pyIMD：单细胞惯性质量测量的自动分析

==-=-SoftwareX 10（2019）100303原始软件出版物pyIMD：单细胞惯性质量测量的自动分析Andreas P. Cunya，b，David Martínez-Martína，Gotthold Fläschnera，a苏黎世联邦理工学院，生物系统科学与工程系，4058巴塞尔，瑞士瑞士生物信息学研究所，4058 Basel，Switzerlandar t i cl e i nf o文章历史记录：2019年3月31日收到收到修订版2019年6月21日接受2019年关键词：单电池质量皮贝朗振荡器a b st ra ct单细胞的总质量可以准确地监测在生理条件下实时与我们最近开发的picobalance。它是研究生物物理学，细胞生物学或医学中关键过程的强大工具，如细胞生长或水合动力学。然而，原始数据的处理可能具有挑战性，因为需要计算来提取质量，并且长期测量可能会产生大量数据。在这里，我们介绍了软件包pyIMD，自动化的原始数据处理，特别是在调查非迁移细胞。pyIMD是用Python实现的，可以用作命令行工具，也可以用作包括图形用户界面的独立版本。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。软件元数据当前软件版本0.0.8此版本可执行文件的永久链接https://github.com/cunyap/pyIMD/releases法律软件许可证GPL v3计算平台/操作系统Linux，OS X，Microsoft Windows安装要求&依赖64位Windows、OSX或Linux系统。Portable包含所有需要的依赖项。如果可用，用户手册链接-如果正式发布，请包括参考https://pyimd.readthedocs.io/en/latest/index.html参 考 文献列表中的出版物问题支持电子邮件andreas. bsse.ethz.ch代码元数据当前代码版本0.0.8此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_85法律代码许可证GPL v3代码版本控制系统使用Git软件代码语言使用Python编译要求，操作环境&依赖Pandas>0.23.3'，'numpy>1.14.5'<，' scipy 1.3.0 '，'nptdms> 0.12.0 '，’tqdm> 4.23.4’, ’plotnine> 0.3.0’, ’PyQT5’, ’lxml’, ’xmltodict’, ’matplotlib’,‘pyyaml’, ’pyqtgraph’,如果可用，链接到开发人员文档/手册https://pyimd.readthedocs.io/en/latest/index.html问题支持电子邮件andreas. bsse.ethz.ch∗通讯作者。电子邮件地址：gflaesch@ethz.ch（G.Fläschner）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.1003031.介绍细胞质量的实时跟踪是一种新兴的研究细胞发育和稳态的生物物理方法[1]。它可以提供一个新的角度对细胞生长和水化相关2352-7110/©2019作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2A.P. Cuny，D.Martínez-Martín和G.Fläschner/SoftwareX 10（2019）100303（）Qf−f·==+=M= m，（3））+的=≈kin2其中A是振荡器的振幅，m2==NF− F基因表达[2]和增殖[3]等现象以及心脏肥大和神经发育障碍[4]。随着惯性皮天平[5]的引入，首次可以在物理条件下以高时间分辨率和质量灵敏度测量单细胞的总质量这项技术产生了大量的数据，这些数据可能很难处理，特别是对于长期测量。数据是作为微振荡器的自然频率获得的，单个活细胞附着在微振荡器上。附着质量的变化反映在自然质量的变化中。为了确定悬臂梁的固有频率fN，它被光热激发[9]。因此，强度调制激光加热悬臂的基础（图。 1a）周期性地并引起循环应力，这导致振荡。 读出信号相对于激励信号的滞后被称为相位φ（图1）。1b）并且取决于激励频率。当激励频率f在包括fN的间隔内扫描时，记录φ（f）。为了提取fN，我们将φ（f）与阻尼谐振子的方程拟合（图1）。 1 b）：（ff）N乌拉尔频率 皮电子天平具有连续测量模式（模式1：PLL）和快照测量模式（模式2：扫描）。在模式1中，仪器记录自然的φ（f）=atan22+b1f+b2，（2）频率迅速（目前高达每10 ms）生成到7. 2 105个数据点在一个单一的实验中，只有2小时。在在模式2中，仪器仅每隔几分钟测量一次，以在敏感细胞的情况下引起较小的应力与模式1相比，这生成为了提取每个时间点的固有频率，相位的可靠拟合（参见第2章），在一次测量中获得的数据。这反过来又是大规模计算所需要为了提高该方法的生产率和处理长期测量的数据量的增加，我们开发了一个软件包，从原始数据中快速提取细胞质量该软件包的目标是以最少的用户输入来分析几个实验。它可以从shell或Apache/IPython Notebook调用，也可以作为一个独立的版本使用，并实现了图形用户界面（GUI）。我们称之为软件包pyIMD（Python惯性质量测定）。除了上述两种测量模式下的基本质量计算外，pyIMD还允许对细胞位置进行校正，前提是细胞在实验期间不迁移这是必要的，因为微谐振器的灵敏度取决于附着细胞的位置。在这篇手稿中，我们描述了所有的分析进行的理论背景，讨论了架构和使用的包。2. 背景为了测量细胞质量，人们可以利用机械振荡器具有较高质量的振荡器具有较高惯性，因此较难加速，且因此具有较低的自然频率惯性的变化是由M细胞的总细胞质量引起的，M细胞包括水、蛋白质、脂质，其中品质因数Q描述罐的阻尼tilever，b1说明了电子相位滞后，b2描述了光热激发的相位滞后[10]。为了随时间监测细胞质量，在高时间分辨率采集（模式1）的情况下，称为锁相环（PLL）的电子电路跟踪自然频率（每10 ms）。为了确定固有频率，PLL调节激励频率，使得测量的相位恒定。PLL将数据记录为相对于初始自然频率fN，w/cell（t0）的频移fPLL（t）。为了计算mcell（t），将fN，w/cell（t）fN，w/cell（t0）ΔfPLL（t）插入等式（1）中。（一）.对于激光影响细胞的实验配置，方便的是不连续跟踪fN，而是每隔几分钟测量一次（模式2）。在测量之间，激发激光器被关闭。在这种情况下，fN，w/cell（t）仅通过φ（f， t）的重复拟合来提取。除了少数例外[11]，扩散器的质量灵敏度S取决于附着质量的位置XC，因此M单元和m单元之间的关系可以写为M单元m单元/S（XC）。XC可以通过光学显微镜测定（图11）。1c）作为悬臂上电池接触区域的几何中心。导出S（XC）的表达式，从能量考虑可以发现[12]：1细胞c-myc2（XC）式中，λ是悬臂沿其长轴的挠度，标准化后在自由端为1（λ（L））①的人。对于矩形悬臂，可以在欧拉-伯努利梁理论中推导出λ（X（x）=αsin（ix）− sinh（ix）糖和核酸等。在细胞内计算M单元格从细胞附着时的固有频率下降，第一步是使用等式[6]计算细胞的表观质量m（sin（iL）+sinh（iL））（cosh（ix）−cos（ix）），（4）cos（L）+ cosh（L）其中α是归一化幅度。有无穷多个参数，每个参数描述了罐头的不同运动-k（11） im单元格=4π22N， w/细胞2N，无细胞、（1）称为振动模式。对于矩形悬臂，第一振动模式有利于质量测量，因为S在自由端处最高，在自由端处最便于连接k是悬臂弹簧常数，fN，w/单元 并且fN，w/o单元是有和没有细胞的悬臂梁的固有频率，分别。为了从m细胞计算M细胞，需要考虑细胞附着位置处悬臂的质量灵敏度当量（1）由振子势能E pot的等式导出1kA2和动能E1mω22质量，ω2 πf是角速度，f是振荡频率.例如，可以使用Sader [7]方法或通过热调谐[8]测量弹簧常数k[1]自然频率，也称为本征频率，是振荡器在没有任何阻尼的情况下振荡一个 细胞（图。1b）。它的自然频率也是最低的振动模式根据第一个振动模式是11。875/L。将其插入Eq。（4），我们得到了（图1）。1c）。在实验上，可以通过在相应的fN处激励悬臂来选择模式。3. 软件框架3.1. 软件构架pyIMD是一个用Python 3编写的开源软件。它可以在Python控制台，Python/IPython笔记本或通过其GUI中使用，具体取决于用户的工作流程，需求和偏好A.P. Cuny，D.Martínez-Martín和G.Fläschner/SoftwareX 10（2019）1003033Fig. 1.测量装置和原理。a.在基底处，激光激发细胞在自由端处粘附的悬臂。运动由一个第二激光更多细节见picobalance出版物[5]。b，频率相关相位φ（f）描述了激励信号和读出信号之间的滞后。通过拟合φ（f），（2）确定悬臂梁的固有频率。c，附着于悬臂的HeLa细胞的显微镜图像。XC表示质心。比例尺为10 μ m。d，长度为L的矩形悬臂的第一振动模式的形状。悬臂固定在0，因此1（0）= 0，导致S（0）= 0。在位置L处，振幅最高，因此S（L）=1。图二. 软件架构流程图。每次分析都从创建包含所有相关实验元数据的项目文件开始。所需的然后，将数据集读入存储器，接着是数据准备步骤。根据不同的测量模式，可以计算质量并以图形方式显示并出口。框的形状编码用于用户输入（梯形）、处理（矩形）、加载保存的数据（拱形矩形）、决策（正方形）、提示）、数据存储（DATA）。该包可以从git仓库安装，也可以使用Python包安装程序（pipinstall pyIMD）或（conda install -c cunya pyimd）从现有的Python安装中安装，从而自动安装其他依赖项或者，可以下载编译的跨平台（UNIX、OSX和WIN）独立可执行文件以供直接使用。软件包分为GUI和功能（见下一节3.2）。图2，描述了软件包内的数据流。通过创建项目文件创建新的pyIMD项目，其中定义了数据集和实验参数的位置。在单位转换（数据准备）之后，计算模式1或模式2的频率-时间曲线。在模式1中，初始频移使用等式2计算：（2）并使用PLL数据针对每个时间点进行更新。在模式2中，Eq. 将公式（2）拟合到每个采集时间点的扫描数据。最后，计算总质量M 单 元（t）。每个步骤的控制图默认保存为png（或可选的pdf），最终结果保存为逗号分隔（csv）文本文件。3.2. 软件功能图3显示了pyIMD的核心软件功能。API的详细描述可以在在线文档中找到，这里只给出了一个简短的概述。惯性质量确定（imd）模块实现了核心类，是与用户的直接接口。一旦imd对象被实例化，用户可以创建、加载、运行和保存pyIMD项目。通过加载子模块输入/输出（io）、配置、分析和绘图，扩展了类功能的处理数据仅取决于由PI- COBALANCE控制器和相应的采集软件提供的原始文件格式。io模块实现文件的读写。 它读取常见的输入格式*.tdms、*.txt和 *. dat。文件格式由LabView编写的自定义仪器控制器使用，并允许非常好地结构化数据。 *.txt和 *.dat格式由商业通用扫描探针显微镜（SPM）控制器（如Nanonis）采用。这些也可以用于控制皮平衡并生成细胞质量数据。配置模块实现所有必需和可选参数的中央存储。分析模块实现计算共振频率、频率拟合和质量计算所需的所有方法。绘图模块实现了创建数据流中不同步骤的可视化的方法。ui模块实现用户界面及其与imd模块的交互。4. 软件使用在这里，我们展示了两个典型的情况下，如何pyIMD可以用来计算质量的皮电子天平数据。第一个用例展示了如何将pyIMD与Python脚本一起使用，该脚本可能包含在更大的工作流中。第二个用例说明了通过GUI进行的用户交互。4.1. 如何在Python控制台中使用pyIMD的示例脚本清单1中的示例脚本演示了如何使用pyIMD通过Python4A.P. Cuny，D.Martínez-Martín和G.Fläschner/SoftwareX 10（2019）100303图三. 描述软件功能。pyIMD包由两个主要模块组成。惯性质量确定（IMD）模块和用户接口模块（UI）。imd模块包括输入/输出（io）、配置、分析和绘图模块。图四、 pyIMD GUI和设置对话框的图示。console. 首 先 ， 实 例 化 IntertialMassDetermination 对 象 。 新 的pyIMD项目是通过定义路径创建的， 测量文件。最小输入是两个文件，其中包含有和没有连接到悬臂的单元的相位响应φ（f）以及来自任一模式的测量的长期数据1或模式2，支持 *.tdms、*.txt和*.dat格式。与数据一起，实验特定的参数，如细胞位置被定义。在线 文 档 详 细 描 述 了 所 有 参 数 。 可 以 在 运 行 计 算 调 用“print_pyimd_project”函数之前检查设置。调用“run_inertial_mass_determination” 函 数 开 始 质 量 计 算 。 保 存pyIMD项目用于文档目的是一种很好的做法，但如果必须使用不同的参数集重新分析数据，也是如此。4.2. 如何使用pyIMD的GUI示例图图4示出了通过GUI的用户交互点。所示的配置允许执行与用例示例4.1中相同的计算。通过菜单栏（1）可以加载、保存pyIMD项目并打开设置和参数对话框（如右侧所示）。帮助菜单包含软件文档、快速帮助（也在启动时显示）、更新日志以及有关软件依赖项和作者的信息。选项卡（2）允许在单次计算、批量计算和结果之间切换。完成所有计算后，启用结果选项卡，并在（7）中显示最新的结果图和数据表。(3)创建一个新的pyIMD项目，同时选择至少三个所需的数据文件为了计算。选择文件后，需要声明它们包含的数据类型（4）。(5)设置用于收集实验长期数据的采集模式。(6)开始质量计算。如果批处理（2）可以加载多个pyIMD项目文件，这些文件将在不同的线程中异步运行。在右侧的设置对话框中，为计算以及输出文件格式或文件名设置。实时验证用户输入，如果输入了错误类型的参数，输入字段将变为黄色。 当用户正确插入所有必要的参数并启动在信息窗口（8）中报告计算过程，最后在主窗口中显示结果我们选择了示例性数据（与论文一起提供）用于分析HeLa细胞的生长趋势作为测试案例。该方法也适用于MDCK和小鼠成纤维细胞[5]，并且也可以扩展到其他细胞类型。 图5显示了脚本或用户通过GUI交互生成的输出。图如图5a所示，悬臂的相位响应的拟合示出了当细胞被附接时朝向较低频率的明显偏移。此外，由于细胞的附着，悬臂的阻尼发生变化，这可以从响应曲线的不同斜率看出。质量随时间的演化，图5b中显示了20分钟时间跨度的相应显微图像。每10ms采集一次质量数据，对于趋势识别，应用具有10秒窗口（可调节）的滚动平均值。图中的显微镜图像。使用Sader校准方法获得的8 N/m的弹簧常数（可调参数），测量到2.75 ng的初始质量，A.P. Cuny，D.Martínez-Martín和G.Fläschner/SoftwareX 10（2019）1003035图五. 用pyIMD分析的HeLa细胞的示例数据。a，具有（红点）和不具有（蓝绿色点）附接到悬臂的单元的相位（φ）数据以及对应的拟合（红色和青色线）。b，具有10ms时间分辨率（灰点）和10 s滚动平均值（红线）的计算质量迹线。c，来自相应HeLa细胞的增强显微镜图像。比例尺等于30 μ m。0.2 ng.细胞质心距自由端的距离5. 结论和影响由于皮欧天平是最近才开发的[5]，因此不存在专门的工具来处理生成的大量数据，并且根据测量模式，不存在专门的工具来可靠地为这种数据创建数千次重复拟合。因此，我们开发了基于Python的开源软件包pyIMD作为第一个分析工具，专门用于基于机械振荡器（如皮电子天平）的细胞质量测量。我们通过持续集成管道实现了代码测试的自动化。我们发现它与不同的Python子版本（3.5-3.7）以及不同的OSX和WIN），并没有发现任何软件包冲突。为了降低我们软件的入门级，我们为上述操作系统编译了它，并包含了大量的示例文档。它可以从最常见的Python包管理器'pip'和'conda'中获得。它可以在Python控制台，Python/IPython笔记本或通过其GUI运行，这取决于用户的浏览器。该软件包允许批量处理，即可以开始分析多个独立的实验一下子就全了 在初始设置之后，不需要用户的进一步干预。这一点很重要，因为由于采集速率高，很容易生成大型数据集，而手动数据处理最初需要很长时间。已经加载到一个通用的，专有的数据分析程序需要长达15分钟，并经常导致冻结，6A.P. Cuny，D.Martínez-Martín和G.Fläschner/SoftwareX 10（2019）100303应用程序.原始数据的处理仅取决于控制器提供的数据格式。 pyIMD支持 *.txt和*.dat文件，如果数据由商业软件程序（如Nanonis SPM控制器）生成，则使用该文件，但它也可以快速可靠地读取实验室视图特定格式 *.tdms的*.tdms格式很有趣，因为专用测量软件应用程序（如我们的）通常是在lab-view中编写的，尽管 *.tdms是一种不常见的格式，但它可以很好地组织数据。所有实验特定信息均通过pyIMD项目文件记录，从而提高了分析的重现性。pyIMD允许用户专注于分析测量的生物学意义，而不是关注数据分析的计算编程经验。因此，我们设想pyIMD将使研究人员能够并鼓励他们采用皮电子天平或类似的基于闪烁器的设置进行细胞质量测量。致谢我们感谢Fabian Rudolf、Tania Roberts、Jörg Stelling和DanielMüller对本手稿的评论和批判性阅读。这项工作得到了Innosuisse -瑞士创新机构（项目28033.1 PFNM-NM）的支持。引用[1]Zangle TA，Teitell MA.活细胞质量分析：定量生物物理学的新兴方法。Nature Methods2014;11（12）：1221-8.[2]豪辛格湾细胞水合作用在细胞功能调节中的作用。Biochem J 1996;313：697[3]Lang F，et al.细胞体积调节机制的功能意义。Physiol Rev1998;78（1）：247-306.[4]劳埃德公司 细胞大小的调节。 Cell2013;154（6）：1194-205.[5]Martinez-Martin D等人，惯性皮贝朗揭示哺乳动物细胞中的快速质量波动。Nature 2017;550（7677）：500.[6]萨里德·D扫描力显微镜：应用于电力，磁力和原子力。牛津大学出版社; 1991.[7]Sader JE等人，原子力显微镜杠杆的校准方法。Rev Sci Instrumum1995;66（7）：3789-98.[8]Hutter JL，Bechhoefer J.原子力显微镜针尖的校准（第64卷，第1868页，1993）。Rev Sci Instrumum1993;64（11）：3342.[9]Martinez-Martin D等人，用于确定生物系统的质量和/或机械特性的测量装置和方法。WO/2015/120992。[10]Bircher BA等人，实时粘度和质量密度传感器，需要基于纳米机械谐振器的微升样品体积。Anal Chem2013;85（18）：8676-83.[11]Martinez-Martin D，et al. 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