피부의 3D 재구성과 면역 세포 밀도, 혈관 거리, 태양 노출과 노화의 영향에 대한 공간 매핑
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피부의 3D 재구성과 면역 세포 밀도, 혈관 거리, 태양 노출과 노화의 영향에 대한 공간 매핑

May 28, 2023

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 718(2023) 이 기사 인용

1983년 액세스

9 알트메트릭

측정항목 세부정보

3차원(3D)의 단일 세포 해상도로 인체를 매핑하는 것은 조직 및 기관 조직의 맥락에서 세포 상호 작용을 이해하는 데 중요합니다. 단일 조직 섹션의 2D 공간 세포 분석은 세포 수와 조직학에 의해 제한될 수 있습니다. 여기서는 다중화 순차 조직 섹션의 3D 재구성을 위한 워크플로우를 보여줍니다: MATRICS-A(다중화 이미지 3D 재구성 및 통합 셀 공간 - 분석). 우리는 32~72세 사이의 기증자 12명의 고정 피부(18개 바이오마커로 염색됨)의 26개 연속 섹션에서 MATRICS-A를 시연합니다. 3D로 재구성된 세포 데이터를 2D 데이터와 비교하면 면역 세포와 혈관 내피 세포 사이의 거리가 훨씬 더 짧아지는 것을 알 수 있습니다(3D에서는 56μm, 2D에서는 108μm). 또한 3D와 2D에서 이웃 T 도우미 세포의 30μm 내에 10~70% 더 많은 T 세포(전체)가 표시됩니다. p53, DDB2 및 Ki67 양성 세포와 피부 표면의 거리는 모든 연령/일광 노출에 걸쳐 일관되었으며 대부분 표피의 하부 기저층에 국한되었습니다. MATRICS-A는 건강한 기관과 노화 기관의 3D 공간 세포 관계 분석을 위한 프레임워크를 제공하며 질병이 있는 기관까지 확장될 수 있습니다.

국립 보건원(NIH)의 인간 생체 분자 지도 프로그램(HuBMAP)은 미국과 유럽 전역의 여러 실험실에서 얻은 데이터를 사용하여 건강한 인체의 모든 세포에 대한 포괄적인 고해상도 지도를 만드는 것을 목표로 합니다1. 이러한 샘플에서 파생된 데이터를 통합 및 조화하고 이를 공통 3차원(3D) 공간으로 "매핑"하는 것이 주요 과제입니다. HuBMAP은 다른 17개 국제 컨소시엄 및 프로젝트와 긴밀히 협력하여 Human Reference Atlas(HRA)2를 체계적으로 구축하고 있습니다. 이 Atlas의 핵심에는 공간적, 의미적으로 명시적인 인간 조직 등록 및 탐색을 지원하는 공통 좌표 프레임워크(CCF)가 있습니다. 완성된 Atlas는 정밀 건강과 의학을 지원하기 위해 매개변수화할 수 있는 건강한 남성과 여성을 위한 "디지털 트윈"의 설계를 지원할 것입니다. CCF에는 두 가지 주요 구성 요소가 있습니다. (1) 각 기관에 대한 해부학적 구조, 세포 유형 및 바이오마커(ASCT + B) 테이블. 기존 온톨로지를 활용합니다(예: Uberon 다종 해부학 온톨로지, 해부학 온톨로지의 기초 모델[FMA] , Cell Ontology [CL] 또는 HUGO Gene Nomenclature [HGNC]) 및 (2) 각 기관의 해부학 적 구조와 세포 유형을 공간적으로 정의하고 인체 내 3D 공간 관계를 특성화하는 3D 참조 객체 라이브러리입니다. Atlas를 사용하면 조직 데이터를 공간적 및 의미론적으로 등록할 수 있습니다(해부학, 세포 유형 및 바이오마커에 대한 표준화되고 통합된 이름 사용). 본 논문에서는 3차원 피부 데이터 생성과 3차원 공간 맵의 자동화된 계산에 중점을 둡니다. 우리가 아는 한, 이는 3D로 최초의 면역 세포 클러스터 밀도, 3D로 가장 가까운 내피 세포까지의 면역 세포 거리 분포, 손상되거나 증식하는 세포와 피부 표면의 거리가 제시된 것입니다.

피부는 인간의 가장 큰 기관입니다. 이는 최소 36가지의 서로 다른 세포 유형(ASCT + B3 버전 1.2에 문서화됨)과 선 구조, 모낭, 혈관 및 면역 체계 구성 요소를 포함한 16개 이상의 해부학적 구조로 구성된 광대한 미세 환경으로 구성됩니다. 최소 70개의 단백질 바이오마커가 주요 피부 세포 유형과 해부학적 구조를 특성화하는 데 일반적으로 사용됩니다3. 최근 몇 년 동안 인간 피부에 대한 여러 단일 세포 아틀라스 연구가 수행되었지만4,5 이러한 연구는 단일 세포(sc) RNAseq 분석에 중점을 두었고 세포 유형 및 단백질의 2D 현장 분석이나 3D 공간 분석에는 중점을 두지 않았습니다. 건강한 피부에 대한 심층적인 단백질체학 분석을 통해 10,701개의 단백질이 식별되었으며 고급 해부 및 유세포 분석을 사용하여 이를 피부층 내 위치와 세포 기원에 매핑했습니다6. 전암성 피부와 암성 피부를 특성화하기 위해 많은 연구가 이루어졌지만, UV7,8의 영향을 포함하여 생애주기 전반에 걸쳐 건강한 개인의 세포 변화에 대한 이해가 부족합니다. 피부 편평 세포 암종(cSCC)과 일치하는 정상 피부에 대한 최근의 다중 모드 분석(scRNAseq, 공간 전사체 및 다중 이온 빔 이미징 결합)9에서는 sSCC에서 단 하나의 독특한 종양 특이적 각질 세포 하위 집단과 함께 각질 세포 집단이 크게 겹치는 것으로 나타났습니다. 이는 질병으로의 세포 전환을 이해하기 위해 정상/건강한 참조 기관 데이터세트를 개발하는 것의 가치를 강조합니다.

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>