奥林巴斯显微镜配套：多维图像分析软件 Imaris

奥林巴斯显微镜配套：多维图像分析软件 Imaris

    对于从事生命科学领域的研究者来说，除了要掌握高超的实验技术之外，图像分析技能也是必须掌握的一门手艺。   
   笔者因为工作的关系,平时会接触到很多科学研究者，他们经常和笔者咨询一些图像分析的问题, 如: “我要分析荧光共聚焦图片，要分析树突长度和树突棘，要分析细胞迁移过程……，你能给我推荐合适的分析软件吗？”
   目前市面上流行很多图像分析软件，如Image-Pro Plus，Scion Image，Neurolucida， Image J等等，每款软件都有自己独到之处，也基本可以完成生命科学领域的图像分析的需要。当然也存在一些缺点：有些软件功能很强大，但是操作界面太复杂；有些软件操作界面人性化，但是分析功能太简单。所以要想选择一款既简单易用、功能又强大的软件， 不是一件容易的事。
   作为曾经的科研从事者，笔者也使用过很多图像分析软件。在比较了这些分析软件优缺点之后， 今天笔者想给读者们介绍一款非常好用的多维图像分析软件---Imaris。 希望通过笔者的介绍，读者们以后遇到问题时，可以尝试使用这款软件解决问题。

一、简介 
   Imaris是实时定量三维/四维/多维图像进行可视化和定量分析的图像工作站，20多年来，专注于多维图像的立体展示和定量分析，为显微图象用户提供多维图象显示、处理和数据分析系统。
   软件在多维立体的观测和展示操作之外，还有专门针对单细胞内目标观测物的定量测定功能、多对象动态示踪、神经示踪和相关数据的展示、多维荧光共定位研究，结果可以导出到通用的Excel表格中，也可以直接标注在图像上，或者直接录制为直观的视频电影。
   Imaris还可以无缝读出所有显微镜世界中共聚焦和宽视场的原始图像，而无须任何转换。随着显微镜图像的维数增加，从几兆到几百G的图像，均可以使用“拖拽”的方式直接读出。通过特殊的装载方式，飞速自匹配合适的图像分辨率，让超大数据量的测量结果快速展示在您的面前。直观地用户界面和导航式操作模式使您轻松入门并极大简化分析处理的中间过程。
   那么，Imaris具体能应用在哪些研究里呢？ 下面，笔者举几个应用实例说明Imaris强大的功能。

二、应用实例

1.植物生物学中的应用

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

分析结果：孢子形成是植物有性生殖的关键步骤，它介导了孢子体转换到配子体的过程。苏黎世大学的Baroux 博士, Schmidt 博士及Grossniklaus 博士借助Imaris图像分析软件来研究孢子形成的机制，其成果可应用于监控农作物，并获得所需遗传型植株。
   Baroux 博士表示，“借助Imaris，我们能够在细胞命运的检测，以及植物增值过程中的细胞组织过程的研究中进行定性定量的分析，Imaris 是我们的研究中*的工具”。
Schmidt 博士说，“Imaris 能够地测量选定区域内三维数据的荧光强度，这一能力对我们的帮助非常的大”。

2.神经科学中的应用

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.

分析结果：西班牙Consejo Superior de Investigaciones Científicas 及Universidad Politécnica de Madrid 的研究者们在Ruth Benavides-Piccione 博士的带领下，使用Imaris 软件针对数千的人类皮层中树突棘的三维形态进行了分析。他们的研究显示随着我们的衰老，这些树突的形态也会发生改变。
   树突棘是从连接在树突上的小突起结构，它们是大脑皮层兴奋性突触中主要的突触后成份。zui近研究表明，树突棘结构是动态的，并且其体积的变化可能对认知和及其有重要作用。研究者们希望通过研究树突棘的形态来深入了解它们与皮层中信息处理的关系。
Benavides-Piccione 博士说Imaris的surface 能够的重建树突棘结构，虽然它不是专门用来分析树突棘的工具。使用surface 工具，他们构建了一套能够展示千树突棘三维形态的操作方案。
   研究者们还通过Imaris Measurement Points 工具手动标记了每个树突棘从顶端到树突连接点的长度，并计算每条树突（从胞体到树突末端）每10微米单位长度内，树突棘的密度。
   Benavides-Piccione 博士说他们现在正在使用上述方法研究其他皮层区域内，人类树突棘的结构信息，并打算使用Imaris FilamentTracer （专为神经分析而设计的工具）模块来深入分析树突棘三维形态数据。

3．细胞生物学中的应用（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

分析结果：要保持各器官，肺，肾及血管，正常运作，它们需要各种特定尺寸的“管子”。然而，我们对这些“管子”的大小在细胞水平上的调控机制却知之甚少。瑞士苏黎世大学的Dominique Förster 和Stefan Luschnig结合Imaris 软件使用遗传学分析方法，揭示了细胞水平上，单独调控果蝇气管伸长和直径扩张的过程。
   为了分析细胞的形态，研究人员使用Imaris Contour 工具画出了每个气管细胞的轮廓，并依此进行表面渲染，构建三维模型。 “Imairs 为我们提供了用于描述这些细胞大量的参数，例如细胞表面积和细胞体积”，Luschnig 博士说，“我们发现从Imaris 获取的数据非常有用。这种对三维物体直观的分析方法对我们的研究很有帮助。
   他们使用两种方法定义细胞的长轴，根据经验，使用Imaris MeasurementPoints 工具，或使用Imaris提供的椭球数据，并将椭球长轴的左标导出到Matlab中计算管内细胞长度及朝向。结果显示，黏着连接中Src依赖性E-cadherin循环限制了细胞形态的改变，并介导了气管的伸长。

3．细胞生物学中的应用（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

分析结果：在基因表达过程中，RNA从细胞核转移到胞质中，虽然人们已从生物学角度研究了这一过程，但是关于这一过程的动力学信息却少之又少。以色列Bar-Ilan 大学的研究人员借助Imaris 观测并获得mRNA在活体单细胞中转运的动力学定量数据。
   以色列的科学家借助Imaris强大的点检测功能对每一个mRNA分子进行追踪，并使用ImarisTrack 模块完成了“每一时间点中mRNA 信号识别 – 不同时间点间所有mRNA运动轨迹检测”这一全自动过程，并揭示了每个mRNA在不同时间点的坐标。科学家们可以根据这些坐标来辨别定mRNA的迁移类型，计算迁移速度；并将这一方法应用于多种mRNA在二维及三维空间内的追踪研究。

4．免疫学中的应用

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.

分析结果：在身体收到创伤或被感染时，白细胞将离开血液并迁移到被感染的组织中，参与机体的免疫反应。白细胞的迁移在病理学研究中起着至关重要的作用——非正常的发炎将导致组织坏死或诱使疾病发生。伦敦Queen Mary University 的Abigail Woodfin 描述说“通过对这一过程调控机制的离体研究，我们已获得了很多信息，但是由于血管壁的复杂结构，以及诸如血液流动、区域内化学产物等环境因素的干扰，我们对这些反应的在体研究非常有限”。
“我们通过Imaris构建的三维模型追踪白血球相对于血管内皮细胞的运动过程，在很高的时间空间分辨率下，对白血球跨越血管壁迁移进行动力学分析”，Woodfin 博士说。由Imaris 构建的三维物体能够随意操控，如旋转到任意位置，缩放等，并带有每个物体内各通道的强度数据——这是对研究至关重要的特性，如此一来，研究人员可以在不同时间点下判断物体间的相互作用。Woodfin 博士还指出，“传统的z轴zui大强度投影图像无法进行这样的研究。
    此外，他们还使用了Imaris中的“drift correction”功能对在体组织的移动进行了漂移矫正，并使用视频录制功能对三维模型进行展示。他们的研究表明，连接黏附分子C（JAM-C）是白血球跨血管壁迁移的关键调控因子。

5.肝病学中的应用

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

分析结果：丙型肝炎病毒感染导致的慢性肝病，通常需要进行肝移植来治疗。然而，大部分患者在接受肝移植之后都会复发。尤其是在接受移植前体内病毒正在增值的患者，他们在接受移植后，通常病毒量会立刻增加。
研究者们使用Imaris 这一强大的三维四维多功能图像展示分析软件来定量在肝组织（福尔马林固定，石蜡包埋）中丙肝病毒受体的表达。研究小组对这些受体及紧密连接蛋白进行了共定位分析，他们相信这些蛋白对丙肝病毒的侵染有重要作用。Mensa 表示Imaris 软件具备了直观简便的使用特点。
Mensa 表示，在三维重构基础上进行共定位研究得到的结构更加准确，并真实可靠，Mensa 还指出，使用Imaris可以从各个角度观察样品，并生成截面图，使内部结构清晰可见。
通过结合其他分析，研究组得到结论，在进行移植时丙肝病毒受体的表达水平，对移植后病毒侵染起调控作用，并且，移植后复发与肝细胞膜上claudin-1 和occludin两种受体的高表达有关。