Biodosimetry de radiação acelerada por automatizado identificação Dicentric cromossomo (ADCI) e estimativa de Dose
概要
O ensaio de cromossomo dicentric citogenética (DC) quantifica a exposição a radiações ionizantes. O software automatizado Dicentric identificador de cromossomo e o estimador de Dose com precisão e rapidamente estima biológica dose de DCs em células em metafase. Ele distingue monocentric cromossomos e outros objetos de DCs e as estimativas de dose de radiação biológica da frequência de DCs.
Abstract
Dose de radiação biológica pode ser estimado de frequências dicentric cromossomo em células em metafase. Realizar estes ensaios citogenéticos dicentric cromossomo é tradicionalmente um processo manual, trabalhoso, não adequado para lidar com o volume de amostras que podem exigir o exame na sequência de um evento de massa baixa. Software automatizado Dicentric identificador de cromossomo e Dose estimador (ADCI) automatiza este processo examinando conjuntos de metafase imagens utilizando técnicas de processamento de imagem baseado em aprendizado de máquina. O seleciona software imagens apropriadas para análise removendo imagens impróprias, classifica cada objeto como um Centrómero contendo cromossomo ou não-cromossomo, mais distingue cromossomos como monocentric cromossomos (MCs) ou dicentric cromossomos (DCs), determina a frequência DC dentro de uma amostra e estima a dose de radiação biológico, comparando a frequência de DC de amostra com as curvas de calibração calculadas usando amostras de calibração. Este protocolo descreve o uso do software ADCI. Normalmente, ambos calibração (dose conhecida) e conjuntos de teste (dose desconhecida) de imagens de metáfase são importados para realizar a estimativa da dose exata. Imagens ideais para análise podem ser encontrados automaticamente usando filtros de imagem predefinidos ou também podem ser filtradas por meio de inspeção manual. O software processa imagens dentro de cada amostra e frequências de DC são calculadas em diferentes níveis de rigor para chamar DCs, usando uma abordagem de aprendizagem de máquina. As curvas de calibração linear-quadrática são geradas com base em frequências de DC em amostras de calibração expostas a doses físicos conhecidos. Estimam-se doses de amostras de teste, expostas a níveis de radiação incerto de suas frequências de DC usando estas curvas de calibração. Relatórios podem ser gerados mediante pedido e fornecem o resumo dos resultados de uma ou mais amostras, de uma ou mais curvas de calibração ou de estimativa de dose.
Introduction
Radiação biodosimetry usa marcadores biológicos, principalmente cromossômicas aberrações como dicentric cromossomos (DCs) e translocações cromossómicas para medir o que os indivíduos são expostos a doses de radiação. Uma dose biologicamente absorvida pode ser diferente da dose física medida por instrumentos devido à variabilidade entre indivíduos. Da mesma forma, a radiação de uma certa dose de física pode produzir diferentes exposições biológicas devido a condições subjacentes fisiológicas ou ambientais. Conhecimento da dose biológico é de particular importância para o diagnóstico e o tratamento.
O ensaio de DC é o padrão-ouro da Organização Mundial de saúde (OMS) e da Agência Internacional de energia atômica (AIEA) para avaliar a exposição de radiação biológica nas pessoas. Foi o primeiro ensaio recomendado pela AIEA e quem para avaliação de dose de radiação. Frequência de DC é relativamente estável por aproximadamente 4 semanas após a exposição de radiação1 e sua correlação quantitativa com dose de radiação emitida é exata, que fazem DCs o biomarcador ideal. A relação entre a dose de radiação (referenciado em unidades de Gray [Gy]) e frequência DC (referida como número de DCs por célula) pode ser expressa como uma função linear-quadrática.
O ensaio de DC a citogenética tem sido o padrão da indústria para cerca de 55 anos2. Isso foi realizado manualmente, exigindo 1-2 dias para analisar os dados do microscópio de uma amostra de sangue. Várias centenas a vários milhares de imagens são necessários para estimar com precisão a exposição à radiação, dependendo da dose3. Em doses superiores a 1 Gy, AIEA recomenda um mínimo de 100 DCs ser detectado. Análise de imagens de metafase 250-500 é uma prática comum em laboratórios de citogenética de biodosimetry. Para amostras com exposições < 1 Gy, 3.000-5.000 imagens são sugeridas devido as menores probabilidades de formação de DC. Em ambos os casos, é uma tarefa de trabalho intensivo.
Laboratórios de citogenética biodosimetry criar seus próprios in vitro as curvas de calibração de biodosimetry de radiação antes de avaliar doses biológicos em amostras do teste. Amostras de sangue de indivíduos normais, do controle são expostas à radiação e linfócitos são cultivados e preparados para análise de cromossomos metáfase. Usando estas amostras, biológicos doses recebidas são calibrados para as doses de físicas conhecidas emitidas por uma fonte de radiação padrão. Depois de imagens de célula metáfase são gravadas, especialistas examinar imagens, contam DCs e calcular as frequências de DC para cada amostra. Uma curva de calibração é construída por uma curva linear-quadrática para as frequências de DC se encaixam todas as doses. Em seguida, exposições em amostra de indivíduos podem ser inferidas pela correspondência entre as frequências de DC para as doses calibradas na curva, ou especificando-os na fórmula quadrática linear correspondente.
Nós automatizamos ambos a detecção de DCs e determinação para acelerar esse processo usando software de dose. Automatizado Dicentric identificador de cromossomo e Dose estimador (ADCI) usa imagem baseada em aprendizagem de máquina técnicas de processamento para detectar e discriminar dicentric cromossomos (DCs) de cromossomos monocentric (MCs) e outros objetos e automatiza a radiação estimativa de dose. O software visa significativamente reduzir ou eliminar a necessidade de verificação manual das contagens de DC e acelerar a estimativa da dose através da automação. Ele foi desenvolvido com a participação dos laboratórios de biodosimetry de referência em saúde Canadá (HC) e laboratórios nucleares canadenses (CNL). Seus comentários irão garantir que o desempenho continuará a cumprir critérios AIEA para este ensaio.
O software executa as seguintes funções: 1) filtragem DCs e selecionar imagens de célula ideal metáfase para análise, reconhecimento do cromossomo 2), detecção de DC e determinação de frequência de DC e 3) estimar a dose de radiação de dose calibrada, dados de citogenética de radiação. Este software processa grupos de imagens metáfase da mesma individuais (denominados uma amostra), conta o número de DCs em cada usando image técnicas de processamento e retorna a dose estimada de radiação recebida por cada amostra em unidades de Grays (Gy).
O software foi projetado para lidar com uma variedade de estruturas de cromossomo, contagens e densidades. No entanto, o algoritmo executa otimamente em imagens de metafase contendo um complemento completo perto de cromossomos bem separados, linear4. Imagens contendo altamente sobrepostos conjuntos de cromossomas, várias células, células em metafase incompleta, irmã separação de cromátides irmãs, núcleos, objetos não-cromossômicas e outros defeitos podem reduzir a precisão do algoritmo. Dedicado a modelos de seleção de imagem e outra segmentação objeto limiares podem filtrar a maioria das imagens sub-ótimas e DCs positivos falsos.
Detecção de dicentric cromossomo é executada quando uma imagem é processada. O algoritmo tenta determinar quais objetos em uma imagem são cromossomos e em seguida, localiza as duas regiões mais prováveis de serem centrómeros em cada cromossoma. Em seguida, uma série de diferentes suporte Vector Machine (SVM) modelos de aprendizagem distinguir cromossomas como DCs ou normal, monocentric cromossomos. Os modelos SVM diferem em sensibilidade e especificidade da deteção de DC (ver passo 3.1.4 abaixo), que pode afetar as frequências de DC que são determinadas em uma amostra.
ADCI processos conjuntos de Giemsa (ou DAPI) manchadas de imagens digitais da metáfase (em formato TIFF ou JPG) para uma ou mais amostras. O software analisa DCs em amostras de calibração e amostras de teste. As doses de físicas (em Gy) de amostras de calibração são conhecidas e são usadas na geração de uma curva de calibração. As doses de físicas e biológicas de indivíduos com riscos desconhecidos são inferidas pelo software a partir da curva de calibração gerado pelo computador. Embora os laboratórios utilizem técnicas comparáveis, as curvas de calibração de laboratórios diferentes muitas vezes variam3. Ambas as amostras de teste e a curva de calibração do mesmo laboratório devem ser processadas para a estimativa da dose exata em amostras do teste.
Este software oferece velocidade, precisão e escalabilidade que endereços a produtividade necessária para manipular um evento em que muitos indivíduos simultaneamente devem ser testados. Ele foi desenvolvido a partir de 2008-20174,5,6,7,8,9,10,11,12 ,13. Uso de hardware de computador recentes, nesta área de trabalhoSoftware de PC pode processar e estimativa de dose de radiação em uma amostra de 500 equivalentes de genoma metáfase em 10-20 min 4do paciente. O código é baseado em um conjunto de segmentação de imagem proprietária e máquina de aprendizagem de algoritmos para análise de cromossomos. Especialista em análise de cada cromossomo 3 Gy radiação deu ADCI exatidões comparáveis. Em um conjunto de 6 amostras de exposições desconhecidas (anteriormente utilizadas em um exercício de proficiência internacional), o software calcula-se doses dentro de 0,5 Gy dos valores obtidos pela revisão manual dos mesmos dados pelo HC e CNL, satisfazendo as exigências da AIEA para triagem biodosimetry. Além disso, a padronização interlaboratorial e, finalmente, a reprodutibilidade da dose estima benefício de ter um DC comum, automatizado, marcando o algoritmo. No entanto, o software permite personalização de imagem critérios de filtragem e seleção, permitindo diferenças nos métodos de preparação de cromossomo e fontes de calibração de radiação a ser tidos em conta.
Este software é uma interface de usuário gráfica (GUI) – sistema que analisa conjuntos de imagens de cromossomo contendo Giemsa (ou DAPI) – manchado células em metafase para anormalidades que resultar da exposição a radiações ionizantes. Os conjuntos de imagens são fotografados digitalmente com um sistema de microscópio de luz (ou epifluorescente) e cada conjunto corresponde a uma amostra diferente. O software utiliza técnicas para detectar e discriminar DCs de MCs e outros objetos de processamento de imagem. Filtros de segmentação empiricamente derivados então automaticamente eliminam falsos positivos DCs sem afetar a verdadeiras DCs. Finalmente, o software automaticamente filtra imagens indesejáveis com base em várias propriedades de imagem encontradas imagens de má qualidade metáfase com modelos de seleção de imagem pré-computadas (ou especificado pelo usuário). Estas imagens incluem aqueles que contêm excessiva ou insuficiente número de objetos “barulhentos”, vários cromossomos sobrepostos, imagens faltando cromossomas da metafase, um número excessivo de irmã cromátides irmãs4. Os dados de imagem automaticamente curadoria são usados para gerar a curva de calibração da dose de amostras de dose de radiação conhecida e são usados para estimar as exposições das amostras de teste expostas a doses desconhecidas.
Saída do software pode ser vista e salvo como: saída 1) baseado em texto exibida no console, 2) parcelas que podem ser salvos como imagens e 3) relatórios em formato HTML. Muitos aspectos do software são personalizáveis para atender às necessidades específicas de diferentes laboratórios. Laboratórios individuais geralmente fornecem tanto calibração e teste de amostras preparadas e coletados baseiam no protocolo citogenética validado em laboratório. Isto mantém a uniformidade da preparação da amostra e permite que as curvas de calibração geradas a partir de amostras de calibração a ser significativamente aplicada para testar amostras derivadas usando o mesmo protocolo. As curvas de calibração também podem ser criadas a partir de coeficientes da curva ou frequências de DC em doses definidas. As estimativas de dose mais precisas são obtidas por filtragem de imagens de qualidade inferiores e falsos positivos DCs (FPs). Seleção de subconjuntos de imagem ideal dentro de cada amostra é realizada usando ‘Modelos de seleção de imagem’ que eliminam subpar imagens que tendem a apresentar FPs. Uma série de modelos previamente validados são incluídos com o software, no entanto adicionais modelos com limiares personalizados e filtros podem ser criados e salvos, pelo usuário.
Uma vez que o software é carregado com êxito, é apresentada a interface principal de usuário gráfica (GUI) (ver Figura 1). A partir desta interface, amostras, cada um composto por uma pasta de arquivos de imagem de célula em metáfase, podem ser selecionados e processados para identificar DCs, curvas de calibração podem ser criadas e comparadas e dose de exposição de radiação de amostras pode ser determinada.
Figura 1: Os principais setores do usuário Interface gráfica incluir: uma lista de amostras (1), uma lista de calibração de curvas (2), o processo da fila (3), que monitora o status da detecção de DC em cada conjunto de imagens de cada amostra, uma trama Exiba (4), que resume as estatísticas ou outras propriedades quantitativas de um conjunto de imagens em um console (5) que contém o texto descritivo como saídas de cada operação executada pelo programa ou as curvas de calibração e amostras. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Capacidades e limitações do software
O protocolo descrito neste documento introduz o procedimento passo a passo típico usado em ADCI para importar e processar imagens de citogenética metáfase, criar radiação as curvas de calibração e estimar a dose biológico em indivíduos ou amostras expostas ao desconhecido níveis de radiação. No entanto, não é necessário efectuar estas instruções sequencialmente. Por exemplo, muitas amostras de teste de dose desconhecido podem ser processadas e analisaram usando a mesma curva de calibração pré-computadas. Além disso, uma vez que a transformação está completa, a seleção de imagem e DC modelos de filtragem podem ser iterada pelo usuário. Aplicação de um modelo de seleção de imagem adequado depende das características e qualidade dos dados da imagem de metáfase, que por sua vez, baseia-se tanto sobre o protocolo de laboratório usado para preparar as células e os critérios de rigor usados para selecionar células com automatizado sistemas de captura de metáfase. Morfologias cromossomo diferirão entre laboratórios de citogenéticos e biodosimetry, e assim, os modelos de seleção de imagem devem ser avaliados pelo usuário para determinar se os modelos de seleção de imagem predefinidos fornecidos com o software serão adequados para produzir estimativas de dose exata, ou se personalizado modelos com usuário-definido os limites precisam ser criados. Baseado em nossa experiência, a eficácia dos modelos de seleção de imagem é influenciada pela origem e qualidade das imagens celular. Os usuários podem projetar seus próprios critérios de seleção de imagem usando diferentes combinações de filtros para eliminar falsos positivos DCs e modelos de seleção de imagem e os correspondentes valores de limiar para selecionar as imagens desejadas. Há flexibilidade na entrada de curvas de calibração e estimativa de dose, como coeficientes da curva linear-quadrática e frequências de DC podem ser modificados ou introduzidos manualmente.
Embora o software é totalmente automatizado, imagens podem ser revistas e selecionadas manualmente. Esse recurso está disponível para incluir ou remover imagens individualmente processadas através da função de visualizador de microscópio na GUI do principal. No entanto, devido à automação, o software é significativamente mais eficiente em comparação com o manual de Pontuação de imagens metafase e contando DCs. Uma amostra composta de 1000 imagens pode ser processada em (tiff) de 20 a 40 min (jpg) em uma estação de trabalho de desempenho de vários núcleos. Este software será particularmente útil em situações críticas de tempo ou trabalho intensivos, como eventos em que vários indivíduos foram expostos ou eram suspeitos de ter sido exposto à radiação, ou onde o tempo-sensíveis diagnostica e tratamento as decisões são críticas.
Deteção de precisos e exatos alto throughput da DCs, bem como a estimativa de dose são necessários para a avaliação de radiação autônoma. Outras alternativas disponíveis para o software não cumprir os dois desses requisitos. Uma análise citogenética assistida por usuário, com base em imagem (DCScore, Metasystems17) sistema requer verificação manual de candidato DCs, devido a um erro de alto taxa atribuível a não corrigida sobreposições entre cromossomos e o sistema não determina dose de radiação. DCScore não seria tão eficaz como ADCI em um evento de radiação que envolvem um grande número de indivíduos potencialmente expostos. Sistemas de microscópio de grande abertura podem coletar imagens de várias células de metafase18, no entanto, eles não analisá-los. Software de20 “Estimativa de Dose” e “CABAS”19 podem gerar calibração curvas e estimativa de dose, mas não marcam DCs. Outros ensaios de biodosimetry que não são baseados na análise de DC incluem H2AX de fluorescência, sondas de hibridação in situ da fluorescência com DNA alvo para específicos cromossomos, expressão gênica, ensaio de micronúcleo e urina e biomarcadores respiratórias. Esses métodos são menos específica e menos sensível para radiação ionizante, podem ser mais caros, em alguns casos, são mais demorados e geralmente não têm sido padronizados através de vários laboratórios de referência. A maioria destas técnicas não detectam radiação estável respostas, então não podem ser utilizados para a avaliação de longo prazo (> pós-exposição de 7 dias) da dose de radiação. Por outro lado, isto pode avaliar os indivíduos acima de pós-exposição de 90 dias e pode processar dados de qualquer microscópio do laboratório de citogenética sistema de imagem. No entanto, se uma amostra é desenhada > 4 semanas pós-exposição, sensibilidade é reduzida devido a decadência de aberrações dicentric1,2,3 e o software atualmente não corrigir frequências de DC para atrasos na amostragem indivíduos expostos.
Este software tem algumas limitações. Modelos de seleção de imagem existente selecione imagens de metafase aceitável na maior parte, mas em alguns casos, não conseguem eliminar imagens insatisfatórias, o que podem reduzir a precisão da detecção de DC. É ainda uma pergunta aberta como projetar um modelo de seleção de imagem satisfatória que elimina todas as células em metafase inadequados. O software fornece estimativas precisas para amostras expostas a doses mais elevadas de radiação (≥ 2 Gy). Apesar do considerável progresso na redução do número de falsos positivos de DCs16, esses objetos não foram eliminados. Reduzir as células de metafase qualidade em baixa dose de radiação (especialmente < 1 Gy) são mais propensas a falsos positivos na detecção DC. Portanto, amostras de baixa dose não foram incluídas ao gerar a curva de calibração utilizada para estimativa da dose de amostras de teste HC. No entanto, se uma curva contendo amostras de baixa dose é desejada, um valor mais baixo de SVM Sigma reduz falsas acusações positivas em amostras de baixa dose mas pode resultar em menor rendimento de DC em amostras de alta dose. Figura 8 compara a curva HC usada para estimativa da dose (Sigma = 1,5) com uma curva de calibração ajuste com amostras de dose adicional de baixo valor de sigma inferior SVM (1.0). Em amostras com um número insuficiente de células em metafase e/ou imagens de metáfase de má qualidade, pode não ser possível estimar com precisão os riscos biológicos em dose baixa, potencialmente resultando em desvios da física dose superior a 0,5 Gy.
O software com precisão não pode avaliar tipos de radiação se suas curvas dose-resposta melhores se ajustar a um modelo linear ou quase linear. Até então, ele foi testado somente com amostras expostas a – X e raios gama. Se outra fonte de radiação é examinada, os usuários devem assegurar amostras de teste e de calibração são expostas ao mesmo tipo de radiação. O software usa a máxima verossimilhança ou mínimos quadrados de encaixe para construir uma curva de dose-resposta, usando um modelo linear-quadrática. Atualmente, não há nenhuma opção para impor uma estrita curva linear caber, apropriado para exposições de partículas de alta energia, no entanto essa funcionalidade estará disponível no futuro.
Desenvolvimento futuro
Nossos esforços estão focados em melhorar os modelos de seleção de imagem e dose exata medida, em particular das amostras expostos a doses de radiação de baixa. As versões subsequentes do software fornecerá medições de erro padrão em estimativas de dose e intervalos de confiança sobre as curvas de calibração. Além disso, uma versão de alto-desempenho-computação do software para o supercomputador Blue Gene (BG/Q, IBM) está em desenvolvimento para uma avaliação atempada de indivíduos expostos em um evento de massa-baixa radiação. Alguns componentes do software já foram testados e implantados nesta plataformaLass = “xref” > 11.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nós estamos gratos ao Dr. Ruth Wilkins, radiobiologia e divisão de proteção à saúde do Canadá e Farrah Flegal, laboratórios nucleares canadenses e seu pessoal de laboratório para acesso aos dados de imagem de metáfase de seus laboratórios de citogenética biodosimetry. Este trabalho foi apoiado por um contrato de compilação no programa de inovação de Canadá a CytoGnomix (n º série EN579-172270/001/SC). A versão inicial do ADCI e desenvolvimento de algoritmos foram apoiados pelo fundo de inovação ocidental; as ciências naturais e engenharia Research Council do Canadá (NSERC Discovery Grant 371758-2009); Serviço de saúde pública dos EUA (DART-DOSE CMCR, 5U01AI091173-0); a Fundação Canadense para a inovação; Cadeiras de pesquisa do Canadá e CytoGnomix Inc.
Materials
| Automated Dicentric Chromosome Identifier and Dose Estimator (ADCI) | CytoGnomix | NA | ADCI software is released in a binary installation package file for Microsoft Windows 7, 8, 8.1 and 10; 235 Mb of disk storage are required for a typical installation. The software has been tested with Intel or AMD x86-64 processors; at least 1 Gb RAM is recommended. Analyses have been benchmarked on a computer configured with an Intel I7 processor and 16 Gb RAM. Operation of ADCI requires an active license and a USB-based hardware dongle, which must remain plugged in while the software is executing. The dongle encodes the software expiry date. Each time the software is started, this date is read. The software will allow access to the program if the current date and time precedes the expiration time-date stamp. Extending an expired software license can be accomplished by obtaining a new dongle or by renewing the license with an updated key at startup. |
| Digital images of metaphase cell nuclei | Examples: Metasystems, Leica Microsystems | M-Search (Metasystems), Cytovision (Leica) software | High resolution TIFF format; typically >250 digital images generated with a microscope imaging capture system (minimum 63x magnification objective, 10x magnification ocular). |
| MSI Leopard Pro (recommended, optional) | Micro-Star International | MSI GP62 6QF 480CA Leopard Pro | Multi-core performance workstation. |
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