[논문 리뷰] Computational Motility Tracking of Calcium Dynamics in Toxoplasma gondii

Mojtaba S. Fazli, Stephen A. Vella외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 01.

Toxoplasma gondii Research Studies참고 문헌 8인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 칼슘 신호에 대한 *Toxoplasma gondii*의 이동성 동역학을 추적하기 위해 광류 및 밀도 있는 궤적 특징을 사용하는 계산 파이프라인을 제시한다. Ca²⁺ 유입이 나선형, 원형 및 둥글게 뒤집어지는 등 구분 가능한 이동 패턴을 유도함으로써 향후 약물 타겟 발견을 위한 병원성 관련 동역학의 정량적 분석이 가능하다.

ABSTRACT

Toxoplasma gondii is the causative agent responsible for toxoplasmosis and serves as one of the most common parasites in the world. For a successful lytic cycle, T. gondii must traverse biological barriers in order to invade host cells, and as such, motility is critical for its virulence. Calcium signaling, governed by fluctuations in cytosolic calcium (Ca2+) concentrations, is utilized universally across life and regulates many cellular processes, including the stimulation of T. gondii virulence factors such as motility. Therefore, increases in cytosolic calcium, called calcium oscillations, serve as a means to link and quantify the intracellular signaling processes that lead to T. gondii motility and invasion. Here, we describe our work extracting, quantifying and modeling motility patterns of T. gondii before and after the addition of pharmacological drugs and/or extracellular calcium. We demonstrate a computational pipeline including a robust tracking system using optical flow and dense trajectory features to extract T. gondii motility patterns. Using this pipeline, we were able to track changes in T.gondii motility in response to cytosolic Ca2+ fluxes in extracellular parasites. This allows us to study how Ca2+ signaling via release from intracellular Ca2+ stores and/or from extracellular Ca2+ entry relates to motility patterns, a crucial first step in developing countermeasures for T. gondii virulence.

연구 동기 및 목표

• 실시간 세포 영상 현미경에서 *Toxoplasma gondii*의 이동성을 신뢰성 있게 자동 추적할 수 있는 시스템을 개발한다.
• 약리학적 제제 또는 세포 외 Ca²⁺에 의해 유도된 세포질 Ca²⁺ 농도 변동이 기생충의 이동 패턴에 미치는 영향을 정량화한다.
• 이동의 동적 특징(예: 선형 속도 및 각속도)을 추출하고 분석할 수 있는 계산 프레임워크를 구축한다.
• 향후 기계학습을 통해 밀도 있는 궤적 데이터를 기반으로 이동 유형을 분류하고 병원성 기전을 해명할 수 있도록 한다.
• 이 파이프라인을 *Plasmodium* 오오키네티드 및 스퍼로자이트와 같은 다른 이동성 기생충에 적용 가능하도록 일반화한다.

제안 방법

• 외부의 *T. gondii*를 대상으로 시간 경과에 따른 영상에서 희소 물체 추적을 위한 KLT 기반 특징 추적기를 사용하였다.
• 점 기반 추적을 넘어서 운동 동역학을 더 잘 포착하기 위해 광류 및 밀도 있는 궤적 특징을 통합하였다.
• 추적된 궤적에서 선형 속도 및 각속도와 같은 운동 통계량을 추출하였다.
• 4차원 시각화(시간, x, y, 강도)를 통해 Ca²⁺ 형광 신호와 이동성 사건 및 약물 투여 간의 상관관계를 분석하였다.
• 파이썬을 사용하여 확장 가능한 데이터 파이프라인을 설계하였으며, HDFS 상에서 PySpark 또는 Flink를 활용한 분산 처리가 가능하도록 구성하였다.
• 분산 분석 및 행렬 분해를 효율적으로 수행하기 위해 궤적 데이터를 객체 × 프레임 수의 높고 날렵한 행렬로 표현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세포질 칼슘 농도의 Ca²⁺ 유도 변화가 외부의 *Toxoplasma gondii*의 이동 패턴에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 Ca²⁺ 자극 조건에서 *T. gondii*가 나타내는 구분 가능한 이동 표현형(예: 나선형, 원형, 둥글게 뒤집어지는)은 무엇인가?
• RQ3 밀도 있는 궤적 특징과 광류는 희소 특징 추적보다 더 강력하고 정보가 풍부한 운동 분석을 가능하게 하는가?
• RQ4 유사한 이동 동역학을 보이는 다른 이동성 기생충에 적용 가능한 계산 추적 파이프라인은 어떻게 일반화할 수 있는가?
• RQ5 이동 중 Ca²⁺ 형광 강도와 선형 속도 및 각속도의 변화 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• KLT 기반 추적기는 *T. gondii*의 이동성을 신뢰성 있게 추적하여 수동 추적과의 정량적 비교가 가능했다.
• Ca²⁺ 첨가 후 모든 추적 기생충에서 형광 강도가 명확히 증가하여 Ca²⁺ 유입 유도가 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.
• 4차원 시각화를 통해 Ca²⁺ 첨가 사건과 이동성 동역학 변화 사이에 명확한 시간적 상관관계가 드러났다.
• 선형 속도 및 각속도 프로파일을 바탕으로 나선형, 원형 및 둥글게 뒤집어지는 등 구분 가능한 이동 패턴이 식별되고 정량화되었다.
• 밀도 있는 궤적 특징가 풍부한 운동 동역학을 포착하는 데 있어 희소 KLT 추적의 유망한 대안으로 입증되었다.
• 파이프라인이 원칙적으로 확장 가능하며, PySpark 또는 Flink와 같은 분산 컴퓨팅 프레임워크를 활용해 빅데이터 분석에 적용할 수 있다.