Ricostruzione 3D della pelle e mappatura spaziale della densità delle cellule immunitarie, della distanza vascolare e degli effetti dell'esposizione solare e dell'invecchiamento
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Ricostruzione 3D della pelle e mappatura spaziale della densità delle cellule immunitarie, della distanza vascolare e degli effetti dell'esposizione solare e dell'invecchiamento

May 28, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 718 (2023) Citare questo articolo

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La mappatura del corpo umano alla risoluzione di una singola cellula in tre dimensioni (3D) è importante per comprendere le interazioni cellulari nel contesto dell'organizzazione dei tessuti e degli organi. L'analisi cellulare spaziale 2D in una singola sezione di tessuto può essere limitata dal numero di cellule e dall'istologia. Qui mostriamo un flusso di lavoro per la ricostruzione 3D di sezioni di tessuto sequenziali multiplex: MATRICS-A (Multiplexed Image Three-D Reconstruction and Integrated Cell Spatial - Analysis). Dimostriamo MATRICS-A in 26 sezioni seriali di pelle fissa (colorata con 18 biomarcatori) di 12 donatori di età compresa tra 32 e 72 anni. Confrontando i dati cellulari ricostruiti in 3D con i dati 2D, mostriamo distanze significativamente più brevi tra le cellule immunitarie e le cellule endoteliali vascolari (56 µm in 3D contro 108 µm in 2D). Mostriamo anche il 10-70% in più di cellule T (totale) entro 30 µm da una cellula T helper vicina in 3D rispetto a 2D. Le distanze delle cellule positive p53, DDB2 e Ki67 dalla superficie cutanea erano costanti in tutte le età/esposizione al sole e in gran parte localizzate nello strato basale inferiore dell'epidermide. MATRICS-A fornisce un quadro per l'analisi delle relazioni cellulari spaziali 3D negli organi sani e invecchiati e potrebbe essere ulteriormente esteso agli organi malati.

Il programma HuBMAP (Human Biomolecular Atlas Program) del National Institutes of Health (NIH) mira a creare un atlante completo ad alta risoluzione di tutte le cellule del corpo umano sano utilizzando dati provenienti da più laboratori negli Stati Uniti e in Europa1. Integrare e armonizzare i dati derivati ​​da questi campioni e “mapparli” in uno spazio tridimensionale (3D) comune è una sfida importante. HuBMAP, in stretta collaborazione con altri 17 consorzi e progetti internazionali, sta costruendo sistematicamente un Atlante di riferimento umano (HRA)2. Al centro di questo Atlante c’è un quadro di coordinate comuni (CCF) che supporta la registrazione e l’esplorazione dei tessuti umani spazialmente e semanticamente esplicite. L’Atlante completato supporterà la progettazione di un “gemello digitale” per uomini e donne sani che può essere parametrizzato a supporto della salute e della medicina di precisione. Il CCF ha due componenti chiave: (1) tabelle di strutture anatomiche, tipi di cellule e biomarcatori (ASCT + B) per ciascun organo, che utilizzano ontologie esistenti (ad esempio, ontologia anatomica multi-specie di Uberon, modello fondamentale di ontologia anatomica [FMA] , Cell Ontology [CL] o HUGO Gene Nomenclature [HGNC]) e (2) una libreria di oggetti di riferimento 3D che definisce spazialmente strutture anatomiche e tipi di cellule per ciascun organo e caratterizza le loro relazioni spaziali 3D all'interno del corpo umano. Utilizzando l'Atlante, i dati sui tessuti possono essere registrati spazialmente e semanticamente (utilizzando nomi standardizzati e unificati per anatomia, tipi di cellule e biomarcatori). Questo articolo si concentra sulla generazione di dati cutanei 3D e sul calcolo automatizzato di mappe spaziali 3D. Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta in cui è stata presentata la densità di cluster di cellule immunitarie in 3D, sono state presentate le distribuzioni della distanza delle cellule immunitarie alla cellula endoteliale più vicina in 3D e la distanza delle cellule danneggiate o proliferanti dalla superficie cutanea.

La pelle è il più grande organo umano. È composto da almeno 36 diversi tipi di cellule (documentati nella versione 1.2 di ASCT + B3) e da un vasto microambiente di oltre 16 strutture anatomiche tra cui strutture ghiandolari, follicoli piliferi, sistema vascolare e componenti del sistema immunitario. Almeno 70 biomarcatori proteici sono comunemente utilizzati per caratterizzare i principali tipi di cellule cutanee e strutture anatomiche3. Sebbene negli ultimi anni siano stati condotti numerosi studi atlante su singola cellula della pelle umana4,5, questi si sono concentrati sull'analisi RNAseq su singola cellula (sc) e non sull'analisi spaziale 2D in situ o 3D di tipi cellulari e proteine. Un'analisi proteomica approfondita della pelle sana ha identificato 10.701 proteine ​​e ha utilizzato la dissezione avanzata e la citometria a flusso per mapparle nella posizione all'interno degli strati cutanei e nell'origine cellulare6. Sebbene sia stato fatto molto lavoro sulla caratterizzazione della pelle precancerosa e cancerosa, c’è meno comprensione dei cambiamenti cellulari in individui altrimenti sani durante tutto il ciclo di vita, compresi gli effetti dei raggi UV7,8. Una recente analisi multimodale (che combina scRNAseq, trascrittomica spaziale e imaging con fascio ionico multiplex)9 del carcinoma cutaneo a cellule squamose (cSCC) e della pelle normale abbinata ha mostrato popolazioni di cheratinociti ampiamente sovrapposte, con una sola sottopopolazione di cheratinociti tumore-specifica in sSCC. Ciò evidenzia il valore dello sviluppo di set di dati di organi di riferimento normali/sani per comprendere la transizione cellulare verso la malattia.

For 3D reconstruction of the serial sections, we first manually select one reference 2D AF image from the stack of 26 serial images (Fig. 3a, b and Methods). All AF images used for reconstruction are unstained (i.e., the image is taken prior to any marker staining), hence AF-based registration is independent of biomarker signal or signal variations associated with staining. Compared to other registration approaches that have been used for 3D reconstruction14, we automatically segment AF in each serial image using Otsu thresholding, morphological closing, and retaining the largest component39 (Fig. 3c) to generate a 2D AF mask. The 2D AF mask focuses registration on a region of interest (ROI) and filters out background noise or artefacts that may interfere with the registration process. Post serial image registration, 3D volumes of AF and cells are created, and 3D connectivity of all cells is used to fuse overlapping cells in adjacent serial sections to prevent overcounting (Fig. 3d, e). We use ITK’s 3D connected component image filter to merge overlapping cells and classify cells in 3DClass Template Reference. https://itk.org/Doxygen/html/classitk_1_1ConnectedComponentImageFilter.html (2023)." href="/articles/s42003-023-04991-z#ref-CR40" id="ref-link-section-d87231388e979"40,41. Connected component image filter has historically been used in merging segmentations in 3D42,43,44 and for refining cell segmentation in 2D45. To the best of our knowledge, this is the first time a 3D connected component has been used to fuse overlapping cells in 3D in serial histological sections. Mean dice similarity coefficient (DSC)46 was used to assess image registration accuracy, and we found an overlap accuracy of 0.95 ± 0.04 for 24 serial sections in the ten reconstructed skin volumes (the last two sections were used for deep learning training and excluded). An overlap DSC of 0.90 is classified as high quality in the 3D registration or reconstruction community14. The normalized cross correlation between the serial AF sections (a metric of registration quality) was 0.6 ± 0.07 for all AF serial sections. This result is comparable to established 3D reconstruction methods13 and is good considering the deformation/damage that can occur during cyclic multiplexing, which could negatively affect accurate registration. Slides were also randomly picked from each of the reconstructed skin volumes and segmented cells and biomarkers were overlaid on the images for visual validation. To mitigate potential issues associated with higher or lower signal intensity for a slide, any discrepancies in cell density of a biomarker were identified and a higher or lower probability threshold was used on the probabilistic segmentation to improve segmentation. Such manual biomarker probability adjustments were necessary in less than 2% of the whole slide images dataset./p>

For 3D reconstruction a reference AF image was manually identified from 24 serial sections of every region based on image quality (contrast, wear and tear, deformation etc.). All 2D AF images were masked (with a tissue mask) and all 2D AF serial section images were registered to the chosen reference image. Otsu thresholding uses intra-class variance computed from image histogram to set the thresholds for the AF background and the foreground. Hence while the AF signal distribution may change from one serial section to another, the threshold is set based on intra-class variance and is automatically adjusted from one serial section to another to maximize the separation of the background and the foreground. Our registration model uses local patch-based, normalized cross correlation to establish correspondences making our model fast without compromising on accuracy. Patch wise normalized cross correlation depends less on absolute intensity values and depends more on a good separation of the background and foreground signal which we obtain by masking our autofluorescence image. After affine registration, B-spline based deformable registration68, we use normalized mutual information to mitigate image intensity differences that may occur between one serial section to another in the autofluorescence images. A block matching strategy69 was adopted to determine the transformation parameters for the affine registration from masked AF images (Fig. 3c). The similarity between a block from the reference AF was computed relative to the AF serial sections. The best corresponding block defined the displacement vector for the affine transformation70. Normalized mutual information was chosen as the similarity matrix and maximized to achieve the registration. The transformation map obtained from the registration of the AF images was applied to individual biomarkers for all serial sections to create a 3D volume of endothelial, T killer, T reg, T helper cells and macrophages (Fig. 3d) and overlaid on 3D AF volume as shown in Fig. 3e. Post registration, 3D connectivity of all cells were used to fuse overlapping cells in adjacent serial sections to prevent overcounting. Cells overlapping in 3D in adjacent sections are automatically connected and considered as a single entity in 3D using ITK’s 3D connected filterClass Template Reference. https://itk.org/Doxygen/html/classitk_1_1ConnectedComponentImageFilter.html (2023)." href="/articles/s42003-023-04991-z#ref-CR40" id="ref-link-section-d87231388e1796"40. ITK is an opensource software widely used for both 2D and 3D medical image analysis. ITK’s 3D connected filter is used to merge binary labels in 3D based on overlap of the labels in 3D (adjacent sections post 3D reconstruction). While the Watershed algorithm is often used for merging labels in 3D, it requires multiple parameters (diffusion, gradient, thresholding) to be tuned manually for a dataset that may not generalize in a large dataset like ours. This would result in merging of un-related cells (due to diffusion parameter) or cell dropping (due to gradient threshold parameter). Instead, a connected component filter has been used to merge segmented cells that are locally connected in 2D to create a single unit for each cell. Here, we extend that framework to 3D. No manual tuning of the parameters is required for this connected component filter approach, and ITK’s 3D connected filters are routinely used in medical image analysis. All code can be found at GitHub - hubmapconsortium/MATRICS-A: Multiplexed Image Three-D Reconstruction and Integrated Cell Spatial -Analysis, the docker container/environment to run the code can obtained by using docker pull hubmap/gehc:skin and test data for skin region 7 can be found at Human Digital Twin: Automated Cell Type Distance Computation and 3D Atlas Construction in Multiplexed Skin Biopsies | Zenodo. There is a corresponding ReadMe file that provides context and instructions for the repository’s contents and could be found here MATRICS-A/README.md at main · hubmapconsortium/MATRICS-A · GitHub./p>

Class Template Reference. https://itk.org/Doxygen/html/classitk_1_1ConnectedComponentImageFilter.html (2023)./p>