СПОСОБ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ КОМЕТОПОДОБНЫХ ОБЪЕКТОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ "ДНК-КОМЕТ"
METHOD OF PROCESSING AND ANALYSING IMAGES OF COMET-LIKE OBJECTS OBTAINED THROUGH "COMET-DNA" METHOD

Способ обработки и анализа изображений кометоподобных объектов, полученных методом «ДНК-комет» (comet assay или single cell gel electrophoresis - SCGE), в биологических препаратах, относится к области обработки и анализа изображений объектов - «комет», и предназначен для компьютеризации (автоматизации) процессов морфометрических исследований в области биомедицины, проводимых для определения степени повреждений молекул ДНК, вызванных различными агентами окружающей среды, для изучения репарации молекул ДНК на уровне одиночных клеток, для оценки интегральной целостности генома, для определения индивидуальной радиочувствительности онкологических больных, проходящих курс лучевой терапии, для биоиндикации прибрежных морских вод, иными словами для мониторинга широкого спектра повреждений ДНК, вызванных мутагенными факторами окружающей среды.
Изображения «комет» представляют собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости, полученных методом гельэлектрофореза лизированных единичных клеток (метод «ДНК-комет»), поэтому обрабатывать и анализировать их способами, предназначенными для изображений обычных (сплошных) объектов, нет возможности.
В настоящее время изображения «ДНК-комет» анализируют либо путем визуального наблюдения под флуоресцентным микроскопом и дифференциации их по степени поврежденности ДНК, либо с использованием компьютерных средств обработки изображений.
днк
При визуальном анализе (Struwe М, Greulich K, Suter W, Plappert-Helbig U. The photo comet assay - A fast screening assay for the determination of photogenotoxicity in vitro. // Mutation Research / Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2007, 632 (1-2), p.44-57) «ДНК-кометы» ранжируют на пять условных типов с соответствующим числовым значением от 0 до 4. Степень поврежденности ДНК при этом выражается как индекс «ДНК-комет» (И), определяемый по формуле
днк
0
1
2
3
4
И=(0n+1n+2n+3n+4n)/∑,
0
4
где n-n - число «ДНК-комет» каждого типа, ∑ - сумма подсчитанных «ДНК-комет».
Данный способ обработки и анализа очень трудоемок, субъективен, имеет только пять уровней градации дифференциации «ДНК-комет» и поэтому имеет невысокую точность, а отсюда и низкую достоверность результатов.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ компьютерного анализа изображений «ДНК-комет», реализованный в программном обеспечении SCGE-Pro (см. Chaubery R.С. Computerized Image analysis software for the comet assay. Methods In Molecular Biology 2005; 291:97-106), принятый за прототип. Данный способ анализа «комет» менее трудоемок и особенно необходим для объективной оценки их параметров (например, длины «кометы», длины «хвоста», диаметра «головы», процентного содержания ДНК в «голове» или в «хвосте» и т.д.), которые используются в качестве показателей, характеризующих уровень повреждений ДНК в изучаемых клетках. Способ позволяет находить «кометы» на изображении и вычислять их параметры как в ручном, так и в автоматическом режиме.
Недостатком известного способа является способ определения границ «кометы» с помощью прямоугольной области, который снижает точность вычисления параметров, необходимых для оценки повреждений (особенно, если повреждения слабо выражены) ДНК, так как в этом случае к комете могут быть отнесены и помехи, находящиеся рядом. Кроме того, при данном способе анализа граница «головы» и «хвоста» определяется как прямая, перпендикулярная оси «кометы» и разделяющая комету на «голову» и «хвост», что сильно снижает точность вычисления длины «хвоста кометы» и процентного содержания ДНК в «голове» и в «хвосте».
Техническим результатом изобретения является повышение точности и скорости обработки и анализа изображений «комет», полученных методом «ДНК-комет», включая фильтрацию, сегментацию «комет», выделение их контура с определением границы «головы» и «хвоста», что позволяет повысить достоверность результатов при микроскопической морфометрии, необходимой для компьютеризации процессов биометрических исследований, проводимых при мониторинге широкого спектра повреждений ДНК, вызванных различными мутагенными факторами окружающей среды.
Технический результат достигается тем, что способ обработки и анализа изображений кометоподобных объектов, полученных методом «ДНК-комет», заключающий в том, что в компьютер с биологического препарата, установленного на флуоресцентный микроскоп с видеокамерой, вводят изображение с кометоподобными объектами - «кометами», представляющими собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости, выполняют поиск этих «комет» на изображении, выделяют их контур с определением границы «головы» и «хвоста», проводят микроскопическую морфометрию, при этом перед поиском «комет» на изображении выполняют оптимизацию уровней яркости изображения и низкочастотную фильтрацию с целью объединения отдельных точек «комет» в размытые области, затем выполняют сегментацию полученного изображения на основе порога яркости, определяемого как смещение от фона, нахождение контуров «комет» методом заполнения ограниченной области «с затравкой», нахождение центра «головы» каждой «кометы», путем определения центра тяжести точек с интенсивностью свечения, близкой к максимальной, определение виртуальной границы «головы» и «хвоста», путем зеркального отражения распределения интенсивностей свечения точек передней части «головы кометы», затем проводят микроскопическую морфометрию «комет», путем измерения: длины «кометы», «хвоста», диаметра «головы» и вычисления процентного содержания ДНК во всей «комете», «в хвосте», меры поврежденности ДНК и многие другие параметры, характеризующие степень поврежденности ДНК в зависимости от решаемой задачи, причем перечисленные операции осуществляются автоматически, одновременно над всеми «кометам» на изображении или серии изображений.
Способ осуществляется путем выполнения последовательности следующих процедур:
1. Ввод в компьютер с биологического препарата, установленного на флуоресцентный микроскоп с видеокамерой, изображения с кометоподобными объектами - «кометами», представляющими собой набор слитых и отдельностоящих флуоресцирующих точек разной яркости.
2. Оптимизация уровней яркости изображения. Нулевая яркость - фон, максимальная яркость - центр головы «кометы».
3. Низкочастотная фильтрация по Гауссу (размытие) с большим радиусом, равным 1/10 радиуса средней «кометы», выполняется с целью объединения отдельных точек «комет» в размытые области. Для предотвращения слияния «комет», расположенных близко друг к другу, в интерактивном режиме используется корректировка радиуса размытия.
4. Сегментация полученных размытых областей выполняется на основе порога яркости. Порог определяется автоматически как смещение от фона (в изображении нет посторонних включений и других объектов кроме «комет»), но возможна коррекция порога в интерактивном режиме.
5. Нахождение контуров «комет» методом заполнения ограниченной области «с затравкой», где под затравкой понимается произвольная точка, принадлежащая «комете».
Нахождение центра «головы кометы». Для определения могут использоваться два метода: по максимуму распределения интенсивности свечения точек «кометы» вдоль горизонтальной оси или по центру тяжести точек с интенсивностью свечения, превышающей 80% от максимума.
Определение виртуальной границы «головы» и «хвоста», путем зеркального отражения распределения интенсивностей свечения точек передней части «головы кометы» (передняя часть - это часть до передней границы головы «кометы»).
Выполнение микроскопической морфометрии «комет», путем измерения: длины «кометы», длины «хвоста», диаметра «головы» и вычисления процентного содержания ДНК во всей «комете», «в хвосте», меры поврежденности ДНК и многие другие параметры, характеризующие степень поврежденности ДНК в зависимости от решаемой задачи.
9. Вывод значений полученных параметров каждой кометы выполняется в таблицу MS EXCEL для реализации постановки задачи пользователя, например для дальнейшего статистического анализа либо классификации «комет» по степени повреждения структуры ДНК.
Таким образом, в предлагаемом способе каждая область кометы определяется их сложным контуром, что повышает точность вычисления параметров, в отличие от известного способа, где границы «комет» определяются с помощью прямоугольной области, которая снижает точность вычисления параметров, необходимых для оценки повреждений (особенно, если повреждения слабо выражены) «ДНК-комет», так как в этом случае к «комете» могут быть отнесены и помехи, находящиеся рядом. Кроме того, в известном способе граница «головы» и «хвоста» определяется как прямая, перпендикулярная оси кометы и разделяющая комету на «голову» и «хвост». В предлагаемом способе применяется виртуальная граница, определяемая путем вычисления центра «головы кометы» и зеркального отражения распределения интенсивности свечения точек передней части «головы кометы». Это существенно повышает точность вычисления длины хвоста кометы и процентного содержания ДНК в «голове и в хвосте».
Следует отметить, что все перечисленные операции выполняются автоматически одновременно над всеми «кометами» на изображении или серии изображений.