Opis problemu

Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge potrzebowali skutecznego rozwiązania w zakresie analizy danych, które pozwoliłoby stworzyć dynamiczną wizualizację przepływu komórek w czasie.

Zrealizowane rozwiązanie

Głównym wyzwaniem w biologii rozwojowej jest badanie sposobu reorganizacji komórek podczas rozwoju zarodka. Reorganizacja komórek od początkowej fazy do zorganizowanej struktury całego zarodka ciąży.

Program IDL był używany przez prawie 30 lat do analizy i wizualizacji obrazów medycznych do różnych celów - od wykrywania chorób do nauczania studentów ludzkiej anatomii. Aktualnie biolodzy w Cambridge wykorzystują IDL do badania problemów biologii rozwojowej. Zaawansowane techniki obrazowania i wyrafinowane programy do analizy danych, takie jak IDL pozwalają obecnie naukowcom rozwiązywać podstawowe tajemnice ludzkiego rozwoju.

Badania biologów, w tym Richarda Adams'a i Guya Blanchard'a z Uniwersytetu w Cambridge z Katedry Fizjologii Rozwoju i Neurologii, których szczególnie interesowało zrozumienie dynamiki ruchów komórek, a także morfogenezy. Naukowcy ci mieli nadzieję na zrozumienie, jak te procesy postępują w zdrowym zarodku oraz jak błędy mogą powodować, że niektóre komórki rozwijają się nieprawidłowo, oraz powodują na przykład wady cewki nerwowej.

Adams i Blanchard wykorzystali obrazowanie upływu czasu do studiowania rozwoju embrionalnego komórek ryby Danio Pręgowanego (Zebrafish). Ryba ta rozwija się bardzo szybko, co pozwala naukowcom na studiowanie pełnego cyklu życia w krótkim okresie czasu. Aby zebrać dane, zarodki Danio są wprowadzane pod mikroskop konfokalny, charakteryzujący się uzyskiwaniem wysokiej jakości obrazów oraz rekonstrukcją obrazów w trzech wymiarach. Następnie zarodkom wstrzykuje się barwniki fluorescencyjne, które zabarwiają różne rodzaje i regiony komórek, co ułatwia śledzenie ich morfologii lub reorganizacji.

Obserwacja rozwoju komórek z wykorzystaniem aplikacji IDL

Aby monitorować zachowanie komórek w czasie, naukowcy Adams i Blanchard użyli IDL do opracowania kilku niestandardowych aplikacji, które zarządzają ogromnymi ilościami konfokalnych danych i umożliwiają tworzenie filmów śledzących ruchy pojedynczych komórek. Jak twierdzi Richard Adams, wybrał on IDL, ponieważ: "szukał narzędzia, które dawałoby dostęp do niezbędnych funkcji matematycznych, a także pozwalałoby realizować codzienne zadania, takie jak wyświetlanie obrazu bez pisania dużej ilości kodu".
Kastomizowane aplikacje laboratoryjne umożliwiają pracującym biologom wyizolowanie, obcięcie i obróbkę danych, a także wybranie podzbiorów tych danych, celem rekonstrukcji danych do modeli 3D, a ostatecznie wygenerowanie filmów śledzących rozwój i zachowanie komórek.

Laboratorium w Cambridge jest często odwiedzane przez wielu współpracowników, którzy korzystają ze stworzonych na bazie IDL programów Adams'a i Blanchard'a, dodatkowo z racji iż są one zaprojektowane w sposób możliwie najbardziej przyjazny użytkownikowi. Różne kreatory oraz wbudowane funkcje IDL, pozwoliły zespołowi skorzystać ze standardowych funkcjonalności, takich jak przyciski, suwaki i ikony. Odwiedzający laboratorium mogą korzystać z aplikacji i w bardzo łatwy sposób manipulować i animować własne dane.

Blanchard rozwija obecnie zastosowania aplikacji IDL. Automatycznie identyfikuje ona komórki w filmach, śledzi i analizuje ich zmiany w czasie.
"IDL pozwoliło nam na włączenie zaawansowanych algorytmów, tworzenie procedur do łatwego śledzenia ruchów komórek, spojrzeć na zmiany kształtu i skutecznie wizualizować nasze dane" - powiedział Adams. "Wcześniej musiałem spędzić sporo czasu na pisanie kodu, żeby wykonać swoją pracę, zamiast skoncentrować się na nauce".

Korzyści

Aplikacje laboratoryjne umożliwiają biologom na wyizolowanie, obróbkę danych, wybieranie podzbiorów danych, rekonstruowanie danych do modeli 3D i ostatecznie wygenerowanie filmów obrazujących rozwój komórek. Zanim wykorzystany został IDL, naukowcy musieli spędzać mnóstwo czasu na pisanie kodu nie koncentrując się na właściwych badaniach. IDL umożliwił naukowcom łatwą obserwację ruchów komórek, zmian kształtu, oraz tworzenie efektywnej wizualizacji danych.


Danio pręgowany (Zebrafish)


Rekonstrukcja 3D komórek ektodermy