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La coltura organoide tridimensionale (3D) si è dimostrata superiore alla coltura cellulare bidimensionale (2D) nel simulare la biologia in vivo 1,2. Gli organoidi sono diventati indispensabili nella ricerca sul cancro per lo screening di trattamenti efficaci e per ottenere informazioni sulla progressione dellamalattia 3,4,5,6. Sebbene sia ben noto in biologia del cancro che le distinzioni morfologiche siano correlate a un comportamento biologico distinto di cellule e tessuti, il campo si basa su metriche di forma tradizionali che sono limitate nell'ambito. Questo studio descrive un innovativo algoritmo spaziale che quantifica oggettivamente le caratteristiche morfologiche sottili con precisione senza precedenti, superando approcci tradizionali come area, volume e superficie.
La trasformata delle coordinate polari compresse linearizzate (LCPC) è stata inventata per descrivere oggettivamente e quantitativamente morfologie complesse osservate in istopatologia tissutale, con l'obiettivo di migliorare la gradazione dei polipi delcolon 7. Il desiderio di poi ampliare questo approccio per catturare caratteristiche spaziali basate su risonanza magnetica macroscopica in patologie cerebrali, come il disturbo bipolare e il morbo di Alzheimer, ha portato ad aumenti che lo hanno ulteriormente potenziato. Questo studio descrive il protocollo passo dopo passo e le migliori pratiche per l'applicazione di due versioni della trasformata LCPC: il sistema a griglia parallela e il sistema a griglia radiale, entrambe con script open-source e video tutorial.
Oltre ai metodi geometrici tradizionali, esistono molteplici astrazioni che si sono rivelate efficaci per misurare le forme complesse di cellule e organi. Questi includono la misurazione di eccentricità, inclinazione, contrasto e curtosi, insieme ai momenti di Zernike per catturare circolarità, asimmetria, irregolarità dei bordi e struttura globaledei contorni 8,9,10. L'analisi frattale è stata utile anche per ridurre contorni complessi in valori scalari, come la Dimensione Frattale, che misura quanto è irregolare il contorno, e la lacunarità, che misura quanto appaiono eterogeneamente irregolari i gap nelcontorno 11,12. Per misurare la texture, il metodo Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM) è popolare per misurare contrasto, energia, omogeneità, correlazione edentropia 13,14. Sebbene tutti questi metodi siano utili, nessuno di essi è stato progettato per catturare il contesto spaziale, come la direzione della gravità, la destrezza o la posizione della struttura di supporto centrale che influenza la direzione del cambio di forma. Inoltre, molti di essi producono un singolo valore scalare o solo una manciata di valori scalari per rappresentare informazioni spaziali, motivo per cui gli studi citati spesso li usano in combinazione per valutare forme complesse.
La trasformata LCPC è stata progettata per produrre molte caratteristiche da una sola misurazione e per permettere l'aggiunta di marcatori spaziali che codificano il contesto spaziale nella forma, come la direzione di gravità. Il metodo più vicino alla trasformataLCPC 7 fu pubblicato un anno dopoil 15, condividendo la stessa idea centrale come punto di partenza: applicare la trasformata di Fourier ai contorni delle celle per misurare la forma sotto forma di uno spettro di frequenza. Tuttavia, la trasformata LCPC è stata sviluppata indipendentemente per essere applicata tramite sistemi a griglia distinti, pensati per essere utilizzati insieme alla conoscenza del contesto spaziale al di fuori della forma misurata. Inoltre, l'inventore della trasformata LCPC spiega in questo manoscritto che lo spettro di frequenze risultante contiene enormi quantità di informazioni spaziali nascoste. Il Supplementary File 1 contiene una discussione estesa sui contesti spaziali in biologia spesso trascurati quando si usano i metodi citati e su come la trasformata LCPC possa essere applicata per catturare questo contesto. Per i lettori i cui dati sulla forma non mostrano differenze tra gruppi di controllo e quelli sperimentali, se i loro occhi possono vedere una differenza nelle forme, o i cui dati sulla forma mostrano pochissima differenza, anche se sospettano che debba esserci una differenza maggiore, dovrebbero provare la trasformata LCPC.
La trasformata LCPC offre un livello di precisione senza precedenti nella misurazione delle informazioni spaziali perché rappresenta forme in molteplici dimensioni. A differenza dei metodi tradizionali, come area e volume, che producono un solo valore scalare per forma (cioè 25 cm2), i risultati della trasformata LCPC possono produrre indici multipli, ciascuno correlato a un aspetto morfologico diverso di una forma (cioè, rotondità vs. nitidezza degli angoli, levigatura vs. irregolarità degli spigoli). La trasformata LCPC descrive una forma 2D sovrapponendo una griglia di linee rette che ne intersecano il contorno. Ogni sistema a griglia ha un'origine (Figura 1) o una linea di base (Figura 2) da cui misurare la distanza lineare. Consulta le Figure 1B e 2B per diagrammi di flusso semplificati che descrivono l'algoritmo. Ogni punto di intersezione tra le linee della griglia e il contorno della forma viene rilevato. La distanza di ogni intersezione viene poi calcolata rispetto a una linea di base o origine. In questo modo, la trasformazione LCPC converte le forme 2D in una serie di coppie consecutive di coordinate x-y. La coordinata x rappresenta la posizione della linea della griglia da zero all'infinito, mentre la coordinata y rappresenta la distanza dell'intersezione dalla linea di base o dall'origine. In questa forma, che è un'onda sinusoide discreta, viene poi applicata la trasformata di Fourier Veloce (FFT) per convertire i dati dal "dominio della posizione" al dominio della frequenza. Se la coordinata x rappresentasse il tempo, allora il "dominio della posizione" sarebbe equivalente al "dominio del tempo" nelle applicazioni standard della FFT.
Mentre il sistema a griglia radiale misura la distanza di ogni intersezione dall'origine della griglia radiale (Figura 1A), il sistema a griglia parallela misura sempre la distanza delle intersezioni con riferimento a una linea immaginaria a sinistra della forma (Figura 2A). Lo script open-source determina la posizione di questa linea immaginaria trovando il pixel più a sinistra del contorno e poi spostando 10 pixel a sinistra di questa posizione. Qui, la coordinata x di questa posizione diventa la retta di riferimento da cui vengono calcolate tutte le intersezioni. Questa regola dei 10 pixel è arbitraria, ma è per questo che tutti i contorni analizzati dallo script open-source per il sistema a griglia parallela devono avere almeno 15 pixel di spazio bianco su tutti e quattro i lati.
Per forme 2D con pieghe o strati multipli, le linee di griglia possono intersecare il contorno più di una volta. In questo caso, le distanze di tutte le intersezioni lungo una griglia vengono sommate in un unico valore. Quindi, ogni linea di griglia ha una sola coordinata x e una coordinata y. Questa somma è rappresentata dal termine "compresso" nel nome trasformata LCPC. La rappresentazione di una forma 2D non lineare in un'onda sinusoide discreta è rappresentata dal termine "linearizzato" nel nome dell'algoritmo. Infine, il termine "coordinate polari" è nel nome dell'algoritmo perché il primo sistema a griglia concepito era una griglia radiale a 180 gradi di coordinatepolari 7. Anche dopo aver capito che le coordinate polari e cartesiane sono intercambiabili, il nome dell'algoritmo è rimasto così com'è. La sezione ringraziamenti descrive le ragioni personali che hanno motivato l'invenzione e l'aumento della trasformazione LCPC.
Il Protocollo 1 era la sequenza per ottenere i dati mostrati nella Figura 3B, mentre il Protocollo 2 era la sequenza per ottenere i dati mostrati nella Figura 3C–D. I passaggi di questi protocolli sono implementati in singoli script Python disponibili nel repository GitHub "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16. Il Protocollo 1 è un esempio dei passaggi di pre-elaborazione per derivare la "forma pura" in preparazione alla trasformata LCPC. Il Protocollo 2 è un esempio di passaggi di pre-elaborazione per misurare forme "in scala", cioè alle loro scale originali l'una rispetto all'altra.
La segmentazione può essere effettuata manualmente in software di elaborazione immagini, come Preview su Mac o Paint di Microsoft, oppure utilizzando metodi basati su soglia. Se fatto manualmente, si dovrebbe scegliere uno dei seguenti quattro colori: blu, verde, rosa/magenta o rosso. Il repository GitHub chiamato "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16 contiene una cartella chiamata "color extraction scripts". Questa cartella contiene quattro file Jupyter Notebook con codice Python che estraggono i quattro colori menzionati e li convertono in maschere blu su sfondo bianco. Questo processo può essere eseguito anche sogliando il colore del contorno in un software di elaborazione immagini come Fiji/ImageJ. Per le immagini che contengono contorni con bordi a contatto o bordi sovrapposti (ad esempio, un diagramma di Venn), dovranno essere separate tramite software di elaborazione delle immagini, in modo che diventino oggetti indipendenti nell'immagine composita a maschera contenente più contorni organoidi. Questo non si applica alle immagini che contengono un solo organoide o più organoidi che non si toccano tra loro.