城大研發嶄新電腦軟件 用作研究細胞

馮美玲

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嚴洪教授(左)及曹劍鋒

 

香港城市大學(城大)科學家研發嶄新電腦軟件,可在一種名為秀麗隱桿線蟲的細胞分裂期間,抽取及追蹤細胞,並擷取其影像,以分析細胞的形成、結構及功能。這項研究有助科學家明白動物如何通過細胞分裂而形成器官及身體,從而更深入了解癌症及找出可行療法。

這項研究由城大、香港浸會大學(浸大)及北京大學(北大)的學者共同領導。浸大學者以鐳射光束取得秀麗隱桿線蟲在細胞分裂期間不同深度及時間的影像,製成四維數據列組;城大負責研發用作分析細胞影像的電腦軟件;而北大則作出生物學詮釋。

研究結果最近刊載於著名期刊《自然通訊》,論文題為「以深度學習為本的四維分割法構建秀麗隱桿線蟲胚胎的形態圖」。

電機工程學系電腦工程學講座教授兼黃俊康教授(數據工程)嚴洪教授說:「我們研發的電腦系統框架名為CShaper,可協助生物學家將秀麗隱桿線蟲胚胎重構並影像化,顯示胚胎的三維影像及形態變化。秀麗隱桿線蟲胚胎與人類的主要生物特性相近,因此可作為研究人體內腫瘤生長過程的重要模型。」

此外,團隊研發了一套名為DMapNet的深度學習方法,以劃分胚胎膜。

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三維細胞影像(左)及細胞劃分後的圖像(右)。

 

他們在秀麗隱桿線蟲胚胎4至350個細胞的不同階段,製作時序三維細胞形態變化圖,顯示已確定特性的細胞的形狀、體積、表面積、移動、細胞核位置以及細胞與細胞之間的接觸。

舊有的影像分析系統只能檢測細胞核,而未能清楚顯示細胞膜。雖然細胞核和細胞膜的影像是通過兩個管道同步造像的,但由於採用較低螢光密度,細胞膜的影像質素比細胞核的差得多。

城大研發的新系統則可準確偵測到細胞膜,並追蹤細胞,重構細胞的三維形狀,幫助科學家分析細胞特點,包括細胞分裂期間的形狀、細胞與細胞之間的接觸和通訊,以及基因與蛋白質的功能。

城大電機工程學系博士生兼論文第一共同作者曹劍鋒說:「我們很高興能夠研發出有用的電腦系統,可自動分析大量細胞影像數據。以我們所知,CShaper是首個電腦系統框架,可在秀麗隱桿線蟲胚胎單細胞階段時,有系統地劃分及分析其細胞。通過運用CShaper,我們可以確定細胞形狀及表面結構特徵,並提供不同時段的三維細胞影像。」

CShaper徹底改變了生物學家檢查實驗數據的方法,把詮釋胚胎影像所需的時間由數百小時大幅減少至數小時,生物學家更可大規模對細胞形態特點作定量及統計分析。這個系統也可進一步開發用來分析其他類型的細胞影像,如植物細胞。

 

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