Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Assembling models of embryo development: Image analysis and the construction of digital atlases

Digital atlases of animal development provide a quantitative description of morphogenesis, opening the path toward processes modeling. Prototypic atlases offer a data integration framework where to gather information from cohorts of individuals with phenotypic variability. Relevant information for further theoretical reconstruction includes measurements in time and space for cell behaviors and gene expression. The latter as well as data integration in a prototypic model, rely on image processing strategies. Developing the tools to integrate and analyze biological multidimensional data are highly relevant for assessing chemical toxicity or performing drugs preclinical testing. This article surveys some of the most prominent efforts to assemble these prototypes, categorizes them according to salient criteria and discusses the key questions in the field and the future challenges toward the reconstruction of multiscale dynamics in model organisms.

Fast measurement of cooling and heating rates in standard cryopreservation protocols based on vitrification

Estudio de la cinética de la crioconservación de tejidos vegetales

Glassy State and Cryopreservation of Mint Shoot Tips

Vitrification refers to the physical process by which a liquid supercools to very low tem- peratures and finally solidifies into a metastable glass, without undergoing crystallization at a practical cooling rate. Thus, vitrification is an effective freeze-avoidance mechanism and living tissue cryopreservation is, in most cases, relying on it. As a glass is exceedingly vis- cous and stops all chemical reactions that require molecular diffusion, its formation leads to metabolic inactivity and stability over time. To investigate glassy state in cryopreserved plant material, mint shoot tips were submitted to the different stages of a frequently used cryopreservation protocol (droplet-vitrification) and evaluated for water content reduction and sucrose content, as determined by ion chromatography, frozen water fraction and glass transitions occurrence by differential scanning calorimetry, and investigated by low-tempera- ture scanning electron microscopy, as a way to ascertain if their cellular content was vitri- fied. Results show how tissues at intermediate treatment steps develop ice crystals during liquid nitrogen cooling, while specimens whose treatment was completed become vitrified, with no evidence of ice formation. The agreement between calorimetric and microscopic observations was perfect. Besides finding a higher sucrose concentration in tissues at the more advanced protocol steps, this level was also higher in plants precultured at 25/21?C than in plants cultivated at 25?C.

Estudios termodinámicos de los procesos de vitrificación en la crioconservación de germoplasma vegetal=Thermodynamic studies of vitrification processes in plant germplasm cryopreservation

En la actualidad, las técnicas de crioconservación poseen una importancia creciente para el almacenamiento a largo plazo de germoplasma vegetal. En las dos últimas décadas, estos métodos experimentaron un gran desarrollo y se han elaborado protocolos adecuados a diferentes sistemas vegetales, utilizando diversas estrategias como la vitrificación, la encapsulación-desecación con cuentas de alginato y el método de “droplet”-vitrificación. La presente tesis doctoral tiene como objetivo aumentar el conocimiento sobre los procesos implicados en los distintos pasos de un protocolo de crioconservación, en relación con el estado del agua presente en los tejidos y sus cambios, abordado mediante diversas técnicas biofísicas, principalmente calorimetría diferencial de barrido (DSC) y microscopía electrónica de barrido a baja temperatura (crio-SEM). En un primer estudio sobre estos métodos de crioconservación, se describen las fases de enfriamiento hasta la temperatura del nitrógeno líquido y de calentamiento hasta temperatura ambiente, al final del periodo de almacenamiento, que son críticas para la supervivencia del material crioconservado. Tanto enfriamiento como calentamiento deben ser realizados lo más rápidamente posible pues, aunque los bajos contenidos en agua logrados en etapas previas de los protocolos reducen significativamente las probabilidades de formación de hielo, éstas no son del todo nulas. En ese contexto, se analiza también la influencia de las velocidades de enfriamiento y calentamiento de las soluciones de crioconservación de plantas en sus parámetros termofísicos referente a la vitrificación, en relación su composición y concentración de compuestos. Estas soluciones son empleadas en la mayor parte de los protocolos actualmente utilizados para la crioconservación de material vegetal. Además, se estudia la influencia de otros factores que pueden determinar la estabilidad del material vitrificado, tales como en envejecimiento del vidrio. Se ha llevado a cabo una investigación experimental en el empleo del crio-SEM como una herramienta para visualizar el estado vítreo de las células y tejidos sometidos a los procesos de crioconservación. Se ha comparado con la más conocida técnica de calorimetría diferencial de barrido, obteniéndose resultados muy concordantes y complementarios. Se exploró también por estas técnicas el efecto sobre tejidos vegetales de la adaptación a bajas temperaturas y de la deshidratación inducida por los diferentes tratamientos utilizados en los protocolos. Este estudio permite observar la evolución biofísica de los sistemas en el proceso de crioconservación. Por último, se estudió la aplicación de películas de quitosano en las cuentas de alginato utilizadas en el protocolo de encapsulación. No se observaron cambios significativos en su comportamiento frente a la deshidratación, en sus parámetros calorimétricos y en la superficie de las cuentas. Su aplicación puede conferir propiedades adicionales prometedoras. ABSTRACT Currently, cryopreservation techniques have a growing importance for long term plant germplasm storage. These methods have undergone great progress during the last two decades, and adequate protocols for different plant systems have been developed, making use of diverse strategies, such as vitrification, encapsulation-dehydration with alginate beads and the dropletvitrification method. This PhD thesis has the goal of increasing the knowledge on the processes underlying the different steps of cryopreservation protocols, in relation with the state of water on tissues and its changes, approached through diverse biophysical techniques, especially differential scanning calorimetry (DSC) and low-temperature scanning electron microscopy (cryo-SEM). The processes of cooling to liquid nitrogen temperature and warming to room temperature, at the end of the storage period, critical for the survival of the cryopreserved material, are described in a first study on these cryopreservation methods. Both cooling and warming must be carried out as quickly as possible because, although the low water content achieved during previous protocol steps significantly reduces ice formation probability, it does not completely disappear. Within this context, the influence of plant vitrification solutions cooling and warming rate on their vitrification related thermophysical parameters is also analyzed, in relation to its composition and component concentration. These solutions are used in most of the currently employed plant material cryopreservation protocols. Additionally, the influence of other factors determining the stability of vitrified material is studied, such as glass aging. An experimental research work has been carried out on the use of cryo-SEM as a tool for visualizing the glassy state in cells and tissues, submitted to cryopreservation processes. It has been compared with the better known differential scanning calorimetry technique, and results in good agreement and complementary have been obtained. The effect on plant tissues of adaptation to low temperature and of the dehydration induced by the different treatments used in the protocols was explored also by these techniques. This study allows observation of the system biophysical evolution in the cryopreservation process. Lastly, the potential use of an additional chitosan film over the alginate beads used in encapsulation protocols was examined. No significant changes could be observed in its dehydration and calorimetric behavior, as well as in its surface aspect; its application for conferring additional properties to gel beads is promising.

Reproductive and nutritional management on ovarian response and embryo quality on rabbit does

Rabbit does in modern rabbitries are under intensive reproductive rhythms. Females are high milk producers with high energetic expenses due to the extensive overlap between lactation and gestation. This situation leads to a negative energy balance with a mobilization of body fat especially in primiparous rabbit does. Poor body condition and poor health status severely affect the reproductive features (fertility rate and lifespan of the doe as well as ovarian physiology). This paper reviews some reproductive and nutritional approaches used in the last years to improve the reproductive performance of rabbit females, mainly focusing on the influence on ovarian response and embryo quality and with emphasis on epigenetic modifications in pre-implantation embryos and offspring consequences.