Bioimage Data Analysis Workflows

This Open Access textbook provides students and researchers in the life sciences with essential practical information on how to quantitatively analyze data images. It refrains from focusing on theory, and instead uses practical examples and step-by step protocols to familiarize readers with the most commonly used image processing and analysis platforms such as ImageJ, MatLab and Python. Besides gaining knowhow on algorithm usage, readers will learn how to create an analysis pipeline by scripting language; these skills are important in order to document reproducible image analysis workflows. The textbook is chiefly intended for advanced undergraduates in the life sciences and biomedicine without a theoretical background in data analysis, as well as for postdocs, staff scientists and faculty members who need to perform regular quantitative analyses of microscopy images

Automatic approach for spot detection in microscopy imaging based on image processing and statistical analysis

Abstract: In biological research, fluorescence microscopy has become one of the vital tools used for observation, allowing researchers to study, visualise and image the details of intracel-lular structures which result in better understanding of biology. However, analysis of large numbers of samples is often required to draw statistically verifiable conclusions. Automated methods for analysis of microscopy image data make it possible to handle large datasets, and at the same time reduce the risk of bias imposed by manual techniques in the image analysis pipeline. This work covers automated methods for extracting quan-titative measurements from microscopy images, enabling the detection of spots resulting from different experimental conditions. The work resulted in four main significant con-tributions developed around the microscopy image analysis pipeline. Firstly, an investiga-tion into the importance of spot detection within the automated image analysis pipeline is conducted. Experimental findings show that poor spot detection adversely affected the remainder of the processing pipeline...D.Ing. (Electrical and Electronic Engineering

Spatio-temporäre Analyse des epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptors : Modulation der Signaltransduktion durch das humane Papillomavirus Typ 16 E5-Protein

Ursächlich für die Entstehung eines Zervixkarzinoms ist eine persistierende Infektion mit humanpathogenen Papillomaviren (HPV) des sogenannten Hochrisiko-Typs, deren DNA-Sequenzen in mehr als 65% aller Zervixkarzinome nachgewiesen werden konnten. Die HPV-Familie besteht aus mehr als 100 Typen, von denen vorwiegend die Typen 16 und 18 mit der tumoralen Entwicklung assoziiert sind. Verantwortlich für die Malignisierung des Epithels sind drei Onkogene des HPV-Typs 16, dazu zählt das kleine, hydrophobe Protein E5, welches hauptsächlich in der Membran von Golgi-Apparat und endosomaler Kompartimente lokalisiert ist. Das Protein besitzt selbst nur schwache transformierende Eigenschaften, ist aber in der Lage die Onkogenizität der beiden anderen Onkogene E6 und E7 zu potenzieren. Der Haupteffekt des E5-Onkogens ist eine Überaktivierung des EGF-Rezeptors (EGFR), deren Folge eine gesteigerte Transkription mit anschließender Mitose ist. Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung der zellbiologischen Mechanismen, die durch E5 moduliert werden und eine verstärkte Aktivierung der EGF-Rezeptoren bewirken. Die quantitative Analyse mittels Immunblot und On-Cell Western Blot zeigte in Anwesenheit von HPV16 E5 eine Zunahme an Oberflächen-assoziierten EGF-Rezeptoren. Folglich wurde im Vergleich zu den Kontroll-Zellen eine Verstärkung der Liganden-vermittelten EGFR-Aktivierung hervorgerufen, die über einen langen Zeitraum nach Zugabe von EGF anhielt und unabhängig von der Internalisierungsrate war. Zusätzlich zu den klassischen molekular- und zellbiologischen Methoden wurde eine neue Technologie eingesetzt, die eine spatio-temporäre Analyse der E5-bedingten Modulation der EGFR-Signaltransduktion ermöglichte. Mit Hilfe der automatisierten, quantitativen Analyse von drei-dimensionalen Multikanalbildern, die am konfokalen Mikroskop generiert wurden, konnte eine genaue Charakterisierung des endozytotischen Transports von aktivierten und Gesamt-EGFR in Leervektor- und E5-transduzierten Zellen erfolgen. Der Einsatz von Vesikel-spezifischen Markern ermöglichte zudem die genaue Lokalisation der Rezeptoren innerhalb eines spezifischen zellulären Kompartiments. In Anwesenheit von E5 konnte eine stärkere und schnellere Fusion von EGFR-positiven Vesikeln mit dem frühen Endosomen nachgewiesen werden. Durch das zügige Fortschreiten des endozytotischen Transports erreichte eine deutliche höhere Anzahl von phospho-EGFR-positiven Vesikeln frühzeitig die perinuklear lokalisierten multivesikulären Körperchen (MVB), ohne zuvor die zytoplasmatischen MVBs zu passieren. Zu den späten Zeitpunkten der EGF-Stimulation konnte eine Akkumulation von aktivierten Rezeptoren in perinuklearen Endosomen-ähnlichen Kompartimenten heterogener Struktur dokumentiert werden, die mit einer verminderten Dephosphorylierung von aktivierten Rezeptoren verbunden war und schließlich zu einer langanhaltenden Überaktivierung von EGF-Rezeptoren führte. Durch die Behandlung mit dem Recycling-Inhibitor Monensin konnte im Vergleich zu den Kontrollen keine Beeinträchtigung der Phosphorylierung von EGFR in E5-exprimierenden Zellen dokumentiert werden. Damit kann eine potentielle Zunahme des Recyclings von EGF-Rezeptoren als Ursache der E5-vermittelten Überaktivierung ausgeschlossen werden. Die hier dargestellten Ergebnisse beweisen, dass die verstärkte und langanhaltende Aktivierung von EGFR durch eine modifizierte Endozytose und Dephosphorylierung während des Transports der Rezeptoren von frühen Endosomen zu den multivesikulären Körperchen verursacht wird. Dadurch umgehen die Rezeptoren den Abbau in den Lysosomen und bewirken eine gesteigerte Transkription früher Gene im Nukleus, die in einer EGFR-vermittelten Deregulation der Zellproliferation, -differenzierung und Apoptose resultiert