用于跟踪干细胞的地图应用程序

使用干细胞的研究人员有雄心勃勃的目标。有些人想治愈癌症或治疗心脏病。其他人想要培养患者移植所需的组织和器官。一些团体甚至致力于开发高度个性化的药物，根据个人的遗传学量身定制。然而，所有这些想法都面临着类似的障碍：用于干细胞生产的测量工具的开发具有挑战性，因此难以确定使各种新干细胞相关产品安全，有效或高质量的原因。

NIST的IT和生物科学专家共同创建了Web图像处理管道(WIPP)，允许任何拥有自动成像工具的人收集，查看和管理TB级图像。用户体验很像使用手机映射应用程序查看跨时间，空间和功能的单元格更改。

在过去的几年里，NIST的科学家一直试图以一种对任何使用过智能手机和地图应用程序的人来说都很熟悉的方式来解决这个问题。然而，他们开发的系统远远超出了典型应用程序中的任何功能。它结合了视频素材和高功率计算，使世界更接近评估，理解和量化可用于相关疗法或产品的细胞群特征。

新的图像分析系统，称为Web图像处理管道(WIPP)，就像一个地图应用程序，允许用户与宏观对象的微观视图进行交互。使用WIPP，细胞培养物被划分为真实位置，可以使用非常类似GPS点的系统或地理地图或地图应用程序上的象限来探索和参考。但WIPP还允许用户从他们选择的任何角度检查培养皿中发生的情况。

有关这一新界面的工作详见于Springer Verlag于2018年1月出版的新的大图像数据微观分析书。2016年5月发表在干细胞研究杂志上的一篇文章也对此进行了描述。

“你可以与同事分享结果，并以多种不同的方式分析这些细胞的发生情况- 空间，时间和功能。你可以一遍又一遍地检查细胞如何随时间变化，”Peter Bajcsy说，本书的作者和WIPP背后研究的IT主管。

WIPP设计用于诱导多能干细胞(iPS)，这些细胞是从成人组织中取出的细胞，加工成胚胎干细胞。iPS细胞可用于从所有三个基本人体层制造新细胞：外胚层(皮肤)，内胚层(胃肠道和呼吸道)和中胚层(血液和骨骼)。iPS细胞技术仍然相对较新，目前尚不清楚哪种来自iPS细胞的组织类型首先会产生最大的影响。研究人员正在寻求有效和可靠地测量进展的方法，因为细胞在加工过程中变成不同的细胞类

模型iPS线通常从已建立的细胞库购买，其运作方式有点像血库。根据应用和它们生长的实验室，细胞在不同的专门培养基和不同的特殊处理表面上培养。定期补充培养基以使活细胞在数量增加时保持多能状态。它们可以用于实验以研究基础生物学，或者它们可以分化成特定的成熟细胞，可以开发用于医学治疗或用于测试药物。

每个细胞都很重要如果一种不需要的细胞迅速繁殖并且主导培养物，它可能变成肿瘤或使制剂不适合用作治疗。为了充分了解这些干细胞系统中发生的情况，研究人员希望通过观察它们的变化，生长，繁殖或死亡来了解培养皿中细胞的特征，以尽可能消除患者的潜在危险。

“我们相信活体细胞成像确实是唯一可以用来及时跟踪单个细胞并在单细胞水平上理解特定时间点的行为如何与未来相关的工具，”图像团队负责人Michael Halter说。收购WIPP项目。“我们不只是想分析一个殖民地或一些殖民地。我们希望看看所有的殖民地，我们希望随着时间的推移看待它们。”

WIPP如何运作

起初，活细胞成像研究的整个概念看起来很简单：使用现有的知名工具(如视频显微镜)拍摄给定细胞集落的镜头。运行镜头并观察细胞随时间发生的变化。

然而，问题在于规模和规模。每个碟子都装满了成千上万的细胞，并且拍摄足够的图像来捕捉每个细胞的运动和变化可能会对计算机产生很大的影响。例如，5天实验的三次运行可以产生等于1TB(1TB =1012字节)的数据集。尝试将数据传输到笔记本电脑或台式机系统的硬盘驱动器上 - 将其加载到计算机内存中，通常只有1-3 TB的总大小 - 并且以任何灵活或灵活的方式使用它是不可能的硬件和软件限制。没有足够的处理和计算机内存，那些笔记本电脑和较小的台式机开始窒息。

WIPP通过利用服务器的计算能力和Web界面的灵活性来规避这个问题。研究人员将他们的数据上传到服务器，服务器执行一些计算操作，而其他人则使用Web浏览器在桌面上执行。整个WIPP系统是开放式访问和公共领域，尽管研究人员自己的数据集对于特定项目仍然是私有的，直到他们选择公开为止。

使用显微镜依次拍摄培养菌落的细胞培养皿的切片。然后将这些图像缝合在一起，就像被子一样，在每个时间点形成整个菜肴的视图。然后，每个复杂的复合单时间点图像都像电影一样运行，揭示细胞的整个历史。

虽然在概念上听起来很简单，但设计和建模过程非常困难并且在计算上具有挑战性。首先，来自生物学和计算领域的专家必须找到一种共同语言，以便将生物学知识与数学模型和信息技术相匹配。接下来，必须验证新流程，以便用户可以信任任何结果测量。然后必须将测量结果集成到一个产品中。

最后，用于图像校准的复杂算法必须设计为高效运行 - 不仅在系统的服务器上运行，而且在使用多种类型的互联网浏览器的潜在客户端计算机上运行。这些算法解决了复杂的需求，例如：背景和平场校正，缝合以制作图像的“被子”排列，细胞集落或细胞的分割以及特征提取，以便表征分割的对象。结果感觉很像通过手机访问的在线地球测绘应用程序。用户可以从培养皿的非常大的“地图”视图开始，该地图显示所有细胞并使用光标从培养皿的一部分跳到另一部分，根据需要放大和缩小以获得更近的外观。它们可以从粗略的细节级别切换到更精细的细节级别。

常规在线映射与WIPP之间的关键区别在于系统内置的复杂程度。当您使用手机通过在线地图找到像城市公园这样的地方时，您正在寻找公园的位置以及如何从您的位置前往那里。在WIPP系统中，您可以在各种地图中四处走动，并访问细胞培养皿中的不同位置。但是你也可以看到随着时间的推移每个位置会发生什么，以及那里的细胞如何变化和增长。这几乎就像用你的手机看看公园所在的地方，还有生活在那里的每只松鼠，鸟和蠕虫的年龄，他们拥有的后代数量，以及他们在特定时间吃的食物量。你去过的那个早晨。

WIPP结合了图像背后的计算，提取分析数据以匹配实验的每个视图。这允许用户收集关于形状，大小，纹理特征，荧光强度，对比度和这些测量值的变化率的关键测量值，并分析每个群体内的细胞群随时间和空间的变化。

您还可以保留计算数据和相关图像，并以不同方式重新混合它们。例如，如果您想查看一个细胞是否存活或死亡，您可以这样做。但是，如果您稍后决定要查看哪些细胞快速复制以及哪些细胞在您之前的实验中缓慢复制，您也可以这样做。

研究人员甚至可以使用WIPP系统来获得他们实验中计算的可追溯性，这在过去几年变得尤为重要，因为当发现他们的结果无法在后续行动中重现时，一些高调的研究被撤回实验。

“如果有人不信任你的数字，”Bajcsy说，“他们可以使用这个工具回到原始视野和原始图像集。为了计算的可追溯性和实验结果的可重复性，这非常重要。如果在这个桌面上进行某些计算而在另一台笔记本电脑上进行某些计算，并且无法自动记录和链接算法参数，软件版本，软件配置和计算链，则无法跟踪结果。现在您有一个包含所有内容的中央存储库。

该系统还可用于评估制造期间和之后的下一代药品。质量保证长期以来一直是制药生产的一部分，但随着活细胞作为治疗方法的使用变得越来越普遍，它已成为一个更复杂的问题。最近美国食品和药物管理局对白血病遗传治疗的批准提供了一个例子。在这样的制造过程中，质量的评估和测量必须是可重复的和精确的，因为生命受到威胁。这种质量控制必须在细胞群体水平上进行，这需要WIPP可以处理的那种大型数据量表。