Developing Bioimage Informatics – from Microscopy to Software Solutions – with alpha2beta1 Integrin as a Case Study

Biokuvainformatiikan kehittäminen – mikroskopiasta ohjelmistoratkaisuihin – sovellusesimerkkinä α2β1-integriini Kun ihmisen genomi saatiin sekvensoitua vuonna 2003, biotieteiden päätehtäväksi tuli selvittää eri geenien tehtävät, ja erilaisista biokuvantamistekniikoista tuli keskeisiä tutkimusmenetelmiä. Teknologiset kehitysaskeleet johtivat erityisesti fluoresenssipohjaisten valomikroskopiatekniikoiden suosion räjähdysmäiseen kasvuun, mutta mikroskopian tuli muuntua kvalitatiivisesta tieteestä kvantitatiiviseksi. Tämä muutos synnytti uuden tieteenalan, biokuvainformatiikan, jonka on sanottu mahdollisesti mullistavan biotieteet. Tämä väitöskirja esittelee laajan, poikkitieteellisen työkokonaisuuden biokuvainformatiikan alalta. Väitöskirjan ensimmäinen tavoite oli kehittää protokollia elävien solujen neliulotteiseen konfokaalimikroskopiaan, joka oli yksi nopeimmin kasvavista biokuvantamismenetelmistä. Ihmisen kollageenireseptori α2β1-integriini, joka on tärkeä molekyyli monissa fysiologisissa ja patologisissa prosesseissa, oli sovellusesimerkkinä. Työssä saavutettiin selkeitä visualisointeja integriinien liikkeistä, yhteenkeräytymisestä ja solun sisään siirtymisestä, mutta työkaluja kuvainformaation kvantitatiiviseen analysointiin ei ollut. Väitöskirjan toiseksi tavoitteeksi tulikin tällaiseen analysointiin soveltuvan tietokoneohjelmiston kehittäminen. Samaan aikaan syntyi biokuvainformatiikka, ja kipeimmin uudella alalla kaivattiin erikoistuneita tietokoneohjelmistoja. Tämän väitöskirjatyön tärkeimmäksi tulokseksi muodostui näin ollen BioImageXD, uudenlainen avoimen lähdekoodin ohjelmisto moniulotteisten biokuvien visualisointiin, prosessointiin ja analysointiin. BioImageXD kasvoi yhdeksi alansa suurimmista ja monipuolisimmista. Se julkaistiin Nature Methods -lehden biokuvainformatiikkaa käsittelevässä erikoisnumerossa, ja siitä tuli tunnettu ja laajalti käytetty. Väitöskirjan kolmas tavoite oli soveltaa kehitettyjä menetelmiä johonkin käytännönläheisempään. Tehtiin keinotekoisia piidioksidinanopartikkeleita, joissa oli "osoitelappuina" α2β1-integriinin tunnistavia vasta-aineita. BioImageXD:n avulla osoitettiin, että nanopartikkeleilla on potentiaalia lääkkeiden täsmäohjaussovelluksissa. Tämän väitöskirjatyön yksi perimmäinen tavoite oli edistää uutta ja tuntematonta biokuvainformatiikan tieteenalaa, ja tämä tavoite saavutettiin erityisesti BioImageXD:n ja sen lukuisten julkaistujen sovellusten kautta. Väitöskirjatyöllä on merkittävää potentiaalia tulevaisuudessa, mutta biokuvainformatiikalla on vakavia haasteita. Ala on liian monimutkainen keskimääräisen biolääketieteen tutkijan hallittavaksi, ja alan keskeisin elementti, avoimen lähdekoodin ohjelmistokehitystyö, on aliarvostettu. Näihin seikkoihin tarvitaan useita parannuksia,

After the human genome was sequenced in 2003, the major task of biosciences became to find out the functions of different genes, and various bioimaging techniques became crucial research tools. Technological advances resulted in especially fluorescence-based light microscopy techniques to explode in popularity, but microscopy needed to transform from a qualitative science to a quantitative one. This transition resulted in a new field of science, bioimage informatics, which has been said to have the potential to revolutionize biosciences. This thesis describes an extensive, multidisciplinary body of work in bioimage informatics. The first aim of the thesis was to develop protocols for four-dimensional confocal microscopy of living cells, one of the fastest growing methods of bioimaging. Human collagen receptor α2β1 integrin, an important molecule in several physiological and pathological processes, was used as a case study. Clear visualizations of the integrins moving, clustering and going inside cells were obtained, but there were no tools to quantify the image data. The second aim of the thesis then became to develop computer software capable of such quantification. At the same time, bioimage informatics was born, and specialized software was the most critical requirement of the new field. The main result of this thesis therefore became BioImageXD, a novel open source software package for visualizing, processing and analyzing multidimensional bioimages. BioImageXD grew to become one of the largest and most versatile in its field. It was published in a special bioimage informatics issue of Nature Methods, and became well known and widely used. The third aim of the thesis was to apply the developed methods to something more practical, and artificial silica nanoparticles were created, with antibodies against α2β1 integrin as "address labels". BioImageXD was successfully used to show that the nanoparticles have potential in targeted drug delivery applications. A major underlying aim of this thesis was to promote the new and unknown science of bioimage informatics, and this aim was reached especially through BioImageXD and its numerous published applications. The work done in this thesis has considerable future potential, but bioimage informatics faces serious challenges. The field is too complex for the average biomedical researcher to master, and there is lack of recognition for the most important element, open source software development. Several improvements in these aspects are required, or alternatively researchers should consider obtaining bioimage informatics services from designated units or companies.