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Un nouvel outil facilite la compréhension et l’utilisation des données d’imagerie haute résolution sur les tissus humains

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Pour beaucoup d’entre nous, Google Maps est devenu un outil quotidien indispensable : nous ouvrons un navigateur Web et accédons instantanément à une carte puissante où nous pouvons obtenir des directions, effectuer un zoom avant et un panoramique, superposer des fonctionnalités telles que le trafic et le terrain, et rechercher des points de repère spécifiques. Mais que se passerait-il s’il existait un outil doté de fonctionnalités similaires pour explorer un type de carte totalement différent ? Et si nous avions la capacité de Magic School Bus-esque de plonger profondément dans les détails des tissus qui composent le corps humain ?

C’est précisément l’idée derrière Minerva, un outil logiciel développé par des chercheurs de la Harvard Medical School dans le laboratoire de pharmacologie des systèmes du département de biologie des systèmes de l’Institut Blavatnik du HMS.

Minerva, disponible en ligne pour tous, porte le nom de la déesse romaine de la sagesse. Il permet aux utilisateurs d’accéder à des cartes détaillées d’échantillons de tissus recueillis au cours de la recherche, allant des tumeurs cancéreuses au muscle cardiaque en détresse. Sur chaque carte, les utilisateurs peuvent effectuer un zoom et un panoramique, superposer des fonctionnalités telles que les cellules immunitaires et explorer des zones remarquables. Les cartes intègrent également l’expertise de scientifiques et de médecins qui peuvent créer des récits pour guider les utilisateurs à travers les échantillons.

Les chercheurs espèrent qu’au fur et à mesure que la bibliothèque d’échantillons de tissus de Minerva se développera, l’outil sera utilisé par d’autres scientifiques, des revues scientifiques, des cliniciens, des stagiaires, des étudiants en médecine ou toute personne simplement curieuse, permettant ainsi le partage d’informations scientifiques et d’expertise scientifique. plus généralement.

« Nous collectons beaucoup de données de recherche, mais peu d’entre elles sont encore très accessibles, donc la question est de savoir comment mobiliser des données complexes pour que les gens puissent y accéder de manière utile », a déclaré Peter Sorger, le HMS Otto Krayer. Professeur de pharmacologie des systèmes, qui codirige le projet avec Sandro Santagata, professeur agrégé de pathologie HMS au Brigham and Women’s Hospital. « C’est vraiment ce qu’est Minerva. »

Noyé sous les données

Au fur et à mesure que la technologie d’imagerie a progressé, la capacité des scientifiques à collecter des données à très haute résolution sur les tissus du corps humain a également progressé. Grâce aux techniques d’imagerie multiplexées, les chercheurs peuvent recueillir ces détails au niveau d’une seule cellule, et ces données peuvent contenir 50 ou 60 couches d’informations sur les marqueurs protéiques et d’autres caractéristiques. Il y a plusieurs années, Sorger, Santagata et leur équipe ont développé leur propre technique d’imagerie multiplexée, l’immunofluorescence cyclique, ou CyCIF, qui est disponible gratuitement et utilise des instruments et des produits chimiques trouvés dans la plupart des laboratoires.

Alors que les scientifiques utilisaient CyCIF dans leurs propres recherches, ils étaient frustrés par le fait que des téraoctets de données d’imagerie complexes à haute résolution étaient systématiquement distillés en quelques petites images statiques lorsqu’ils publiaient des articles dans des revues scientifiques.

« Ce que vous publiez est un timbre-poste – un petit chiffre JPEG minuscule de 600 pixels de large – alors que l’image réelle dépasse largement quelques milliards de pixels, mais est bloquée sur l’ordinateur de quelqu’un », a déclaré Sorger.

Au cours des dernières années, la communauté de la recherche a de plus en plus souligné l’importance d’un partage de données plus complet, ou de ce que l’on a appelé des données « FAIR » : trouvables, accessibles, interopérables et reproductibles. En janvier 2023, une nouvelle politique des National Institutes of Health sur la gestion et le partage des données entrera en vigueur, exigeant que tous les scientifiques qui reçoivent un financement des NIH soumettent un plan décrivant comment leurs données seront gérées et partagées.

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Pourtant, malgré ces efforts, « notre travail nous a montré qu’il n’y a pas suffisamment d’investissements dans ce qui est réellement nécessaire pour accéder à l’une de ces données », a déclaré Sorger. « Nous continuons à collecter de plus en plus de données, et nous continuons d’aspirer à les rendre plus accessibles et partageables, mais nous ne construisons pas les outils logiciels nécessaires pour le faire. »

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C’est en partie parce que les données scientifiques sont souvent volumineuses, maladroites et difficiles à comprendre même pour les experts sans guide (comme Google Maps sans étiquettes), donc concevoir des outils qui prennent en charge le partage d’informations de manière utile est plus facile à dire qu’à faire.

« Vous pourriez télécharger l’une de nos images, et elle serait alors sur votre ordinateur occupant votre disque dur », a expliqué Sorger. « Sans logiciel spécialisé, dont une grande partie est encore en cours de développement, vous ne pourriez pas le regarder. Vous ne pourriez pas interagir avec lui. Et même si vous le pouviez, vous ne sauriez pas nécessairement ce que c’était. »

C’est là qu’intervient Minerva.

Donner du sens aux choses

Basé dans le cloud, Minerva est organisé en histoires, chacune étant centrée sur un seul échantillon de tissu ou un ensemble d’échantillons associés. Lorsque les utilisateurs interagissent avec une image, ils peuvent se déplacer d’un endroit à l’autre et effectuer un zoom avant ou arrière pour explorer. Ils peuvent également activer et désactiver différentes couches d’informations, notamment les cellules immunitaires, d’autres types de cellules ou des marqueurs protéiques, ou l’architecture physique du tissu, entre autres.

Les histoires de Minerva incluent également un « docent numérique », un élément de narration composé d’un panneau de texte qui apparaît à côté de chaque image. L’idée a été inspirée par les visites de musées – à la fois des visites audio pour une visualisation en personne et des visites en ligne développées pendant la pandémie de COVID-19 – qui guident les visiteurs à travers une exposition en offrant une introduction narrative à différentes œuvres d’art. Le panneau de narration dans les histoires Minerva guide les utilisateurs à travers les principales caractéristiques d’un échantillon, fournissant des informations supplémentaires sur chaque fonctionnalité en cours de route. Les utilisateurs peuvent s’arrêter pour explorer librement l’échantillon à tout moment et revenir à la narration plus tard.

Les utilisateurs peuvent également créer leurs propres histoires Minerva avec narration.

Sorger et Santagata ont décrit Minerva – et l’idée de guides narratifs en ligne pour les échantillons de tissus – dans une perspective récente de Nature Génie biomédical.

Jusqu’à présent, de nombreuses histoires de Minerva se concentrent sur le cancer, y compris le mélanome, le cancer du poumon et le cancer colorectal. Le cancer fournit un point de départ évident, a déclaré Sorger, car il est largement diagnostiqué sur la base d’échantillons de tissus – dans 85 à 90% des cas, selon son estimation. Cependant, les histoires de Minerva peuvent être créées pour toute condition qui apparaît ou laisse ses marques dans un tissu, y compris les maladies cardiaques, la tuberculose, la neurodégénérescence et le COVID-19.

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Sorger et Santagata ont créé des histoires de Minerva à partir d’images associées à des articles qu’ils publient dans des revues scientifiques, ainsi que des images de recherches non publiées, ce qui a donné environ deux cents histoires à ce jour. « Ce sont essentiellement des mini-publications », qui permettent aux scientifiques d’accéder à beaucoup plus d’informations que celles disponibles dans un article, a expliqué Sorger.

Par exemple, les chercheurs ont créé une histoire de Minerva sur le mélanome pour un article récent dans Découverte du cancer dans lequel ils ont créé des cartes spatiales à petite échelle montrant comment les cellules individuelles interagissent au fur et à mesure que le cancer progresse. À l’avenir, les chercheurs envisagent que chaque petite image statique d’un article scientifique devienne un point d’entrée dans une histoire complète de Minerva. « Nous le voyons compléter un chiffre conventionnel en fournissant plus de contenu et de contexte », a déclaré Sorger.

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Les images des manuels médicaux pourraient également devenir des histoires de Minerve. Par exemple, au lieu d’un manuel fournissant un instantané de tissu avec un infarctus du myocarde, un étudiant pourrait cliquer sur l’image et utiliser Minerva pour explorer librement la représentation visuellement plus dynamique et beaucoup plus détaillée de cet échantillon. « Cela donne un engagement participatif avec des images qui, nous l’espérons, amélioreront l’éducation médicale », a déclaré Santagata.

Minerva peut également être utile aux pathologistes en formation qui apprennent à analyser des échantillons de tissus. Actuellement, les étudiants en pathologie sont assis devant un microscope à plusieurs têtes et regardent une lame de tissu pendant qu’un instructeur les guide à travers le cas et souligne les caractéristiques essentielles pour établir un diagnostic. Les histoires de Minerva contiennent une grande partie de ces informations, avec l’avantage qu’elles peuvent être consultées à la demande et de n’importe où. « Avec Minerva, nous pouvons capter l’expertise d’un large éventail de personnes et la diffuser largement », a déclaré Santagata. « Cela élargit vraiment notre portée et fournit également plus de types de données que nous pouvons utiliser pour éduquer les gens. »

Sorger et Santagata pensent que Minerva pourrait également soutenir une poussée plus large pour numériser la pathologie. Actuellement, la pathologie repose encore largement sur des lames de tissus physiques, qui doivent être envoyées par la poste chaque fois que des collègues de différents établissements souhaitent se consulter. En fait, Santagata estime qu’environ un million de lames d’environ 100 000 cas transitent chaque année par le département de pathologie de Brigham and Women. Avec Minerva, les pathologistes pouvaient facilement partager des versions numériques d’échantillons de tissus, ainsi que les informations essentielles nécessaires pour les interpréter.

Conformément à leur objectif de rendre Minerva largement disponible, Sorger et Santagata ont rendu l’outil et tout son code en libre accès. Ils estiment que 10 groupes de recherche de différentes universités ont construit leurs propres histoires Minerva, et environ 25 laboratoires utilisent activement Minerva, y compris plusieurs laboratoires connectés au réseau Human Tumor Atlas du National Cancer Institute. Les chercheurs travaillent actuellement à l’intégration de Minerva dans les outils existants, y compris cBioPortal, un outil en libre accès pour explorer les ensembles de données génomiques sur le cancer, une étape qui, selon eux, élargira considérablement l’utilisation de Minerva. Ils pensent également que Minerva peut plaire aux non-scientifiques intéressés à en savoir plus sur une condition particulière, y compris les patients défenseurs du cancer ou le public profane scientifiquement curieux.

« Notre mission est de créer des biens publics. Nous nous occupons de l’éducation et de la recherche, et celles-ci sont du domaine public », a déclaré Sorger. « Si nous voulons créer quelque chose qui soit utile dans une classe ou dans la recherche, nous ne voulons pas mettre de barrières à son utilisation. »

En plus de rendre les données scientifiques plus accessibles, les chercheurs espèrent que Minerva suscitera un plus grand intérêt pour la science et la recherche scientifique.

« Il est remarquable de pouvoir prendre ce qui était autrefois une image statique et de lui donner vie. Il y a une certaine merveille et une certaine magie qui font partie de l’expérience d’engagement et d’interaction avec les données de cette manière », a déclaré Santagata. « Nous espérons que Minerva rendra la science plus passionnante et plus compréhensible pour les autres scientifiques, pour le grand public et même pour nous-mêmes. »


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