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Freie Universität Bozen Fakultät für Informatik

Im vergangenen Jahr startete die Autorin dieses Beitrags ein Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit der Gruppe Vision Technology der Bruno-Kessler-Stiftung (FBK) in Trient, der Abteilung für Pathologie der Medizinischen Fakultät der Universität Verona und der Azienda Ospedaliera Universitaria Integrata in Verona. Ziel war es, eine Software für die Analyse von Bildern und Videos von Darmorganoiden zu entwickeln, die verschiedenen medikamentösen Behandlungen unterzogen wurden.

Im Rahmen des Projekts wurde die Software Corvo (Akronym für Computing Organoid's Volume) entwickelt. Sie erlaubt es, zeitliche Sequenzen dreidimensionaler Bilder von physiologischen Lösungen, in die Organoide eingetaucht sind, zu erkennen und zu analysieren. Durch einen Prozess, der Segmentierung genannt wird, identifiziert Corvo in jedem Bild die Regionen, die von den Organoiden besetzt sind, und berechnet deren Volumen. Dieses Verfahren, das von der FBK-Forscherin Michela Lecca realisiert wurde, kann völlig automatisch und ohne Benutzeraufsicht eingesetzt werden.

Bildergalerie

Die enge Zusammenarbeit der Projektpartner ermöglichte die Realisierung einer Benutzeroberfläche für Corvo, die speziell für die Nutzung durch medizinisches Personal ausgelegt ist. Die Schnittstelle erlaubt es, mit der Software zu interagieren, um Organoide auszuwählen, die von spezifischem klinischem Interesse sind. Abbildung 3 zeigt einen Screenshot der Benutzeroberfläche, der die von der Software identifizierten Organoide (in rot) und die vom Benutzer ausgewählten (in grün) zeigt. Einer der Vorteile von Corvo ist die einfache Handhabung; spezielle Kenntnisse der Bildverarbeitung sind seitens des Anwenders sind nicht erforderlich.

Neue Wirkstoffe im Fokus

Dank des Beitrags der Fakultät für Informatik der Freien Universität Bozen, erkennt die Software nicht nur biologische Strukturen in Bildern und berechnet deren Volumenänderungen, sondern analysiert auch die statistischen Eigenschaften dieser Änderungen. Die Autorin dieses Artikels hat eine mathematische Methode entwickelt und in Corvo integriert, die auf fortschrittlichen statistischen Techniken basiert und es ermöglicht, zu identifizieren, welche Organoide sich in einer sphärischen Form und welche sich in unregelmäßigen Formen entwickeln. Die Methode besteht aus zwei Modulen: einem Modul, das durch geeignete statistische Tests das Vorhandensein einer Korrelation zwischen der Fläche des maximalen Querschnitts und dem Volumen eines Organoids überprüft sowie einem Modul, um festzustellen, ob das Organoid nach einer Behandlung an- oder abschwillt und um die Wachstums- oder Abnahmegeschwindigkeit des Organoids zu berechnen.

Abbildung 4 zeigt das Ergebnis der Analyse von 16 Medikamentenbehandlungen, für die mit der Software Corvo die durchschnittliche Schwellungs- oder Deflationsrate der Organoide von Mukoviszidose-Patienten berechnet wurde. Als besonders interessant konnte die Behandlung mit 3 mM Lumacaftor (VX-809) 5 µM und Forskolin 0,03 µM identifiziert werden, da diese Wirkstoffkombination im Gegensatz zu den anderen Behandlungen eine Schwellung der Organoide bewirkte. Die statistische Analyse der zeitlichen Variationen des Organoidvolumens ermöglicht dabei eine schnelle Identifikation der optimalen medikamentösen Behandlung und reduziert das Risiko von vorzeitigen Patientenversuchen.

Das Ergebnis der hier vorgestellten Studie wurde auf der IEEE International Conference on Computational Intelligence in Bioinformatics and Computational Biology (CIBCB 2020, Via del Mar, Chile) vorgestellt und ist online verfügbar.

* P. Lecca, Freie Universität Bozen, Fakultät für Informatik, 39100 Bozen

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