Auszug aus Smart Microscopy: Current Implementations and a Roadmap for Interoperability (Hinderling et al., 2025). Den vollständigen Artikel auf bioRxiv lesen

Die klassische Mikroskopie eignet sich hervorragend zur Erfassung subzellulärer Strukturen, bietet aber in der Regel keinen umfassenden Kontext auf Populationsebene, der für das Verständnis zellulärer Heterogenität und seltener zellulärer Ereignisse entscheidend ist. Konventionelle hochauflösende Bildgebungsansätze konzentrieren sich meist auf eine begrenzte Anzahl von Zellen, was potenzielle Verzerrungen mit sich bringt und die statistische Aussagekraft einschränkt. Umgekehrt geht beim High-Content-Screening oft räumliche Auflösung verloren, was die Fähigkeit verringert, subzelluläre Phänotypen zu unterscheiden. Die zentrale Herausforderung, die Cytely adressiert, besteht darin, Mikroskopie-Workflows effizient zu automatisieren, um hochauflösenden räumlichen Einzelzellkontext mit breiten Erkenntnissen auf Populationsebene zu verbinden und so eine unverzerrte und reproduzierbare Analyse vielfältiger zellulärer Phänotypen zu ermöglichen, insbesondere seltener und dynamischer Ereignisse.

Wichtigste Ergebnisse und Innovationen

Cytely basiert auf den wissenschaftlichen Grundlagen des Nordenfelt Lab [1] und nutzt Prinzipien der datengetriebenen Mikroskopie (DDM), um Genauigkeit und Durchsatz in der räumlichen Einzelzellanalyse deutlich zu steigern. Die Plattform vereint den Überblick über ganze Populationen mit Daten auf Einzelzellebene und ermöglicht so eine schnelle, unverzerrte Identifizierung zellulärer Phänotypen (Abb. 1). Cytely charakterisiert effektiv Tausende von Zellen anhand von Merkmalen wie Zellmorphologie, Fluoreszenzintensität und subzellulärer Organisation. Dieser Ansatz erleichtert die präzise Auswahl und das erneute Anfahren interessierender Zellen und ermöglicht in einem zweiten Schritt die hochauflösende räumliche Bildgebung seltener oder phänotypisch abweichender Zellsubpopulationen (Abb. 2).

In Experimenten zur zellulären Phagozytose zeigte Cytely seine einzigartige Fähigkeit, die räumliche Lokalisation aufgenommener Partikel in einzelnen Zellen sichtbar zu machen, und identifizierte dabei Heterogenität in den Aufnahmeraten, die klassischen Bulk-Analysen entgangen war. Ebenso ermöglichte der Ansatz von Cytely die automatisierte Detektion und Charakterisierung zellulärer Ereignisse wie Zellteilung oder Apoptose und erlaubte die Kuratierung solcher Daten durch hochauflösendes erneutes Bildgeben mit deutlich höherer Rate und Genauigkeit als mit konventioneller Mikroskopie.

Methodik und Implementierungsdetails

Cytely ist als mikroskopiebasierte, hardwareunabhängige Plattform implementiert, die mit verschiedenen Bildgebungssystemen mit motorisierten Tischen kompatibel ist. Der Workflow beginnt mit einer niedrig aufgelösten Bildaufnahmephase auf Populationsebene, in der morphologische und intensitätsbasierte Zellmerkmale schnell segmentiert und extrahiert werden. Die Software kombiniert klassische Segmentierungsansätze mit fortschrittlichen KI-Algorithmen, um zelluläre Phänotypen in Echtzeit robust zu charakterisieren und Zielzellpopulationen sofort zu identifizieren. Sobald bestimmte Zellsubpopulationen identifiziert sind, löst Cytely die hochauflösende räumliche Bildgebung aus und steuert die Mikroskopressourcen automatisch so, dass detaillierte Einzelzelldaten erfasst werden. Der gesamte Workflow, von der Bildaufnahme über die Analyse bis zur Datendokumentation, wird in einer intuitiven, integrierten Softwareoberfläche verwaltet, sodass kein komplexes Scripting und keine manuellen Eingriffe erforderlich sind. Die Bildanalyse erfolgt anhand definierter Schemata, was eine einfache Replikation ermöglicht; alle Datensätze werden zentral gespeichert und können intern wie extern geteilt werden, was die Datentransparenz fördert (Beispiel eines geteilten Datensatzes).

Die Standard-Browseroberfläche von Cytely.
Abb. 1: Die Standard-Browseroberfläche von Cytely. Angezeigt wird die mitotische Zellsubpopulation einer HeLa-Zellprobe

2: Direkter Vergleich des ersten niedrig aufgelösten Bildes mit der kuratierten hochauflösenden Neuaufnahme derselben Zelle.
Abb. 2: Direkter Vergleich des ersten niedrig aufgelösten Bildes mit der kuratierten hochauflösenden Neuaufnahme derselben Zelle. Der Datensatz besteht aus bovinen Lungenarterien-Endothelzellen

Beiträge zur Interoperabilität

Die Plattform von Cytely ist vollständig hardwareunabhängig und so konzipiert, dass sie sich nahtlos in weit verbreitete Mikroskopiesysteme integriert. Der modulare und flexible Aufbau der Analysepipeline von Cytely ermöglicht eine unkomplizierte Anpassung an unterschiedliche Versuchsaufbauten und Forschungsanforderungen. Die Kompatibilität mit offenen Standards und die umfassende Geräteunterstützung fördern eine breite Nutzung in der Community und erleichtern die Integration in bestehende Laborabläufe. Durch die Unterstützung offener Standards und eine hardwareunabhängige Implementierung begegnet Cytely zentralen Interoperabilitätsherausforderungen, die im gesamten Bereich der Smart Microscopy identifiziert wurden [2].

Einschränkungen

Obwohl Cytely Standardszenarien der Mikroskopie zuverlässig bewältigt, können besonders anspruchsvolle Gewebe mit komplexen Segmentierungsanforderungen weiterhin Schwierigkeiten bereiten. Zudem ist das System derzeit auf eine nutzergesteuerte Parameteranpassung vor den Experimenten angewiesen, um die Analyseergebnisse zu optimieren, insbesondere bei erheblicher biologischer Variabilität. Künftige Versionen sollen adaptive Algorithmen zur Parameteranpassung implementieren, um manuelle Eingriffe weiter zu reduzieren und die Benutzerfreundlichkeit und Reproduzierbarkeit von Experimenten zu verbessern.