單細(xì)胞跟蹤分析系統(tǒng)，自動(dòng)化細(xì)胞周期跟蹤分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)是苐一個(gè)自動(dòng)圖像定量解決方案，用于使用單一熒光標(biāo)記進(jìn)行譜系追蹤和詢問細(xì)胞周期動(dòng)態(tài)。

背景及系統(tǒng)重要性

動(dòng)機(jī)在延時(shí)顯微鏡圖像中跟蹤單細(xì)胞和量化熒光生物傳感器的計(jì)算方法徹底改變了我們研究細(xì)胞決策的分子控制的方法。 限制單細(xì)胞分析在生物醫(yī)學(xué)研究中采用的

一個(gè)障礙是缺乏有效的方法來穩(wěn)健地跟蹤單細(xì)胞的細(xì)胞分裂事件。

該系統(tǒng)將檢測(cè)技術(shù)與跟蹤和細(xì)胞周期解析模型相結(jié)合。使用 FAIR Detectron2 框架下的 Mask R-CNN 模型，能夠通過PCNA 熒光檢測(cè)和解析密集的細(xì)胞軌跡。

可以自動(dòng)跟蹤和分配單細(xì)胞的母子關(guān)系。通過結(jié)合來自公認(rèn)的熒光細(xì)胞周期報(bào)告基因的細(xì)胞周期信息，將有絲分裂關(guān)系聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)高保真的長期單細(xì)胞跟蹤。通過將基于深度學(xué)習(xí)的熒光PCNA信號(hào)實(shí)例分割模塊與細(xì)胞跟蹤和細(xì)胞周期解析流水線集成來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)提供了用戶友好的界面和可擴(kuò)展的API，用于定制細(xì)胞周期分析和各種成像配置的手動(dòng)校正。

        高效的 Mask R-CNN 模型和下游設(shè)計(jì)使該系統(tǒng)能夠在幾分鐘內(nèi)處理數(shù)百個(gè)高細(xì)胞密度的圖像幀。通過分析細(xì)胞周期特征，可以準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)有絲分裂軌跡，

證明了這種細(xì)胞背景在細(xì)胞追蹤中的有用性。此外，該系統(tǒng)的輸出可導(dǎo)入 Fiji ImageJ進(jìn)行可視化和量化。如果需要，可以通過命令行界面進(jìn)行手動(dòng)更正。

為了構(gòu)建具有有絲分裂事件的細(xì)胞譜系，該系統(tǒng)先在TrackPy輸出中識(shí)別有絲分裂活動(dòng)。我們開發(fā)了一種貪婪相位搜索（GPS）算法來檢測(cè)噪聲背景中的目標(biāo)相位。

具有檢測(cè)到的有絲分裂階段的軌跡在大速度的框架下被分解為母子軌跡，作為胞質(zhì)分裂的近似。這些分離的軌道與在終點(diǎn)站具有M個(gè)相位標(biāo)簽的孤立軌道一起被放入潛在的母子軌道池中。

使用時(shí)空閾值算法將母女關(guān)系從這個(gè)池中連接起來。對(duì)于過濾后的軌跡，基于空間和時(shí)間懲罰的線性和來計(jì)算分?jǐn)?shù)，這會(huì)生成一個(gè)母子分配的成本矩陣。

成本矩陣由匈牙利算法（Kuhn，1955）求解，以找到有效的母子對(duì)。

        為了量化其他細(xì)胞周期的相變和持續(xù)時(shí)間，對(duì)軌跡進(jìn)行了單分析。假設(shè)單個(gè)軌道的細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變應(yīng)按以下順序進(jìn)行：M-G1-S-G2-M。我們應(yīng)用GPS在G1/G2標(biāo)記的背景下搜索S相位。其余G1/G2標(biāo)記是基于它們相對(duì)于S和M相位的時(shí)間位置來解析的。

        該以上下文感知的方式自動(dòng)分割細(xì)胞核并跟蹤細(xì)胞，提供靈活的輸出掩模，可用于在長期實(shí)時(shí)成像實(shí)驗(yàn)中量化分子的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)。

該系統(tǒng)消除了對(duì)單細(xì)胞軌跡的人工跟蹤和注釋的要求，顯著節(jié)省了時(shí)間，而單細(xì)胞軌跡的跟蹤和注釋需要大約 3 天/100 個(gè)細(xì)胞到幾分鐘。準(zhǔn)確性與人類注釋相當(dāng)，

并且不受人類實(shí)驗(yàn)偏差的影響，這使其成為一種有吸引力的細(xì)胞周期分析方法。重要的是，熒光標(biāo)記的 PCNA 已成功引入多種生物系統(tǒng)，這使得該系統(tǒng)成為一個(gè)強(qiáng)大而靈活的工具，

可以在需要單細(xì)胞譜系追蹤的各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境中準(zhǔn)確跟蹤和生成細(xì)胞的核掩模。此外，我們證明分段細(xì)胞的細(xì)胞周期狀態(tài)是自動(dòng)單細(xì)胞譜系追蹤的一個(gè)有用特征，可應(yīng)用于其他熒光細(xì)胞周期報(bào)告系統(tǒng)。