Developing Automated Cell Segmentation Models Intended for MERFISH Analysis of the Cardiac Tissue by Deploying Supervised Machine Learning Algorithms

Abstract: Följande studie behandlar utvecklandet av automatiserade cellsegmenteringsmodeller med avsikt att identifiera gränser mellan celler i hjärtvävnad. Syftet är att möjliggöra analys av data genererad från multiplexed error-robust in situ hybridization (MERFISH). MERFISH är en spatial transcriptomics-teknik som till skillnad från exempelvis single-cell RNA sequencing (ScRNA-seq) och single molecule fluorescence in situ hybridization (smFISH), möjliggör profilering av hundratals RNA-sekvenser hos enskilda celler utan att förlora dess rumsliga kontext. I Kosuri laboratoriet på Salk Institute of Biological Studies i San Diego tillämpas MERFISH på mushjärtan. Syftet är att få en djupare insikt i hur celler är organiserade i friska hjärtan, och hur denna struktur ändras i och med åldring och sjukdom. Att extrahera meningsfull information från MERFISH medför dock en betydande utmaning - en exakt cellsegmentering. Studien bidrar följaktligen till utvecklandet av segmenteringsmodeller för att kringgå de utmaningar som står i vägen för all efterföljande analys. Då klassiska segmenteringsalgoritmer är otillräckliga för att segmentera den komplexa vävnad som hjärtat utgörs av, tillämpades några av dagens mest avancerade och framstående maskininlärningsalgoritmer inom fältet, kallade Cellpose och Omnipose. Givet den täta och heterogena hjärtvävnaden, som härstammar från en bred distribution av celltyper och geometrier, utvecklades två separata modeller; en för att täcka både mindre celler och kardiomyocyter skurna på tvärsnittet; och en för att enbart segmentera kardiomyocyter skurna i longitudinell riktning. Den förstnämnda modellen utvecklades och tränades i Cellpose, och uppnådde en träffsäkerhet på 91.2%. Modellen för longitudinella kardiomyocyter utvecklades istället både i Cellpose och Omnipose för att utvärdera vilket nätverk som är bäst lämpat för ändamålet. Ingen av nätverken lyckades uppnå en tillräckligt hög träffsäkerhet för att vara applicerbar, och är därmed i behov av fortsatt träning. Modellen genererad i Omnipose bedöms dock vara mest lovande, givet dess mer heltäckande segmentering. Ytterligare utvecklingsområden för framtiden innefattar segmentering av celler i fibros-täta regioner, samt att utveckla en 3D-segmentering av hela hjärtat för att uppnå en mer komplett MERFISH-analys. Sammanfattningsvis har de genererade segmenteringsmodellerna banat väg för möjliggörandet av en rigorös MERFISH-analys av hjärtat. Genom att avslöja några av de strukturella och funktionella orsakerna till hjärtsvikt på en cellulär nivå, kan vi således på sikt bidra till utvecklingen av mer effektiva terapeutiska strategier.