研究干細(xì)胞的研究人員有遠(yuǎn)大的目標(biāo)。有些人想治愈癌癥或治療心臟病。其他人則想生長(zhǎng)患者移植所需的組織和器官。一些小組甚至致力于開發(fā)針對(duì)個(gè)人遺傳學(xué)的高度個(gè)性化藥物。所有這些想法都面臨著類似的障礙：開發(fā)用于干細(xì)胞的測(cè)量工具具有挑戰(zhàn)性，難以確定是什么使各種新的與干細(xì)胞相關(guān)的產(chǎn)品安全，有效或高質(zhì)量。

在過(guò)去的幾年中，NIST的科學(xué)家一直在嘗試以一種使用過(guò)智能手機(jī)和地圖繪制應(yīng)用程序的人都熟悉的方式來(lái)解決此問題。但是，他們開發(fā)的系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型應(yīng)用程序中的任何功能。它結(jié)合了錄像和高功率計(jì)算，使世界更接近評(píng)估，理解和量化可用于相關(guān)療法或產(chǎn)品的細(xì)胞群體的特征。

新的圖像分析系統(tǒng)稱為Web圖像處理管道(WIPP)，就像一個(gè)映射應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序允許用戶與宏觀對(duì)象的微觀視圖進(jìn)行交互。使用WIPP，可以將細(xì)胞培養(yǎng)物劃分為真實(shí)位置，可以使用非常類似于GPS點(diǎn)或地理地圖或地圖應(yīng)用程序上象限的系統(tǒng)進(jìn)行探索和引用。但是WIPP還允許用戶從他們選擇的任何角度檢查陪替氏培養(yǎng)皿中隨時(shí)間變化的情況。

Springer Verlag在2018年1月出版的新參考書《大圖像數(shù)據(jù)的Web微分析》中詳細(xì)介紹了此新界面的工作。2016年5月發(fā)表在《干細(xì)胞研究》雜志上的一篇文章中也對(duì)此進(jìn)行了描述。

“您可以與同事共享結(jié)果，并以多種不同方式(在空間，時(shí)間和功能上)分析這些單元所發(fā)生的情況。您可以反復(fù)查看單元的時(shí)間變化。”該書的作者兼WIPP背后的IT主管彼得·巴杰西(Peter Bajcsy)說(shuō)。

WIPP設(shè)計(jì)用于與誘導(dǎo)性多能干(iPS)細(xì)胞一起工作，該細(xì)胞是從成人組織中提取的細(xì)胞，其行為類似于胚胎干細(xì)胞。iPS細(xì)胞可用于從人體的所有三個(gè)基本層制造新細(xì)胞：外胚層(皮膚)，內(nèi)胚層(胃腸道和呼吸道)和中胚層(血液和骨骼)。iPS細(xì)胞技術(shù)仍是相對(duì)較新的技術(shù)，目前尚不清楚源自iPS細(xì)胞的哪種組織類型將首先產(chǎn)生最大的影響。隨著細(xì)胞在處理過(guò)程中變成不同的細(xì)胞類型，研究人員正在尋找有效而可靠地衡量進(jìn)展的方法。

iPS型品系通常從已建立的細(xì)胞庫(kù)中購(gòu)買，這些細(xì)胞庫(kù)的運(yùn)作方式類似于血庫(kù)。取決于應(yīng)用和它們生長(zhǎng)所在的實(shí)驗(yàn)室，將細(xì)胞在不同的專用培養(yǎng)基中和不同的經(jīng)過(guò)特殊處理的表面上進(jìn)行培養(yǎng)。定期補(bǔ)充培養(yǎng)基，以使活細(xì)胞數(shù)量增加時(shí)保持多能狀態(tài)。它們可以用于實(shí)驗(yàn)中以研究基礎(chǔ)生物學(xué)，也可以分化成可以開發(fā)用于醫(yī)學(xué)治療或用于測(cè)試藥物的特定成熟細(xì)胞。

每個(gè)單元都很重要。如果一個(gè)不良細(xì)胞迅速繁殖并占據(jù)了培養(yǎng)的主導(dǎo)地位，它可能會(huì)變成腫瘤或使該制劑不適用于治療。為了完全了解這些干細(xì)胞系統(tǒng)中正在發(fā)生的事情，研究人員希望通過(guò)觀察它們的變化，生長(zhǎng)，繁殖或死亡來(lái)了解培養(yǎng)皿中細(xì)胞的特征，從而盡可能消除對(duì)患者的潛在危險(xiǎn)。

“我們相信活細(xì)胞成像確實(shí)是唯一可用于及時(shí)跟蹤單個(gè)細(xì)胞并了解單個(gè)細(xì)胞水平上給定時(shí)間點(diǎn)的行為與未來(lái)有何關(guān)系的工具，”圖像團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人邁克爾·哈爾特(Michael Halter)說(shuō)。 WIPP項(xiàng)目的收購(gòu)。“我們不只是要分析一個(gè)或幾個(gè)殖民地。我們想看所有的殖民地，我們想隨著時(shí)間的推移看它們。”

WIPP如何運(yùn)作

最初，活細(xì)胞成像研究的整個(gè)概念似乎很簡(jiǎn)單：使用現(xiàn)有的眾所周知的工具(例如視頻顯微鏡)拍攝給定細(xì)胞集落的鏡頭。運(yùn)行素材，觀察隨時(shí)間變化的細(xì)胞情況。

然而，問題是規(guī)模和規(guī)模之一。每道菜都充滿了成千上萬(wàn)個(gè)細(xì)胞，要拍攝足夠的圖像以捕獲每個(gè)細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)和變化，可能對(duì)計(jì)算機(jī)的要求很高。例如，為期5天的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了3次運(yùn)行，可以得出等于TB的數(shù)據(jù)集(1 TB = 10 12字節(jié))。試圖將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦或臺(tái)式機(jī)系統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器上—將數(shù)據(jù)加載到總大小通常僅為1-3 TB的計(jì)算機(jī)內(nèi)存中—并以任何靈活或靈活的方式使用它都是不可能的，因?yàn)楫?dāng)前硬件和軟件限制。如果沒有足夠的處理能力和計(jì)算機(jī)內(nèi)存，這些筆記本電腦和較小的臺(tái)式機(jī)將開始令人窒息。

WIPP軟件屏幕截圖

WIPP軟件的靜止圖像，其中在深色背景上顯示了幾個(gè)用紅色勾勒出輪廓的單元格和幾個(gè)用綠色勾勒出的單元格。還如圖：培養(yǎng)皿中細(xì)胞地理位置的地圖。圖片來(lái)源：Jose Garcia / NIST

WIPP通過(guò)利用服務(wù)器的計(jì)算能力和Web界面的靈活性來(lái)解決此問題。研究人員將其數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，該服務(wù)器執(zhí)行一些計(jì)算操作，而其他數(shù)據(jù)則通過(guò)Web瀏覽器在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行。整個(gè)WIPP系統(tǒng)都是開放訪問的，并且是公共領(lǐng)域的，盡管研究人員自己的數(shù)據(jù)集在特定項(xiàng)目之前是私有的，直到他們選擇將其公開。

使用顯微鏡按順序拍攝正在生長(zhǎng)菌落的細(xì)胞培養(yǎng)皿的各個(gè)部分。然后將這些圖像像被子一樣縫合在一起，以形成每個(gè)時(shí)刻的整個(gè)盤子的視圖。然后，每個(gè)復(fù)雜的合成的單時(shí)間點(diǎn)圖像都像電影一樣運(yùn)行，從而揭示了細(xì)胞的整個(gè)歷史。

盡管在概念上聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但事實(shí)證明，設(shè)計(jì)和建模過(guò)程非常困難，并且在計(jì)算上具有挑戰(zhàn)性。首先，生物學(xué)和計(jì)算領(lǐng)域的專家必須找到一種通用語(yǔ)言，以便將生物學(xué)知識(shí)與數(shù)學(xué)模型和信息技術(shù)相匹配。接下來(lái)，必須對(duì)新過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，以便用戶可以信任任何結(jié)果度量。然后必須將這些測(cè)量結(jié)果集成到一個(gè)產(chǎn)品中。

最后，用于圖像校準(zhǔn)的復(fù)雜算法必須設(shè)計(jì)為有效運(yùn)行，不僅可以使用多種類型的Internet瀏覽器在系統(tǒng)服務(wù)器上，而且可以在潛在的客戶端計(jì)算機(jī)上高效運(yùn)行。這些算法滿足了復(fù)雜的需求，例如：背景和平場(chǎng)校正，縫合以使圖像“像被子一樣”排列，細(xì)胞集落或細(xì)胞的分割以及特征提取，以表征分割的對(duì)象。結(jié)果感覺很像通過(guò)電話訪問的在線Earth-mapping應(yīng)用程序。用戶可以從一個(gè)很大的培養(yǎng)皿“地圖”視圖開始，該圖顯示所有細(xì)胞，并使用光標(biāo)從培養(yǎng)皿的一部分跳到另一部分，并根據(jù)需要放大和縮小以使其看起來(lái)更近。他們可以從粗略的細(xì)節(jié)切換到更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

常規(guī)在線地圖繪制和WIPP之間的主要區(qū)別在于系統(tǒng)內(nèi)置的復(fù)雜性。當(dāng)您使用手機(jī)通過(guò)在線地圖找到城市公園之類的地方時(shí)，您正在尋找公園的位置以及如何從您所在的位置到達(dá)那里。在WIPP系統(tǒng)中，您可以在各種地圖中四處旅行，并訪問細(xì)胞培養(yǎng)皿中的不同位置。但是您還可以看到隨著時(shí)間的流逝，每個(gè)位置都會(huì)發(fā)生什么，以及那里的細(xì)胞是如何變化和生長(zhǎng)的。這幾乎就像用手機(jī)查看公園的位置，還像是那里生活的每只松鼠，鳥和蠕蟲的年齡，它們擁有的后代數(shù)量以及在特定時(shí)間吃的食物量一樣您參觀的早晨。

WIPP將計(jì)算整合到圖像的后面，提取分析數(shù)據(jù)以匹配實(shí)驗(yàn)的每個(gè)視圖。這使用戶可以收集有關(guān)形狀，大小，紋理特征，熒光強(qiáng)度，對(duì)比度和這些測(cè)量值的變化率的關(guān)鍵測(cè)量值，并可以分析隨時(shí)間和空間變化的每個(gè)菌落內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量。

您還可以保留計(jì)算數(shù)據(jù)和關(guān)的圖像，并以不同的方式隨時(shí)間重新混合它們。例如，如果要查看一個(gè)單元是存活還是死亡，可以執(zhí)行此操作。但是，如果您以后決定要查看在先前的實(shí)驗(yàn)中哪些細(xì)胞繁殖迅速，哪些細(xì)胞繁殖緩慢，您也可以這樣做。

研究人員甚至可以在其實(shí)驗(yàn)中使用WIPP系統(tǒng)來(lái)獲得計(jì)算的可追溯性，這在過(guò)去幾年中變得尤為重要，因?yàn)楫?dāng)發(fā)現(xiàn)無(wú)法在后續(xù)研究中再現(xiàn)其結(jié)果時(shí)，一些著名的研究已被撤回。實(shí)驗(yàn)。

“如果有人不信任您的電話號(hào)碼，” Bajcsy說(shuō)，“他們可以使用此工具返回您的原始視野和原始圖像集。對(duì)于計(jì)算的可追溯性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，這確實(shí)很重要。如果在此臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行了某些計(jì)算并且在另一臺(tái)筆記本電腦上進(jìn)行了某些計(jì)算，并且算法參數(shù)，軟件版本，軟件配置和計(jì)算鏈未自動(dòng)記錄和鏈接，則您將無(wú)法跟蹤結(jié)果。現(xiàn)在，您有了一個(gè)包含所有內(nèi)容的中央存儲(chǔ)庫(kù)。”

該系統(tǒng)還可用于評(píng)估制造過(guò)程中和制造后的下一代藥品。長(zhǎng)期以來(lái)，質(zhì)量保證一直是藥物生產(chǎn)的一部分，但是隨著活細(xì)胞的使用以及治療的日趨普遍，質(zhì)量保證正變得越來(lái)越復(fù)雜。食品和藥物管理局最近對(duì)白血病基因治療的批準(zhǔn)就是一個(gè)很好的例子。在這樣的制造過(guò)程中，質(zhì)量的評(píng)估和測(cè)量必須是可重復(fù)的且精確的，因?yàn)樯艿酵{。這種質(zhì)量控制必須在細(xì)胞種群水平上進(jìn)行，這需要WIPP可以處理的大數(shù)據(jù)規(guī)模。

獨(dú)特的合作

WIPP是NIST的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的共同努力的結(jié)果：致力于支持蜂窩系統(tǒng)的高質(zhì)量測(cè)量的人員和從事信息技術(shù)的人員。

“如果我們自己完成此操作，我們將獲得現(xiàn)成的軟件工具包，并且永遠(yuǎn)不會(huì)朝這個(gè)方向發(fā)展，”生物學(xué)家Halter說(shuō)。“現(xiàn)在，強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)可供眾多研究人員使用。”

Bajcsy說(shuō)：“如果沒有共同努力并結(jié)合生物學(xué)和建模專業(yè)知識(shí)，我們將無(wú)法獲得對(duì)這些超大型成像實(shí)驗(yàn)的有意義的分析。”

NIST向任何想將其用于研究目的的人免費(fèi)提供WIPP接口的使用。也可以使用用于創(chuàng)建它的開源代碼。Halter和Bajcsy希望致力于進(jìn)一步擴(kuò)大干細(xì)胞潛力的其他人將在新的應(yīng)用程序中通過(guò)WIPP進(jìn)行擴(kuò)展或改進(jìn)。

Halter說(shuō)：“人體的生物學(xué)是如此復(fù)雜。” “我們需要先進(jìn)的方法來(lái)評(píng)估干細(xì)胞研究中的新產(chǎn)品，然后再將它們投放到醫(yī)療設(shè)備或人體中。該工具是朝著這個(gè)方向邁出的非常重要的一步。”