Jayakrupakar Nallala,,#奥利维尔·皮奥特一个Marie-Daniele Diebold,a、b西里尔Gobinet,一个奥利维尔·钻孔a、c米歇尔Manfait一个和Ganesh Dhruvananda Sockalingum,*
一个中等Biophotonique et技术倒拉桑特大学德兰斯硕果累累的FRE CNRS 3481 MEDyC,这里de年鉴SFR帽桑特,51 Cognacq-Jay街,51096兰斯Cedex,法国。电子邮件:(电子邮件保护)
bLaboratoire d 'Anatomie et Cytologie Pathologiques,罗伯特•德勃雷楚大道du Koenig将军51092兰斯Cedex,法国
c服务d 'Hepato Gastroenterologie et de Cancerologie消化,楚兰斯,du Koenig将军大道51092兰斯Cedex,法国
介绍
新方法不断被寻求潜在的诊断工具提供生物分子标记快速和客观的方式。这是非常重要的,尤其是在处理癌症生物医学研究准确诊断决定治疗的过程中,因此,疾病本身和生存的结果。红外(IR)光谱成像显示有前景的结果在这个领域由于其能力提供生物分子信息从细胞和组织非破坏性和label-free方式。1最近的一些研究表明它能够区分正常和tumoural在不同类型的癌症细胞和组织;这些导致了新的谱组织病理学的概念和细胞学。2,3
红外光谱组织病理学涉及组织和建设的成像光谱图像的光谱信息可以获得和相关生物分子的概要文件的组织。提取该信息方便使用各种多元数据预处理和处理方法,可以实现提供有价值的诊断信息。
的一个最新发展领域的红外光谱成像红外光谱条码技术的概念,它有可能为癌症诊断和监测提供临床上重要的信息,可以加强和为各种应用程序提供新的见解的红外光谱成像。4这一概念已由红外光谱成像结合统计工具在光谱条形码代表判别不同组织类型之间的光谱特性分析。这个评论文章的主要目的是总结这一概念的潜力关心癌症诊断各种应用程序。
仪器和图像采集
红外光谱影像并行几十年来发展迅速与一些进步在各仪器的特性。目前商用桌上型红外成像仪器包括显微镜耦合的傅里叶变换红外(IR)光谱仪,它允许一个想象和获取光谱图像组织部分。使用机动阶段,可以选择感兴趣的区域使用白光照明源在红外辐射投射到同一地区使用一个红外源,比如碳硅棒。图像可以获得使用像素大小一样的小6.25µmµm×6.25对于一个线性,甚至ca3µm×3µm使用焦平面阵列(FPA) 64×64多元探测器。随着这些多元阵列探测器,可以获得更大的地图在更小的时间框架和增加了像素的分辨率。一个典型的红外光谱波数代表的任何像素元素由轴和吸收强度(或%传输)在每个轴上的波数。
图1展示了一个方法用于红外光谱结肠组织标本的组织病理学的形式获得paraffinised组织稳定在一个琼脂糖矩阵的数组。在这个过程中,一个单一的组织块数组部分10µm厚度,放在氟化钙(CaF2)衬底,对应non-tumoural结肠组织,直接使用红外成像光谱成像之前没有任何化学deparaffinisation协议。由此产生的伪黄衫军的红外光谱图像(总吸光度)表示对应于其参考组织学图像(相邻部分)与苏木精染色,荧光桃红和藏红花(HPS)。光谱来自粘膜(红色)和结缔组织(蓝色)结肠组织的代表在图像所示HPS-stained图像对应一个像素元素6.25µm×6.25µm nitrogen-cooled 16-element汞、镉和碲化(MCT)线性阵列探测器。这些光谱获得的光谱分辨率4厘米1不仅在中范围750 - 4000厘米1。
图1所示。红外光谱成像方法结肠组织的数组。paraffinised组织核心直接成像阵列的红外成像系统,构成了未经加工的红外光谱图像,这港口全谱在每个像素大小6.25μm×6.25μm,使用传统彩色图像形态学参考。复制从纸j . Nallala许可,c . Gobinet医学Diebold,诉Untereiner o .钻孔,m . Manfait国民生产总值Sockalingum o .皮奥特,“红外光谱成像作为组织病理学的新方法识别在结肠癌诊断”,j .生物医学。选择。17 (11),116013,(2012)
预处理
光谱分析之前,一个预处理步骤是必要的为了消除各种干扰的影响发生在图像采集过程中由于光线的固有属性和与不同材料的相互作用。基线校正程序,正常化和平滑是最普遍采用的预处理步骤。替代方法,如延长乘法信号校正(EMSC)特定的预处理方法,允许一个挺立在石蜡干扰数学,只利用生物分子信息的组织。而不是直接减法石蜡的光谱特征,EMSC算法采用造型过程中和石蜡引起的光谱变化的影响。因此,在图像分析,只有来自组织的生化特性的光谱变化是考虑而不是从石蜡添加这些特性。因此,这种方法允许直接成像paraffinised组织而不需要使用任何化学deparaffinisation程序,从而减少分析时间,成本和避免有毒化学治疗。EMSC允许修正原始红外数据的各种光谱干扰同时,包括基线和正常化以及数学deparaffinisation。
处理和数据分析
不同的数据处理方法可用于分析大型红外成像光谱数据集生成。其中一个方法是聚类分析,它允许一个红外光谱数据分割成其组成生物分子功能基于光谱的距离。利用这些结果,可以重建pseudo-colour图像,描绘的原始组织学中转组织和相关标准的组织学图像光谱组织病理学。
作为一个例子,图2显示了图像聚类分析结果non-tumoural和结肠tumoural冷冻组织切片(中间板)相比,其参考苏木精和伊红染色(他)部分(左面板)。红外光谱图像受到一个无监督K聚类分析则使用8 - 12集群数据,分别以分区不同组织特性基于生物分子信息。可以观察到non-tumoural结肠组织的聚类分析揭示了著名的正常结肠组织的组织学特性如正常上皮(集群1和8)相应的外核和胞质内隐窝的一部分,固有层的集群(6)隐窝周围的疏松结缔组织,粘膜下层(集群4和7),肌粘膜(集群2)和分泌粘液(集群3)。集群5可能与外部有关地穴的一部分。相反,所需的分区tumoural组织12类,2和5的集群可以归因于恶性上皮(中度分化腺癌)和集群10的肿瘤间质。其余集群似乎与周围的间质组织有关。应该注意的是,在tumoural组织,正常的组织学特性不再明显在集群组织学或红外图像。除了这些信息,不同集群之间的光谱距离得以成像系统树图的形式显示在图2的权利。类为例,可以看到“肿瘤间质肿瘤密切相关,显示他们的光谱特性。
图2。k - means聚类non-tumoural和tumoural结肠傅立叶变换红外光谱图像(中间板)各自的系统树图(右面板)相比HE-stained部分(左面板)。(a) Non-tumoural结肠组织切片集群使用八个集群代表主要由随机pseudo-colours正常结肠组织的特性。表示如下:集群1和8日正常上皮(隐窝的边缘和中央部分);集群2、消化道粘膜;集群3,分泌粘液;集群4和7,黏膜下层;集群6,固有层;和集群5,与隐窝的外围部分。(b)中分化腺癌的结肠组织切片分类使用12集群随机pseudo-colours代表重要tumoural组织特性。 The representation is as follows: Clusters 2 and 5, tumour epithelial component; Cluster 10, stromal tissue. Remaining clusters are not attributed to any histological class. Scale bar = 200 μm. (Reproduced with permission, from the paper by J. Nallala, O. Piot, M.D. Diebold, C. Gobinet, O. Bouché, M. Manfait and G.D. Sockalingum, Cytometry Part A 83A, 294300 (2013).
聚类分析结果可以结合统计测试为了获得特定的生物分子信息的红外光谱特征的组织。一个最近和小说等应用程序使用这个过程是利用聚类分析的结果结合Mann-WhitneyU测试开发红外光谱条码技术的概念。红外光谱可以比较来自两个不同的组织类型的使用统计检验和判别特征(波数)可以被识别。可以获得这些判别功能梯度从少高度判别式判别基于意义的水平。这些特性可以颜色和代表以条形码的形式反映了相关的生物分子的变化相比类和给一个直接和容易理解的组织检查。
图3显示了一个示意图表示的识别判别特性和红外光谱条形码non-tumoural和建设tumoural组织的红外光谱范围900 - 1800厘米1。在这个例子中,聚类结果(图2)non-tumoural和tumoural样本都是用来构造条形码。为此,红外光谱从non-tumoural上皮组件(隐窝)的红外光谱相比tumoural上皮组件(中度分化腺癌)使用Mann-Whitney相同的病人U测试使用不同的p值的意义。判别特征从而确定表示为:黑色(最判别p= 0.00016),在中间判别特征布朗(p= 0.001)和橙色的至少判别特征(p= 0.01)。
条形码的发生之间的相关性判别波数和生物分子改变癌状态。作为一个例子,黑色最判别波数可以关联的变化由于一些重要生物分子如蛋白质涉及酰胺我和酰胺二世振动乐队和碳水化合物。这个简单和快速的方法光谱条形码中拥有重要的前景提供有价值的信息,特别是在癌症的诊断意义。
结论和观点
目前,如图3所示,光谱条形码才的概念应用于non-tumoural和tumoural上皮同行的结肠组织强调生物分子,因此,光谱变化。然而,这种方法可以扩展到其他组织和组织相关的特性,比如肿瘤和肿瘤间质,肿瘤与炎症组件等。这将是有趣的,看看条形码这些条件不同以及他们如何可能有助于了解这些交互改变tumoural环境。的另一个有趣的潜在应用的方法是构造条形码等不同阶段的肿瘤进展正常,腺瘤和腺癌,虚幻与每个阶段相关的生物分子的变化可以观察到。同时,条形码对不同肿瘤的成绩与癌症恶化的复杂性增加可以提供重要的信息。此外,光谱特征以条形码的形式可以为主要和次要构建肿瘤与相同的法,可以发现有价值的信息转移性肿瘤的性质。在这个容易理解的方式获得的光谱信息可以帮助病理学家补充当前标准组织病理学相结合最常用的组织与组织病理学形态可视化生物分子光谱成像信息。使用这个角度看,它因此成为至关重要的长期利用这些信息为了开发算法和预测模型,可以用来客观地诊断癌症,也自动诊断。然而,能够做到这一点,一些新的研究红外光谱成像涉及不同的组织类型和在更大的范围内需要进行为了构建大型光谱数据银行和存档。其中一个方法是构建光谱条形码从paraffinised组织通过组织大型银行。
图3。光谱条形码的建设。红外光谱(使用相同的颜色代码的红外光谱如图2所示)对应于non-tumoural和tumoural上皮组件从(a)和(b)从k - means聚类图像检索和比较使用统计检验不同假定值的意义,找出重要的判别波数(c)。作为一个例子,判别波数在p \ 0.00016 (c)显示为灰色酒吧,后来表示,光谱条形码的形式(黑色)(d)。与此同时,使用其他假定值判别波数的意义(p 0.001 \ \ 0.01)也用不同的颜色表示(分别为棕色和橙色)。最后,使用不同的假定值判别波数的意义在一个梯度排序由不同颜色构成表示判别生物分子的光谱条形码(d)特性。酒吧= 200μm规模。复制许可,从论文j . Nallala o .皮奥特医学Diebold, c . Gobinet o .钻孔,m . Manfait国民生产总值和Sockalingum,血细胞计数部分83,294300 (2013)。
仍有一些重要的挑战在发展中需要考虑光谱条形码等固有的异质性的概念起源于不同的病人和肿瘤根据他们的基因型,本地化等,可以引入不同的光谱资料。考虑到这些挑战,可以设想红外成像光谱条形码可以提供有价值的分子信息互补的组织病理学诊断。是很重要的,在这一点上,也提到光谱条形码举行重要的红外光谱研究在单细胞水平的前景。提到一些,疾病描述光谱的识别标记细胞类型,观察细胞的功能和交互用药物可以在一个简单和快速的方式进行的。光谱条形码的概念也可以丰富使用拉曼光谱或使用其他方式如衰减全反射红外光谱(ATR),可以为红外条形码提供补充信息,也可以扩展到半岛综合体育官方APP下载德甲在活的有机体内组织分析。
引用
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