[发明专利]在有纹理的电子显微图中识别和分类病毒粒子

说明书

技术领域

本发明涉及识别图像中的结构。具体地，本发明提供在有纹理的电子显微图中识别和分类病毒粒子的方法和装置。

背景技术

病毒装配是一个错综复杂的过程和研究集中的主题。病毒利用宿主细胞经过复杂的成熟和细胞内运输过程产生其子代病毒粒子。可以利用电子显微镜法在高度放大下监视该过程，从而允许可视地识别不同细胞区室中的病毒粒子的不同类型。有待解决的重要问题包括病毒装配过程中的每一步涉及到的病毒蛋白质的特性，以及在病毒成熟过程中不同类型的病毒粒子的细胞内易位和定位的机理。虽然可视化技术，如断层摄影法和croy电子显微镜已经对病毒结构的海量信息作出巨大的贡献，但通常很难用于病毒成熟的结构方面。这些技术提供稳态的信息，通常是成熟的病毒粒子。基因工具可用于产生关键病毒蛋白质成分的突变体，并能通过电子显微镜显示结构效果。但是，缺少合适的工具表征结构效果，尤其是中间和模糊粒子的形式和以客观的方法适当地对其量化。表征和量化病毒粒子、成熟和细胞内运送的图像分析工具有助于使用电子显微法客观地研究不同的病毒装配状态。需要从图像分析工具中构造和统计地获取大量信息，从而评估效果和得出结论。

发明内容

表征电子显微图中病毒粒子的结构形态是一项复杂的任务，但是与响应于所使用的突变和抗病毒药物的效果而研究成熟过程和监测病毒粒子形态的变化关系密切。因此已经开发了一套根据对给定病毒结构的投影的不变特征的测定来描述和分类病毒粒子形式的方法。在从电子显微图的小训练集获取的信息的基础上形成用于病毒粒子的模板，随后使用模板通过相关处理分类和量化无限多个电子显微图中的感兴趣的类似结果。使用线性变形分析，在此所述的新颖算法能够处理病毒粒子变异，如椭圆形，而且允许评估特性，如病毒粒子的大小和方位。定位感染人细胞巨化病毒的成纤维细胞的投射电子显微图中的三个不同类别的病毒粒子的能力展示了该方法的实际应用。

总之，该方法用于识别和表征电子显微图中的结构。选择第一图像中的结构。该结构具有在第一方向变形的第一形状类型。所选结构转换到不同于第一形状类型的第二形状类型。第二形状类型的转换结构用于形成多个模板。识别第二图像中新的结构。新的结构具有第一形状类型。每一个模板的第二形状类型结构在第一方向变形。确定哪一个模板是最匹配新结构的优选模板。

附图说明

图1A和1B是生长中的疱疹病毒的典型投射电子显微图；

图2A是空的疱疹病毒核壳；

图2B是具有半透明内核的疱疹病毒核壳；

图2C是包含已包覆的DNA的疱疹病毒核壳；

图3A是椭圆形的病毒粒子；

图3B是已经变形为圆形的病毒粒子；

图4A-C是在不使用系数减小(无)或使用展示最小变异(VAR)的80％的系数的电子显微图中，用于病毒壳体结构(A、B和C)的检验函数；

图5A是检验函数A与真实的壳体结构及类似伪结构的匹配；

图5B是检验函数B与真实的壳体结构及类似伪结构的匹配；

图6是与泡囊内部的检验函数A的匹配；

图7A-C是分别用于不同检验函数A、B和C的伪正比和(FPR)和伪负比(FNR)；

图8是用于检验函数A、B和C的正可能性函数(PPF)；

图9是病毒学家确定的出现在一组检验图像中的病毒结构的实际总数(X轴)与本程序识别的数量的比较。

图10是在所示用于C检验函数的电子显微图中自动生成的识别感兴趣的位置的图谱。

具体实施方式

在此描述了有助于在电子显微图中识别病毒粒子的自动化系统的开发。作为模型，使用已感染人巨细胞病毒(HCMV)的成纤维细胞，巨细胞病毒是一种β疱疹类病毒。应当理解疱疹病毒仅用作说明性示例及本发明不限于疱疹病毒。在感染人巨细胞病毒期间，产生病毒粒子的许多不同的中间形式。在疱疹病毒装配期间，迫使宿主细胞复制病毒基因物质，并产生壳体、病毒蛋白质外壳，其包裹和保护基因物质。壳体是球形结构，其尺寸和对称性可以变化，且当成熟时可以由双层薄膜套封。病毒壳体的成熟是病毒粒子生成的重要阶段，经常为人们所研究。但是，其在电子显微图中的外观变化显著，这使研究面临挑战。疱疹病毒唯一的特征是被膜，在最终包膜之前包裹壳体的病毒蛋白质层。通过在细胞质内的分泌泡囊中生长被膜壳体获得包膜。其后，通过用血浆薄膜融合包含泡囊的病毒，感染的病毒粒子退出宿主细胞。