Biobanken gaan digitaal aan de Vrije Universiteit Brussel

Overzicht

Om het gebruik van pathologische collecties te bevorderen is er op de Vrije Universiteit Brussel (VUB) met steun van Innoviris een online Histopathologie platform gebouwd dat een catalogus van weefsels in de biobank presenteert. Dit is gedaan om bij te dragen tot de valorisatie van de biobank, en moet leiden tot nieuwe samenwerkingsverbanden tussen de academische wereld en het bedrijfsleven. De focus ligt op diabetes en oncologie. Deze biobanken hadden reeds een belangrijk internationaal profiel, met inbegrip van betrokkenheid bij de door onderzoekers aangestuurde klinische studies en samenwerking met de industrie. De (digitale) biobank is beschikbaar voor andere universitaire ziekenhuizen en kennisinstellingen. Een aparte portaal-website is opgezet en is openlijk beschikbaar op http://www.diabetesbiobank.org

Biobank en digitale pathologie

Een "biobank" is een georganiseerde verzameling van menselijk lichaamsmateriaal en de bijbehorende informatie die is opgeslagen voor onderzoeksdoeleinden. De term wordt normaliter gebruikt voor verzamelingen van menselijke proefstukken, maar kan ook worden gebruikt voor verzamelingen van planten, dieren, bacteriën en andere niet-menselijke materialen. Soorten proefstukken zijn bloed, urine, speeksel, huidcellen, orgaanweefsel, en andere materialen van het lichaam. De primaire taak van de biobank is om de proefstukken in goede conditie te houden voor toekomstige analyse. Hiervoor hebben biobanken meestal verschillende opslagfaciliteiten voor de proefstukken, van opslag in vloeibaar stikstof (-80°C), koelkasten (4°C ) tot magazijnen met paraffine blokken met (humaan) weefsel, onderhouden door instellingen als de onze, maar ook door farmaceutische bedrijven. Ziekte-gerichte biobanken, meestal onderdeel van een universitair ziekenhuis, hebben naast bloed en urine stalen vaak ook formaline gefixeerde en in paraffine ingebed (FFPE)weefsel beschikbaar, zowel formaline gefixeerde en in paraffine ingebed (FFPE) ook vers ingevroren weefsel als ook de coupes met de specifieke kleuringen van het weefsel.

Digitale pathologie

Whole Slide Imaging (WSI) technologie maakt het mogelijk om de coupes (glazen dia's) te scannen en bekijken op een computerscherm via speciale software. Digitale microscopie ligt een stap voor op de traditionele optische microscoop en maakt gebruik van optische en digitale camera's om een beeld te produceren op een monitor, meestal ondersteund door software. Resulterende beelden zijn groot: circa 200k bij 100k pixels en een aantal gigabytes in grootte. Aanvragen voor deze gegevens vandaag de dag zijn (meestal) in de (digitale) pathologie en beeldanalyse (Bio-imaging informatica).

Digitale pathologie is een toepassing van whole slide imaging. Digitale pathologie kan helpen bij het vinden van oplossingen voor het publiek beschikbaar maken van wetenschappelijk onderzoek door de publicatie van een catalogus van reeds aanwezige dia collecties. Het onderwerp kwam al eerder aan bod in MT-Integraal.

Waarom een biobank digitaliseren?

Ondanks de ontwikkeling van strikte protocollen omtrent het opnemen van materiaal in biorepositories, kunnen proefstukken in een biobank nog steeds van weinig waarde blijken te zijn voor downstream testen. In een groot onderzoek met 1138 proefstukken in de weefselbank van de Universiteit van Indiana, was slechts 59% met ten minste 65% tumor versus niet-neoplastisch weefsel. Tevens had 23% een tumor volume dat minder dan 65% van het aantal proefstukken weerspiegelde, 17% was volledig tumor negatief, en 1% was volledig necrotisch. Deze bevindingen onderstrepen het belang van het instellen van adequate maatregelen voor de kwaliteitscontrole van histologische proefstukken voordat opgeslagen proefstukken beschikbaar worden gesteld voor downstream testen.

De beschikbaarheid van een online database met whole slide images voor proefstukken in een biobank maakt het voor onderzoekers mogelijk om monsters op basis van weefselsamenstelling te voorselecteren.

De belangrijkste voordelen hiervan zijn tweeledig:

• Onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het verkrijgen van materiaal uit de collectie, kunnen de proefstukken eerst visueel inspecteren en zien of het proefstuk echt het materiaal bevat waar ze op zoek naar zijn
  
• Computationeel georiënteerde wetenschappers kunnen de noodzaak om (fysiek) materiaal uit de biobank op te halen omzeilen, en "virtuele" studies op louter beeldmateriaal uitvoeren. Naast het openstellen van de collectie aan een nieuw soort publiek, is het op deze manier ook mogelijk hetzelfde materiaal steeds opnieuw te raadplegen. De beperkingen omtrent het raadplegen kunnen tevens enigszins worden versoepeld, omdat (in tegenstelling tot fysieke proefstukken) digitale data per definitie herbruikbaar is voor vele groepen over de hele wereld.

Technische beschrijving hard- en software

Aan de Vrije Universiteit Brussel in Jette, Belgïe, werd een afzonderlijk project opgestart om een digitale histopathologie-interface te bouwen als complement voor de reeds bestaande biobank. Het resultaat is een hybride oplossing die bestaat uit commerciële hardware (Leica Biosystems) en software (Pathomation), alsmede open-source pakketten (Pydio, ImageJ). We beschrijven eerst de opzet van de infrastructuur, en daarna tonen we hoe deze nieuwe technologie de onderzoeks- en onderwijsactiviteiten sterk heeft verbeterd.

Geïnstalleerde hardware

In een eerste fase werd een Aperio CS/2 scanner van Leica gekocht na een openbare aanbesteding. Dit is een lijn scanner die in verschillende formaten kan opslaan, waaronder het (op TIFF gebaseerde) SVS formaat van Aperio, met mogelijkheden voor zowel JPEG als JPEG2000-compressie. Hoewel standaard ingeschakeld is JPEG2000-compressie teruggezet naar JPEG. Computationeel zijn de specifieke algoritmen per definitie kubiek (n^3), en het "normale" JPEG heeft een gereduceerde complexiteit (n^2).

Echter, voor onderzoekers binnen ons instituut die onze central imaging faciliteiten wilden gebruiken, leidde dit tot ongewenste observaties dat ze wederom een nieuw softwarepakket (Aperio ImageScope) moesten downloaden en ermee moesten leren omgaan.

Geïnstalleerde software

Integratie met bestaande organisatorische processen is de belangrijkste factor die succesvolle software oplossingen van standalone software programma's onderscheidt.

In een tweede fase is bestaande digitale beeldapparatuur samengebracht in één enkel platform. Omdat bestandsformaten van de Zeiss microscopen en de Nikon microscopen niet kunnen worden geïndexeerd door eSlide Manager van Aperio, is een nieuw softwareplatform geïntroduceerd om universele toegang tot microscopische beeldvormingsmateriaal te verschaffen. Het Pathomation software platform voor digitale pathologie heeft aanzienlijke extra waarde toegevoegd aan onze inspanningen voor microscopie digitalisering, waaronder:

• Geeft toegang tot digitale microscopie gegevens vanaf elke locatie en voor elk doel.
  
• Geeft geïntegreerde toegang tot elk type bestand, ongeacht de herkomst van de (hardware leverancier)
  
• Geen aparte viewing software te installeren op de lokale computer
  
• Integreert digitale microscopie content in speciale gemeenschappelijke portaal websites
  

Tenslotte werden ook een aantal open-source toepassingen ter hulp geroepen om medewerkers en participerende onderzoekers bij te staan. Pydio wordt vandaag gebruikt om individuele gebruikers toe te staan eigen bestanden te beheren en te delen met anderen. ImageJ is dan weer een programma voor afbeelding-analyse. Een plugin voor beiden voorziet een rechtstreekse koppeling met de door Pathomation aangeboden beelden, zodat er nooit data-duplicatie plaatsvindt. Een goede zaak, want een individueel beeld kan makkelijk 3GB en zelfs meer aan ruimte innemen. 

De portaal website bouwen

De Diabetes Biobank website is gebouwd met behulp van Microsoft ASP.Net technologie en de programmeertaal C#. Om de website op het Internet te publiceren, is de Internet Information webserver gebruikt. Daarnaast hoeven geen speciale plug-ins te worden geïnstalleerd of ingeschakeld (op de client of server-side). De site vereist authenticatie van de gebruiker, die plaatsvindt op basis van Aperio's ImageServer web service (dus geen noodzaak om overbodige gebruikersdatabases te onderhouden). Read-only toegangsrechten tot de inhoud van de site moeten worden toegekend aan het uitvoerende proces.

Whole slide image gegevens wordt opgehaald uit een Pathomation PMA.core server via SOAP web service calls. Dit betekent dat de server waar de site op staat, toegang moet hebben tot de PMA.core installatie over HTTP. De uiteindelijke infrastructuur in onderstaand schema:

Voorbij biobanking: Beeldanalyse en geautomatiseerde morfometrie

Hulpmiddelen voor beeldanalyse kunnen worden gebruikt om objectieve kwantificeringsmaatstaven te ontlenen uit digitale dia's. Patroonherkenning en visuele zoekfuncties kunnen worden gebruikt om beelden van proefstukken te classificeren en medisch belangrijke regio's van digitale dia's te identificeren. Het opnemen van digitale pathologie in procedures omtrent kwaliteitscontrole van de biobank - met behulp van geautomatiseerde patroonherkenning en morfometrische beeldanalyse om weefselfuncties te kwantificeren in digitale WSI van weefselsecties - kunnen de variabiliteit en subjectiviteit geassocieerd met routine pathologische evaluaties in biorepositories tot een minimum beperken. Whole-slide beelden en de door een patholoog beoordeelde morfometrische analyses kunnen aan onderzoekers worden verstrekt ter ondersteuning van de selectie van proefstukken.

Voor onze diabetes biobank voorzien wij een intelligent query-systeem in de toekomst waarmee geïnteresseerde gebruikers de volgende soorten vragen kunnen stellen: "Geef mij pancreas weefsel van patiënten met een recent onset diabetes en een vatbare HLA-DQ genotype. Tenminste 10% van de eilandjes moeten nog steeds insulineproducerende cellen bevatten".

Om de ontwikkeling van dergelijke systemen verder te bevorderen en verkennen, zal voor de eerste keer dit jaar een workshop ("Digital Pathology meets Bioinformatics") worden gehouden in Den Haag op 4 september, in het kader van de Europese Conferentie over Computational Biology.

Deze workshop moet helpen bij het bevorderen van mogelijkheden tussen whole slide imaging (digitale pathologie) en de bio informatica gemeenschap. Voorbeelden van onderwerpen zijn machine leren, computer visie, en software-ontwikkeling methoden om de exploitatie van grote afbeeldingen te vergemakkelijken, bijv. de herkenning en kwantificering van cellen, weefsels en andere morfologische "objecten" in grootschalige datasets met microscopische beelden. Daarnaast verwelkomen wij mogelijkheden die deze virtuele extractie procedures naar een nieuw niveau tilt, bijv. door analyse van netwerkpatronen die voortkomen uit Delaunay-triangulatie van deze geëxtraheerde kenmerken. Meer informatie kan worden gevonden op de website van de organisatie: http://www.eccb2016.org/programme/workshops-tutorials/

Slotopmerkingen

Dankzij de high-performance digital slide scanners zoals de Aperio CS2 van Leica en flexibele software oplossingen zoals het Pathomation software platform voor digitale pathologie, zijn volledig digitale microscopie en pathologie workflows in pathologie afdelingen nu binnen handbereik. Omdat whole slide imaging steeds vaker wordt gebruikt voor toepassingen zoals in het onderwijs en in pathologie beoordelingen, is het waarschijnlijk dat meer labs toegang krijgen tot deze systemen en whole slide image repositories zullen aanmaken als add-ons van bestaande biorepositories. Dit is haalbaar en vanuit het oogpunt van regelgeving kan het zelfs verplicht worden in een niet zo verre toekomst. We verwachten dat whole slide image database repositories die biorepositories vergezellen zich snel zullen verspreiden en een nieuwe "zorgstandaard" voor biobanken zullen worden.

Met dank aan Jacko Duker (UMC Groningen) en Peter In’t Veld (Vrije Universiteit Brussel) voor revisies en andere nuttige opmerkingen