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 Nesseltiere steuern Bakterien fern
21.09.2017 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Die Immunabwehr gegen Pilzinfektionen ausrichten
21.09.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

23. Baltic Sea Forum am 11. und 12. Oktober nimmt Wirtschaftspartner Finnland in den Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

6. Stralsunder IT-Sicherheitskonferenz im Zeichen von Smart Home

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

OLED auf hauchdünnem Edelstahl

21.09.2017 | Messenachrichten

Weniger (Flug-)Lärm dank Mathematik

21.09.2017 | Physik Astronomie

In Zeiten des Klimawandels: Was die Farbe eines Sees über seinen Zustand verrät

21.09.2017 | Geowissenschaften