皮膚の 3D 再構成と免疫細胞密度、血管距離、日光曝露と老化の影響の空間マッピング
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皮膚の 3D 再構成と免疫細胞密度、血管距離、日光曝露と老化の影響の空間マッピング

May 28, 2023

Communications Biology volume 6、記事番号: 718 (2023) この記事を引用

1983 年のアクセス数

9 オルトメトリック

メトリクスの詳細

人体を単一細胞の解像度で三次元 (3D) でマッピングすることは、組織や器官の構成における細胞相互作用を理解するために重要です。 単一組織切片における 2D 空間細胞解析は、細胞数と組織学によって制限される場合があります。 ここでは、多重化された連続組織切片の 3D 再構成のワークフロー、MATRICS-A (多重化画像 3 次元再構成および統合細胞空間解析) を示します。 私たちは、32 ~ 72 歳の 12 人のドナーから採取した固定皮膚 (18 種類のバイオマーカーで染色) の 26 枚の連続切片で MATRICS-A を実証します。 3D で再構成された細胞データを 2D データと比較すると、免疫細胞と血管内皮細胞の間の距離が大幅に短いことがわかります (3D では 56 μm 対 2D では 108 μm)。 また、3D と 2D では、隣接する T ヘルパー細胞の 30 μm 以内に 10 ~ 70% 多い T 細胞 (合計) が表示されます。 p53、DDB2、および Ki67 陽性細胞の皮膚表面までの距離は、すべての年齢/日光曝露にわたって一貫しており、主に表皮の基底層の下層に局在していました。 MATRICS-A は、健康な臓器と老化した臓器における 3D 空間細胞関係を分析するためのフレームワークを提供し、病気の臓器にもさらに拡張できる可能性があります。

国立衛生研究所 (NIH) のヒト生体分子アトラス プログラム (HuBMAP) は、米国とヨーロッパの複数の研究室からのデータを使用して、健康な人体のすべての細胞の包括的な高解像度アトラスを作成することを目的としています1。 これらのサンプルから得られたデータを統合して調和させ、それらを共通の 3 次元 (3D) 空間に「マッピング」することは、大きな課題です。 HuBMAP は、他の 17 の国際コンソーシアムやプロジェクトと緊密に連携して、Human Reference Atlas (HRA)2 を体系的に構築しています。 このアトラスの中心となるのは、空間的および意味的に明示的な人体組織の登録と探索をサポートする共通座標フレームワーク (CCF) です。 完成したアトラスは、精密な健康と医療をサポートするためにパラメータ化できる、健康な男性と女性のための「デジタル ツイン」の設計をサポートします。 CCF には 2 つの重要なコンポーネントがあります: (1) 各臓器の解剖学的構造、細胞型、およびバイオマーカー (ASCT + B) テーブル。既存のオントロジー (例: Uberon 多種解剖学オントロジー、解剖学オントロジーの基礎モデル [FMA]) を利用します。 、細胞オントロジー [CL]、または HUGO 遺伝子命名法 [HGNC])、および (2) 各臓器の解剖学的構造と細胞型を空間的に定義し、人体内でのそれらの 3D 空間関係を特徴付ける 3D 参照オブジェクト ライブラリ。 アトラスを使用すると、組織データを空間的および意味的に (解剖学的構造、細胞型、バイオマーカーの標準化および統一された名前を使用して) 登録できます。 このペーパーでは、3D 皮膚データの生成と 3D 空間マップの自動計算に焦点を当てます。 私たちの知る限り、これは、3D での免疫細胞クラスター密度、3D で最も近い内皮細胞までの免疫細胞の距離分布、および皮膚表面までの損傷細胞または増殖細胞の距離が提示されたのは初めてです。

皮膚は人間の最大の臓器です。 それは、少なくとも 36 の異なる細胞タイプ (ASCT + B3 のバージョン 1.2 に記載) と、腺構造、毛包、血管系、免疫系コンポーネントを含む 16 を超える解剖学的構造からなる広大な微小環境で構成されています。 主要な皮膚細胞の種類と解剖学的構造を特徴付けるために、少なくとも 70 種類のタンパク質バイオマーカーが一般的に使用されています3。 近年、ヒト皮膚の単細胞アトラス研究がいくつか実施されていますが 4,5 、これらは単細胞 (sc) RNAseq 解析に焦点を当てており、細胞型やタンパク質の 2D in situ 解析や 3D 空間解析には焦点を当てていません。 健康な皮膚の詳細なプロテオミクス分析により、10,701 個のタンパク質が特定され、高度な解剖とフローサイトメトリーを使用して、それらを皮膚層内の位置と細胞起源にマッピングしました6。 前がん状態およびがん状態の皮膚を特徴付けるために多くの研究が行われてきましたが、UV の影響を含む、健康な人のライフサイクル全体にわたる細胞の変化についてはあまり理解されていません7、8。 皮膚扁平上皮癌(cSCC)と対応する正常皮膚の最近の多峰性解析(scRNAseq、空間トランスクリプトーム、および多重イオンビームイメージングを組み合わせたもの)9では、sSCCには1つのユニークな腫瘍特異的ケラチノサイトサブ集団が存在するだけで、ケラチノサイト集団の大部分が重複していることが示された。 これは、細胞の疾患への移行を理解するために、正常/健康な参照臓器データセットを開発することの価値を強調しています。

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>