Die dreidimensionale Darstellung von Zellen und Zellstrukturen stellt höhere Anforderungen an die Bildverarbeitung als bei der klassischen 2D-Mikroskopie. Konfokalmikroskope ermöglichen die zerstörungsfreie Abbildung und Vermessung von Objekten in sehr hoher Auflösung. Durch die Aufnahme von Dutzenden bis Hunderten von optischen Schnitten lässt sich mit Hilfe einer geeigneten Analysesoftware das resultierende Bild eines Bereichs in 3D rekonstruieren. Die Analysesoftware Imaris zur Rekonstruktion und Visualisierung von 3D-Bildern ermöglicht es, die räumliche Anordnung von Zellstrukturen, ihre gegenseitigen Wechselwirkungen, ihre globale Verteilung und viele weitere Eigenschaften zu untersuchen.
Den Autoren der Studie zufolge lassen sich Informationen über die Verteilung von Zellinteraktionen im Knochenmarkgewebe nur durch eine detaillierte Visualisierung der jeweiligen Zelltypen und deren Quantifizierung mittels räumlicher Analyse gewinnen. Auf der Grundlage dieser Annahme wurde im Knochenmark mittels Konfokalmikroskopie eine bemerkenswert große Anzahl von Bestandteilen der Stromazellen – sinusoidale Endothelzellen und mesenchymale retikuläre Zellen, die reich an CXCL12-Chemokinen sind (CARcs), im Gegensatz zu den ursprünglichen Schätzungen, die mittels konventioneller Durchflusszytometrie ermittelt wurden. Zudem wurde festgestellt, dass sich beide Zelltypen zu topologisch komplexen Netzwerken zusammenballen, sich über die ECM (Anm.: extrazelluläre Matrix) miteinander verbinden und in das Knochenmarkgewebe eindringen. Die räumliche Charakterisierung von Stromazellen und anderen Blutstrukturen ist entscheidend für die Definition des Mikromilieus, in dem die Blutzellen erhalten bleiben (Nischen).
Die Autoren der Studie verwendeten mehrere Imaris-Module zur Analyse der Anzahl, Verteilung und räumlichen Anordnung von CARcs und sinusoidalen Endothelzellen, die aus dem Knochenmark junger und alter Mäuse entnommen wurden. Die Funktion „Imaris Spots“ wurde zur Bestimmung der Koordinaten der CARcs verwendet, die Funktion „Imaris Surfaces“ zur Segmentierung der Endothelwände der sinusförmigen Mikrogefäße. Die Segmentierung des Lumens (Anm.: innerer Teil; Lumen) jedes Mikrogefäßes stellt die größte Herausforderung bei der Bildverarbeitung dar, da es kein spezifisches Fluoreszenzsignal aussendet. Dank der Programmierschnittstelle von Imaris gelang es den Forschern, Bildverarbeitungswerkzeuge zu entwickeln, die eine vollständige vaskuläre Segmentierung und Rekonstruktion auf der Grundlage zuvor in Imaris erstellter Oberflächen ermöglichen. Außerdem gelang es ihnen, ein Analysewerkzeug zu entwickeln, das Punkte (Zellen) und Flächen (Gefäße oder räumlich ausgedehnte Strukturen) nutzt, um die Verteilung und mögliche Wechselwirkungen zu untersuchen.
Die Wissenschaftler planen, die Möglichkeiten der Visualisierung und Bildverarbeitung durch die Kombination von Imaris mit ihrer Analysesoftware zu erweitern, um eine schnelle, zuverlässige und vollautomatische Identifizierung von Zelltypen zu ermöglichen. Ziel ist die Erstellung einer detaillierten und integrierten Karte der Zellanatomie im gesunden und erkrankten Knochenmark.
Die Funktionen„Spots“ und „Surfaces“ sindTeil der Imaris-Analysesoftware, die eine umfassende Analyse von Bilddaten aus der Konfokalmikroskopie oder der Lichtblattmikroskopie ermöglicht und eine breite Palette an Funktionen zur Erkennung und Modellierung biologischer Strukturen bietet, wobei die Ergebnisse an jedem Schritt des Arbeitsablaufs überprüft werden können. Imaris enthält zahlreiche spezielle Module, die auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.
Die wichtigsten Merkmale von Imaris:
- geeignet für die Erkennung punktförmiger Objekte: Zellen, Bakterien, Partikel, Proteincluster, Vesikel, Zellkerne, Zentrosomen
- Berechnungen und 3D-Visualisierungen von punktförmigen oder vesikulären Strukturen
- Erstellung von Bildern mit Zehntausenden bis Hunderttausenden von Objekten
- Berechnung der XYZ-Koordinaten jedes Objekts, Messung des relativen Abstands zwischen Objekten möglich
- Möglichkeit des 3D-Trackings
- Schnelle Analyse umfangreicher Datenmengen (Fast Spots Technology – Imaris 9.2)
- geeignet für die präzise Visualisierung und Vermessung von: Zellen, Zellorganellen und Zellkernen, Biofilmen, Geweben, Organen, Embryonen, Organoiden
- computergenerierte Darstellung eines ausgewählten Bereichs der Probe (ROI)
- Visualisierung und Berechnung von Datensätzen mit einer Größe von bis zu mehreren hundert GB
- Verfolgung von Objekten im Zeitverlauf (Veränderung von Position, Form und Intensität)
- Messung von Fläche, Volumen, Intensität, Elliptizität und Sphärizität von Objekten
Ausführlichere Informationen zur quantitativen 3D-Raumanalyse finden Sie in dem wissenschaftlichen Artikel – Gomariz A, Nombela-Arrieta C. et al. „Quantitative spatial analysis of haematopoiesis-regulating stromal cells in the bone marrow microenvironment by 3D microscopy.“
Videos
Quantitative 3D-Raumanalyse von Knochenmarkgewebe www.bitplane.com.
