Top 5 Phần Mềm Phân Tích Hình ảnh Phục Vụ Nghiên Cứu

BioMedia

Nếu bạn quan sát các băng trên bản Western blot thì thường thấy các làn có thể có nhiều hoặc ít protein so với làn khác. Nhưng không phải luôn dễ dàng để so sánh hai băng bằng mắt thường một cách chính xác. Hơn nữa, vẻ bề ngoài có thể đánh lừa chúng ta. Ví dụ như nếu làn điện di không gọn hoặc băng bị cong khi chạy gel, băng protein nặng có thể sẽ thấy mờ, nhạt.

Đó là lúc mà phần mềm hình ảnh có thể giúp đỡ bạn bằng cách đo mật độ của một băng. Chỉ cần vẽ một khung xung quanh băng của bạn, chương trình sẽ cho bạn biết mật độ điểm ảnh (pixel density). Một số chương trình làm được nhiều thứ hơn, chẳng hạn như xác định số khuẩn lạc trên đĩa petri hoặc cường độ của tín hiệu huỳnh quang từ khay 96 giếng.

Sự lựa chọn phần mềm phân tích hình ảnh cho các nhà nghiên cứu rất đa dạng, từ phần mềm miễn phí có thể làm việc với bất kỳ loại ảnh nào cho đến các chương trình đắt tiền hoặc đặc thù cho hệ thống máy chụp ảnh. Không giống như Photoshop hay phần mềm chỉnh sửa ảnh nói chung, các chương trình chuyên dụng này thường có thể tự động phát hiện vị trí làn điện di bắt đầu và kết thúc cũng như tổng hợp thông tin từ nhiều băng. Phần mềm chuyên dụng cũng có thể loại bỏ tín hiệu nền (background signal) do nhiều nguyên nhân như liên kết không đặc hiệu của các kháng thể trên bản lai (blot) hoặc phơi sáng quá mức khi chụp ảnh.

Một yếu tố quan trọng cần cân nhắc là định dạng file phần mềm có thể xử lý. Có những phần mềm sử dụng định dạng độc quyền liên quan đến hệ thống hình ảnh của công ty sản xuất, trong khi cũng có nhiều phần mềm chấp nhận file có định dạng phổ biến như JPEG hoặc BMP. Một số nhà nghiên cứu thích làm việc với định dạng file TIFFs do khả năng giữ lại nguyên vẹn các thông tin của hình ảnh. Các định dạng khác như JPEG nén kích thước file ảnh lại và có thể làm mất vài thông tin quan trọng. Bất kỳ phần mềm hình ảnh nào cũng nên lưu file ở dạng gốc (raw file) và ghi lại các thay đổi mà người sử dụng tạo ra. Khi công bố nghiên cứu, bạn sẽ cần những thông tin đó.

Đối với những người dùng nhất định tại Mỹ, chẳng hạn như những người sản xuất dược phẩm, Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (FDA) yêu cầu họ cần có một quy trình dữ liệu hoàn chỉnh. Điều này đặc biệt quan trọng đối với sản xuất thuốc và kiểm soát chất lượng nên một số phòng thí nghiệm lâm sàng có thể muốn có thêm các lớp bảo vệ thông qua các bản ghi (record) và mật khẩu (password).

Đơn giản nhất là làm việc với phần mềm đi kèm với hệ thống chụp ảnh của bạn. Đối với các nhà nghiên cứu muốn có những tùy chọn khác để phù hợp với nhu cầu, có thể tham khảo 5 phần mềm phân tích hình ảnh sau.

1. IMAGEJ

(Nguồn: imagej.net/Welcome)

Phần mềm nguồn mở ImageJ được phát triển tại Viện Y tế quốc gia Mỹ (NIH) và được cải tiến bởi nhiều người dùng. Phó giáo sư Corentin Cras-Méneur tại Đại học Y Michigan đánh giá cao sự linh hoạt của ImageJ: "Đó là một phần mềm đa chức năng. Với ImageJ tôi có thể phân tích Western blots, tôi có thể định lượng tín hiệu từ kính hiển vi huỳnh quang, và cũng có thể kiểm soát kính hiển vi... bất cứ điều gì bạn có thể nghĩ đến."

Với đa số người dùng, ImageJ cơ bản là đủ để phân tích băng trên bản gel hoặc Western blots. Nhưng đối với những người muốn phân tích nhiều hơn, có thể sử dụng các phần mềm mở rộng (plug-in) và người biết lập trình ngôn ngữ Java có thể tạo ra các plug-in hoặc macro. Ví dụ, Cras-Méneur sử dụng một plug-in phân tích tín hiệu nền khác nhau giữa các hình ảnh và loại trừ cho phù hợp, thay vì giả định tín hiệu nền là đồng nhất.

Ưu điểm

• Linh hoạt, có thể mở rộng tính năng bằng các plug-in

• Hỗ trợ hình ảnh chồng lên nhau, ví dụ như các hình ảnh thu được từ một chuỗi mức độ khác nhau chụp bởi kính hiển vi đồng tiêu (confocal microscope).

Nhược điểm

• ImageJ không được thiết kế đặc biệt cho phân tích gel hoặc blot. Mặc dù nhiều câu hỏi thông thường được trả lời trong các diễn đàn trực tuyến, nhưng người dùng mới không có hỗ trợ kỹ thuật (qua điện thoại) từ nhà phát triển phần mềm.

• ImageJ sử dụng một kích thước hộp (khung lựa chọn) duy nhất cho tất cả các băng trên gel, trong khi một số phần mềm như Image Studio (xem dưới đây) cho phép tùy chỉnh kích thước này.

• Một số người dùng cho biết kết quả ImageJ không phù hợp với những gì họ quan sát bằng mắt, ví dụ họ thấy một băng tối hơn, nhưng con số đưa ra từ phần mềm lại không phản ánh điều đó.

2. IMAGE STUDIO

(Nguồn: www.licor.com/bio/products/software/image_studio_lite)

Phần mềm Image Studio đi kèm với các công cụ hình ảnh của LI-COR Biosciences, nhưng bất cứ nhà khoa học nào cũng có thể tải về phiên bản rút gọn (Lite version). Đó là một phần mềm tương tự, nhưng thiếu khả năng điều khiển máy ảnh.

Theo Jeff Harford, giám đốc tiếp thị sản phẩm cao cấp của LI-COR thì hầu hết người dùng hài lòng với phiên bản Lite. Tuy nhiên, LI-COR cũng bán các tính năng tùy chọn bổ sung như: phân tích ảnh Westerns có hai màu hoặc Westerns trong tế bào (in-cell Westerns); công cụ chụp ảnh động vật cho phép người dùng vẽ xung quanh đối tượng như khối u hoặc cơ quan; công cụ phân tích khay nhiều giếng.

Ưu điểm

• Giao diện dễ làm quen và sử dụng do có nét tương tự như Microsoft Word hoặc Excel.

• Có thể sắp xếp file dựa trên các thông số như ngày chụp ảnh, loại phân tích, kênh màu huỳnh quang được sử dụng, do đó dễ dàng để tìm lại hình ảnh cũ.

• Có thể tùy chỉnh các hộp xung quanh mỗi băng cho phù hợp.

Nhược điểm

• Phần mềm này chủ yếu tập trung vào chỉ một vài loại phân tích. Các nhà khoa học muốn dùng các chức năng khác như đếm khuẩn lạc hoặc phân tích hình ảnh kính hiển vi vẫn có thể làm điều đó với Image Studio nhưng có lẽ nên tìm các phần mềm chuyên dụng hơn.

• Hướng dẫn của phần mềm có định dạng video không nhanh và tiện như dạng văn bản.

3. IMAGE LAB

(Nguồn: www.bio-rad.com/en-us/product/image-lab-software)

Hệ thống hình ảnh của Bio-Rad như Gel Doc hoặc ChemiDoc đi kèm với phần mềm Image Lab. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng Image Lab để điều khiển máy và phân tích dữ liệu ngay tại chỗ hoặc chuyển các tập tin vào máy tính để phân tích. Phiên bản mới nhất của phần mềm có tính năng dùng màn hình cảm ứng và điều khiển ChemiDoc Touch. Image Lab cung cấp rất nhiều tính năng: chú thích băng, so sánh với thang chuẩn…

Ưu điểm

• Dễ dàng thiết lập máy ảnh theo nhu cầu, tự động điền các thông số như bộ lọc cần thiết cho Western blot hoặc nhuộm Ponceau.

• Có thể thực hiện "chuẩn hóa protein tổng số", so sánh băng quan tâm với tổng lượng protein trong mỗi làn điện di, căn cứ trên tín hiệu đánh dấu như nhuộm Ponceau. Điều này chính xác hơn so với phương pháp thông thường là đánh dấu protein quản gia như actin để chuẩn hóa lượng protein. Kết quả đưa ra là một tỷ lệ giữa cường độ tín hiệu của băng quan tâm trên tổng lượng protein trong một làn điện di.

• Tự động trừ tín hiệu nền xung quanh mỗi băng, thay vì sử dụng một giá trị tín hiệu nền duy nhất.

Nhược điểm

• Người dùng có thể bối rối vì có quá nhiều tính năng.

• Tự động phát hiện làn điện di không tốt, nhưng Bio-Rad đã lên kế hoạch để cải thiện tính năng này.

• Image Lab sử dụng định dạng file SCN độc quyền của Bio-Rad. Mặc dù người dùng có thể thực hiện một số phân tích cơ bản với định dạng TIFFs cũng như xuất file TIFFs để sử dụng trong các chương trình khác. Bio-Rad đang xem xét việc sử dụng định dạng file phổ biến hơn nhưng rõ ràng là người dùng không có máy chụp ảnh của Bio-Rad sẽ không nhận được nhiều lợi ích từ phần mềm này.

4. UN-SCAN-IT GEL

(Nguồn: www.silkscientific.com/gel-analysis.htm)

UN-SCAN-IT GEL được thiết kế để làm việc với bất kỳ hệ thống chụp ảnh nào, thậm chí là cả máy quét hoặc máy ảnh kỹ thuật số. Phần mềm có thể phân tích Westerns, dot blots, gel, tấm sắc ký lớp mỏng. Các nhà khoa học thường xuất dữ liệu sang các chương trình khác như Microsoft Excel hoặc SigmaPlot để phân tích và trực quan hóa.

UN-SCAN-IT GEL cũng đi kèm với phần mềm UN-SCAN-IT của Silk Scientific, cho phép phân tích đồ thị có hình ảnh không tốt (khi bạn không có dữ liệu gốc) ví dụ như một biểu đồ đường trong công bố khoa học cũ hoặc một dải giấy điện tâm đồ. Phần mềm sẽ số hóa các đồ thị và ngoại suy ra các con số đó từ đó.

Ưu điểm

• Sử dụng dễ dàng.

• Khi vẽ một hộp xung quanh băng, phần mềm cho biết sự phân bố mật độ pixel và tự động đề nghị phần viền của băng, nhưng bạn có thể điều chỉnh đường viền dựa trên đồ thị.

• Khi hai hoặc ba băng gối lên nhau, phần mềm sẽ giúp bạn phân biệt chúng. • Hệ thống hỗ trợ khách hàng sẵn sàng giải đáp các thắc mắc khi sử dụng.

Nhược điểm

• UN-SCAN-IT gel thiếu một số tính năng như xử lý gel 2-D.

• Phần mềm thường kéo dài hình ảnh gốc trong cửa sổ chính, có thể làm cho các băng rời rạc, tuy nhiên người dùng có thể chọn để kéo giãn hình ảnh hoặc duy trì tỉ lệ gốc.

5. CLIQS

(Nguồn: totallab.com/cliqs/)

Core Laboratory Image Quantification Software (CLIQS, sự kết hợp của hai chương trình trước đây là Phoretix và Totallab Quant) cung cấp một loạt các chức năng để phân tích gel, blots, microplate arrays và đếm khuẩn lạc. Phần mềm có thể tự động phát hiện làn và các băng, tính toán khối lượng phân tử dựa trên thang chuẩn và loại trừ tín hiệu nền. CLIQS cũng có thể thực hiện các phép đo cơ bản trên gel 2-D.

Bộ phần mềm hình ảnh của Totallab còn có CLIQS 1D Pro, SameSpots và SpotMap. Phiên bản CLIQS 1D Pro có các tính năng bổ sung cho phân tích gel một chiều và khay (plate). Phần mềm có thể tìm và ghépcác băng phức tạp, ví dụ như trong phân tích đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn (RFLP).

SameSpots và SpotMap được thiết kế để phân tích sâu gel 2-D. SameSpots cho phép bạn so sánh nhiều bản gel và ghép các điểm giữa chúng. SpotMap có thêm khả năng để so sánh bản gel với bản Western và cho phép chỉnh sửa ảnh sâu hơn; bạn có thể thêm hoặc xóa các điểm. Điều này đặc biệt hữu ích cho việc phân tích hàm lượng protein còn dư của tế bào chủtrong sản xuất dược phẩm sinh học.

Ưu điểm

• CLIQS cung cấp một loạt các chức năng và có thể làm việc với bất kỳ hệ thống chụp ảnh nào.

• Dễ dàng để trích xuất dữ liệu số trên các băng để phân tích thống kê.

• Có thể dùng chuẩn hóa protein tổng số hoặc protein quản gia để kiểm soát mức độ protein.

Nhược điểm

• Hơi khó khăn để tìm ra chương trình trong lần đầu tiên.

• Với nhiều chương trình chồng chéo từ Totallab, sẽ khó khăn để có sự lựa chọn phù hợp với nhu cầu phòng thí nghiệm của bạn.

Bảng tổng hợp thông tin về 5 phần mềm phân tích hình ảnh:

Phần mềm	Nhà phát triển	Giá	Hệ điều hành
ImageJ	NIH	Miễn phí.	Mac/Windows/Linux
Image Studio	LI-COR	Miễn phí với phiên bản Lite. 750 USD cho mỗi tính năng: small-animal, microplate, multiplex Westerns; 2.175 USD cho in-cell Westerns.	Mac/Windows
Image Lab	Bio-Rad	Miễn phí. (cần tạo tài khoản Bio-Rad)	Mac/Windows
UN-SCAN-IT gel	Silk Software	445 USD (mở khóa vĩnh viễn) hoặc 129 USD (hàng năm). Bản dùng thử cho phép làm việc với một số ảnh.	Mac/Windows
CLIQS	Totallab	1.099 USD, công ty có thể sắp xếp cho phép dùng thử.	Windows

Tài liệu tham khảo:

Amber Dance, "Software for Image Analysis", The Scientist, August 1, 2016.

Lược dịch và tổng hợp Lê Tuấn Anh

Biên tập Biomedia Việt Nam