Lösung für die Alzheimer Forschung: Proteinspot Analyse

Forschungsapplikation am Neurodegeneration Research Lab der Universität Rostock

Der Leiter des Neurodegeneration Research Lab (NRL) Rostock, Prof. Dr. Dr. Jens Pahnke, beschäftigt sich mit der Analyse von Faktoren, die zur Ausprägung einer sporadischen Alzheimer Demenz (AD) führen. Die sporadische Form der AD macht > 99% aller Erkrankungen aus. Hierfür werden verschiedene transgene und knockout Mausmodelle genutzt.

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Applikation

Für die Auswertung seiner biologischen Untersuchungen verwendet Prof. Dr. Dr. Pahnke digitale Slides, die vom Mirax Scan (Carl Zeiss MicroImaging GmbH) erzeugt werden und als hochaufgelöste, enorm große Bilder der Präparate vorliegen.

Aufnahme eines Mäusegehirns

(Vollbilddarstellung)

Aufnahme eines Mäusegehirns

(Bildausschnitt)

Die am Markt befindliche Software für digitale Mikroskoppräparate lässt aufgrund der hohen Auflösung und der enormen Größe der Einzelbilder (ca. 10 Gbyte/Schnitt) lediglich eine Visualisierung, jedoch keine detaillierte Auswertung der Bilddaten zu.
Die mit einer nativen Auflösung von 230nm pro Pixel aufgenommenen Bilder müssten auf 1,2µm in der Auflösung reduziert werden, damit sie analysiert werden können.
Mit dieser Reduzierung der Auflösung sind indes weder die feinen Strukturen erkennbar, noch ist eine Messung oder Auswertung in ausreichender Qualität möglich.

Wertvolle Informationen gehen somit für die Forschung verloren.

Probleme

• hohe Auflösung und enorme Größe der Einzelbilder (ca. 10Gbyte/Schnitt) verhindern die Bearbeitung und Strukturauswertung des digitalisierten Präparates
• keine interaktive oder automatische Messung und Auswertung auf originalen digitalen slides mit üblicher Software möglich
• inakzeptabler Informationsverlust für Detektion, Analyse, Quantifizierung, Klassifizierung kleiner Strukturen durch Reduzierung der Auflösung

Aufgabenstellung für arivis

Die Aufgabe für uns bestand darin, in kürzester Zeit für das Labor von Prof. Dr. Dr. Pahnke eine Lösung zu schaffen, mit der selbst auf den größten Bilddaten die verschieden gefärbten Alzheimer-relevanten Proteine (ß-Amyloid) und die daraus resultierenden Ablagerungen (Plaques) in Mäusegehirnen automatisiert als Objekte detektiert, quantifiziert, klassifiziert und analysiert werden. Für weitere Auswertungen sollen die Ergebnisse über eine einfache Funktion nach Excel exportiert werden.

Lösung

Für die Applikation von Prof. Dr. Dr. Jens Pahnke entwickelten wir den Workflow zur Proteinspot Analyse, der als Plugin in den arivis Browser integriert wurde.

arivis Browser - Plugin: Workflow zur Proteinspot Analyse-

• automatische und interaktive Detektion der Proteinspots innerhalb kürzester Zeit
  ( < 2s für ein Bild mit 576 Megapixeln)
• automatische Analyse und Berechnung auf Basis von festlegbaren Parametern
• "Region of Interest" manuell festlegbar
• manuelle Klassifizierung der "Region of Interest"-Spots möglich
• Ausgabe der Ergebnisse nach Excel zur weiteren Analyse

Vorteil und Nutzen

Qualitätssprung in der Auswertung der biologischen Versuche

Erstmals können ohne Restriktionen vollständig aufgelöste digitale Bilddaten für die Detektion, Messung, Klassifizierung und strukturelle Analyse von Alzheimer Plaques im Mäusegehirn verwendet werden. Alle Informationen über die digitalisierten Präparate bleiben erhalten, sind jederzeit verfügbar und können angezeigt und ausgewertet werden.

Zeit- und Kostenersparnis

Automatisierte Workflows zur Erkennung und Analyse der Proteinspots führen den Wissenschaftler schnell und intuitiv zu den Ergebnissen, die unkompliziert weiterverarbeitet werden können.
Für die Detektion und Markierung von Spots in einem histologischen Schnitt mit 25.000 Pixel × 25.000 Pixel benötigt der arivis Browser - Workflow Proteinspot Analyse < 10s.

Applikationsspezifische Anpassungsmöglichkeiten

Als flexibel und modular aufgebaute Software bietet der arivis Browser viele Möglichkeiten, komplexe Anwendungen einfach und leicht verständlich zu unterstützen.
Im Vordergrund steht für uns, dem Wissenschaftler eine leistungsstarke und zuverlässige Software anzubieten, die auf einer ausgereiften Technologie basiert und individuell um maßgeschneiderte PlugIns, Workflows oder Scriptings erweitert werden kann.
Dazu stellen wir jedem Anwender eine umfassende, durchdachte, erprobte und permanent weiterenwickelte API zur Verfügung. Auch wir bei arivis verwenden diese API, um die Funktionen für den arivis Browser weiterzuentwickeln.
Schnell und effizient lassen sich so neue Import-oder Exportformate implementieren, existierende Geräte ansteuern, spezielle Algorithmen zur Analyse evaluieren oder auch individuelle Visualisierungsformen anpassen.

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Grundlagenforschung Alzheimer Demenz

Einige pathogenetische Mechanismen, die bei der Alzheimer Demenz ablaufen, sind Wissenschaftlern bekannt. Die eigentlichen Ursachen dieser häufigsten aller neurodegenerativen Erkrankungen und die Möglichkeiten ihrer Behandlung sind allerdings noch immer Gegenstand intensiver Grundlagenforschung.

Bei der Alzheimer Demenz lagern sich nach und nach Proteine im Gehirn ab, wodurch die Nervenzellen absterben und sich die Denkleistung der Betroffenen immer weiter verschlechtert.

Prof. Dr. Dr. Jens Pahnke, Leiter des Neurodegeneration Research Lab (NRL) Rostock und Mitglied des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE), beschäftigt sich mit der Analyse von Faktoren, die zur Ausprägung einer sporadischen Alzheimer Demenz führen. Er suchte mit seinem Wissenschaftlerteam nach Möglichkeiten, die abgelagerten Proteine aus dem Gehirn zu lösen und abzutransportieren. Er fand heraus, dass diese Möglichkeit durch bestimmte Transportproteine übernommen werden kann.

Mit verschiedenen methodischen Ansätzen untersucht, modelliert und testet sein Labor die Mechanismen der Alzheimer Demez in ihren Grundlagen. Hierfür werden die im eigenen Maushaus etablierten und gezüchteten transgenen Mausstämme genutzt.
Alzheimer-relevante Proteine, wie das ß-Amyloid und die daraus resultierenden Ablagerungen werden in diesen Tiermodellen untersucht.
Für die Auswertung seiner biologischen Untersuchungen verwendet Prof. Dr. Dr. Pahnke digitalisierte hochaufgelöste und somit enorm große Bilder der Präparate, deren Vollbilddarstellung und gleichzeitige Analyse bisher durch keine Imaging-Software ohne Restriktion bewältigt werden konnte.

Weitere Details zur Forschungstätigkeit des Neurodegeneration Research Lab von Prof. Dr. Dr. Jens Pahnke erhalten Sie hier:
www.nrl.uni-rostock.de

Das auf dieser Seite verwendete Bildmaterial wurde uns freundlicherweise von Prof. Dr. Dr. Jens Pahnke, Leiter des Neurodegeneration Research Lab (NRL) Rostock zur Verfügung gestellt.

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