$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Driedimensionale (3D) organoïdecultuur is superieur gebleken aan tweedimensionale (2D) celkweek in het nabootsen van in vivo biologie 1,2. Organoïden zijn onmisbaar geworden in kankeronderzoek voor screening op effectieve behandelingen en om inzicht te krijgen in de ziekteprogressie 3,4,5,6. Hoewel het in de kankerbiologie algemeen bekend is dat verschillen in morfologie correleren met verschillend biologisch gedrag van cellen en weefsels, is het vakgebied gebaseerd op traditionele vormmetingen die beperkt zijn in reikwijdte. Deze studie beschrijft een nieuw ruimtelijk algoritme dat subtiele morfologische kenmerken objectief kwantificeert met ongekende precisie, waarmee het traditionele benaderingen zoals oppervlakte, volume en oppervlakte overtreft.
De linearized compressed polar coördinates (LCPC) transformatie werd uitgevonden om objectief en kwantitatief complexe morfologieën te beschrijven die in de weefselhistopathologie worden waargenomen, met als doel de grading van colon polypen7 te verbeteren. De wens om deze aanpak vervolgens uit te breiden om macroscopische MRI-gebaseerde ruimtelijke kenmerken in hersenpathologieën zoals bipolaire stoornis en de ziekte van Alzheimer vast te leggen, leidde tot augmentaties die het nog verder versterkten. Deze studie beschrijft het stapsgewijze protocol en best practices voor het toepassen van twee versies van de LCPC-transformatie: het parallelle gridsysteem en het radiale gridsysteem, die beide open-source scripts en tutorialvideo's hebben.
Naast traditionele geometrische methoden bestaan er meerdere abstracties die effectief zijn geweest voor het meten van de complexe vormen van cellen en organen. Deze omvatten het meten van excentriciteit, scheefheid, contrast en kurtosis, samen met Zernike-momenten om circulariteit, asymmetrie, randonregelmatigheid en globale contourstructuur 8,9,10 vast te leggen. Fractale analyse is ook nuttig geweest om complexe contouren te reduceren tot scalaire waarden, zoals Fractale Dimension, die meet hoe onregelmatig de contour is, en lacuniteit, die meet hoe heterogeen onregelmatige gaten in de contour11,12 voorkomen. Voor het meten van textuur is de Gray Level Co-occurrence Matrix (GLCM) methode populair voor het meten van contrast, energie, homogeniteit, correlatie en entropie13,14. Hoewel al deze methoden nuttig zijn, zijn ze niet ontworpen om ruimtelijke context vast te leggen, zoals de richting van de zwaartekracht, links- versus rechtshandigheid, of de locatie van de centrale steunstructuur die de richting van vormverandering beïnvloedt. Bovendien produceren veel van hen één enkele scalaire waarde of slechts een handvol scalairwaarden om ruimtelijke informatie weer te geven, waardoor de geciteerde studies ze vaak in combinatie gebruiken om complexe vormen te beoordelen.
De LCPC-transformatie is ontworpen om veel kenmerken uit één meting te produceren en om ruimtelijke markeringen toe te voegen die ruimtelijke context in de vorm coderen, zoals de richting van de zwaartekracht. De methode die het dichtst bij de LCPC-transformatie7 ligt, werd een jaar latergepubliceerd op 15, met hetzelfde kernidee als uitgangspunt: de Fouriertransformatie toepassen op celcontouren om vorm te meten in de vorm van een frequentiespectrum. De LCPC-transformatie is echter onafhankelijk ontwikkeld om toegepast te worden via verschillende rastersystemen die bedoeld waren om samen met kennis van de ruimtelijke context buiten de gemeten vorm te worden gebruikt. Bovendien legt de uitvinder van de LCPC-transformatie in dit manuscript uit dat het resulterende frequentiespectrum enorme hoeveelheden verborgen ruimtelijke informatie bevat. Aanvullend Dossier 1 bevat een uitgebreide bespreking van ruimtelijke contexten in de biologie die vaak over het hoofd worden gezien bij het gebruik van de geciteerde methoden en hoe de LCPC-transformatie kan worden toegepast om deze context vast te leggen. Voor lezers van wie de vormgegevens geen verschil laten zien tussen controle- en experimentele groepen, of hun ogen nu verschil in de vormen kunnen zien, of van wie de vormgegevens nauwelijks verschil laten zien, ook al vermoeden ze dat er een groter verschil zou moeten zijn, moeten ze de LCPC-transformatie proberen.
De LCPC-transformatie biedt een ongekend niveau van precisie bij het meten van ruimtelijke informatie omdat het vormen in meerdere dimensies weergeeft. In tegenstelling tot traditionele methoden, zoals oppervlakte en volume, die slechts één scalaire waarde per vorm opleveren (d.w.z. 25 cm2), kunnen de resultaten van de LCPC-transformatie meerdere indices opleveren, die elk correleren met een ander morfologisch aspect van een vorm (d.w.z. rondheid versus scherpte van hoeken, gladheid versus scherpte van randen). De LCPC-transformatie beschrijft een 2D-vorm door een raster van rechte lijnen over elkaar te leggen die de contour snijden. Elk roostersysteem heeft een oorsprong (Figuur 1) of een basislijn (Figuur 2) van waaruit lineaire afstand gemeten kan worden. Zie Figuren 1B en 2B voor vereenvoudigde stroomdiagrammen die het algoritme beschrijven. Elk snijpunt tussen de rasterlijnen en de contour van de vorm wordt gedetecteerd. De afstand van elke doorsnede wordt vervolgens berekend ten opzichte van een basislijn of oorsprong. Op deze manier zet de LCPC-transformatie 2D-vormen om in een reeks opeenvolgende x-y coördinatenparen. De x-coördinaat geeft de positie van de rasterlijn van nul tot oneindig aan, terwijl de y-coördinaat de afstand van de snijpunt tot de basislijn of oorsprong weergeeft. In deze vorm, die een discrete sinusoïde golf is, wordt de Fast Fourier-transformatie (FFT) toegepast om de gegevens van het "positiedomein" naar het frequentiedomein om te zetten. Als de x-coördinaat tijd voorstelde, dan zou het "positiedomein" gelijkwaardig zijn aan het "tijddomein" in de standaardtoepassingen van de FFT.
Terwijl het radiale roostersysteem de afstand meet van elke snijpunt tot de oorsprong van het radiale rooster (Figuur 1A), meet het parallelle roostersysteem altijd de afstand van doorsneden met verwijzing naar een denkbeeldige lijn links van de vorm (Figuur 2A). Het open-source script bepaalt de positie van deze denkbeeldige lijn door de meest linkse pixel van de contour te vinden en vervolgens 10 pixels naar links van deze positie te verplaatsen. Hier wordt de x-coördinaat van deze positie de referentielijn waaruit alle doorsneden worden berekend. Deze 10-pixelregel is willekeurig, maar daarom moeten alle contouren die door het open-source script voor het parallelle grid-systeem worden geanalyseerd minstens 15 pixels witte ruimte aan alle vier de zijden bevatten.
Voor 2D-vormen met plooien of meerdere lagen kunnen rasterlijnen de contour meer dan eens snijden. In dit geval worden de afstanden van alle doorsneden langs een rasterlijn opgeteld tot één enkele waarde. Dus elke gridlijn heeft slechts één x-coördinaat en één y-coördinaat. Deze som wordt weergegeven door de term "gecomprimeerd" in de naam LCPC-transformatie. Het renderen van een niet-lineaire 2D-vorm in een discrete sinusgolf wordt weergegeven door de term "linearized" in de naam van het algoritme. Tot slot zit de term "polaire coördinaten" in de naam van het algoritme omdat het eerste gridsysteem dat werd bedacht een 180-graden radiaal raster was met polaire coördinaten7. Zelfs nadat men besefte dat polaire en cartesische coördinaten uitwisselbaar zijn, bleef de naam van het algoritme behouden. De sectie dankbetuigingen beschrijft de persoonlijke redenen die de uitvinding en uitbreiding van de LCPC-transformatie hebben gemotiveerd.
Protocol 1 was de volgorde voor het verkrijgen van de gegevens in Figuur 3B, terwijl Protocol 2 de volgorde was voor het verkrijgen van de gegevens in Figuur 3C–D. De stappen in deze protocollen zijn geïmplementeerd in individuele Python-scripts die beschikbaar zijn in de GitHub-repository "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16. Protocol 1 is een voorbeeld van de pre-processing stappen om "pure vorm" af te leiden ter voorbereiding op de LCPC-transformatie. Protocol 2 is een voorbeeld van pre-processing stappen om vormen "op schaal" te meten, wat betekent op hun oorspronkelijke schalen ten opzichte van elkaar.
Segmentatie kan handmatig worden uitgevoerd in beeldverwerkingssoftware, zoals Mac's Preview of Microsoft's Paint, of met behulp van drempelgebaseerde methoden. Als het handmatig wordt gedaan, moet een van de volgende vier kleuren worden gekozen: blauw, groen, roze/magenta of rood. De GitHub-repository genaamd "Pre-Processing-Tools-for-LCPC-Transform"16 bevat een map genaamd "color extraction scripts". Deze map bevat vier Jupyter Notebook-bestanden met Python-code die de vier eerder genoemde kleuren extraheren en omzetten in blauwe maskers op een witte achtergrond. Dit proces kan ook worden uitgevoerd door de omtrekkleur te drempelen in beeldverwerkingssoftware zoals Fiji/ImageJ. Voor afbeeldingen die contouren bevatten met aanrakende randen of overlappende randen (bijvoorbeeld een Venn-diagram), moeten ze worden gescheiden met behulp van beeldverwerkingssoftware, zodat ze onafhankelijke objecten worden in het samengestelde maskerbeeld met meerdere organoïde contouren. Dit geldt niet voor afbeeldingen die slechts één organoïde bevatten of meerdere organoïden die elkaar niet raken.