奧林巴斯顯微鏡配套：多維圖像分析軟件 Imaris

奧林巴斯顯微鏡配套：多維圖像分析軟件 Imaris

    對于從事生命科學領域的研究者來說，除了要掌握高超的實驗技術之外，圖像分析技能也是必須掌握的一門手藝。   
   筆者因為工作的關系,平時會接觸到很多科學研究者，他們經常和筆者咨詢一些圖像分析的問題, 如: “我要分析熒光共聚焦圖片，要分析樹突長度和樹突棘，要分析細胞遷移過程……，你能給我推薦合適的分析軟件嗎？”
   目前市面上流行很多圖像分析軟件，如Image-Pro Plus，Scion Image，Neurolucida， Image J等等，每款軟件都有自己獨到之處，也基本可以完成生命科學領域的圖像分析的需要。當然也存在一些缺點：有些軟件功能很強大，但是操作界面太復雜；有些軟件操作界面人性化，但是分析功能太簡單。所以要想選擇一款既簡單易用、功能又強大的軟件， 不是一件容易的事。
   作為曾經的科研從事者，筆者也使用過很多圖像分析軟件。在比較了這些分析軟件優缺點之后， 今天筆者想給讀者們介紹一款非常好用的多維圖像分析軟件---Imaris。 希望通過筆者的介紹，讀者們以后遇到問題時，可以嘗試使用這款軟件解決問題。

一、簡介 
   Imaris是實時定量三維/四維/多維圖像進行可視化和定量分析的圖像工作站，20多年來，專注于多維圖像的立體展示和定量分析，為顯微圖象用戶提供多維圖象顯示、處理和數據分析系統。
   軟件在多維立體的觀測和展示操作之外，還有專門針對單細胞內目標觀測物的定量測定功能、多對象動態示蹤、神經示蹤和相關數據的展示、多維熒光共定位研究，結果可以導出到通用的Excel表格中，也可以直接標注在圖像上，或者直接錄制為直觀的視頻電影。
   Imaris還可以無縫讀出所有顯微鏡世界中共聚焦和寬視場的原始圖像，而無須任何轉換。隨著顯微鏡圖像的維數增加，從幾兆到幾百G的圖像，均可以使用“拖拽”的方式直接讀出。通過特殊的裝載方式，飛速自匹配合適的圖像分辨率，讓超大數據量的測量結果快速展示在您的面前。直觀地用戶界面和導航式操作模式使您輕松入門并極大簡化分析處理的中間過程。
   那么，Imaris具體能應用在哪些研究里呢？ 下面，筆者舉幾個應用實例說明Imaris強大的功能。

二、應用實例

1.植物生物學中的應用

Studying cell fate and cellular organization during plant reproduction
Research paper: Schmidt A, Wuest SE, Vijverberg K, Baroux C, Kleen D, et al. (2011) 
Transcriptome Analysis of theArabidopsis Megaspore Mother Cell Uncovers the Importance of RNA Helicases for Plant Germline Development. PLoS Biol
9(9): e1001155. doi:10.1371/journal.pbio.1001155

分析結果：孢子形成是植物有性生殖的關鍵步驟，它介導了孢子體轉換到配子體的過程。蘇黎世大學的Baroux 博士, Schmidt 博士及Grossniklaus 博士借助Imaris圖像分析軟件來研究孢子形成的機制，其成果可應用于監控農作物，并獲得所需遺傳型植株。
   Baroux 博士表示，“借助Imaris，我們能夠在細胞命運的檢測，以及植物增值過程中的細胞組織過程的研究中進行定性定量的分析，Imaris 是我們的研究中*的工具”。
Schmidt 博士說，“Imaris 能夠地測量選定區域內三維數據的熒光強度，這一能力對我們的幫助非常的大”。

2.神經科學中的應用

Analyzing Thousands of Dendritic Spines in 3D
Research Paper: Benavides-Piccione R, Fernaud-Espinosa I, Robles V, Yuste R, Defelipe J. Age-Based Comparison of Human Dendritic Spine Structure Using Complete Three-Dimensional Reconstructions. Cereb Cortex. 2012 Jun 17. [Epub ahead of print].
Dr. Ruth Benavides-Piccione and colleagues, Consejo Superior de Investigaciones Científicas and Universidad Politécnica de Madrid.

分析結果：西班牙Consejo Superior de Investigaciones Científicas 及Universidad Politécnica de Madrid 的研究者們在Ruth Benavides-Piccione 博士的帶領下，使用Imaris 軟件針對數千的人類皮層中樹突棘的三維形態進行了分析。他們的研究顯示隨著我們的衰老，這些樹突的形態也會發生改變。
   樹突棘是從連接在樹突上的小突起結構，它們是大腦皮層興奮性突觸中主要的突觸后成份。zui近研究表明，樹突棘結構是動態的，并且其體積的變化可能對認知和及其有重要作用。研究者們希望通過研究樹突棘的形態來深入了解它們與皮層中信息處理的關系。
Benavides-Piccione 博士說Imaris的surface 能夠的重建樹突棘結構，雖然它不是專門用來分析樹突棘的工具。使用surface 工具，他們構建了一套能夠展示千樹突棘三維形態的操作方案。
   研究者們還通過Imaris Measurement Points 工具手動標記了每個樹突棘從頂端到樹突連接點的長度，并計算每條樹突（從胞體到樹突末端）每10微米單位長度內，樹突棘的密度。
   Benavides-Piccione 博士說他們現在正在使用上述方法研究其他皮層區域內，人類樹突棘的結構信息，并打算使用Imaris FilamentTracer （專為神經分析而設計的工具）模塊來深入分析樹突棘三維形態數據。

3．細胞生物學中的應用（1）

Live Imaging Analysis Reveals Mechanisms Controlling Tube Size During Organ Development 
Research Paper: Förster D, Luschnig S. Src42A-dependent polarized cell shape changes mediate epithelial tube elongation in Drosophila. Nat Cell Biol. 2012 Mar 25;14(5):526-34. doi: 10.1038/ncb2456.
Dominique Förster and Dr. Stefan Luschnig, University of Zurich

分析結果：要保持各器官，肺，腎及血管，正常運作，它們需要各種特定尺寸的“管子”。然而，我們對這些“管子”的大小在細胞水平上的調控機制卻知之甚少。瑞士蘇黎世大學的Dominique Förster 和Stefan Luschnig結合Imaris 軟件使用遺傳學分析方法，揭示了細胞水平上，單獨調控果蠅氣管伸長和直徑擴張的過程。
   為了分析細胞的形態，研究人員使用Imaris Contour 工具畫出了每個氣管細胞的輪廓，并依此進行表面渲染，構建三維模型。 “Imairs 為我們提供了用于描述這些細胞大量的參數，例如細胞表面積和細胞體積”，Luschnig 博士說，“我們發現從Imaris 獲取的數據非常有用。這種對三維物體直觀的分析方法對我們的研究很有幫助。
   他們使用兩種方法定義細胞的長軸，根據經驗，使用Imaris MeasurementPoints 工具，或使用Imaris提供的橢球數據，并將橢球長軸的左標導出到Matlab中計算管內細胞長度及朝向。結果顯示，黏著連接中Src依賴性E-cadherin循環限制了細胞形態的改變，并介導了氣管的伸長。

3．細胞生物學中的應用（2）

Measuring mRNA Kinetics in Living Cells
Research Paper: Dynamics of single mRNP nucleocytoplasmic transport and export through the nuclear pore in living cells,
Nature Cell Biology 12, 543 - 552 (2010) doi:10.1038/ncb2056.
Dr. Yaron Shav-Tal and lab members, Bar-Ilan University

分析結果：在基因表達過程中，RNA從細胞核轉移到胞質中，雖然人們已從生物學角度研究了這一過程，但是關于這一過程的動力學信息卻少之又少。以色列Bar-Ilan 大學的研究人員借助Imaris 觀測并獲得mRNA在活體單細胞中轉運的動力學定量數據。
   以色列的科學家借助Imaris強大的點檢測功能對每一個mRNA分子進行追蹤，并使用ImarisTrack 模塊完成了“每一時間點中mRNA 信號識別 – 不同時間點間所有mRNA運動軌跡檢測”這一全自動過程，并揭示了每個mRNA在不同時間點的坐標。科學家們可以根據這些坐標來辨別定mRNA的遷移類型，計算遷移速度；并將這一方法應用于多種mRNA在二維及三維空間內的追蹤研究。

4．免疫學中的應用

Tracking Leukocyte Migration in 3D
Research paper: The junctional adhesion molecule JAM-C regulates polarized transendothelial migration of neutrophils in vivo, Nature Immunology 12, 761–769 (2011) doi:10.1038/ni.2062.
This research was funded by the Wellcome Trust.
Dr. Abigail Woodfin, Queen Mary University of London, and colleagues.

分析結果：在身體收到創傷或被感染時，白細胞將離開血液并遷移到被感染的組織中，參與機體的免疫反應。白細胞的遷移在病理學研究中起著至關重要的作用——非正常的發炎將導致組織壞死或誘使疾病發生。倫敦Queen Mary University 的Abigail Woodfin 描述說“通過對這一過程調控機制的離體研究，我們已獲得了很多信息，但是由于血管壁的復雜結構，以及諸如血液流動、區域內化學產物等環境因素的干擾，我們對這些反應的在體研究非常有限”。
“我們通過Imaris構建的三維模型追蹤白血球相對于血管內皮細胞的運動過程，在很高的時間空間分辨率下，對白血球跨越血管壁遷移進行動力學分析”，Woodfin 博士說。由Imaris 構建的三維物體能夠隨意操控，如旋轉到任意位置，縮放等，并帶有每個物體內各通道的強度數據——這是對研究至關重要的特性，如此一來，研究人員可以在不同時間點下判斷物體間的相互作用。Woodfin 博士還指出，“傳統的z軸zui大強度投影圖像無法進行這樣的研究。
    此外，他們還使用了Imaris中的“drift correction”功能對在體組織的移動進行了漂移矯正，并使用視頻錄制功能對三維模型進行展示。他們的研究表明，連接黏附分子C（JAM-C）是白血球跨血管壁遷移的關鍵調控因子。

5.肝病學中的應用

3-D colocalization study of viral kinetics
Research Paper: Hepatitis C Virus Receptors Claudin-1 and Occludin After Liver Transplantation and Influence on Early Viral Kinetics, Hepatology, 2011,Vol. 53, Issue 5, pp. 1436–1445, DOI: 10.1002/hep.24110.
Dr. Xavier Forns and colleagues, IDIBAPS and the National Institute of Allergy and Infectious Disease, NIH

分析結果：丙型肝炎病毒感染導致的慢性肝病，通常需要進行肝移植來治療。然而，大部分患者在接受肝移植之后都會復發。尤其是在接受移植前體內病毒正在增值的患者，他們在接受移植后，通常病毒量會立刻增加。
研究者們使用Imaris 這一強大的三維四維多功能圖像展示分析軟件來定量在肝組織（福爾馬林固定，石蠟包埋）中丙肝病毒受體的表達。研究小組對這些受體及緊密連接蛋白進行了共定位分析，他們相信這些蛋白對丙肝病毒的侵染有重要作用。Mensa 表示Imaris 軟件具備了直觀簡便的使用特點。
Mensa 表示，在三維重構基礎上進行共定位研究得到的結構更加準確，并真實可靠，Mensa 還指出，使用Imaris可以從各個角度觀察樣品，并生成截面圖，使內部結構清晰可見。
通過結合其他分析，研究組得到結論，在進行移植時丙肝病毒受體的表達水平，對移植后病毒侵染起調控作用，并且，移植后復發與肝細胞膜上claudin-1 和occludin兩種受體的高表達有關。