奧林巴斯顯微鏡配套：多維圖像分析軟件 Imaris

    對(duì)于從事生命科學(xué)領(lǐng)域的研究者來(lái)說(shuō)，除了要掌握高超的實(shí)驗(yàn)技術(shù)之外，圖像分析技能也是必須掌握的一門(mén)手藝。   
   筆者因?yàn)楣ぷ鞯年P(guān)系,平時(shí)會(huì)接觸到很多科學(xué)研究者，他們經(jīng)常和筆者咨詢一些圖像分析的問(wèn)題, 如: “我要分析熒光共聚焦圖片，要分析樹(shù)突長(zhǎng)度和樹(shù)突棘，要分析細(xì)胞遷移過(guò)程……，你能給我推薦合適的分析軟件嗎？”
   目前市面上流行很多圖像分析軟件，如Image-Pro Plus，Scion Image，Neurolucida， Image J等等，每款軟件都有自己獨(dú)到之處，也基本可以完成生命科學(xué)領(lǐng)域的圖像分析的需要。當(dāng)然也存在一些缺點(diǎn)：有些軟件功能很強(qiáng)大，但是操作界面太復(fù)雜；有些軟件操作界面人性化，但是分析功能太簡(jiǎn)單。所以要想選擇一款既簡(jiǎn)單易用、功能又強(qiáng)大的軟件， 不是一件容易的事。
   作為曾經(jīng)的科研從事者，筆者也使用過(guò)很多圖像分析軟件。在比較了這些分析軟件優(yōu)缺點(diǎn)之后， 今天筆者想給讀者們介紹一款非常好用的多維圖像分析軟件---Imaris。 希望通過(guò)筆者的介紹，讀者們以后遇到問(wèn)題時(shí)，可以嘗試使用這款軟件解決問(wèn)題。

一、簡(jiǎn)介 
   Imaris是實(shí)時(shí)定量三維/四維/多維圖像進(jìn)行可視化和定量分析的圖像工作站，20多年來(lái)，專(zhuān)注于多維圖像的立體展示和定量分析，為顯微圖象用戶提供多維圖象顯示、處理和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
   軟件在多維立體的觀測(cè)和展示操作之外，還有專(zhuān)門(mén)針對(duì)單細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)觀測(cè)物的定量測(cè)定功能、多對(duì)象動(dòng)態(tài)示蹤、神經(jīng)示蹤和相關(guān)數(shù)據(jù)的展示、多維熒光共定位研究，結(jié)果可以導(dǎo)出到通用的Excel表格中，也可以直接標(biāo)注在圖像上，或者直接錄制為直觀的視頻電影。
   Imaris還可以無(wú)縫讀出所有顯微鏡世界中共聚焦和寬視場(chǎng)的原始圖像，而無(wú)須任何轉(zhuǎn)換。隨著顯微鏡圖像的維數(shù)增加，從幾兆到幾百G的圖像，均可以使用“拖拽”的方式直接讀出。通過(guò)特殊的裝載方式，飛速自匹配合適的圖像分辨率，讓超大數(shù)據(jù)量的測(cè)量結(jié)果快速展示在您的面前。直觀地用戶界面和導(dǎo)航式操作模式使您輕松入門(mén)并極大簡(jiǎn)化分析處理的中間過(guò)程。
   那么，Imaris具體能應(yīng)用在哪些研究里呢？ 下面，筆者舉幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明Imaris強(qiáng)大的功能。

二、應(yīng)用實(shí)例

1.植物生物學(xué)中的應(yīng)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

分析結(jié)果：孢子形成是植物有性生殖的關(guān)鍵步驟，它介導(dǎo)了孢子體轉(zhuǎn)換到配子體的過(guò)程。蘇黎世大學(xué)的Baroux 博士, Schmidt 博士及Grossniklaus 博士借助Imaris圖像分析軟件來(lái)研究孢子形成的機(jī)制，其成果可應(yīng)用于監(jiān)控農(nóng)作物，并獲得所需遺傳型植株。
   Baroux 博士表示，“借助Imaris，我們能夠在細(xì)胞命運(yùn)的檢測(cè)，以及植物增值過(guò)程中的細(xì)胞組織過(guò)程的研究中進(jìn)行定性定量的分析，Imaris 是我們的研究中*的工具”。
Schmidt 博士說(shuō)，“Imaris 能夠地測(cè)量選定區(qū)域內(nèi)三維數(shù)據(jù)的熒光強(qiáng)度，這一能力對(duì)我們的幫助非常的大”。

2.神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)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.

分析結(jié)果：西班牙Consejo Superior de Investigaciones Científicas 及Universidad Politécnica de Madrid 的研究者們?cè)赗uth Benavides-Piccione 博士的帶領(lǐng)下，使用Imaris 軟件針對(duì)數(shù)千的人類(lèi)皮層中樹(shù)突棘的三維形態(tài)進(jìn)行了分析。他們的研究顯示隨著我們的衰老，這些樹(shù)突的形態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。
   樹(shù)突棘是從連接在樹(shù)突上的小突起結(jié)構(gòu)，它們是大腦皮層興奮性突觸中主要的突觸后成份。zui近研究表明，樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的，并且其體積的變化可能對(duì)認(rèn)知和及其有重要作用。研究者們希望通過(guò)研究樹(shù)突棘的形態(tài)來(lái)深入了解它們與皮層中信息處理的關(guān)系。
Benavides-Piccione 博士說(shuō)Imaris的surface 能夠的重建樹(shù)突棘結(jié)構(gòu)，雖然它不是專(zhuān)門(mén)用來(lái)分析樹(shù)突棘的工具。使用surface 工具，他們構(gòu)建了一套能夠展示千樹(shù)突棘三維形態(tài)的操作方案。
   研究者們還通過(guò)Imaris Measurement Points 工具手動(dòng)標(biāo)記了每個(gè)樹(shù)突棘從頂端到樹(shù)突連接點(diǎn)的長(zhǎng)度，并計(jì)算每條樹(shù)突（從胞體到樹(shù)突末端）每10微米單位長(zhǎng)度內(nèi)，樹(shù)突棘的密度。
   Benavides-Piccione 博士說(shuō)他們現(xiàn)在正在使用上述方法研究其他皮層區(qū)域內(nèi)，人類(lèi)樹(shù)突棘的結(jié)構(gòu)信息，并打算使用Imaris FilamentTracer （專(zhuān)為神經(jīng)分析而設(shè)計(jì)的工具）模塊來(lái)深入分析樹(shù)突棘三維形態(tài)數(shù)據(jù)。

3．細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)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

分析結(jié)果：要保持各器官，肺，腎及血管，正常運(yùn)作，它們需要各種特定尺寸的“管子”。然而，我們對(duì)這些“管子”的大小在細(xì)胞水平上的調(diào)控機(jī)制卻知之甚少。瑞士蘇黎世大學(xué)的Dominique Förster 和Stefan Luschnig結(jié)合Imaris 軟件使用遺傳學(xué)分析方法，揭示了細(xì)胞水平上，單獨(dú)調(diào)控果蠅氣管伸長(zhǎng)和直徑擴(kuò)張的過(guò)程。
   為了分析細(xì)胞的形態(tài)，研究人員使用Imaris Contour 工具畫(huà)出了每個(gè)氣管細(xì)胞的輪廓，并依此進(jìn)行表面渲染，構(gòu)建三維模型。 “Imairs 為我們提供了用于描述這些細(xì)胞大量的參數(shù)，例如細(xì)胞表面積和細(xì)胞體積”，Luschnig 博士說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)從Imaris 獲取的數(shù)據(jù)非常有用。這種對(duì)三維物體直觀的分析方法對(duì)我們的研究很有幫助。
   他們使用兩種方法定義細(xì)胞的長(zhǎng)軸，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使用Imaris MeasurementPoints 工具，或使用Imaris提供的橢球數(shù)據(jù)，并將橢球長(zhǎng)軸的左標(biāo)導(dǎo)出到Matlab中計(jì)算管內(nèi)細(xì)胞長(zhǎng)度及朝向。結(jié)果顯示，黏著連接中Src依賴性E-cadherin循環(huán)限制了細(xì)胞形態(tài)的改變，并介導(dǎo)了氣管的伸長(zhǎng)。

3．細(xì)胞生物學(xué)中的應(yīng)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

分析結(jié)果：在基因表達(dá)過(guò)程中，RNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到胞質(zhì)中，雖然人們已從生物學(xué)角度研究了這一過(guò)程，但是關(guān)于這一過(guò)程的動(dòng)力學(xué)信息卻少之又少。以色列Bar-Ilan 大學(xué)的研究人員借助Imaris 觀測(cè)并獲得mRNA在活體單細(xì)胞中轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)力學(xué)定量數(shù)據(jù)。
   以色列的科學(xué)家借助Imaris強(qiáng)大的點(diǎn)檢測(cè)功能對(duì)每一個(gè)mRNA分子進(jìn)行追蹤，并使用ImarisTrack 模塊完成了“每一時(shí)間點(diǎn)中mRNA 信號(hào)識(shí)別 – 不同時(shí)間點(diǎn)間所有mRNA運(yùn)動(dòng)軌跡檢測(cè)”這一全自動(dòng)過(guò)程，并揭示了每個(gè)mRNA在不同時(shí)間點(diǎn)的坐標(biāo)。科學(xué)家們可以根據(jù)這些坐標(biāo)來(lái)辨別定mRNA的遷移類(lèi)型，計(jì)算遷移速度；并將這一方法應(yīng)用于多種mRNA在二維及三維空間內(nèi)的追蹤研究。

4．免疫學(xué)中的應(yīng)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.

分析結(jié)果：在身體收到創(chuàng)傷或被感染時(shí)，白細(xì)胞將離開(kāi)血液并遷移到被感染的組織中，參與機(jī)體的免疫反應(yīng)。白細(xì)胞的遷移在病理學(xué)研究中起著至關(guān)重要的作用——非正常的發(fā)炎將導(dǎo)致組織壞死或誘使疾病發(fā)生。倫敦Queen Mary University 的Abigail Woodfin 描述說(shuō)“通過(guò)對(duì)這一過(guò)程調(diào)控機(jī)制的離體研究，我們已獲得了很多信息，但是由于血管壁的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以及諸如血液流動(dòng)、區(qū)域內(nèi)化學(xué)產(chǎn)物等環(huán)境因素的干擾，我們對(duì)這些反應(yīng)的在體研究非常有限”。
“我們通過(guò)Imaris構(gòu)建的三維模型追蹤白血球相對(duì)于血管內(nèi)皮細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在很高的時(shí)間空間分辨率下，對(duì)白血球跨越血管壁遷移進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析”，Woodfin 博士說(shuō)。由Imaris 構(gòu)建的三維物體能夠隨意操控，如旋轉(zhuǎn)到任意位置，縮放等，并帶有每個(gè)物體內(nèi)各通道的強(qiáng)度數(shù)據(jù)——這是對(duì)研究至關(guān)重要的特性，如此一來(lái)，研究人員可以在不同時(shí)間點(diǎn)下判斷物體間的相互作用。Woodfin 博士還指出，“傳統(tǒng)的z軸zui大強(qiáng)度投影圖像無(wú)法進(jìn)行這樣的研究。
    此外，他們還使用了Imaris中的“drift correction”功能對(duì)在體組織的移動(dòng)進(jìn)行了漂移矯正，并使用視頻錄制功能對(duì)三維模型進(jìn)行展示。他們的研究表明，連接黏附分子C（JAM-C）是白血球跨血管壁遷移的關(guān)鍵調(diào)控因子。

5.肝病學(xué)中的應(yīng)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

分析結(jié)果：丙型肝炎病毒感染導(dǎo)致的慢性肝病，通常需要進(jìn)行肝移植來(lái)治療。然而，大部分患者在接受肝移植之后都會(huì)復(fù)發(fā)。尤其是在接受移植前體內(nèi)病毒正在增值的患者，他們?cè)诮邮芤浦埠螅ǔ２《玖繒?huì)立刻增加。
研究者們使用Imaris 這一強(qiáng)大的三維四維多功能圖像展示分析軟件來(lái)定量在肝組織（福爾馬林固定，石蠟包埋）中丙肝病毒受體的表達(dá)。研究小組對(duì)這些受體及緊密連接蛋白進(jìn)行了共定位分析，他們相信這些蛋白對(duì)丙肝病毒的侵染有重要作用。Mensa 表示Imaris 軟件具備了直觀簡(jiǎn)便的使用特點(diǎn)。
Mensa 表示，在三維重構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行共定位研究得到的結(jié)構(gòu)更加準(zhǔn)確，并真實(shí)可靠，Mensa 還指出，使用Imaris可以從各個(gè)角度觀察樣品，并生成截面圖，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。
通過(guò)結(jié)合其他分析，研究組得到結(jié)論，在進(jìn)行移植時(shí)丙肝病毒受體的表達(dá)水平，對(duì)移植后病毒侵染起調(diào)控作用，并且，移植后復(fù)發(fā)與肝細(xì)胞膜上claudin-1 和occludin兩種受體的高表達(dá)有關(guān)。