一个Western Blot与DNA电泳定量自动分析系统

摘要：针对Western Blot以及DNA电泳等实验研究结果定量分析主要应用凝胶成像系统完成，定量分析软件操作流程繁琐的特点，设计出一个适用于Western Blot及DNA电泳等结果定量分析系统。介绍系统中图像处理的问题：图像二值化、分割与感兴趣区域提取、定量分析中的面积计算，着重从计算机图像处理的角度说明定量分析的解决方案。实验证明，系统能够减少实验员人工干预操作，定量分析结果能够满足Western Blot及DNA电泳等实验研究定量分析的应用需要。

关键词: Western Blot; DNA电泳;凝胶成像;图像处理;图像分割

中图分类号：TP317文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)17-4222-03

An Automated System for the Quantitative Analysis of Western Blot and DNA Gel Electrophoresis

QIU Wen-feng1，LI Cai-hong2

(1. Department of Information Engineering of Guangdong Medical College，Dongguan 523808,China；2. Department of Biochemistry and Molecular Biology of Guangdong Medical College，Dongguan 523808, China)

Abstract：An automated system was designed for the quantitative analysis of western blot and DNA gel electrophoresi, which typically based on Gel Imaging System and complicated to exectue. The problems with image processing, for example the binary transformed from color image, picking up Regin of Interest(ROI) by image segmentationand elementary area etc, were introduced. The solution of these problems would be discussed by image processing. Experiments showed this system could simplify the operation process and satisfy the quantitative analysis requires.

Key words：western blot; DNA gel electrophoresis; gelation image; image processing; image segmentation

凝胶电泳或称胶体电泳[1]是广泛用于分离不同物理性质分子的技术。凝胶电泳通常用于分析用途，例如蛋白免疫印迹或者DNA测序。其中，蛋白免疫印迹（Western blotting或Immunoblotting）是当前蛋白分析的一种常规技术[2]，通过该技术可以对蛋白进行定性和半定量分析。与Western blotting原理相似的还有Southern于1975年创建的DNA印迹技术（Southern blotting）[3]和RAN印迹技术（Nothern blotting）[4]。这类印迹技术的共同点是使用凝胶电泳技术，最后通过放射自影术（Autoradiograph）[6]得到图像，并采用图像处理技术得到定量分析结果。

当前对于放射自影、图像处理和定量分析的方法，可以分为三种方法：1）采用凝胶成像分析系统得到印迹图像，并导入至特定的图像处理系统得到定量分析，例如BIO-RAD公司的Molecular Imager Chemi DoC XRS+影像系统成像通过Quantity one定量分析软件得到定量分析结果[7]；2）采用Photoshop处理，受实验条件限制，对于没有凝胶成像系统设备，实验往往采用压胶片的方式得到图像，由科研人员通过Photoshop手工勾选感兴趣的条带区域，并以矩形近似计算积分光密度值；3）使用开源图像软件ImageJ对压胶片得到图像进行定量分析[8]。

方法一依赖昂贵的凝胶成像分析系统，由于自带的图像定量分析软件是封闭的，因此不允许扩展新功能，且操作流程复杂不易上手；方法二人工干预过多，定量分析结果误差大；方法三不需要依赖硬件，同时减少了人工处理图像引入的结果误差，其处理流程如图1所示：

2系统原理与设计

系统根据定量分析问题，划分成如下三个阶段：彩色图像灰度化；全局最优阈值分割；对选择区域统计面积，并计算积分光密度值。

2.1彩色图像灰度化

使用放射自影术成像技术，一般通过扫描仪或数码相机成像，这些成像设备往往得到是JPEG格式。为了便于定量分析，需要先进行预处理，转为灰度图像。

彩色图像灰度化实质就是对彩色图像三通道R、G、B进行加权得到强度值，一般有如下三种算法[9]：1）抽取三通道中最大分量和最小分量进行加权平均

算法1，2会降低图像对比度，大部分图像处理软件（如Matlab、GIMP）采用的是算法3。综上分析及实验对比，本系统采用的方案为算法3。

2.2全局最优阈值分割算法

由放射自影术成像得到的是一个背景与前景差异较大的图像。因此，可以使用单一的全局阈值实现分割。阈值分割是最简单的分割处理，很多物体或图像区域表征为不变的反射率或其表面光的吸收率，可以确定一个亮度常量，即阈值来分割物体和背景。阈值化计算代价小速度快，且用特殊的硬件很容易进行实时地并行地阈值化。阈值分割可以看作是执行如下变换：

全局阈值分割可以通过直方图可视化，由用户选择前景的灰度范围，并通过对图像进行逐个像素扫描来标记为前景或是前景实现分割。这种方法取决于图像的直方图能否被很好的地分割，用户需要一种试探性的方法以直方图视觉检测为基础进行分割。为了减少用户交互，系统采用一种可以自动得到阈值T的全局最优阈值分割算法[10]，算法描述如下：

输入：输入图像

输出：全局最优阈值分割后图像

1）选择一个T的初始估计值（由系统默认设定）；

2）分别计算前景和背景的灰度均值

3结论

本系统采用python语言开发，系统演示如图2所示。 实验证明，系统能够有效减少用户交互，改善传统软件处理精度不高，处理过程繁琐的不足。图像处理中，使用全局阈值分割算法，其优点在于尽可能最小误差地自动分割，从而提高了分析结果精度。此外，系统不依赖于凝胶电泳成像系统，是一种经济实用的生化学与分子生物学等科研领域应用于结果分析的操作工具。

参考文献:

[1]郭尧君.蛋白质电泳实验技术[M].2版.北京:科学出版社,2005.

[2] Choogon Lee.Western Blotting[A].John M. Walker, CIRCADIAN RHYTHMS:Methods in Molecular Biology, Volume 362, Part V, 391-399, DOI: 10.1007/978-1-59745-257-1_30[C].Springer,2007.

[3] Southern, Edwin Mellor. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis[J]. Journal of Molecular Biology 98 (3): 503–517. doi:10.1016/S0022-2836(75)80083-0. ISSN 0022-2836. PMID 1195397.

[4] Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. Raff, M., Roberts, K., Walter, P. 2008. Molecular Biology of the Cell[M], 5th ed. Garland Science, Tay? lor & Francis Group, NY, pp 538-539.

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[9] John.Three algorithms for converting color to grayscale [EB/OL]./blog/2009/08/24/algorithms-convert-col? or-grayscale/

[10]冈萨雷斯.数字图像处理[M].2版.北京:电子工业出版社,2009.

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