Una nueva herramienta hace que los datos de imágenes de alta resolución sobre tejidos humanos sean más fáciles de entender y usar
Una imagen de una historia de Minerva sobre el cáncer de pulmón. Crédito: Minerva
Para muchos de nosotros, Google Maps se ha convertido en una herramienta diaria indispensable: abrimos un navegador web y accedemos instantáneamente a un poderoso mapa donde podemos obtener direcciones, acercar y desplazarse, superponer características como el tráfico y el terreno, y buscar puntos de referencia específicos. Pero, ¿y si hubiera una herramienta con una funcionalidad similar para explorar un tipo de mapa completamente diferente? ¿Qué pasaría si tuviéramos la habilidad de Magic School Bus para profundizar en los detalles de los tejidos que componen el cuerpo humano?
Esta es precisamente la idea detrás de Minerva, una herramienta de software desarrollada por investigadores de la Escuela de Medicina de Harvard en el Laboratorio de Farmacología de Sistemas en el Departamento de Biología de Sistemas en el Instituto Blavatnik en HMS.
Minerva, disponible en línea para nadie, lleva el nombre de la diosa romana de la sabiduría. Permite a los usuarios acceder a mapas detallados de muestras de tejido recopiladas durante la investigación, que van desde tumores cancerosos hasta músculo cardíaco en peligro. En cada mapa, los usuarios pueden hacer zoom y desplazarse, superponer funciones como células inmunitarias y explorar áreas destacadas. Los mapas también incorporan la experiencia de científicos y médicos que pueden crear narrativas para guiar a los usuarios a través de las muestras.
Los investigadores esperan que a medida que crezca la biblioteca de muestras de tejido de Minerva, la herramienta sea utilizada por otros científicos, revistas científicas, médicos, pasantes, estudiantes de medicina o cualquier persona que simplemente tenga curiosidad, lo que permitirá obtener información científica y experiencia para ser compartida de manera más amplia.
«Recopilamos una gran cantidad de datos de investigación, pero todavía no muchos de ellos son muy accesibles, por lo que la pregunta es cómo movilizar datos complejos para que las personas puedan acceder a ellos en una manera útil», dijo Peter Sorger, profesor de Farmacología de Sistemas de HMS Otto Krayer, quien codirige el proyecto con Sandro Santagata, profesor asociado de patología de HMS en el Brigham and Women’s Hospital. «De eso se trata realmente Minerva».
Ahogarse en datos
A medida que avanza la tecnología de imágenes, también lo hace la capacidad de los científicos para recopilar datos de resolución extremadamente alta sobre tejidos en el ser humano. cuerpo. Con técnicas de imágenes multiplexadas, los investigadores pueden recopilar tales detalles a nivel de una sola célula y esos datos pueden contener 50 o 60 capas de información sobre marcadores de proteínas y otras características. Hace varios años, Sorger, Santagata y su equipo desarrollaron su propia técnica de imágenes multiplexadas, inmunofluorescencia cíclica o CyCIF, que está disponible gratuitamente y utiliza instrumentos y productos químicos que se encuentran en la mayoría de los laboratorios.
Como los científicos utilizaron CyCIF en su propia investigación, se sintieron frustrados por el hecho de que terabytes de datos de imágenes complejos y de alta resolución se destilaban rutinariamente en unas pocas imágenes pequeñas y estáticas cuando publicaban artículos en revistas científicas.
«Lo que usted publicar es un sello postal, una pequeña figura JPEG diminuta, de 600 píxeles de ancho, mientras que la imagen real tiene más de unos pocos miles de millones de píxeles, pero está atascada en la computadora de alguien», dijo Sorger.
En los últimos años, la comunidad de investigación ha enfatizado cada vez más la importancia de un intercambio de datos más completo, o lo que se ha denominado datos «FAIR»: localizables, accesibles, interoperables y reproducibles. En enero de 2023, entrará en vigor una nueva política de los Institutos Nacionales de la Salud sobre la gestión y el intercambio de datos, que requerirá que todos los científicos que reciben fondos de los NIH presenten un plan que describa cómo se gestionarán y compartirán sus datos.
Una imagen de un Historia de Minerva sobre el cáncer de mama. La leyenda en la esquina superior derecha identifica diferentes capas de información molecular en la muestra de tejido y el panel de narración en el lado izquierdo describe la imagen en detalle. Crédito: Minerva
Sin embargo, a pesar de estos esfuerzos, «nuestro trabajo nos ha demostrado que no hay suficiente inversión en lo que realmente se necesita para acceder a cualquiera de estos datos», dijo Sorger. «Seguimos recopilando más y más datos, y seguimos aspirando a hacerlos más accesibles y compartibles, pero no estamos creando las herramientas de software necesarias para hacer esto».
Esto está en en parte porque los datos científicos a menudo son grandes, torpes y difíciles de entender incluso para los expertos sin una guía (como Google Maps sin etiquetas), por lo que diseñar herramientas que respalden el intercambio de información de una manera útil es más fácil decirlo que hacerlo.
«Podrías descargar una de nuestras imágenes y luego estaría en tu computadora ocupando tu disco duro», explicó Sorger. «Sin un software especializado, gran parte del cual todavía está en desarrollo, no podrías mirarlo. No podrías interactuar con él. Y aunque pudieras, no necesariamente sabrías de qué se trata».
Ahí es donde entra en juego Minerva.
Dándole sentido a las cosas
Basada en la nube, Minerva está organizada en historias, cada una de las cuales se centra en una sola muestra de tejido o en un conjunto. de muestras relacionadas. A medida que los usuarios interactúan con una imagen, pueden moverse de un lugar a otro y acercar o alejar para explorar. También pueden activar y desactivar diferentes capas de información, incluidas las células inmunitarias, otros tipos de células o marcadores de proteínas, o la arquitectura física del tejido, entre otras cosas.
Las historias de Minerva también incluyen un «docente digital ,» un elemento de narración que consiste en un panel de texto que aparece junto a cada imagen. La idea se inspiró en los recorridos del museo, tanto los recorridos de audio para ver en persona como los recorridos en línea desarrollados durante la pandemia de COVID-19, que guían a los visitantes a través de una exhibición al ofrecer una introducción narrativa a diferentes obras de arte. El panel de narración de las historias de Minerva guía a los usuarios a través de las funciones clave de una muestra y proporciona información adicional sobre cada función a lo largo del camino. Los usuarios pueden detenerse para explorar libremente la muestra en cualquier momento y volver a la narración más tarde.
Los usuarios también pueden crear sus propias historias de Minerva con narración.
Sorger y Santagata describieron Minerva y la idea de guías narrativas en línea para muestras de tejido en una perspectiva reciente en Nature Biomedical Engineering.
Hasta ahora, muchas historias de Minerva se centran en el cáncer, incluido el melanoma, el cáncer de pulmón y el cáncer colorrectal. El cáncer proporciona un punto de partida obvio, dijo Sorger, porque se diagnostica en gran medida en base a muestras de tejido en 85 a 90 por ciento de los casos, según su estimación. Sin embargo, las historias de Minerva se pueden crear para cualquier afección que aparezca o deje sus marcas en un tejido, incluidas enfermedades cardíacas, tuberculosis, neurodegeneración y COVID-19.
Una imagen de una historia de Minerva sobre el cáncer colorrectal. Las flechas en el medio señalan una característica clave en la muestra de tejido, la leyenda en la esquina superior derecha identifica diferentes capas de información molecular y el panel de narración en el lado izquierdo proporciona una descripción detallada de la imagen. Crédito: Minerva
Sorger y Santagata han estado creando historias de Minerva a partir de imágenes asociadas con artículos que publican en revistas científicas, así como imágenes de investigaciones no publicadas, lo que ha dado como resultado unas doscientas historias hasta el momento. «Estas son esencialmente mini publicaciones» que permiten a los científicos acceder a mucha más información de la que está disponible en un artículo, explicó Sorger.
Por ejemplo, los investigadores crearon una historia de Minerva sobre el melanoma para un artículo reciente en Cancer Discovery en el que crearon mapas espaciales a escala fina que muestran cómo interactúan las células individuales a medida que avanza el cáncer. En el futuro, los investigadores prevén que cada pequeña imagen estática en un artículo científico se convierta en un punto de entrada a una historia completa de Minerva. «Vemos que complementa una figura convencional al proporcionar más contenido y contexto», dijo Sorger.
Las imágenes en los libros de texto médicos podrían convertirse de manera similar en historias de Minerva. Por ejemplo, en lugar de que un libro de texto brinde una instantánea del tejido con un infarto de miocardio, un estudiante podría hacer clic en la imagen y usar Minerva para explorar libremente la representación más dinámica visualmente y mucho más detallada de esa muestra. «Ofrece un compromiso participativo con imágenes que esperamos mejoren la educación médica», dijo Santagata.
Minerva también puede ser útil para los patólogos en formación que están aprendiendo a analizar muestras de tejido. Actualmente, los estudiantes de patología se sientan frente a un microscopio de múltiples cabezales y miran un portaobjetos de tejido mientras un instructor los guía a través del caso y les señala las características críticas para hacer un diagnóstico. Las historias de Minerva contienen gran parte de esta información, con la ventaja de que se puede acceder a ellas bajo demanda y desde cualquier lugar. «Con Minerva, podemos capturar la experiencia de una amplia gama de personas y difundirla ampliamente», dijo Santagata. «Realmente amplía nuestro alcance y también proporciona más tipos de datos que podemos usar para educar a las personas».
Sorger y Santagata creen que Minerva también podría respaldar un impulso más amplio para digitalizar la patología. Actualmente, la patología todavía se basa en gran medida en muestras de tejido físico, que deben enviarse por correo siempre que los colegas de diferentes instituciones quieran consultarse entre sí. De hecho, Santagata estima que alrededor de un millón de portaobjetos de alrededor de 100.000 casos pasan por el departamento de patología de Brigham and Women’s cada año. Con Minerva, los patólogos podían compartir fácilmente versiones digitales de muestras de tejido, junto con la información esencial necesaria para interpretarlas.
De acuerdo con su objetivo de hacer que Minerva esté ampliamente disponible, Sorger y Santagata han creado la herramienta y todos su código de acceso abierto. Estiman que 10 grupos de investigación de diferentes universidades han construido sus propias historias de Minerva, y alrededor de 25 laboratorios están usando activamente Minerva, incluidos varios laboratorios conectados a la Red Atlas de Tumores Humanos del Instituto Nacional del Cáncer. Los investigadores están trabajando actualmente en la integración de Minerva en las herramientas existentes, incluido cBioPortal, una herramienta de acceso abierto para explorar conjuntos de datos de genómica del cáncer, un paso que esperan que amplíe en gran medida el uso de Minerva. También creen que Minerva puede atraer a personas no científicas interesadas en aprender más sobre una afección en particular, incluidos los defensores de los pacientes con cáncer o el público lego científicamente curioso.
«Nuestra misión es crear bienes públicos. Somos sobre educación e investigación, y son de dominio público», dijo Sorger. «Si queremos crear algo que sea útil en una clase o en una investigación, no queremos poner barreras a su uso».
Más allá de hacer que los datos científicos sean más accesibles, los investigadores esperan que Minerva inspirar un mayor interés en la ciencia y la investigación científica.
«Es extraordinario poder tomar lo que una vez fue básicamente una imagen estática y darle vida. Hay cierta maravilla y magia que es parte de la experiencia de participar e interactuar con los datos de esta manera», dijo Santagata. «Esperamos que Minerva haga que la ciencia sea más emocionante y comprensible para otros científicos, para el público en general e incluso para nosotros mismos».
Explore más
Explorando mapas de cáncer Más información: Rumana Rashid et al, Guías narrativas en línea para la interpretación de imágenes de patología digital y datos de atlas de tejidos, Nature Biomedical Engineering (2021) . DOI: 10.1038/s41551-021-00789-8
Ajit J. Nirmal et al, El panorama espacial de la progresión y la inmunoedición en el melanoma primario con resolución unicelular, Cancer Discovery (2022). DOI: 10.1158/2159-8290.CD-21-1357 Información de la revista: Cancer Discovery , Nature Biomedical Engineering