루푸스 신장염(Lupus nephritis, LN)은 만성 염증성 신장 질환으로 전신 홍반 루푸스(systemic lupus erythematosus, SLE) 환자에게서 빈번하게(40~60%) 발생합니다.¹ LN 환자 중 최대 30%에서 신부전이 발생하고 있으며, 발생 이후에는 투석 또는 신장 이식 치료만이 가능합니다.루푸스 연구의 목표는 생검 샘플에서 LN 확인 및 평가 과정을 가속하여 조기 발견의 가능성을 높이고 질병 예후를 개선하는 데 있습니다.

루푸스 신장염(LN) 샘플 평가의 과제

LN은 조직 손상을 나타내는 광범위한 병변을 유발합니다.광학 현미경으로 신장 생검 샘플을 관찰하여 확인할 수 있습니다.신장 병변 평가와 적절한 LN 분류는 세계신장학회(International Society of Nephrology, ISN)/신장병리학학회(Renal Pathological Society, RPS) 분류에 기술되어 있습니다.병리학자들은 질병의 진행 단계를 확인하기 위해 이 분류 체계를 사용하고 있습니다.

예를 들어, 그림 1은 건강한 피험자에 비해 유의미한 사구체 변화가 없는 LN 1등급 초기 단계 환자의 신장 샘플을 보여주고 있습니다.^２

그림 1.조나스 실버 염색으로 염색된 LN 1등급 신장 샘플 생검 샘플.

반면 그림 2에서는, LN 5등급 진행 단계 환자의 LN 샘플에 사구체 기저막과 함께 분산된 구멍(파란색 화살표)과 작은 돌기(빨간색 화살표)가 있는 것을 보여주고 있습니다.³

그림 3.딥러닝을 사용하여 병리학 평가를 시행한 MRPS 모델의 워크플로.

SLIDEVIEW™ VS200 연구 슬라이드 스캐너를 사용하여,Shen 박사와 연구팀은 건강한 마우스와 LN 마우스에서 채취한 과아이오딘산 쉬프 염색 신장 조직의 고해상도 WSI 199개를 획득했습니다.연구팀은 이 이미지를 5가지 카테고리로 분류하고, 건강한 마우스에는 0점을, 중증 LN 마우스에는 4점을 부여했습니다.그리고 이 이미지를 훈련용 세트와 검증용 세트로 분류했습니다.

사구체와 사구체 세포를 각각 수동으로 라벨링한 연구팀은 TruAI™ 딥러닝 기술을 사용하여 훈련용 세트에서 사구체 NN과 세포 NN의 신경망(neural network, NN) 두 개를 생성할 수 있었습니다.

이후 신경망을 검증용 세트에 적용해 그림 4에서 볼 수 있듯이 각 이미지에서 여러 가지 사구체 특징 및 세포 특징을 도출했습니다.⁴

그림 4.훈련된 신경망을 대표 검증 이미지에 적용. a.청록색으로 확인된 모든 사구체 b.자홍색으로 확인된 모든 신장 세포핵. c.확인된 사구체 및 세포핵은 관심 영역(ROI)에서 측정됐습니다.계수를 위해 ROI를 제시한 사구체 신경망, ROI 내의 모든 세포핵을 계수한 세포 신경망.

둘레, 형태 인자, 최소 내부 지름, 최소 지름 및 각 특징의 목표 수는 LN의 중증도를 나타내는 독립적인 예측변수입니다.상기 매개변수를 근거로, 연구팀은 스코어링 모델을 개발하였는데 이는 평가에 상당한 도움이 되었고 연구팀이 매긴 점수와 양적 상관관계가 있었습니다.

TruAI™ 딥러닝의 이미지 분석 지원 가능성

이 연구는 딥러닝 기술을 사용한 병리학 샘플의 고처리량 및 재현 가능 분석이 가능하다는 것을 보여주고 있습니다.이는 고처리량 WSI 분석에 대한 수요가 있는 기초 연구에서 중요합니다.또한 딥러닝은 다른 모델 및 질병에 적용될 수 있으며, 연구팀의 업무 부담을 상당히 줄이고 분석 도중 정량적 정밀도를 높일 수 있는 잠재력이 있습니다.

감사의 말:

본 논문의 최초 버전을 집필하여Make it Evident丨TruAI 加速狼疮肾炎病理学诊断 (qq.com)에 발표한 Shen Luping 박사에게 감사의 말씀을 전합니다.

참고문헌:

1. (PDF) Deep Learning-Based Model Significantly Improves Diagnostic Performance for Assessing Renal Histopathology in Lupus Glomerulonephritis (researchgate.net)
2. AJKD Atlas of Renal Pathology: Minimal Mesangial and Mesangial Proliferative Lupus Nephritis (ISN/RPS Class I and II) - American Journal of Kidney Diseases
3. AJKD Atlas of Renal Pathology: Membranous Lupus Nephritis, ISN/RPS Class V - American Journal of Kidney Diseases
4. Supplementary Material for: Deep Learning-Based Model Significantly Improves Diagnostic Performance for Assessing Renal Histopathology in Lupus Glomerulonephritis (figshare.com)

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