子科生物報道：由香港城市大學(xué)（ CityU）共同領(lǐng)導(dǎo)的一個聯(lián)合研究小組開發(fā)了一種新的計算工具，它可以重建和可視化三維（3D）細(xì)胞形狀以及細(xì)胞的時間變化，將幾百小時的手工加速節(jié)省至數(shù)小時。這一工具*改變了生物學(xué)家分析圖像數(shù)據(jù)的方式，它可以促進(jìn)發(fā)育和細(xì)胞生物學(xué)的進(jìn)一步研究，例如癌細(xì)胞的生長。

跨學(xué)科研究由計算機工程系的Yan Hong教授、電氣工程系Wong Chung Hong教授以及香港浸會大學(xué)（HKU）和北京大學(xué)的生物學(xué)家共同領(lǐng)導(dǎo)。他們的研究結(jié)果以“Establishment of a morphological atlas of the Caenorhabditis elegans embryo using deep-learning-based 4D segmentation”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

這個團(tuán)隊開發(fā)的工具叫做“CShaper”這是一個強大的計算工具，可以在單細(xì)胞水平上系統(tǒng)地分割和分析細(xì)胞圖像，“這是研究細(xì)胞分裂、細(xì)胞和基因功能所急需的，”Yan教授說。

分析海量細(xì)胞分裂數(shù)據(jù)的瓶頸

生物學(xué)家一直在研究動物是如何從一個單一的細(xì)胞，一個受精卵，通過無數(shù)的細(xì)胞分裂，成長為器官和整個身體。特別是，他們想知道基因的功能，比如參與細(xì)胞分裂形成不同器官的特定基因，或者是什么導(dǎo)致細(xì)胞分裂異常導(dǎo)致腫瘤生長。

找到答案的一種方法是使用基因敲除技術(shù)。在所有基因都存在的情況下，研究人員首先獲得細(xì)胞圖像和譜系樹。然后他們從DNA序列中“剔除”一個基因，比較兩個譜系樹，分析細(xì)胞的變化，推斷基因功能。然后他們在其他基因被敲除的情況下重復(fù)實驗。

在這項研究中，合作的生物學(xué)家團(tuán)隊利用秀麗隱桿線蟲（C.elegans）胚胎產(chǎn)生了數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，供Yan教授的團(tuán)隊進(jìn)行計算分析。線蟲是一種與人類具有許多基本生物學(xué)特性的蠕蟲，為研究人類腫瘤的生長過程提供了有價值的模型。

“估計線蟲中有20000個基因，這意味著如果一次敲除一個基因，將需要近20000個實驗，必然產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。因此，有必要使用一個自動化的圖像分析系統(tǒng)。這也促使我們開發(fā)出一種更高效的方案。”

細(xì)胞突破圖像的自動分割

細(xì)胞圖像通常是通過激光掃描獲得的?，F(xiàn)有的圖像分析系統(tǒng)只能很好地檢測細(xì)胞核，細(xì)胞膜圖像質(zhì)量較差，阻礙了細(xì)胞形態(tài)的重建。同時，對于細(xì)胞分裂的時間推移的3D圖像（即4D圖像）的分割還缺乏可靠的算法。圖像分割是計算機視覺中的一個關(guān)鍵過程，它涉及到將視覺輸入分割成若干段以簡化圖像分析。但研究人員不得不花費數(shù)百小時手動標(biāo)記許多細(xì)胞圖像。

CShaper的突破在于它可以檢測細(xì)胞膜，在3D中構(gòu)建細(xì)胞形狀，更重要的是，它可以在細(xì)胞水平上自動分割細(xì)胞圖像。“使用CShaper，生物學(xué)家可以在幾個小時內(nèi)破譯這些圖像的內(nèi)容。它可以描述細(xì)胞的形狀和表面結(jié)構(gòu)，并提供細(xì)胞在不同時間點的三維視圖，”第 1作者之一、Yan教授實驗室的博士生Cao Jianfeng說。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊開發(fā)的基于深度學(xué)習(xí)的模型DMapNet在CShaper系統(tǒng)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。“通過學(xué)習(xí)捕捉圖像像素之間的多個離散距離，DMapNet在提取膜輪廓的同時考慮形狀信息，而不僅僅是強度特征。因此，CShaper實現(xiàn)了95.95%的細(xì)胞識別準(zhǔn)確率，大大優(yōu)于其他方法，”他解釋說。

利用CShaper，研究小組為秀麗隱桿線蟲胚胎從4到350個細(xì)胞階段的細(xì)胞形態(tài)生成了一個延時3D圖譜，包括細(xì)胞形狀、體積、表面積、遷移、細(xì)胞核位置和細(xì)胞與細(xì)胞接觸的確認(rèn)細(xì)胞特征。

腫瘤生長研究進(jìn)展

Cao Jianfeng說：“就我們所知，CShaper是第 1個在單細(xì)胞水平上系統(tǒng)地分割和分析線蟲胚胎圖像的計算機系統(tǒng)。通過與生物學(xué)家的密切合作，我們自豪地開發(fā)了一個有用的計算機工具，用于自動分析大量的細(xì)胞圖像數(shù)據(jù)。我們相信它可以促進(jìn)發(fā)育和細(xì)胞生物學(xué)的進(jìn)一步研究，特別是在理解癌細(xì)胞的起源和生長方面，”Yan教授補充說。

他們還在植物組織細(xì)胞上測試了CShaper，而且結(jié)果不錯。他們相信這個計算機工具可以用于其他生物學(xué)研究。