Captura de imágenes de alto rendimiento

La captura de imágenes de alto rendimiento es un término utilizado para describir la microscopía óptica automatizada y el análisis de imágenes de un gran número de muestras. Es una técnica útil para ensayos de selección fenotípica, evaluando la respuesta de células, modelos basados en células u organismos a varios tipos de productos generadores de perturbación. Al seleccionar un sistema de microscopía para la generación de imágenes de alto rendimiento, es importante no solo encontrar un sistema con las características/capacidades necesarias, sino también evaluar críticamente su fiabilidad y capacidad, dos factores que tienen un impacto real en el rendimiento y eficiencia.

Productos para procesamiento de imágenes de alto rendimiento

Nikon ofrece la serie de instrumentos BioPipeline para aplicaciones de captura de imágenes de alto rendimiento y alto contenido. El sistema de generación de imágenes de alto contenido BioPipeline LIVE es la solución de Nikon para imágenes de alto rendimiento y alto contenido de células vivas mantenidas in vitro. Basado en nuestro microscopio invertido motorizado ECLIPSE Ti2-E insignia, este sistema cuenta con un sistema de incubación integrado y robótica de intercambio de muestras, lo que permite el intercambio automático de hasta 44 placas de pocillos múltiples mientras se mantiene una cobertura ambiental completa.

El sistema de imágenes de alto contenido BioPipeline PLATE es similar al BioPipeline LIVE, también basado en el microscopio Ti2-E pero sin incubación. Al igual que todos los sistemas BioPipeline, BioPipeline PLATE está completamente integrado con el software NIS-Elements, que incluye la herramienta NIS-Elements Scheduler para repartir el tiempo para diferentes adquisiciones automatizadas entre múltiples usuarios y/o muestras.

En cambio, el sistema de captura de imágenes de alto contenido Nikon BioPipeline SLIDE está configurado en un microscopio motorizado vertical ECLIPSE Ni-E y está diseñado para aplicaciones tales como escaneo de portaobjetos/imágenes de portaobjetos completos de muestras fijas preparadas en portaobjetos de microscopio estándar. Este sistema cuenta con un cargador de portaobjetos robótico Marzhauser Slide Express 2, que puede sostener e intercambiar hasta 120 portaobjetos. Todos los sistemas de BioPipeline están disponibles con un servidor dedicado que, con una conexión de 10 GbE y un espacio de almacenamiento de 200 TB, ayudará a evitar que se obstruya la tubería de procesamiento de imágenes y análisis.

Tanto el BioPipeline LIVE como el BioPipeline SLIDE pueden equiparse con un sistema confocal, siendo nuestros microscopios confocales AX / AX R aplicables a la obtención de imágenes de alto rendimiento, con un campo de visión inigualable de 25 mm para un sistema de escaneo puntual. El AX R también cuenta con el sistema de escaneo resonante de alta velocidad de Nikon, que acelera aún más la adquisición de datos.

●: Incluido, ⚬: Opcional

Técnicas de contraste compatibles	BioPipeline LIVE	BioPipeline PLATE	BioPipeline SLIDE
	BioPipeline LIVE Sistema de imágenes de alto contenido	BioPipeline PLATE Sistema de imágenes de alto contenido	BioPipeline SLIDE Sistema de imágenes de alto contenido
Capacidad máxima de muestra	44	44	120
Intercambio de muestras automatizado	yes	yes	yes
Tipo(s) de recipiente/portaobjetos previsto(s)	96-placas multi-pocillo 384-placas multi-pocillo	96-placas multi-pocillo 384-placas multi-pocillo	portaobjetos de microscopio de vidrio estándar
Corrección de enfoque Z	Perfect Focus System 4 (PFS4) Enfoque automático	Perfect Focus System 4 (PFS4) Enfoque automático	Enfoque automático
Campo Claro	yes	yes	yes
Contraste de fase*	yes	yes	yes
Contraste de interferencia diferencial (DIC)	no	no	yes
Campo oscuro	no	no	yes
Nikon Advanced Modulation Contrast (NAMC)*	yes	yes	no
Contraste de volumen	yes	yes	no
Fluorescencia de campo amplio	yes	yes	yes
Confocal	yes	yes	no

*Es posible que estas técnicas de contraste no sean adecuadas para todas las aplicaciones y rangos de aumento debido al efecto menisco dentro de los pocillos individuales.

Discusión sobre las imágenes de alto rendimiento

Diálogo de software durante una adquisición multidimensional en una placa de pocillos.

¿Alto rendimiento, alto contenido o ambos?

No es raro que los términos “alto rendimiento” y “alto contenido” se usen indistintamente. La diferencia clave es la dimensionalidad, o contenido de información, de los datos de imagen adquiridos. Un mayor contenido de información puede ser útil para caracterizar mejor los fenotipos complejos. El “alto contenido” a menudo implica el uso de múltiples canales de fluorescencia para caracterizar múltiples biomarcadores. Por el contrario, el alto rendimiento se refiere a cuántas muestras se pueden procesar en lugar del contenido de información de los datos recopilados. También es posible realizar imágenes de alto contenido de una manera de alto rendimiento (muchas muestras, alta dimensionalidad de datos), un enfoque que a veces se denomina “detección de alto contenido”.

Afortunadamente, los sistemas BioPipeline de Nikon son adecuados tanto para propuestas de alto rendimiento como de alto contenido. Al estar basados en nuestros microscopios principales, estos sistemas son generalmente más modulares y actualizables que los “sistemas de caja” comparables, como los lectores de placas. Las cámaras, lentes de objetivo, escáneres confocales y más se pueden intercambiar dentro/fuera de los sistemas existentes.

Imagen de fluorescencia multicolor de campo amplio de un campo de células

La misma imagen que la anterior después del uso del módulo de software Clarify.ai para eliminar el desenfoque.

Mejora de la captura de imágenes y análisis de alto rendimiento mediante inteligencia artificial

Muchos creen que la mayor promesa de la inteligencia artificial en microscopía es desbloquear nuevos tipos de análisis de imágenes. Ciertamente, es cierto que los nuevos tipos de análisis son importantes y útiles, siendo un buen ejemplo la predicción de patrones de tinción en muestras no teñidas (p. ej., predicción de tinción DAPI nuclear a partir de imágenes de contraste de fase). Sin embargo, podría decirse que el mayor beneficio de la IA es la capacidad de realizar análisis comunes significativamente más rápido que las propuestas tradicionales, cambiando las reglas del diseño de experimentos.

Nikon está comprometida con el diseño de herramientas fiables de análisis de imágenes basadas en aprendizaje profundo bajo el paraguas de NIS.ai, una serie creciente de módulos de software disponibles dentro de nuestro software NIS-Elements. Los módulos NIS.ai que pueden impactar en la creación de imágenes de alto rendimiento incluyen:

Clarify.ai: este módulo preentrenado puede proporcionar una eliminación rápida y automática de la borrosidad fuera de foco de las imágenes de epifluorescencia de campo amplio.

Segment.ai: este módulo se puede entrenar para segmentar las características de la imagen, incluidas aquellas que los métodos clásicos de aplicación de unbrales pueden pasar por alto.

Convert.ai: este módulo se puede entrenar para predecir características en un segundo canal de imagen basado en un canal de imagen de contraste de fase de referencia, como se describe anteriormente.

Selección de un escáner confocal para imágenes de alto rendimiento

Hay una variedad de sistemas de microscopía confocal en el mercado, siendo los dos tipos de diseño principales el escáner de punto y el de barrido. Los escáneres confocales son deseables cuando es importante observar planos nítidos en 2D dentro de especímenes gruesos. Tanto BioPipeline LIVE como BioPipeline PLATE se pueden configurar con estos tipos de sistemas confocales.

Los sistemas confocales de disco giratorio se valoran por su facilidad de uso y velocidad de obtención de imágenes, pero generalmente tienen una profundidad de imagen limitada a menos de 50 μm. Nikon se enorgullece de poner a disposición sistemas de barrido con un gran campo de visión (FOV) para admitir imágenes confocales de alto rendimiento, incluido el Yokogawa CSU-W1 (~23 mm FOV) y el Crest Optics X-Light V3 (25 mm FOV) .

Los sistemas confocales de escaneo de puntos pueden generar imágenes a cientos de μm de profundidad en la muestra. Los sistemas confocales Nikon AX / AX R brindan esta capacidad junto con un gran campo de visión de 25 mm (el más grande disponible comercialmente) para proporcionar imágenes de alto rendimiento. Además, el AX R utiliza nuestro sistema de escaneo resonante de bajo ruido de próxima generación para reducir el tiempo de procesamiento de imágenes y mantener la calidad.

Con un campo de visión (FOV) convencional de 18 mm, se necesitarían 48 imágenes en mosaico diferentes para hacer esta imagen grande.

Con el FOV grande de 25 mm de los sistemas confocales BioPipeline LIVE, BioPipeline PLATE y AX/AX R, solo se necesitarían 24 fotogramas con el mismo aumento.

Glosario

Corrección de enfoque Z: Poder confiar en tener el plano Z correcto enfocado es especialmente importante para un alto rendimiento, ya que los errores pueden pasar desapercibidos durante las adquisiciones automatizadas. Perfect Focus System de Nikon es una solución de hardware líder para mantener enfocado un plano seleccionable por el usuario o por software. El enfoque automático es una rutina basada en software que identifica el plano focal correcto escaneando en Z para encontrar el plano con el mayor contraste/nitidez.
Intercambio de muestras automatizado: Esto se refiere al intercambio automatizado de recipientes de muestra o portaobjetos de microscopio entre la platina del microscopio y la incubadora o el cargador/hotel.
Maximum Sample Capacity Capacidad máxima de muestra: Este es el número máximo de recipientes, placas de pocillos o portaobjetos de microscopio (según corresponda) que se pueden acomodar en el cargador/hotel para su uso en experimentos automatizados. Consulte “Tipos previstos de recipiente/portaobjetos” como referencia.
Tipo(s) de recipiente/portaobjetos previsto(s): Los sistemas BioPipeline LIVE y PLATE se basan en microscopios invertidos, lo que los hace más adecuados para obtener imágenes de recipientes de cultivo con cámara, como placas de pocillos múltiples, que los microscopios verticales. En este caso, el fondo del recipiente debe ser de un material de calidad óptica. El BioPipeline SLIDE se basa en un microscopio vertical, la opción habitual para obtener imágenes de portaobjetos de microscopio de vidrio tradicionales.
Técnicas de contraste compatibles: Por lo general, los sistemas de microscopía de imágenes de alto rendimiento son capaces de una técnica de luz transmitida, como el contraste de fase, así como una modalidad de captura de imágenes de fluorescencia, como campo amplio o confocal.