使用干細(xì)胞的研究人員有雄心勃勃的目標(biāo)。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(tuán)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(xì)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(xì)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(jī)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(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xì)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(jìn)行交互。使用WIPP，細(xì)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(xì)胞研究雜志上的一篇文章也對此進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)胞(iPS)，這些細(xì)胞是從成人組織中取出的細(xì)胞，加工成胚胎干細(xì)胞。iPS細(xì)胞可用于從所有三個基本人體層制造新細(xì)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(xì)胞技術(shù)仍然相對較新，目前尚不清楚哪種來自iPS細(xì)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(jìn)展的方法，因為細(xì)胞在加工過程中變成不同的細(xì)胞類

模型iPS線通常從已建立的細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞，可以開發(fā)用于醫(yī)學(xué)治療或用于測試藥物。

每個細(xì)胞都很重要如果一種不需要的細(xì)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(xì)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(xì)胞的特征，以盡可能消除患者的潛在危險。

“我們相信活體細(xì)胞成像確實是唯一可以用來及時跟蹤單個細(xì)胞并在單細(xì)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(tuán)隊負(fù)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(xì)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(xì)胞集落的鏡頭。運行鏡頭并觀察細(xì)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(xì)胞，并且拍攝足夠的圖像來捕捉每個細(xì)胞的運動和變化可能會對計算機(jī)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(jī)系統(tǒng)的硬盤驅(qū)動器上 - 將其加載到計算機(jī)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(jī)內(nèi)存，那些筆記本電腦和較小的臺式機(jī)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(xì)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(xì)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(zhǔn)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(jī)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(xì)胞集落或細(xì)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(jī)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(xì)胞并使用光標(biāo)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(xì)節(jié)級別切換到更精細(xì)的細(xì)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(jī)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(xì)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(xì)胞如何變化和增長。這幾乎就像用你的手機(jī)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(xì)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(xì)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(xì)胞快速復(fù)制以及哪些細(xì)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(jìn)行某些計算而在另一臺筆記本電腦上進(jìn)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(xì)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(zhǔn)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(xì)胞群體水平上進(jìn)行，這需要WIPP可以處理的那種大型數(shù)據(jù)量表。