Worm-align/Worm_CP ist ein einfacher FIJI/CellProfiler-Workflow, der verwendet werden kann, um Caenorhabditis elegans-Proben zu begradigen und auszurichten und bildbasierte Tests zu bewerten, ohne dass vorherige Trainingsschritte erforderlich sind. Wir haben Worm-align/Worm_CP auf die Quantifizierung der hitzeschockinduzierten Expression bei lebenden Tieren oder Lipidtröpfchen in festen Proben angewendet.
Ein Problem, das häufig beim Erfassen von Bilddaten von festen oder anästhesierten C. elegans auftritt, ist, dass Würmer sich mit ihren Nachbarn kreuzen und gruppieren. Dieses Problem verschärft sich durch die zunehmende Dichte von Würmern und schafft Herausforderungen für die Bildgebung und Quantifizierung. Wir haben einen FIJI-basierten Workflow, Worm-align, entwickelt, der verwendet werden kann, um Ein- oder Mehrkanalmontagen von vom Benutzer ausgewählten, begradigten und ausgerichteten Würmern aus Rohbilddaten von C. elegans zu generieren. Worm-align ist ein einfacher und benutzerfreundlicher Workflow, der weder eine vorherige Schulung des Benutzers noch des Analysealgorithmus erfordert. Mit Worm-align erzeugte Montagen können die visuelle Inspektion von Würmern, deren Klassifizierung und Darstellung unterstützen. Darüber hinaus kann die Ausgabe von Worm-align für die nachfolgende Quantifizierung der Fluoreszenzintensität in einzelnen Würmern verwendet werden, entweder in FIJI direkt oder in anderen Bildanalyse-Softwareplattformen. Wir demonstrieren dies, indem wir die Wurm-Align-Ausgabe in Worm_CP importieren, eine Pipeline, die die Open-Source-Software CellProfiler verwendet. Die Flexibilität von CellProfiler ermöglicht die Integration zusätzlicher Module für das High-Content-Screening. Als praktisches Beispiel haben wir die Pipeline auf zwei Datensätzen verwendet: Der erste Datensatz sind Bilder von Hitzeschock-Reporterwürmern, die unter der Kontrolle des Promotors eines Hitzeschock-induzierbaren Gens hsp-70grünes fluoreszierendes Protein (GFP) ausdrücken, und der zweite Datensatz sind Bilder, die von festen Würmern gewonnen wurden, die für Fettspeicher mit einem fluoreszierenden Farbstoff gebeizt wurden.
Ein relativ einfacher Organismus, die Nematode C. elegans, ist ein äußerst nützliches Modellsystem zur Untersuchung menschlicher Krankheiten. Etwa 38% der Gene im C. elegans Genom haben funktionelle Gegenstücke beim Menschen1,2. Eines der einzigartigen Merkmale von C. elegans ist, dass es optisch transparent ist und einen einfachen Zugang zu In-vivo-Informationen über die (sub-)zelluläre Expression von fluoreszierenden Reportern über Gewebe hinweg ermöglicht. Dies macht C. elegans zu einem erstklassigen Modellorganismus für bildschirmreiche Bildschirme mit hoher Inhalte mit bildbasierten Plattformen3. Ein Problem, das diese Studien oft erschwert, ist jedoch, dass sie bei der Abbildung dichter Populationen von Würmern dazu neigen, sich zu kreuzen und zu bündeln, indem sie Vergleiche zwischen einzelnen Würmern herausfordern, die nachgelagerte Bildanalyse und -quantifizierung trüben.
Vorhandene Lösungen, die dieses Problem lösen, basieren in der Regel auf der Optimierung des Kultivierungs- und Bildgebungsprotokolls, z. B. durch die Verwendung von Mikrofluidik-Setups4, so dass einzelne Würmer in separaten Bildern erfasst werden können5,6. Andere haben maschinelle Lernalgorithmen angewendet, die die Erkennung einzelner Würmer ermöglichen, selbst in einer verklumpten Population. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist die WormToolbox, eine modulare Erweiterung der Open-Source-Bildanalyseplattform CellProfiler7. WormToolbox bietet eine Lösung mit hohem Durchsatz und hohem Inhalt für die Analyse von C. elegansund profitiert eindeutig von der Aufnahme in CellProfiler, da zusätzliche Analysemodule problemlos einbezogen werden können. Obwohl WormToolbox mit einem vortrainierten Modell (DefaultWormModel.xml geliefert wird, ist in der Regel für jede neue Anwendung eine Umschulung des Machine-Learning-Algorithmus erforderlich. Online-Tutorials dazu sind auf Github (https://cp-website.github.io/Worm-Toolbox/) verfügbar. Trotzdem erfordert die Installation und Verwendung von WormToolbox eine erhebliche Zeitinvestition für unerfahrene Benutzer.
Hier beschreiben wir ein einfaches und kosten- und zeiteffektives Protokoll zur Kultur und Imagepopulationen von C. elegans. Um die Beurteilung einzelner Würmer in den aufgenommenen Bildern zu ermöglichen, haben wir einen einfachen Open-Source-WORKFLOW auf FIJI-Basis namens Worm-align entwickelt. Worm-align kann verwendet werden, um Ein- oder Mehrkanalmontagen von begradigten und ausgerichteten Würmern zu erzeugen. Zunächst muss der Benutzer einzelne Würmer für die Analyse manuell auswählen, indem er eine Linie vom Kopf zum Schwanz zeichnet. Worm-align verwendet diese Auswahl, um ausgewählte Würmer aus dem Übersichtsbild zuzuschneiden und eine Montage zu generieren, in der ausgewählte Würmer begradigt und ausgerichtet werden, um den visuellen Vergleich und die Präsentation zu erleichtern.
Darüber hinaus kann die Ausgabe von Worm-align für die nachfolgende Quantifizierung der Fluoreszenzintensität in einzelnen Würmern verwendet werden, entweder in FIJI direkt oder in anderen Bildanalyse-Softwareplattformen. Wir demonstrieren dies, indem wir die Wurm-Align-Ausgabe in Worm_CP importieren, eine Pipeline, die die Open-Source-Software CellProfiler verwendet. Die Flexibilität von CellProfiler ermöglicht die Integration zusätzlicher Module für das High-Content-Screening. Wir haben die Worm_CP-Pipeline verwendet, um die Wärmeschock-Reaktion zu quantifizieren, einen gut erhaltenen Schutzmechanismus, der Proteine, die aufgrund von Stressoren wie Hochtemperatur8falsch gefaltet werden, neu faltet. Insbesondere haben wir die Pipeline auf Würmer mit einem integrierten Multi-Copy-Transgen angewendet, wo der Promotor eines Hitzeschock-induzierbaren Gens, hsp-70(C12C8.1), grünes fluoreszierendes Protein (GFP)9antreibt. Wir haben auch die Worm_CP-Pipeline für feste Tiere verwendet, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff gekennzeichnet wurden, der Lipidtröpfchen (LDs), die Hauptfettspeicherorganelle in C. elegans10visualisiert. Obwohl dieser Workflow nicht den von WormToolBox angebotenen Durchsatz hat, ist er eine benutzerfreundliche und einfache Alternative zur visuellen Darstellung und Analyse bildbasierter C. elegans-Experimente.
Worm-align ist eine FIJI-basierte Bildverarbeitungspipeline, die leicht Montagen von vom Benutzer ausgewählten Würmern erzeugt, in denen Würmer begradigt und ausgerichtet werden, um visuelle Vergleich, Klassifizierung und Darstellung zu unterstützen. Obwohl diese Funktion auch von einigen vorhandenen Tools angeboten wird, insbesondere dem WormToolbox-Modul in CellProfiler7, erfordert Worm-align vergleichsweise wenig Erfahrung mit der vorherigen Bildanalyse: Benutzer müssen nur die Würmer verfolgen, die sie für die Montage (und Analyse) auswählen möchten. Obwohl die Verfolgung der Würmer auf den Rohbilddaten ein einfacher Prozess ist – insbesondere wenn ein Touchscreen-Computer oder Tablet verfügbar ist -, ist es von größter Bedeutung, dass Linien korrekt entlang der Längsachse der Würmer gezeichnet werden. Unvollständige Linien, die nur einem Teil des Wurms folgen, führen zu Teilwürmern in der Montage (d. h. Würmern fehlen den Köpfen der Schwanzenden) und teilsegmentierenden Masken während der CellProfiler-Analyse. Wenn sich auch Linien von zwei einzelnen Würmern kreuzen, werden die Würmer in der Schneckenausrichtungsmontage sowie bei der Fluoreszenzquantifizierung nicht korrekt verarbeitet. Zur Qualitätskontrolle wird ein Überlagerungsbild der Zeilenauswahl auf dem Originalbild im Datenordner zusammen mit einer QC-Tabelle gespeichert. Aus diesen können problematische Linien, die zu falsch segmentierten Würmern führen, leicht identifiziert und von der Montage und/oder nachfolgenden Analyse ausgeschlossen werden.
Obwohl die direkte Eingabe des Experimentators bei der Auswahl der Würmer vielleicht etwas zeitaufwändig erscheint, stellt sie einen klaren Vorteil des Workflows gegenüber anderen in Experimenten dar, bei denen Würmer aus verschiedenen Entwicklungsstadien im selben Bild vorhanden sind: Würmer können während des “Tracing Step” ausgewählt werden, indem nur die Würmer skizziert werden, die sich in der richtigen Entwicklungsphase befinden. Alternativ können Würmer mithilfe der Ausgabe von Worm_CP gefiltert werden, entweder basierend auf der Länge der Ablaufverfolgungslinie oder dem Bereich der Segmentierungsmaske, beides zuverlässige Indikatoren für die Länge/Größe der Würmer. Vermutlich können maschinelle Lernalgorithmen Schwierigkeiten haben, Würmer aus verschiedenen Entwicklungsstadien zu erkennen, da ihre Größe und ihr Aussehen in den DIC-Bildern so unterschiedlich sind.
Die Ausgabe von Worm-align kann für die nachfolgende Quantifizierung der Fluoreszenzintensität in einzelnen Würmern verwendet werden, entweder in FIJI direkt oder in anderen Bildanalyse-Softwareplattformen. Wir haben dies demonstriert, indem wir die Wurm-Align-Ausgabe in eine einfache CellProfiler-Pipeline (Worm_CP importiert haben, die die Quantifizierung der Mehrkanalfluoreszenzintensität in den einzelnen Würmern ermöglicht, die beim Ausführen der Worm-Align-Pipeline ausgewählt wurden. Diesen Ansatz haben wir uns aufgrund der Flexibilität der CellProfiler Software gewählt: Es ist einfach, zusätzliche Module in die Pipeline zu integrieren, um zusätzliche Merkmale in einzelnen Würmern zu analysieren (z.B. Messung der Größe von Lipidtröpfchen oder Spannungsgranulat, Kernen, Mitochondrien). Darüber hinaus könnten die einzelnen Wurmmasken möglicherweise verwendet werden, um ein neues Modell für WormToolbox7zu trainieren.
Die Hauptvorteile dieser Methode sind, dass sie schnell ist und eine einfache Wurmmontage erfordert. Diese Methode ist schneller, da sie keine Zeit mit dem Erlernen von Softwareoder dem Ausführen von Trainingssätzen über einen Maschinenalgorithmus7erfordert. Darüber hinaus funktioniert diese Methode entweder mit lebenden oder festen Würmern, die einfach auf regulären Agarose-Pads montiert sind. Es besteht keine Notwendigkeit, komplexe mikrofluidische Kammern zu verwenden, wie in anderen Methodenentwickelt 5,6.
The authors have nothing to disclose.
Wir danken Dr. Christian Lantét von BIOCEV (Prag, Tschechische Republik) dafür, dass er uns die Mundmikropipettentechnik zur Montage fester Würmer beigebracht hat, und Dr. Fatima Santos und Dr. Debbie Drage für die gemeinsame Sicherheitseinrichtung auf Mundmikropipette. Wir danken auch Francesca Hodge für die Bearbeitung des Manuskripts, Sharlene Murdoch und Babraham Institute Facilities für ihre Unterstützung. OC wird von ERC 638426 und BBSRC [BBS/E/B000C0426] unterstützt.
Agarose | MeLford Biolaboratories Ltd | MB1200 | |
Aspirator tube | Sigma-Aldrich | A5177 | to create mouth micro-pipette (see protocol step) |
Beaker | |||
BODIPY 493/593 | Invitrogen | D3922 | stock solution prepared in DMSO at 1mg/mL |
Centrifuge | MSE MISTRAL 1000 | ||
Conical flask | |||
Cover Slip | VWR | 631-0120 | |
Filter 0.2 µm for Syringe | Sartrius | 16534-K | Filter, to create mouth micro-pipette (see protocol step) |
Isopropanol | |||
Levamisole hydrochloride | Sigma-Aldrich | BP212 | 3mM solution prepared by dissolving levamisole in M9 |
Liquid Nitrogen | Liquid Nitrogen facility | ||
Low Retention Tip 1000µL | Starlab | S1182-1830 | |
Methanol | VWR chemicals | 20847.307 | |
Microscope Slides, MENZEL GLASSER | Thermo Scientific | BS7011/2 | |
Microscope | Nikon | Eclipse Ti | |
Microwave Oven | Delongi | ||
M9 | prepared in the lab according to15 | ||
9cm NGM Plates | prepared in the lab according to15 | ||
PBS | prepared in the lab | ||
Protein LoBind Tube 2ml | Eppendorf | 22431102 | |
Triton | SIGMA | T9284-500ML | |
Ring Caps | SIGMA-ALDRICH | Z611247-250EA | glass micro-capillary tubes to create mouth micro-pipette (see protocol step) |
Rotator | Stuart Scientific | ||
Silicone tubine translucent | Scientific Laboratory Suppliers | TSR0600200P | 6.0 mm x 2.0 mm wall – to create mouth micro-pipette (see protocol step) |
Sterilized H2O | MilliQ water autoclaved in the lab | ||
10µL Tips | Starlab | S1120-3810 | |
200µL Tips | Starlab | S1120-8810 | |
1000µL Tips | Starlab | S1122-1830 | |
15mL Centrifuge Tube | CORNING | 430791 | |
Vecta Shield | VECTOR | 94010 | antifade mounting medium (H-1000) without DAPI |