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Se describe un protocolo para la identificación de subtipos de linfocitos usando proyección de imagen de fase cuantitativa y un algoritmo de aprendizaje automático libre de etiqueta. Las mediciones de índice de refracción 3D tomogramas de linfocitos presentan 3D información morfológica y bioquímica de células individuales, que luego se analiza con un algoritmo de aprendizaje automático para la identificación de tipos de la célula.
Describimos aquí un protocolo para la identificación de subtipos de linfocitos usando proyección de imagen de fase cuantitativa y el aprender de máquina libre de etiqueta. La identificación de subtipos de linfocitos es importante para el estudio de la inmunología, así como diagnóstico y tratamiento de diversas enfermedades. En la actualidad, los métodos estándar para la clasificación de tipos de linfocitos dependen de etiquetado de proteínas de membrana específicas mediante reacciones antígeno-anticuerpo. Sin embargo, estas técnicas de etiquetado llevan los riesgos potenciales de alteración de las funciones celulares. El protocolo descrito aquí supera estos desafíos aprovechando intrínsecos contrastes ópticos mide la proyección de imagen 3D fase cuantitativa y un algoritmo de aprendizaje automático. La medición de los tomogramas 3D índice de refracción (RI) de linfocitos proporciona información cuantitativa sobre morfología 3D y fenotipos de células individuales. Los parámetros biofísicos extraídos de los tomogramas de RI 3D medidos entonces se analizan cuantitativamente con un algoritmo de aprendizaje de máquina, permitiendo libre de etiqueta de identificación de tipos de linfocitos a nivel unicelular. Medimos los tomogramas RI 3D de linfocitos B, T CD4 + y T CD8 + e identifica los tipos de la célula con más del 80% exactitud. En este protocolo, se describen los pasos detallados para aislamiento de linfocitos, la proyección de imagen 3D fase cuantitativa y el aprender de máquina para identificar los tipos de linfocitos.
Los linfocitos pueden clasificarse en varios subtipos, incluyendo B, helper (CD4 +) T, T citotóxico (CD8 +) y T reguladora las células. Cada tipo de linfocito tiene un papel diferente en el sistema inmune adaptativo; por ejemplo, los linfocitos B producen anticuerpos, mientras que los linfocitos T detectan antígenos específicos, eliminan las células anormales y regulan los linfocitos B. Regulación y la función del linfocito es firmemente controlado por y relaciona con diversas enfermedades, incluyendo cáncer1, enfermedades autoinmunes2y3de las infecciones virales. Por lo tanto, la identificación de tipos de linfocitos es importante entender su papel fisiopatológico en este tipo de enfermedades y para inmunoterapia en clínicas.
Actualmente, métodos para clasificar los tipos de linfocitos se basan en reacciones antígeno-anticuerpo dirigiéndose a proteínas de membrana específicas de superficie o marcadores de superficie4. Marcadores de superficie de fijación de objetivos son un método preciso y exacto para determinar tipos de linfocitos. Sin embargo, requiere procedimientos desperdiciadores de tiempo y reactivos costosos. Además, conlleva riesgos de la modificación de las estructuras de la proteína de la membrana y la alteración de las funciones celulares.
Para superar estos retos, el protocolo descrito aquí introduce la identificación etiqueta-libre de tipos de linfocitos mediante fase cuantitativa 3D imaging (QPI) y machine learning5. Este método permite la clasificación de los tipos de linfocitos a nivel unicelular, basado en información morfológica extraída de la proyección de imagen 3D sin etiqueta de linfocitos individuales. A diferencia de técnicas de microscopía de fluorescencia convencional, QPI utiliza el índice de refracción (RI) distribuciones (propiedades ópticas intrínsecas de células vivas y tejidos) como contraste óptico6,7. Los tomogramas RI de linfocitos individuales representan fenotípica información específica de los subtipos de linfocitos. En este caso, sistémicamente utilizar 3D RI tomogramas de linfocitos individuales, se utilizó un algoritmo de aprendizaje supervisado de la máquina.
Utilizando diversas técnicas QPI, los tomogramas RI 3D de las células han sido activamente utilizados para el estudio de la fisiopatología celular porque proporcionan una etiqueta libre, cuantitativo de imagen capacidad8,9,10, 11,12,13. También, las distribuciones RI 3D de células individuales pueden proporcionar información morfológica, bioquímica y biomecánica sobre las células. Los tomogramas RI 3D se han utilizado anteriormente en los campos de Hematología14,15,16,17, enfermedades infecciosas18,19, 20, Inmunología21, celular biología22,23, inflamación24, cáncer25, neurociencia26,27,28de la biología del desarrollo, toxicología 29y Microbiología12,30,31,32.
Aunque 3D tomogramas de RI proporcionan toda la información morfológica y bioquímica de las células, la clasificación de subtipos de linfocitos es difícil de lograr por simplemente la proyección de imagen 3D de los tomogramas RI5. Sistemáticamente y cuantitativamente explotar los medida 3D tomogramas de RI para la clasificación del tipo de célula, se utilizó un algoritmo de aprendizaje de máquina. Recientemente, varios trabajos han reportado en que fase cuantitativa se analizaron imágenes de células con varios máquina aprender algoritmos33, incluyendo la detección de microorganismos34, clasificación de Género bacteriano35 , 36, detección rápida y etiqueta-libre de esporas de ántrax37, había automatizado análisis de espermatozoides38, análisis de cáncer las células39,40y la detección de activación de macrófagos41.
Este protocolo proporciona pasos detallados para realizar libre de etiqueta de identificación de tipos de linfocitos a nivel de célula individual utilizando 3D QPI y el aprender de máquina. Esto incluye: aislamiento 1) del linfocito de la sangre de ratón, 2) linfocitos clasificación mediante extracción característica 4) cuantitativos flujo cytometry, QPI 3) 3D, 3D tomogramas de RI y aprendizaje 5) actividades para identificar los tipos de linfocitos.
Cuidado de los animales y los procedimientos experimentales se realizaron bajo la aprobación de la atención institucional del Animal y uso Comité de KAIST (KA2010-21 KA2014-01 y KA2015-03). Todos los experimentos en este estudio se llevaron a cabo conforme a los lineamientos aprobados.
1. aislamiento linfocitos de sangre de ratón
2. flujo Cytometry y la clasificación de subtipos de linfocitos
Nota: Clasificación linfocitos dependiendo del tipo de célula es esencial para el establecimiento de la célula de la tierra-verdad (es decir, correcto) tipo etiquetas para entrenar y probar un clasificador de tipo de célula en el aprendizaje supervisado. Citometría de flujo, un método estándar de oro, se utiliza para identificar y separar los linfocitos42.
3. proyección de imagen de fase cuantitativa 3D
4. extracción cuantitativo característica morfológicas y bioquímicas de los tomogramas RI 3D
5. supervisa el aprendizaje y la identificación
Figura 1 muestra el proceso esquemático de todo protocolo. Utilizando el procedimiento presentado aquí, se aislaron B (n = 149), CD4 + T (n = 95) y T CD8 + (n = 112) los linfocitos. Para obtener información de fase y amplitud en diferentes ángulos de iluminación, se midieron múltiples hologramas 2D de cada linfocito cambiando el ángulo de iluminación (de-60 ° a 60 °). Por lo general, 50 hologramas se pueden utilizar para reconstruir un tomograma RI 3D, pero el número de hologramas 2D puede ajustarse teniendo en cuenta la velocidad de proyección de imagen y calidad. Información de amplitud y fase de los hologramas medidos se recuperan usando un algoritmo de recuperación de campo basado en Fourier transform43,44. El tomograma RI 3D de cada linfocito fue reconstruido a partir de múltiples 2D obtenido fase y amplitud de información en diferentes ángulos de iluminación usando difracción óptica tomografía algoritmo. Detalles del proceso de imagen y método de la reconstrucción 3D de RI tomograma se pueden encontrar en otra parte21,45.
Figura 2 A-2_C muestra representativa 3D renderizada RI tomogramas de linfocitos B, T CD4 + y CD8 + T mediante la asignación de esquemas de color diferentes según los valores de RI mediante el software de imágenes. De los valores de RI, cuantitativos morfológicos (SA, CV y SI) y se calcularon las características bioquímicas (PD y DM) (figura 2A-2_C). Este resultado demuestra claramente que la distribución RI 3D permite análisis cuantitativo de información morfológica y bioquímica de los linfocitos.
Aprendizaje automático supervisado fue explotado para identificar los tipos de linfocitos a nivel unicelular. Los tomogramas de RI 3D medidos fueron aleatoriamente divididos en 70% y 30% de la formación (B: 104, 66 de t de CD4 + y CD8 + T: 77) y prueba (B: 45 T: 29 de CD4 + y CD8 + T: 35) conjuntos de datos, respectivamente. Hemos optimizado los clasificadores para utilizar máximo las huellas específicas de tipo celular codificadas en el espacio de la característica. La exactitud total, sensibilidad (verdaderos positivos) y especificidad (verdaderos negativos) se calcularon comparando el clasificador predice resultados y tipos de la célula de verdad terreno.
Para demostrar la prueba de concepto del protocolo propuesto, realizamos aprendizaje automático supervisado en tres casos diferentes: clasificación binaria de i B y T linfocitos y (ii) dos subtipos de linfocitos T (CD4 + y CD8 +) y (iii) multiclase clasificación de todos los tipos de linfocitos.
Figura 3 muestra el rendimiento de identificación de clasificadores optimizados para las etapas de entrenamiento y prueba. La precisión de la clasificación T y linfocitos B fue 93.15% y 89.81% para la formación y casos de prueba, respectivamente. Los linfocitos CD4 + y T CD8 + fueron clasificados estadísticamente, y la exactitud fue 87.41% y 84.38% para la formación y prueba de sistemas, respectivamente. Por último, la precisión del clasificador de tipo de célula multiclase fue 80.65% y 75.93% para las etapas de entrenamiento y prueba, respectivamente.
Figura 1 : Diagramas esquemáticos de la identificación de etiqueta-libre de tipos de linfocitos explotar 3 D fase cuantitativa la proyección de imagen y el aprender de máquina. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Representante 3 D prestados los tomogramas RI de cada tipo de célula linfocito con características morfológicas y bioquímicas cuantitativas. (A) la célula de B, célula b CD4 + T y célula de T (C) CD8 +. Barra de escala = 2 μm. SA, área de la superficie; CV, volumen celular; SI, esfericidad; PD, densidad de proteína; DM, masa seca. Esta cifra se modifica con permiso5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Tipos de identificación del linfocito individual mediante aprendizaje automático supervisado (A) clasificación binario de B y células T, b binario clasificación de células CD4 + y CD8 + T y (C) multiclase clasificación de los tres tipos de células de linfocitos; para conjuntos de entrenamiento y prueba. Tenga en cuenta la diferencia pequeña entre el entrenamiento y prueba de los casos, sugiriendo buena generalización de los clasificadores establecidos. Los números debajo de los nombres de cada tipo de célula indican el número de células utilizadas. Esta cifra se modifica con permiso5. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Archivo complementario 1: cuentan con código de extracción. Extracción de características (SA, CV, SI, PD y DM) después de segmentación basadas en umbrales de RI de cada tomograma. Implementado en un software de procesamiento de imágenes. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 2: código de formación. Un k -NN clasificador entrenamiento basado en las características de la formación. Implementado en un software de procesamiento de imágenes. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 3: código de prueba. Un clasificador de formación k- NN para un nuevo conjunto de datos de prueba (es decir., unidad de prueba). Implementado en un software de procesamiento de imágenes. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Presentamos un protocolo que permite la identificación de etiqueta-libre de tipos de linfocito, aprovechando la proyección de imagen 3D fase cuantitativa y el aprender de máquina. Pasos críticos de este protocolo son la selección de la proyección de imagen y función fase cuantitativa. Para la proyección de imagen olográfica óptima, la densidad de células debe ser controlada como se describe anteriormente. Estabilidad mecánica de las células es importante para obtener una distribución precisa de RI 3D porque movimientos celulares flotantes o vibracionales disturbará las mediciones de holograma sobre cambios de ángulo de iluminación. Por lo tanto esperamos varios minutos hasta que la muestra se convirtió en estable y estática en la cámara de proyección de imagen antes de medir hologramas. Por último, las burbujas dentro de la cámara de proyección de imagen son problemáticas al medir hologramas debido a las diferencias de RI entre el aire y la muestra; así, la muestra debe colocarse cuidadosamente a la cámara de proyección de imagen.
Selección y extracción de características ayudan a determinar el rendimiento de la identificación del clasificador. Se calcularon 5 cuantitativos morfológicos (CV, SA, SI) y bioquímico (PD, DM) características de la distribución 3D de RI en 20 distintos valores de umbral de RI; así, se obtuvieron un total de 100 características. Buscamos exhaustivamente óptimas combinaciones característica y clasificador, que demuestran que la exactitud mejor validación cruzada fue seleccionada. Probamos 6 algoritmos de aprendizaje de máquina diferentes, incluyendo k -NN (k = 4 y k = 6), análisis de discriminación lineal, análisis de discriminación cuadrática, Naive Bayes y árbol de decisión y encontró que k -NN (k = 4 ) mostró el mejor comportamiento de identificación. Sin embargo, es una oportunidad para mejorar la exactitud de identificación utilizando otros métodos, incluyendo máquinas de vector soporte y redes neuronales de aprendizaje de máquina.
Este protocolo mide propiedades ópticas intrínsecas mediante imágenes 3D fase cuantitativa con el fin de identificar los tipos de linfocitos; por lo tanto, no requiere un proceso de etiquetado basado en reacciones antígeno-anticuerpo utilizadas en fluorescencia o magnéticas grano técnicas basadas en clasificación de células, que tienen riesgos de alterar la función celular mediante la modificación de las estructuras de la proteína de la membrana. Por otra parte, el presente método mide distribución de RI 3D y ofrece 3D información morfológica y bioquímica de la célula, que no puede obtenerse de un solo tiro holografía método46; por lo tanto, el rendimiento de la identificación del protocolo es más preciso debido a la información multidimensional.
Una limitación menor de este protocolo es el ajuste manual de la etapa de muestra y etiquetado proceso de aprendizaje automático supervisado. Buscamos un linfocito mediante el ajuste de la etapa de traslación manual y medidas hologramas, que son los pasos más desperdiciadora de tiempo. Esta limitación se mejorarían mediante el empleo de una etapa motorizada automática o dispositivos de canal microfluídico. En cuanto a aprendizaje supervisado, el tipo de linfocitos conocido se necesitan para establecer el clasificador óptimo; por lo tanto, tuvimos que primero aislar e identificar los tipos de la célula del linfocito basados en la técnica de clasificación basada en el antígeno-anticuerpo. Sin embargo, este protocolo todavía utiliza el contraste óptico intrínseco de los linfocitos, y los agentes Etiquetadoras que se utiliza para especificar los anticuerpos tienen efectos insignificantes en la señal medida de RI 3D. Por lo tanto, el clasificador establecido puede utilizarse para identificar los linfocitos de una manera libre de etiqueta.
Aunque este protocolo utiliza principalmente fenotipos de linfocitos mediante la medición 3D RI tomogramas de células individuales, estos datos RI 3D también pueden utilizarse en combinación con otras modalidades de tratamiento genotipos y proteómicos información para mejor clasificación de subtipos. Recientemente, técnicas de microscopía correlativa combinando imágenes por fluorescencia y QPI han sido introducidas47,48,49. El enfoque presentado en este protocolo también puede extenderse a estos métodos de proyección de imagen correlativos.
Libre de etiqueta de identificación de tipos de linfocitos puede aplicarse para estudiar la fisiopatología o diagnosticar la enfermedad mediante la detección de linfocitos anormales o relaciones entre los tipos de linfocitos. Además, este protocolo se puede aplicar al análisis de sangre entera mediante la identificación de diversas células, incluyendo células de sangre rojas, plaquetas y glóbulos blancos.
Prof. Y. Park, Y. Jo, Y. S. Kim y S. Lee tienen intereses financieros en Tomocube, Inc., una empresa que comercializa difracción óptica tomografía y fase cuantitativa instrumentos de la proyección de imagen y es uno de los patrocinadores de la obra.
Este trabajo fue apoyado por el KAIST BK21 + programa, Tomocube, Inc. y la nacional investigación Fundación de Corea (2015R1A3A2066550, 2017M3C1A3013923, K 2018 000396). Y. Jo reconoce apoyo de la beca presidencial KAIST y becas de ciencia biomédica de la Fundación de Asan.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Mouse | Daehan Biolink | C57BL/6J mice | gender and age-matched, 6 – 8 weeks |
Falcon conical centrifuge tube | ThermoFisher Scientific | 14-959-53A | 15 mL |
Phosphate-buffered saline | Sigma-Aldrich | 806544-500ML | |
Ammonium-chloride-potassium lysing buffer | ThermoFisher Scientific | A1049201 | |
RPMI-1640 medium | Sigma-Aldrich | R8758 | |
Fetal bovine serum | ThermoFisher Scientific | 10438018 | |
Antibody | BD Biosciences | 553140 (RRID:AB_394655) | CD16/32 (clone 2.4G2) |
Antibody | BD Biosciences | 555275 (RRID:AB_395699) | CD3ε (clone 17A2) |
Antibody | Biolegnd | 100734 (RRID:AB_2075238) | CD8α (clone 53-6.7) |
Antibody | BD Biosciences | 557655 (RRID:AB_396770) | CD19 (clone 1D3) |
Antibody | BD Biosciences | 557683 (RRID:AB_396793) | CD45R/B220 (clone RA3-6B2) |
Antibody | BD Biosciences | 552878 (RRID:AB_394507) | NK1.1 (clone PK136) |
Antibody | eBioscience | 11-0041-85 (RRID:AB_464893) | CD4 (clone GK1.5) |
DAPI | Roche | 10236276001 | 4,6-diamidino-2-phenylindole |
Flow cytometry | BD Biosciences | Aria II or III | |
Imaging chamber | Tomocube, Inc. | TomoDish | |
Holotomography | Tomocube, Inc. | HT-1H | |
Holotomography imaging software | Tomocube, Inc. | TomoStudio | |
Image professing software | MathWorks | Matlab R2017b |
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