Vergleichende Untersuchungen zur automatisierten Auswertung von Elispot-Platten mit verschiedenen Bildanalysesystemen

Quality of different image analysis systems for evaluation of the ELISPOT

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-18395
  • Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, erstmals unterschiedliche automatisierte Bildanalysesysteme in der Auswertung von Elispot-Proben miteinander zu vergleichen. Neben dem Vergleich der Anzahl der gemessenen Spots, sollten die Zeit für die Messungen, die Genauigkeit, Richtigkeit und Präzision untersucht werden. Weiterhin sollten die Zuverlässigkeit der Messungen sowie die Einflussgrößen der einzelnen Bildanalysesysteme geprüft werden. Es wurden Elispotproben von verschiedenen Spezies (Maus und Human) und von verschiedenen unabhängigenDie vorliegende Arbeit hatte das Ziel, erstmals unterschiedliche automatisierte Bildanalysesysteme in der Auswertung von Elispot-Proben miteinander zu vergleichen. Neben dem Vergleich der Anzahl der gemessenen Spots, sollten die Zeit für die Messungen, die Genauigkeit, Richtigkeit und Präzision untersucht werden. Weiterhin sollten die Zuverlässigkeit der Messungen sowie die Einflussgrößen der einzelnen Bildanalysesysteme geprüft werden. Es wurden Elispotproben von verschiedenen Spezies (Maus und Human) und von verschiedenen unabhängigen Arbeitsgruppen verwendet. Die verglichenen Bildanalysesysteme bestanden aus den aufeinander abgestimmten Komponenten Mikroskop, Farbkamera, Motortisch mit Steuerung, Analysesoftware und Rechner. Sie unterschieden sich in ihren Mikroskopen, in der Anzahl der pro Well aufgenommenen Bilder und in der damit erreichten Bildpunktauflösung. Beim KS Elispot wurden im Auflichtmikroskop pro Well 12 Bilder über eine Farbkamera aufgenommen, die Bildpunktauflösung für ein 760x580 Pixel Bild eines Wells betrug 2.6µm. Beim KS Elispot compact 0.65-Zoom-Einstellung wurde im Stereomikroskop pro Well 1 Bild über eine Farbkamera aufgenommen und eine Bildpunktauflösung von 12µm erreicht. Beim KS Elispot 1.25-Zoom-Einstellung wurden im Stereomikroskop 4 Bilder pro Well über eine Farbkamera erstellt, die Bildpunktauflösung betrug 6µm. Im Bezug auf den Faktor Zeit war das KS Elispot compact dem KS Elispot deutlich überlegen. Bei Verwendung eines Bildes pro Well bzw. 4 Bildern pro Well wertete das KS Elispot compact eine komplette 96-Well-Mikrotiterplatte bis zu 6 Mal schneller bzw. mindestens doppelt so schnell aus wie das KS Elispot. Die hohe Auflösung des KS Elispot resultiert in einer langen Auswertungszeit der einzelnen Platten. Werden große Mengen von Elispot-Proben ausgewertet, so bietet das KS Elispot compact aufgrund seiner kürzeren Messzeiten eine deutliche Ersparnis an Zeit und damit gegenüber dem KS Elispot unter diesem Gesichtspunkt einen entscheidenden Vorteil. Die Variabilität der Messungen lag bei allen Systemen niedrig, ohne nennenswerte Unterschiede zwischen den Systemen. Die höchste Zuverlässigkeit bei der Spoterkennung konnte für das System KS Elispot nachgewiesen werden. Es erkannte nahezu alle echten Spots und mehr echte Spots als das KS Elispot compact. Das KS Elispot wies im Gegensatz zum KS Elispot compact keine falsch-positiven Spots auf. Bei Verwendung von 4 Bildern pro Well arbeitete das KS Elispot compact zuverlässiger als bei Erstellung von nur einer Aufnahme pro Well: der Anteil an falsch-positiven Spots am Ergebnis sank und der Anteil der richtig erkannten Spots stieg. Die Werte lagen jedoch immer noch unterhalb der Ergebnisse, die das KS Elispot erzielt hatte. Das KS Elispot compact erkannte grundsätzlich in denselben Wells weniger Spots als das KS Elispot, das der tatsächlichen Anzahl der Spots am nächsten kam. Bei Verwendung von nur einer Aufnahme pro Well identifizierte das KS Elispot compact deutlich weniger Spots als bei Aufnahme von 4 Bildern pro Well. Die deutlichsten Unterschiede zwischen den beiden Systemen KS Elispot und KS Elispot compact wurden bei der Messung durch das KS Elispot compact mit einem Bild pro Well bei Spotzahlen über 100 bei Mausspots und über 400 bei Humanspots gesehen. Die zwischen dem KS Elispot und dem KS Elispot compact nachgewiesenen Unterschiede waren bei kleinen Spots (bis 100µm) deutlich größer als bei Spots größerer Durchmesser. Der Vergleich der Systeme erbrachte, dass das hochauflösende KS Elispot eine bessere Auswertungsqualität als das KS Elispot compact bietet, insbesondere bei der Auswertung von Elispot-Proben, die sehr viele und zudem sehr kleine Spots enthielten. Beim KS Elispot compact war die Messung mit 4 Bildern pro Well der Auswertung mit nur einem Bild pro Well bezüglich der Zuverlässigkeit klar überlegen. Bei Verwendung des KS Elispot compact sollte deshalb bei sehr kleinen Spots zumindest die mit 4 Bildern pro Well arbeitende Einstellung gewählt werden. Weiterhin ist zu bemerken, dass eine optimale Auswertung von Elispot-Proben durch automatisierte Reader-Systeme maßgeblich durch die Präparation der verwendeten Elispot-Proben und die daraus resultierende Qualität der Spots beeinflusst wird. Zahlreiche Artefakte, eine starke Untergrundfärbung oder nicht deutlich ausgebildete typische Spotmerkmale können die Messergebnisse eines Systems beeinträchtigen. Hierbei wurde das KS Elispot compact System stärker beeinflusst als das KS Elispot System. In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Auswertung der Elispot-Proben und damit die gewonnenen Ergebnisse von dem verwendeten, automatisierten Lesesystem abhängen.Die Arbeit unterstreicht den hohen Stellenwert der Standardisierung, Validierung und Optimierung aller Komponenten der Elispot-Methode. Dies ist auch gerade in Bezug auf die Weiterentwicklung dieser Technik und die Eröffnung von weiteren Einsatzspektren unerlässlich.show moreshow less
  • Enzyme Linked Immuno Spot assay (ELISPOT) is currently the first choice for the immune monitoring of patients in clinical vaccination trials with cancer or chronic viral infections. The capacity to identify antigen-specific T- or B-cells ex vivo without prolonged prestimulation in vitro in frequencies as low as 1/106 PBMC makes this technique so attractive. Many scientists work in optimizing and standardizing of this assay for more sensitivity, reproducibility, accuracy and transferability of this method. However, there remains a need for theEnzyme Linked Immuno Spot assay (ELISPOT) is currently the first choice for the immune monitoring of patients in clinical vaccination trials with cancer or chronic viral infections. The capacity to identify antigen-specific T- or B-cells ex vivo without prolonged prestimulation in vitro in frequencies as low as 1/106 PBMC makes this technique so attractive. Many scientists work in optimizing and standardizing of this assay for more sensitivity, reproducibility, accuracy and transferability of this method. However, there remains a need for the quality and validation assessment of the different Elispot evaluation methods. Automated evaluation is superior for the counting by eye approach as presenting more accurate and reliable results with less variability. By now, several automated image analysis systems have been developed for the evaluation of Elispot plates. They mainly differ in the reader unit acquiring images with different resolutions and in the equipped software packages with different adjustments for spot definition (users’ setting). We compared 2 image-analysis systems with low and high resolution using the KS Elispot and the KS Elispot compact (both Carl Zeiss, Microscopy, Halldergmoos, Germany). The KS Elispot (R1) scans the spots with a colour camera on a microscope with incident light (Zeiss Axioplan 2) acquiring at least 12 images per well (resolution between 2.0 and 2.5 per pixel). The KS Elispot compact reads the spots with a colour camera on a stereo microscope (Zeiss, Stemi 2000C) acquiring one image per well (R2) or 4 images per well (R3). Images in both systems are digitized using 24-bit colour resolution and are evaluated by the KS Elispot software. We evaluated 3 human and 4 mouse 96-well-microtiter-plates of g-IFN-Elispot with brownish-stained spots. Statistic analysis was done using Bland-Altman-plots. Numbers of spots ranges from 0-900 spots per well in plates with human and from 0-250 spots per well in plates with mouse spots with a spot size range from 20-300µm (75% of mouse spots within 20-100µm). R1 measures higher numbers of human and mouse spots. Identification and, therefore, number of spots are more reliable evaluated by R1 than by R2 or R3. In spot numbers over 400 (human) and over 100 (mouse) R2 counts less spots per well than R3. Conclusions: KS Elispot compact evaluates at least 3 times faster than KS Elispot, numbers of spots measured by KS Elispot are more reliable than measured by KS Elispot compact, KS Elispot detects more human and mouse spots than KS Elispot compact, KS Elispot compact counts higher and more reliable number of spots when acquiring 4 images per well compared to 1 image per well, noticeably, in spot numbers over 400 (human) and over 100 (mouse) per well, for evaluation of small spots (20-50µm) at least 4 images per well should be acquired.show moreshow less

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Metadaten
Author: Alexandra Vogtmann
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-18395
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Medizinische Fakultät
Faculties:Medizinische Fakultät / Klinik und Poliklinik für Dermatologie, Venerologie und Allergologie
Date of final exam:2006/04/26
Language:German
Year of Completion:2005
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Tag:Bildanalyse; Elispot; Immunmonitoring; T-Zelle; Zytokine
Elispot; T-Cells; immunmonitoring
Release Date:2006/07/10
Advisor:Prof. Dr. med. E.-B. Bröcker