使用干細胞的研究人員有雄心勃勃的目標。有些人想治愈癌癥或治療心臟病。其他人想要培養(yǎng)患者移植所需的組織和器官。一些團體甚至致力于開發(fā)高度個性化的藥物，根據(jù)個人的遺傳學(xué)量身定制。然而，所有這些想法都面臨著類似的障礙：用于干細胞生產(chǎn)的測量工具的開發(fā)具有挑戰(zhàn)性，因此難以確定使各種新干細胞相關(guān)產(chǎn)品安全，有效或高質(zhì)量的原因。

NIST的IT和生物科學(xué)專家共同創(chuàng)建了Web圖像處理管道(WIPP)，允許任何擁有自動成像工具的人收集，查看和管理TB級圖像。用戶體驗很像使用手機映射應(yīng)用程序查看跨時間，空間和功能的單元格更改。

在過去的幾年里，NIST的科學(xué)家一直試圖以一種對任何使用過智能手機和地圖應(yīng)用程序的人來說都很熟悉的方式來解決這個問題。然而，他們開發(fā)的系統(tǒng)遠遠超出了典型應(yīng)用程序中的任何功能。它結(jié)合了視頻素材和高功率計算，使世界更接近評估，理解和量化可用于相關(guān)療法或產(chǎn)品的細胞群特征。

新的圖像分析系統(tǒng)，稱為Web圖像處理管道(WIPP)，就像一個地圖應(yīng)用程序，允許用戶與宏觀對象的微觀視圖進行交互。使用WIPP，細胞培養(yǎng)物被劃分為真實位置，可以使用非常類似GPS點的系統(tǒng)或地理地圖或地圖應(yīng)用程序上的象限來探索和參考。但WIPP還允許用戶從他們選擇的任何角度檢查培養(yǎng)皿中發(fā)生的情況。

有關(guān)這一新界面的工作詳見于Springer Verlag于2018年1月出版的新的大圖像數(shù)據(jù)微觀分析書。2016年5月發(fā)表在干細胞研究雜志上的一篇文章也對此進行了描述。

“你可以與同事分享結(jié)果，并以多種不同的方式分析這些細胞的發(fā)生情況- 空間，時間和功能。你可以一遍又一遍地檢查細胞如何隨時間變化，”Peter Bajcsy說，本書的作者和WIPP背后研究的IT主管。

WIPP設(shè)計用于誘導(dǎo)多能干細胞(iPS)，這些細胞是從成人組織中取出的細胞，加工成胚胎干細胞。iPS細胞可用于從所有三個基本人體層制造新細胞：外胚層(皮膚)，內(nèi)胚層(胃腸道和呼吸道)和中胚層(血液和骨骼)。iPS細胞技術(shù)仍然相對較新，目前尚不清楚哪種來自iPS細胞的組織類型首先會產(chǎn)生最大的影響。研究人員正在尋求有效和可靠地測量進展的方法，因為細胞在加工過程中變成不同的細胞類

模型iPS線通常從已建立的細胞庫購買，其運作方式有點像血庫。根據(jù)應(yīng)用和它們生長的實驗室，細胞在不同的專門培養(yǎng)基和不同的特殊處理表面上培養(yǎng)。定期補充培養(yǎng)基以使活細胞在數(shù)量增加時保持多能狀態(tài)。它們可以用于實驗以研究基礎(chǔ)生物學(xué)，或者它們可以分化成特定的成熟細胞，可以開發(fā)用于醫(yī)學(xué)治療或用于測試藥物。

每個細胞都很重要如果一種不需要的細胞迅速繁殖并且主導(dǎo)培養(yǎng)物，它可能變成腫瘤或使制劑不適合用作治療。為了充分了解這些干細胞系統(tǒng)中發(fā)生的情況，研究人員希望通過觀察它們的變化，生長，繁殖或死亡來了解培養(yǎng)皿中細胞的特征，以盡可能消除患者的潛在危險。

“我們相信活體細胞成像確實是唯一可以用來及時跟蹤單個細胞并在單細胞水平上理解特定時間點的行為如何與未來相關(guān)的工具，”圖像團隊負責(zé)人Michael Halter說。收購WIPP項目。“我們不只是想分析一個殖民地或一些殖民地。我們希望看看所有的殖民地，我們希望隨著時間的推移看待它們。”

WIPP如何運作

起初，活細胞成像研究的整個概念看起來很簡單：使用現(xiàn)有的知名工具(如視頻顯微鏡)拍攝給定細胞集落的鏡頭。運行鏡頭并觀察細胞隨時間發(fā)生的變化。

然而，問題在于規(guī)模和規(guī)模。每個碟子都裝滿了成千上萬的細胞，并且拍攝足夠的圖像來捕捉每個細胞的運動和變化可能會對計算機產(chǎn)生很大的影響。例如，5天實驗的三次運行可以產(chǎn)生等于1TB(1TB =1012字節(jié))的數(shù)據(jù)集。嘗試將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦P記本電腦或臺式機系統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器上 - 將其加載到計算機內(nèi)存中，通常只有1-3 TB的總大小 - 并且以任何靈活或靈活的方式使用它是不可能的硬件和軟件限制。沒有足夠的處理和計算機內(nèi)存，那些筆記本電腦和較小的臺式機開始窒息。

WIPP通過利用服務(wù)器的計算能力和Web界面的靈活性來規(guī)避這個問題。研究人員將他們的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器執(zhí)行一些計算操作，而其他人則使用Web瀏覽器在桌面上執(zhí)行。整個WIPP系統(tǒng)是開放式訪問和公共領(lǐng)域，盡管研究人員自己的數(shù)據(jù)集對于特定項目仍然是私有的，直到他們選擇公開為止。

使用顯微鏡依次拍攝培養(yǎng)菌落的細胞培養(yǎng)皿的切片。然后將這些圖像縫合在一起，就像被子一樣，在每個時間點形成整個菜肴的視圖。然后，每個復(fù)雜的復(fù)合單時間點圖像都像電影一樣運行，揭示細胞的整個歷史。

雖然在概念上聽起來很簡單，但設(shè)計和建模過程非常困難并且在計算上具有挑戰(zhàn)性。首先，來自生物學(xué)和計算領(lǐng)域的專家必須找到一種共同語言，以便將生物學(xué)知識與數(shù)學(xué)模型和信息技術(shù)相匹配。接下來，必須驗證新流程，以便用戶可以信任任何結(jié)果測量。然后必須將測量結(jié)果集成到一個產(chǎn)品中。

最后，用于圖像校準的復(fù)雜算法必須設(shè)計為高效運行 - 不僅在系統(tǒng)的服務(wù)器上運行，而且在使用多種類型的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器的潛在客戶端計算機上運行。這些算法解決了復(fù)雜的需求，例如：背景和平場校正，縫合以制作圖像的“被子”排列，細胞集落或細胞的分割以及特征提取，以便表征分割的對象。結(jié)果感覺很像通過手機訪問的在線地球測繪應(yīng)用程序。用戶可以從培養(yǎng)皿的非常大的“地圖”視圖開始，該地圖顯示所有細胞并使用光標從培養(yǎng)皿的一部分跳到另一部分，根據(jù)需要放大和縮小以獲得更近的外觀。它們可以從粗略的細節(jié)級別切換到更精細的細節(jié)級別。

常規(guī)在線映射與WIPP之間的關(guān)鍵區(qū)別在于系統(tǒng)內(nèi)置的復(fù)雜程度。當(dāng)您使用手機通過在線地圖找到像城市公園這樣的地方時，您正在尋找公園的位置以及如何從您的位置前往那里。在WIPP系統(tǒng)中，您可以在各種地圖中四處走動，并訪問細胞培養(yǎng)皿中的不同位置。但是你也可以看到隨著時間的推移每個位置會發(fā)生什么，以及那里的細胞如何變化和增長。這幾乎就像用你的手機看看公園所在的地方，還有生活在那里的每只松鼠，鳥和蠕蟲的年齡，他們擁有的后代數(shù)量，以及他們在特定時間吃的食物量。你去過的那個早晨。

WIPP結(jié)合了圖像背后的計算，提取分析數(shù)據(jù)以匹配實驗的每個視圖。這允許用戶收集關(guān)于形狀，大小，紋理特征，熒光強度，對比度和這些測量值的變化率的關(guān)鍵測量值，并分析每個群體內(nèi)的細胞群隨時間和空間的變化。

您還可以保留計算數(shù)據(jù)和相關(guān)圖像，并以不同方式重新混合它們。例如，如果您想查看一個細胞是否存活或死亡，您可以這樣做。但是，如果您稍后決定要查看哪些細胞快速復(fù)制以及哪些細胞在您之前的實驗中緩慢復(fù)制，您也可以這樣做。

研究人員甚至可以使用WIPP系統(tǒng)來獲得他們實驗中計算的可追溯性，這在過去幾年變得尤為重要，因為當(dāng)發(fā)現(xiàn)他們的結(jié)果無法在后續(xù)行動中重現(xiàn)時，一些高調(diào)的研究被撤回實驗。

“如果有人不信任你的數(shù)字，”Bajcsy說，“他們可以使用這個工具回到原始視野和原始圖像集。為了計算的可追溯性和實驗結(jié)果的可重復(fù)性，這非常重要。如果在這個桌面上進行某些計算而在另一臺筆記本電腦上進行某些計算，并且無法自動記錄和鏈接算法參數(shù)，軟件版本，軟件配置和計算鏈，則無法跟蹤結(jié)果?，F(xiàn)在您有一個包含所有內(nèi)容的中央存儲庫。

該系統(tǒng)還可用于評估制造期間和之后的下一代藥品。質(zhì)量保證長期以來一直是制藥生產(chǎn)的一部分，但隨著活細胞作為治療方法的使用變得越來越普遍，它已成為一個更復(fù)雜的問題。最近美國食品和藥物管理局對白血病遺傳治療的批準提供了一個例子。在這樣的制造過程中，質(zhì)量的評估和測量必須是可重復(fù)的和精確的，因為生命受到威脅。這種質(zhì)量控制必須在細胞群體水平上進行，這需要WIPP可以處理的那種大型數(shù)據(jù)量表。