Evaluation of 3D image-treatment algorithms applied to optical-sectioning microscopy

La información extraída de especimenes biológicos es inherentemente tridimensional. Los datos tridimensionales (3D) permiten un mejor entendimiento de las estructuras y los eventos biológicos, comparados con sus proyecciones bidimensionales (2D), aunque a veces son más difíciles de manejar. Esto explica porqué actualmente se están investigando y mejorando las técnicas de seccionamiento óptico. El principal objetivo del presente trabajo fue evaluar la relevancia de algoritmos de tratamiento de imágenes, los cuales incluyen métodos de preprocesamiento (tales como promediación de imágenes, corrección de background y normalización de intensidades) y procesamiento (desconvolución de desborroneo y de restauración). Esto se realizó mediante la implementación de un algoritmo de cuantificación basado en el Laplaciano y un detector de puntos brillantes. Los algoritmos se aplicaron a un modelo 3D de adhesión celular en piel, basado en un espécimen comúnmente utilizado por nuestro grupo de investigación. Los resultados indican que ciertos métodos de preprocesamiento son requeridos para mejorar el rendimiento de los algoritmos de procesamiento, mientras que otros no deben ser aplicados para asegurar una adecuada y precisa cuantificación.Information extracted from biological specimens is inherently three-dimensional. Though it is sometimes hard to handle, three-dimensional (3D) data provides greater understanding of biological structures and events than its bidimensional (2D) projections. This explains why optical-sectioning techniques are currently being explored and enhanced. The main objective of the present work was to evaluate the relevance of image-treatment algorithms, which included preprocessing (such as image-averaging, background correction and normalization of intensities) and processing (deblurring and restoration deconvolution) methods. This was done by implementing a quantification algorithm based on the Laplacian and a bright-point detector. Algorithms were applied to a 3D cell-adhesion skin model, based upon a specimen commonly used by our research group. Results indicated that certain preprocessing methods are required to enhance the performance of processing algorithms, while others must not be applied in order to ensure an adequate and precise quantification.IV Workshop de Computación Gráfica, Imágenes y Visualización (WCGIV)Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Nonlinear Microscopy Techniques: Principles and Biomedical Applications

Nonlinear optical microscopy techniques have emerged as a set of successful tools within the biomedical research field. These techniques have been successfully used to study autofluorescence signals in living tissues, structural protein arrays, and to reveal the presence of lipid bodies inside the tissular volume. In the first section, the nonlinear contrast technique foundations is described, and also, a practical approach about how to build and combine this setup on a single confocal system platform shall be provided. In the next section, examples of the usefulness of these approaches to detect early changes associated with the progression of different epithelial and connective tissular diseases are presented

Enhancement of an automatic algorithm for deconvolution and quantification of three-dimensional microscopy images

En trabajos previos hemos diseñado y desarrollado un software para la optimización del procesamiento de imágenes multidimensionales, el cual consiste de un algoritmo automático de desconvolución de restauración (desconvolución con restricción de positividad) y tres indicadores de restauración de la imágenes (Ancho Total a la Mitad del Máximo, Relación Contraste-Ruido y Relación Señal-Ruido) usados para evaluar cuantitativamente la calidad de restauración. Dado que el diseño del algoritmo se implementó en módulos desacoplados, hemos podido incorporar dos nuevos parámetros para evaluar la restauración de imágenes (indicadores tridimensionales basados en la función de Tenegrad) sin realizar cambios significativos en el código. La versión mejorada del algoritmo se utilizó para procesar imágenes tridimensionales utilizando diversas Funciones de Esparcimiento Puntual experimentales; las imágenes se obtuvieron mediante microscopia de campo amplio de fluorescencia del patrón de expresión de E-caderina en la piel de embriones de Rhinella arenarum y de microesferas fluorescentes. Se compararon los indicadores de restauración y el rendimiento de las versiones previa y mejorada del algoritmo. Los resultados indican que los indicadores basados en la función de Tenegrad coinciden con los evaluados previamente y que los nuevos módulos no incrementan significativamente el tiempo de procesamiento.In previous works we designed and developed a software tool for the optimization of multidimensional-image processing, which consisted of an automatic restoration deconvolution method (positive constrained deconvolution) and three image-restoration indicators (Full-Width at Half-Maximum, Contrast-to-Noise Ratio and Signal-to-Noise Ratio) used to assess the quality of restoration qualitatively. Since the algorithm’s design was implemented in uncoupled modules, we were able to introduce two new image-restoration parameters (two three-dimensional Tenegrad-based indicators) without mayor modifications to the script. The enhanced version of the algorithm was used to process raw three-dimensional images using several experimental Point Spread Functions; raw images were obtained by fluorescence wide-field microscopy of epidermal E-cadherin expression in Rhinella arenarum embryos and fluorescent microspheres. The image-restoration indicators and the performance of the previous and enhanced versions of the algorithm were compared. Results show that Tenengrad-based indicators concur with the previously used ones and that the new modules do not increase processing time significantly.Workshop de Computación Gráfica, Imágenes y Visualización (WCGIV)Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Endothelin system in intestinal villi: A possible role of endothelin-2/vasoactive intestinal contractor in the maintenance of intestinal architecture

The endothelin system consists of three ligands (ET-1, ET-2 and ET-3) and at least two receptors (ETA and ETB). In mice ET-2 counterpart is a peptide originally called " vasoactive intestinal contractor" (VIC) for this reason, this peptide is frequently named ET-2/VIC. In intestinal villi, fibroblasts-like cells express endothelin's receptors and response to ET-1 and ET-3 peptides, changing their cellular shape. Several functions have been attributed to these peptides in the " architecture" maintenance of intestinal villi acting over sub-epithelial fibroblasts. Despite this, ET-2/VIC has not been analyzed in depth. In this work we show the intestine gene expression and immunolocalization of ET-1, ET-2 and the ETA and ETB receptors from duodenum to rectus and in the villus-crypt axis in mice, allowing a complete analysis of their functions. While ET-1 is expressed uniformly, ET-2 had a particular distribution, being higher at the bottom of the villi of duodenum, ileum and jejunum and reverting this pattern in the crypts of colon and rectus, where the higher expression was at the top. We postulated that ET-2 would act in a cooperative manner with ET-1, giving to the villus the straight enough to withstand mechanical stress.Fil: Bianchi, Mariana. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería. Departamento de Biología. Laboratorio de Microscopía; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Adur, Javier Fernando. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería. Departamento de Biología. Laboratorio de Microscopía; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Takizawa, Satoshi. Institute for Biological Resources and Functions; JapónFil: Saida, Kaname. Soka University; Japón. Institute for Biological Resources and Functions; JapónFil: Casco, Victor Hugo. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería. Departamento de Biología. Laboratorio de Microscopía; Argentin

Tumor extracellular matrix: lessons from the second-harmonic generation microscopy

Extracellular matrix (ECM) represents more than a mere intercellular cement. It is physiologically active in cell communication, adhesion and proliferation. Collagen is the most abundant protein, making up to 90% of ECM, and 30% of total protein weight in humans. Second-harmonic generation (SHG) microscopy represents an important tool to study collagen organization of ECM in freshly unfixed tissues and paraffin-embedded tissue samples. This manuscript aims to review some of the applications of SHG microscopy in Oncologic Pathology, mainly in the study of ECM of epithelial tumors. It is shown how collagen parameters measured by this technique can aid in the differential diagnosis and in prognostic stratification. There is a tendency to associate higher amount, lower organization and higher linearity of collagen fibers with tumor progression and metastasizing. These represent complex processes, in which matrix remodeling plays a central role, together with cancer cell genetic modifications. Integration of studies on cancer cell biology and ECM are highly advantageous to give us a more complete picture of these processes. As microscopic techniques provide topographic information allied with biologic characteristics of tissue components, they represent important tools for a more complete understanding of cancer progression. In this context, SHG has provided significant insights in human tumor specimens, readily available for Pathologists.Fil: de Andrade Natal, Rodrigo. Universidade Estadual de Campinas; BrasilFil: Adur, Javier Fernando. Universidad Nacional de Entre Ríos. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática; ArgentinaFil: Lenz Cesar, Carlos. Universidade Estadual de Campinas; BrasilFil: Vassallo, José. Universidade Estadual de Campinas; Brasi

Colon adenocarcinoma diagnosis in human samples by multicontrast nonlinear optical microscopy of hematoxylin and eosin stained histological sections

Combined multimodal nonlinear optical (NLO) microscopies were used to detect and quantify morphological changes associated with stroma and epithelial transformation in colon cancer. Our findings provide complementary information about tissue microstructure, displaying distinctive patterns between normal and malignant human colon. Additionally, we have demonstrated the usefulness of using fixed tissues for the disease diagnostic and prognostic. The present work provides a framework for using NLO techniques as a clinical diagnostic tool for human colon cancer. NLO metrics could be applied to other disorders, which are characterized by abnormal cell proliferation and collagen assembly.Fil: Adur, Javier Fernando. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; Argentina. National Institute of Science and Technology on Photonics Applied to Cell Biology; Brasil. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro de Investigaciones y Transferencia de Entre Ríos. Universidad Nacional de Entre Ríos. Centro de Investigaciones y Transferencia de Entre Ríos; ArgentinaFil: Bianchi, Mariana. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Pelegati, Vitor B.. National Institute of Science and Technology on Photonics Applied to Cell Biology; BrasilFil: Viale, Silvia. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Izaguirre, María Fernanda. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Carvalho, Hernandes Faustino. Universidade Estadual de Campinas; BrasilFil: Cesar, Carlos L.. Universidade Estadual de Campinas; BrasilFil: Casco, Victor Hugo. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; Argentin

El rol de las hormonas tiroideas sobre la expresión de cadherinas-cateninas en el cáncer de colon: alternativas terapéuticas

El cáncer colo-rectal (CCR) es la cuarta y tercera causa de muerte en el mundo y en Argentina, respectivamente (OMS, 2008; MINCyT, 2014). Por ello, el diagnóstico temprano y nuevas formas de tratamiento resultan esenciales para controlar la morbi-mortalidad de la enfermedad. La molécula de adhesión intercelular E-cadherina y su molécula conectora al citoesqueleto de actina, b-catenina, son críticas en las transformaciones epitelio-mesénquima y en el desarrollo de adenomas y adenocarcinomas colo-rectales. Por estas razones, el control de su expresión y actividad son claves en la regulación de proliferación, diferenciación, movilidad y agresividad de las células tumorales (Izaguirre y col. 2018; 2019). ARK: http://id.caicyt.gov.ar/ark:/s22504559/erv2ntua

Evaluation of 3D image-treatment algorithms applied to optical-sectioning microscopy

La información extraída de especimenes biológicos es inherentemente tridimensional. Los datos tridimensionales (3D) permiten un mejor entendimiento de las estructuras y los eventos biológicos, comparados con sus proyecciones bidimensionales (2D), aunque a veces son más difíciles de manejar. Esto explica porqué actualmente se están investigando y mejorando las técnicas de seccionamiento óptico. El principal objetivo del presente trabajo fue evaluar la relevancia de algoritmos de tratamiento de imágenes, los cuales incluyen métodos de preprocesamiento (tales como promediación de imágenes, corrección de background y normalización de intensidades) y procesamiento (desconvolución de desborroneo y de restauración). Esto se realizó mediante la implementación de un algoritmo de cuantificación basado en el Laplaciano y un detector de puntos brillantes. Los algoritmos se aplicaron a un modelo 3D de adhesión celular en piel, basado en un espécimen comúnmente utilizado por nuestro grupo de investigación. Los resultados indican que ciertos métodos de preprocesamiento son requeridos para mejorar el rendimiento de los algoritmos de procesamiento, mientras que otros no deben ser aplicados para asegurar una adecuada y precisa cuantificación.Information extracted from biological specimens is inherently three-dimensional. Though it is sometimes hard to handle, three-dimensional (3D) data provides greater understanding of biological structures and events than its bidimensional (2D) projections. This explains why optical-sectioning techniques are currently being explored and enhanced. The main objective of the present work was to evaluate the relevance of image-treatment algorithms, which included preprocessing (such as image-averaging, background correction and normalization of intensities) and processing (deblurring and restoration deconvolution) methods. This was done by implementing a quantification algorithm based on the Laplacian and a bright-point detector. Algorithms were applied to a 3D cell-adhesion skin model, based upon a specimen commonly used by our research group. Results indicated that certain preprocessing methods are required to enhance the performance of processing algorithms, while others must not be applied in order to ensure an adequate and precise quantification.IV Workshop de Computación Gráfica, Imágenes y Visualización (WCGIV)Red de Universidades con Carreras en Informática (RedUNCI

Comparison of morphological changes of corneal collagen fibers treated with collagen crosslinking agents using second harmonic generation images

Corneal cross-linking (CXL) is a common surgical procedure used to modify corneal biomechanics and stabilize keratoconus progression which is still under discussion. Its side effects, which are mostly related to anatomical unpredictability and stromal exposure, are the reason for the search for new CXL agents. In this work we have quantitatively evaluated the porcine corneal stroma architecture treated with collagen crosslinking agents such as riboflavin solutions and açai extract, using second harmonic generation microscopy. Aimed at evaluating the morphological changes in the corneal stroma after collagen crosslinking under a CXL chemical agent, a tubeness filter based Hessian matrix to obtain a 3D fiber characterization of the SHG images was applied. The results showed a curling effect and shortening of the collagen fibers treated with açai as compared to the control. They also showed a higher degree of clustering of the collagen fibers with larger empty spaces when compared to the other two groups. We believe that studies such as these presented in this paper are a good direct nondestructive and free labeling evaluation technique that allows the observation of morphologic features of corneas treated with new CXL agents.Fil: Zeitoune, Angel Alberto. Universidad Nacional de Entre Ríos. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática; ArgentinaFil: Bersanetti, Patrícia A.. Universidade Federal de Sao Paulo; BrasilFil: Schor, Paulo. Universidade Federal de Sao Paulo; BrasilFil: Erbes, Luciana Ariadna. Universidad Nacional de Entre Ríos. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática; ArgentinaFil: Cesar, Carlos L.. Instituto Nacional de Fotônica Aplicada à Biologia Celular; Brasil. Universidade Federal do Ceara; BrasilFil: Adur, Javier Fernando. Universidad Nacional de Entre Ríos. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Investigación y Desarrollo en Bioingeniería y Bioinformática; Argentin

Digitalización de imágenes del microscopio electrónico de barrido HITACHI HHS-2R

El Laboratorio de Microscopia Aplicada a Estudios Moleculares y Celulares (LAMAE) de la FIUNER, posee un Microscopio Electrónico de Barrido (M.E.B) marca Hitachi, Modelo HHS-2R. Este equipo es del año 1978, y se encuentra en muy buenas condiciones de funcionamiento, pero posee un sistema de registro de imágenes obsoleto que limita drásticamente su utilización. El presente trabajo tiene como objetivo principal actualizar el sistema de video analógico  y reemplazar el sistema  original de  fotografía tipo polaroid, por un sistema de digitalización, captura y almacenamiento digital de imágenes. Además como objetivo secundario y no menos importante se propone diseñar e implementar un sistema que simule las señales de video no convencional presentes en el M.E.B para luego ser usado en lugar de éste durante la fase experimental y de validación del sistema de digitalización de imágenes. Por lo expresado anteriormente, el  trabajo realizado se divide en dos tareas principales: el desarrollo del sistema de digitalización de imágenes del microscopio y el desarrollo del sistema que permita realizar las pruebas sobre la placa digitalizadora