, כמו כיוון הכבידה. השיטה הקרובה ביותר לטרנספורמציית LCPC7 פורסמה שנה לאחר15, וחולקת את אותו רעיון מרכזי כנקודת התחלה: יישום טרנספורם פורייה על קווי המתאר של התאים כדי למדוד צורה בצורת ספקטרום תדרים. עם זאת, טרנספורמציית ה-LCPC פותחה באופן עצמאי לשימוש באמצעות מערכות רשת נפרדות שנועדו לשמש יחד עם ידע על ההקשר המרחבי מחוץ לצורה הנמדדת. יתרה מזאת, ממציא טרנספורמציית LCPC מסביר בכתב יד זה כי ספקטרום התדרים המתקבל מכיל כמויות עצומות של מידע מרחבי נסתר. קובץ משלים 1 מכיל דיון נרחב בהקשרים מרחביים בביולוגיה שלרוב מתעלמים מהם כאשר משתמשים בשיטות המצוטטים, וכיצד ניתן ליישם את טרנספורמציית LCPC כדי ללכוד הקשר זה. לקוראים שנתוני הצורה שלהם לא מראים הבדל בין קבוצות ביקורת לקבוצות ניסוי, בין אם העיניים שלהם רואות הבדל בצורות, או שנתוני הצורה שלהם מראים הבדל קטן מאוד, למרות שהם חושדים שצריך להיות הבדל גדול יותר, כדאי לנסות את טרנספורמציית LCPC.
טרנספורמציית LCPC מספקת רמת דיוק חסרת תקדים במדידת מידע מרחבי, משום שהיא מייצגת צורות בממדים מרובים. בניגוד לשיטות מסורתיות, כמו שטח ונפח, שמניבות רק ערך סקלרי אחד לכל צורה (כלומר, 25ס"מ רבוע), תוצאות טרנספורמציית LCPC יכולות להניב מספר אינדקסים, שכל אחד מהם מתאם להיבט מורפולוגי שונה של הצורה (כלומר, עיגול לעומת חדות פינות, חלקות לעומת משוננות של הקצוות). טרנספורמציית LCPC מתארת צורה דו-ממדית על ידי שכבת רשת של קווים ישרים החוצים את קווי המתאר שלה. לכל מערכת רשת יש מוצא (איור 1) או קו בסיס (איור 2) ממנו ניתן למדוד מרחק ליניארי. עיין באיורים 1B ו-2B לתרשימי זרימה פשוטים המתארים את האלגוריתם. כל נקודת חיתוך בין קווי הרשת לקווי המתאר של הצורה מזוהה. המרחק של כל חיתוך מחושב ביחס לקו הבסיס או למקור. בדרך זו, טרנספורמציית LCPC ממירה צורות דו-ממדיות לסדרה של זוגות קואורדינטות x-y עוקבים. קואורדינטת ה-x מייצגת את מיקום קו הרשת מאפס לאינסוף, בעוד קואורדינטת ה-y מייצגת את המרחק בין החיתוך לקו הבסיס או המוצא. בצורה זו, שהיא גל סינוסואידי בדיד, מוחל טרנספורם פורייה מהיר (FFT) להמרת הנתונים מ"תחום המיקום" לתחום התדר. אם קואורדינטת ה-x מייצגת זמן, אז "תחום המיקום" יהיה שקול ל"תחום הזמן" ביישומים הסטנדרטיים של FFT.
בעוד שמערכת הרשת הרדיאלית מודדת את המרחק של כל חיתוך ממוצא הרשת הרדיאלית (איור 1A), מערכת הרשת המקבילה תמיד מודדת את מרחק החיתוכים בהתייחסות לקו דמיוני משמאל לצורה (איור 2A). הסקריפט בקוד פתוח קובע את מיקום הקו המדומה הזה על ידי מציאת הפיקסל השמאלי ביותר של הקונטור ואז הזזת 10 פיקסלים שמאלה למיקום זה. כאן, קואורדינטת ה-x של מיקום זה הופכת לקו הייחוס שממנו מחושבים כל החיתוכים. כלל 10 הפיקסלים הזה הוא שרירותי, אך זו הסיבה שכל קווי המתאר שמנותחים על ידי סקריפט הקוד הפתוח למערכת הרשת המקבילה חייבים להכיל לפחות 15 פיקסלים של רווח לבן בכל ארבעת הצדדים.
בצורות דו-ממדיות עם קפלים או שכבות מרובות, קווי רשת עשויים לחצות את הקונטור יותר מפעם אחת. במקרה זה, מרחקי כל החיתוכים לאורך קו רשת מסוכמים לערך אחד. לכן, לכל קו רשת יש רק קואורדינטת x אחת וקואורדינטת y אחת. סכום זה מיוצג על ידי המונח "דחוס" בשם טרנספורמציית LCPC. העיבוד של צורה דו-ממדית לא ליניארית לגל סינוסואידי בדיד מיוצג על ידי המונח "ליניארי" בשם האלגוריתם. לבסוף, המונח "קואורדינטות פולריות" מופיע בשם האלגוריתם, משום שמערכת הרשת הראשונה שנוצרה הייתה רשת רדיאלית של 180 מעלות של קואורדינטות קוטביות7. גם לאחר שהבינו שהקואורדינטות הקוטביות והקרטזיות ניתנות להחלפה, שם האלגוריתם נשמר כפי שהוא. סעיף התודה מתאר את הסיבות האישיות שהניעו את ההמצאה וההרחבה של טרנספורמציית LCPC.
פרוטוקול 1 היה הרצף לקבלת הנתונים המוצגים באיור 3B, בעוד שפרוטוקול 2 היה הרצף לקבלת הנתונים המוצגים באיור 3C–D. השלבים בפרוטוקולים אלו מיושמים בסקריפטי פייתון נפרדים הזמינים במאגר GitHub "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16. פרוטוקול 1 הוא דוגמה לשלבי קדם-עיבוד ליצירת "צורה טהורה" כהכנה לטרנספורמציית LCPC. פרוטוקול 2 הוא דוגמה לשלבי קדם-עיבוד למדידת צורות "בקנה מידה", כלומר בקנה המידה המקוריים שלהן יחסית זה לזה.
ניתן לבצע סגמנטציה ידנית בתוכנות עיבוד תמונה, כמו Preview של Mac או Paint של מיקרוסופט, או באמצעות שיטות מבוססות סף. אם עושים זאת ידנית, יש לבחור אחד מארבעת הצבעים הבאים: כחול, ירוק, ורוד/מג'נטה או אדום. מאגר GitHub שנקרא "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16 מכיל תיקייה בשם "סקריפטים של חילוץ צבע". תיקייה זו מכילה ארבעה קבצי Jupyter Notebook עם קוד פייתון שמחלצים את ארבעת הצבעים שהוזכרו קודם וממירים אותם למסכות כחולות על רקע לבן. תהליך זה יכול להתבצע גם על ידי סף צבע המתאר בתוכנת עיבוד תמונה כמו Fiji/ImageJ. לתמונות שמכילות קווי מתאר עם גבולות נוגעים או קצוות חופפים (למשל, דיאגרמת ון), יש להפריד אותן באמצעות תוכנת עיבוד תמונה, כך שיהפכו לאובייקטים עצמאיים בתמונת המסכה המורכבת המכילה קווי מתאר אורגנואידים מרובים. זה לא חל על תמונות שמכילות רק אורגנואיד אחד או על מספר אורגנואידים שאינם נוגעים זה בזה.