Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Korrektursoftware erleichtert Quantifizierung der Entwicklungsschritte von Stammzellen

21.06.2017

Inzwischen ist es möglich, die Entwicklung einer einzelnen Zelle und die dafür entscheidenden Faktoren unter dem Mikroskop kontinuierlich zu verfolgen. Störungen wie Schatten in den Bildern oder Hintergrundveränderungen erschweren jedoch die Interpretation der Daten. Nun haben Forscherinnen und Forscher der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München eine Software entwickelt, die die Bilder so korrigiert, dass bisher verborgene Entwicklungsschritte sichtbar werden.

Entwickelt sich eine Stammzelle zu einer spezialisierten Zelle, so geschieht dies in mehreren Schritten. Doch welche Signal-Proteine sind an den entscheidenden Abzweigungen ihres Entwicklungswegs aktiv?


Mit der Software BaSiC verbessertes Mosaikbild eines Maushirn-Schnitts.

Bild: Tingying Peng / TUM/HMGU

Mit der sogenannten Time-lapse microscopy können Forscherinnen und Forscher unter dem Mikroskop einzelne Zellen in sehr hoher zeitlicher Auflösung beobachten und mit Hilfe von Fluoreszenzmarkierungen erkennen, wann genau welches dieser Proteine in der Zelle auftaucht.

Eine einmal identifizierte Stammzelle wird dann mittels Zelltracking-Software über mehrere Tage hinweg quasi auf Schritt und Tritt beobachtet. Diese „Beschattungsarbeit“ gestaltet sich für die Stammzellforscher jedoch oft schwierig.

„Die Bilddaten sind oft von unregelmäßiger Helligkeit und einem Verblassen des Hintergrunds im Zeitverlauf gestört“, erklärt Dr. Tingying Peng, Mitarbeiterin der Arbeitsgruppe Quantitative Single Cell Dynamics am Institute of Computational Biology (ICB) des Helmholtz Zentrum München. „Dadurch werden Faktoren, die bei der Entscheidung der Zelle für eine Entwicklungsrichtung auschlaggebend sind, oft nicht oder nur schlecht erkannt.“

Zwar gibt es Algorithmen, die diese Störungen herausfiltern, jedoch benötigen diese entweder extra angefertigte Referenzbilder, eine große Anzahl an Bildern pro Datensatz oder erfordern komplexe manuelle Einstellungen. Zudem korrigiert keine der bestehenden Methoden die Veränderung des Hintergrundes über die Zeit, was die Quantifizierung einzelner Zellen erschwert.

Ein Algorithmus eliminiert Hintergrundveränderungen

Nun stellt Dr. Tingying Peng zusammen mit Dr. Carsten Marr und Professor Nassir Navab, Inhaber des Lehrstuhls für Informatikanwendungen in der Medizin und Augmented Reality an der TU München, einen Algorithmus vor, der die Störfaktoren mit wenigen Bildern pro Datensatz korrigiert.

Die Software trägt den Namen „BaSiC“ und ist frei verfügbar. Sie ist für viele im Bereich Bioimaging verwendete Bildtypen anwendbar, darunter auch für Mosaikbilder, die aus vielen kleinen Einzelbildern bestehen und beispielsweise zur Darstellung von großen Gewebeschnitten verwendet werden. „Vor allem aber“, erklärt Dr. Peng, „kann BaSiC Hintergrundveränderungen in Zeitraffervideos korrigieren. Dies macht es zu einem interessanten Werkzeug für Stammzellforscher, die das Auftauchen bestimmter Faktoren frühzeitig erkennen wollen.“

Das Wesentliche sichtbar machen

Wie gut das neue Korrekturprogramm die Analyse der einzelnen Entwicklungsschritte von Stammzellen verbessert, zeigten die Wissenschaftler am Beispiel von Zeitraffervideos von Blutstammzellen. Mit diesen hatten sie Zellen über sechs Tage hinweg beobachtet. Zu einem bestimmten Zeitpunkt dieser Beobachtungsspanne entscheidet sich eine undifferenzierte Vorläuferzelle für eine von zwei möglichen Entwicklungslinien, die sich danach zu unterschiedlichen reifen Blutzellen fortentwickeln.

Auf den mit BaSiC korrigierten Bildern konnten die Forscher zum Zeitpunkt der Aufspaltung die deutliche Zunahme der Intensität eines bestimmten Transkriptionsfaktors in einer der beiden Zelllinien feststellen, während die Menge des Markers in der anderen Zelllinie gleich blieb. Ohne die vorherige Aufbereitung der Bilder jedoch zeigte sich dieser Unterschied nicht.

„Mit BaSiC konnten wir hier wichtige Entscheidungsfaktoren sichtbar machen, die sonst vor lauter Störungen unsichtbar geblieben wären“, sagt Nassir Navab. „Das Fernziel dieser Forschung ist es, die Entwicklung von Stammzellen gezielt beeinflussen zu können, um beispielsweise für Infarktpatienten neue Herzmuskelzellen züchten zu können. Die neuen Beobachtungsmöglichkeiten bringen uns diesem Ziel ein Stück weit näher.“

Das Korrekturprogramm BaSiC entstand aus einer engen Zusammenarbeit der Lehrstühle für Mathematische Modellierung biologischer Systeme und Informatikanwendungen in der Medizin und Augmented Reality der Technischen Universität München mit dem Institute of Computational Biology (ICB) des Helmholtz Zentrums München. Weiterhin beteiligt waren das Department of Biochemistry and Biophysics der University of California in San Francisco (USA), sowie das Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSSE) der ETH Zürich und der Lehrstuhl für Computer Aided Medical Procedure der Johns Hopkins Universität Baltimore (USA).

Publikation

Tingying Peng, Kurt Thorn, Timm Schroeder, Lichao Wang, Fabian J. Theis, Carsten Marr and Nassir Navab. BaSiC: A Tool for Background and Shading Correction of Optical Microscopy Images.
Nature Communications 8, 14836 (2017) – DOI: 10.1038/ncomms14836
https://www.nature.com/articles/ncomms14836

Kontakt:

Dr. Carsten Marr
ICB Institute of Computational Biology
Helmholtz Zentrum München
Ingolstädter Landstr. 1, 85764 Neuherberg, Germany
Tel.: +49 89 3187 2158 – E-Mail: carsten.marr@helmholtz-muenchen.de
Web: http://bit.ly/2qVMp2w – Software: http://bit.ly/2sm2WfH

Prof. Dr. Nassir Navab
Lehrstuhl für Informatikanwendungen in der Medizin und Augmented Reality
Technische Universität München
Boltzmannstr. 3, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 17057 – E-Mail: nassir.navab@tum.de – Web: http://campar.in.tum.de/Main/NassirNavab

Weitere Informationen:

https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/33987/ Link zur Pressemitteilung

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen
15.01.2018 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

nachricht Leuchtende Echsen - Knochenbasierte Fluoreszenz bei Chamäleons
15.01.2018 | Staatliche Naturwissenschaftliche Sammlungen Bayerns

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Im Focus: Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

Forscher schaffen neue Generation von Knochenimplantaten

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der...

Im Focus: Extrem helle und schnelle Lichtemission

Eine in den vergangenen Jahren intensiv untersuchte Art von Quantenpunkten kann Licht in allen Farben wiedergeben und ist sehr hell. Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung von Wissenschaftlern der ETH Zürich hat nun herausgefunden, warum dem so ist. Die Quantenpunkte könnten dereinst in Leuchtdioden zum Einsatz kommen.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern der ETH Zürich, von IBM Research Zurich, der Empa und von vier amerikanischen Forschungseinrichtungen hat die...

Im Focus: Paradigmenwechsel in Paris: Den Blick für den gesamten Laserprozess öffnen

Die neusten Trends und Innovationen bei der Laserbearbeitung von Composites hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im März 2018 auf der JEC World Composite Show im Fokus: In Paris demonstrieren die Forscher auf dem Gemeinschaftsstand des Aachener Zentrums für integrativen Leichtbau AZL unter anderem, wie sich Verbundwerkstoffe mit dem Laser fügen, strukturieren, schneiden und bohren lassen.

Keine andere Branche hat in der Öffentlichkeit für so viel Aufmerksamkeit für Verbundwerkstoffe gesorgt wie die Automobilindustrie, die neben der Luft- und...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung „Elektronikkühlung - Wärmemanagement“ vom 06. - 07.03.2018 in Essen

11.01.2018 | Veranstaltungen

Registrierung offen für Open Science Conference 2018 in Berlin

11.01.2018 | Veranstaltungen

Wie sieht die Bioökonomie der Zukunft aus?

10.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit mikroskopischen Luftblasen dämmen

15.01.2018 | Architektur Bauwesen

Feldarbeiten der größten Bodeninventur Deutschlands sind abgeschlossen

15.01.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Perowskit-Solarzellen: Es muss gar nicht perfekt sein

15.01.2018 | Materialwissenschaften