GENERACION Y ANALISIS

GENERACION Y
ANALISIS
DE CARIOTIPOS
INTEGRANTES:
Massa, José María.
Moreno, Hernán Diego.
DIRECTOR:
Ing. Doorn, Jorge.
CO-DIRECTOR:
Lic. Del Fresno, Mariana.
MOTIVACION:
El motivo por el cual surge éste seminario se debe a que existe una gran necesidad
dentro del campo de la Citogenética, a resolver informáticamente uno de los temas más
importantes que ellos estudian y que denominan Generación y Análisis de Cariotipos.
La idea del trabajo surgió cuando un estudiante de genética de la Universidad de
Misiones, Adrián De Lucía, que está realizando su tesis y emplea la técnica manual para
la obtención de cariotipos, nos comunicó que este procedimiento es muy utilizado tanto
por todos los estudiantes como por los profesionales que trabajan en el área y surgío la
necesidad de hacer una herramienta semi-automática ya que los sistemas informáticos
existentes hasta el momento son muy costosos, con requerimientos de hardware muy
altos y además no se encuentran en el país, ó son sistemas "caseros" muchas veces
realizados por los mismos Licenciados en Genética.
Con respecto a éste tema, también podemos agregar que dentro del país ya poseemos un
destinatario del seminario y es el Laboratorio Nacional de Genética del Hospital
Rivadavia, situado en Capital Federal.
Por último, podemos decir que el tema del seminario no posee antecedentes en ésta
Universidad.
OBJETIVOS:
El objetivo principal de nuestro seminario es realizar una herramienta con la cuál los
Licenciados en Genética puedan realizar la generación y el análisis de cariotipos a partir
de un cariograma de alguna especie, en el caso del Laboratorio de Genética mencionado
arriba los cariogramas serán de la especie humana.
Además, que ésta herramienta permita visualizar un cariograma desde su Base de Datos,
con su información de diferentes maneras, trabajar en ella y automatizar algunos
procedimientos para conseguir el cariotipo o la clasificación de cromosomas. También,
poder agregar o eliminar cariogramas y/o cariotipos de sus Base de Datos, auto-capturar
y contar cromosomas, editar y visualizar ideogramas normales o anormales
simplemente tipeando con la nomenclatura ISCN. Contar con herramientas para mejorar
las imágenes, para detectar anomalías en cromosomas, imprimir reportes profesionales
del análisis final del cariotipo junto con la imagen de su cariograma con alta calidad,
etc.
INTRODUCCION:
Para comenzar a explicar el tema, primero citaremos algunos conceptos básicos que
hemos estado hablando, tales como cromosomas, cariotipos, cariogramas:
Cromosomas: Los pequeños gránulos que se hallan distribuidos en el núcleo celular
reciben el nombre de cromatina, cuando la célula se divide por mitosis la cromatina se
separa en filamentos que se denominan cromosomas.
La observación de las células de cada especie de planta o animal demostró que hay un
número fijo y característico de cromosomas en cada una de ellas. Antes que la célula se
divida en dos, durante la mitosis, se duplica el número de cromosomas, de tal modo que
cada una de las dos células hijas, después de la división tiene el mismo número que el
de la célula madre original.
El embriólogo belga Eduard van Beneden descubrió que los cromosomas no duplicaban
su número cuando se formaban las células germinales óvulo y espermatozoide. En
consecuencia, cada célula óvulo y cada espermatozoide tienen sólo la mitad del número
de cromosomas del que poseen las células ordinarias en el organismo. La división
celular que da lugar a espermatozoides y óvulos se denominó por lo tanto "meiosis", de
una palabra griega que significa "hacer menos". Cuando se unen un óvulo y un
espermatozoide, la combinación (óvulo fertilizado) posee, sin embargo, una serie
completa de cromosomas, siendo aportada la mitad de ella por la madre, a través del
óvulo, y la otra mitad por el padre, mediante el espermatozoide. Seguidamente, a través
del proceso normal de mitosis, este juego completo de cromosomas es transmitido a
todas las células que constituyen el cuerpo del organismo que se desarrolla a partir del
huevo fertilizado.
En 1900, se postula la Teoría Cromosómica de la Herencia que combina la Citología
con la Genética creando la Citogenética. Esta comprende cualquier estudio relacionado
con los cromosomas aislados o en conjunto, con respecto a su morfología, organización,
función, y replicación, variación y evolución.
Cariotipo: La descripción de las características del conjunto cromosómico de una
especie es conocida como cariotipo. En el cariotipo de un individuo se podrán detectar
ropturas de determinados cromosomas o la falta de alguno, y por ende enfermedades
congénitas. A éstas detecciones se las denomina anomalías cromosómicas.
Cariograma: La representación de un cariograma se construye a partir de una
fotografía o de un diseño detallado de una metafase en la que todos los cromosomas
están bien coloreados e individualizados.
El trabajo específicamente consiste en el procesamiento de imágenes correspondientes a
cariogramas de distintas especies, para finalmente llegar al cariotipo de la imagen de
entrada junto con un análisis detallado de los resultados del proceso llevado a cabo. Por
ejemplo, en el análisis se podrán detectar posibles anomalías, como trisonomía en el par
21, ruptura o falta de cualquier cromosoma, y todo lo que se pueda inferir a partir del
análisis del cariograma.
El objetivo es analizar cada imagen identificando los cromosomas por los métodos
conocidos "por tamaño", y "por bandas".
Con respecto a las imágenes de entrada o cariogramas, éstas pueden ser tomadas con
cámara óptica o digital, y posteriormente estas fotografías son escaneadas para darles
entrada al sistema.
DESCRIPCION:
Comenzando con la descripción del tema de aplicación, profundizaremos algunos
conceptos y citaremos los procedimientos empleados hasta ahora para la generación de
cariotipos por la mayoría de Licenciados en Genética, médicos de hospitales con bajos
recursos, y estudiantes.
Cromosomas: Hemos definido el significado que posee ésta palabra y también
mostramos algunas características que ellos poseen. A continuación detallamos su
morfología con algunos ejemplos gráficos.
Morfología de un cromosoma
Un cromosoma hipotético esta compuesto por:
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Una constricción primaria o centrómero, la cual divide al mismo en dos brazos.
Cada extremo libre o brazo se denomina telómero.
Imagen de un CROMOSOMA:
Centrómero: Se puede localizar en cualquier posición del cromosoma, de manera tal
que si se ubica aproximadamente en el centro del cromosoma, se denomina
metacéntrico. Si se encuentra en la extremidad se llama telocéntrico. Hay dos
situaciones intermedias en la que claramente uno de los brazos es mas corto que el otro,
dependiendo si esta más próximo del centro se llamará subtelocéntrico y si esta más
cerca de la extremidad será acrocéntrico. Vemos algunos cromosomas tipo:

Cálculo del centrómero:
Longitud total del cromosoma = C
Longitud del brazo más grande = L
Longitud del brazo mas pequeño = S
Ubicación del centrómero = D = L - S
Razón entre brazos, radio R = L / S
Indice del centrómero i = 100 * S / C
Si tenemos la longitud total del cromosoma, y también el R y el i, entonces las
longitudes de los brazos las calculamos así:
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L = C*R / (R + 1); S = C / (R + 1)
L = C* (100 - i) / 100; S = i * C / 100
Asumamos que un cromosoma consiste de 10 unidades arbitrarias, entonces la
ubicación y el radio nos quedan:
D = 10 (R + 1) / (R + 1); R = (10 + D) / (10 D)
Cariotipos: Conjunto de características que permiten reconocer la dotación
cromosómica de una célula. Es propio de cada especie y se identifica por el número de
cromosomas y por el tamaño y forma de éstos. Para su reconocimiento son importantes
ciertas características, como la posición del centrómero y la presencia de satélites, entre
otras. Los pares de cromosomas iguales, denominados homólogos, se ordenan por
tamaños decrecientes. Si tienen el mismo tamaño se atiende a la posición del
centrómero. Así, los 23 pares de cromosomas en el cariotipo humano se han reunido en
siete grupos. Para que la identificación sea más ajustada se realizan técnicas de tinción
diferencial que delimitan regiones específicas en cada par de cromosomas. Esta técnica
se llama bandeado cromosómico. No existe relación entre el cariotipo de una especie y
su complejidad anatómica y fisiológica. A continuación se muestra una imagen de un
cariotipo humano:
 
Cromosomas humanos
Los cromosomas contienen la información genética del organismo. Cada tipo de organismo tiene un
número de cromosomas determinado; en la especie humana, por ejemplo, hay 23 pares de cromosomas
organizados en 8 grupos según el tamaño y la forma. La mitad de los cromosomas proceden del padre y
la otra mitad de la madre. Las diferencias entre individuos reflejan la recombinación genética de estos
juegos de cromosomas al pasar de una generación a otra.
Cariogramas:
La representación de un cariograma es construído a partir de una fotografía o de un
diseño detallado de una metafase en la que todos los cromosomas están bien coloreados
e individualizados. El cariograma que se muestra a continuación visualiza un conjunto
de cromosomas correspondientes a la especie humana:
Anomalías:
Algunas veces la separación no es regular y entonces alguna de las células nacientes
puede tener un cromosoma de más, mientras que a otra le faltará uno. Estas anomalías
deben perjudicar el trabajo celular, a veces en tal medida que la célula no podrá
funcionar. (He ahí lo que presta una exactitud aparente al proceso de la mitosis que no
es tan exacto como parece, pues tan sólo ocurre que se ocultan los errores.)
Tales irregularidades resultan particularmente desastrosas cuando se producen en el
proceso de la meiosis, porque entonces las células-huevo o cigotos nacen con
imperfecciones en el complemento-cromosoma. Si un organismo consigue desarrollarse
partiendo de ese estado imperfecto, usualmente no lo consigue, cada célula de su cuerpo
tendrá la misma imperfección y el resultado será una grave dolencia congénita.
La enfermedad más frecuente de este tipo en los humanos, acarrea un grave retraso
mental. Se la denomina "Sindrome de Down" La causa de esta enfermedad es que el
número de cromosomas en una célula es de 47 en vez de 46 y el error se encuentra en
los miembros del par cromosomático # 21. Además de esta enfermedad también existen
otros defectos congénitos como por ejemplo en 1967 se halló una niña con un
cromosoma #21 de menos.
Procedimiento manual de generación de Cariotipos:
Aunque los tintes nos permiten ver los cromosomas, no facilitan la distinción entre un
cromosoma determinado y los demás. Generalmente, todos ellos semejan una maraña de
lombrices. Durante un tiempo se creyó que la célula humana contenía 24 pares, pero
luego al avanzar la tecnología mediante el empleo de sales que "hinchaban" las células
se comprobó que el número era de 23 pares. La técnica que se emplea consiste en
fotografiar una célula hinchada luego del empleo de las sales y posteriormente se corta
la fotografía o cariograma en secciones, cada una de las cueles contiene un solo
cromosoma.
Seguidamente, se unen estos cromosomas por parejas y se los dispone en orden de
longitud decreciente, se obtendrá un "cariotipo", una imagen del contenido
cromosómico de la célula con numeración consecutiva.
Como se puede observar, este procedimiento es largo, tedioso y algo inexacto por
involucrar mediciones manuales.
Procedimiento propuesto en éste trabajo:
Al procedimiento lo llamaremos generación de cariotipos, el cual comprende una serie
de tópicos cuyos detalles estarán explicados brevemente en el Plan de Trabajo.
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Obtención de imágenes de Cariogramas.
Almacenamiento y organización de Cariogramas.
Acondicionamiento de imágenes.
Almacenamiento de información de Especies.
Almacenamiento de información de Cromosomas.
Representación y edición de Cromosomas en forma de Ideogramas en diferentes
resoluciones.
Herramientas semi-automáticas para el tratamiento de Cariogramas.
Identificación de posibles Cromosomas.
Separación de Cromosomas solapados.
Mediciones de propiedades de Cromosomas.
Reconocimiento de Cromosomas.
Construcción del Cariotipo.
Análisis del Cariotipo.
Almacenamiento y organización del Cariotipo.
Reportes finales con los resultados.
Ayuda Multimedia para la mejor comprensión de los procesos.
Este trabajo llevará a cabo el proceso de construcción y análisis de cariotipos, a
diferencia del proceso manual, rápidamente y menos tedioso. Al ser una aplicación
computalizada, le permitirá al usuario realizar actividades que nunca podría
implementar con la técnica manual, por ejemplo reportes, estadísticas, historias clínicas,
mejora de cariotipos, experimentar con nuevas anomalías, etc.
PLAN DE TRABAJO:
Para describir el plan de trabajo, seguidamente detallamos brevemente los tópicos
mencionados antes.
Obtención de imágenes de Cariogramas: Las imágenes digitalizadas se incorporan
por medio de formatos estandares (.bmp, .tif, etc).
Almacenamiento y organización de Cariogramas: Permite almacenar el cariograma
junto con datos adicionales, también organizarlos por diferentes características.
Acondicionamiento de Imágenes: Implementación de herramientas para mejorar las
imágenes digitalizadas, tales como filtros para remover ruido, cambios de iluminación
por brillo y contraste, etc.
Almacenamiento de información de Especies: Definición de una estructura para
almacenar esa información, junto con una base de datos.
Almacenamiento de información de Cromosomas: Idem anterior.
Representación y edición de Cromosomas en forma de Ideogramas: Permite
construir y visualizar ideogramas en diferentes niveles de resolución de bandas, crear
ideogramas anormales.
Herramientas semi-automáticas para el tratamiento de Cromsomas: Involucra la
detección de objetos o segmentación, mediante la aplicación de gradientes para detectar
bordes. También la aplicación proveerá herramientas para solucionar el problema del
solapamiento de cromosomas, ya sea manual seleccionando la región de conflicto y
determinando a que cromosoma afectado pertenece, o procesos automáticos para
determinar la posiblemente mejor solución.
Una vez identificado los objetos, se obtendrán mediciones y transformaciones de ellos
para posibilitar su reconocimiento.
Construcción del Cariotipo: Teniendo un conjunto de cromosomas aislados y bien
identificados, realizamos la agrupación y el ordenamiento de ellos según criterios
estandares, como "tamaño" y "bandas".
Análisis de Cariotipos: En ésta etapa, se procede a estudiar el cariotipo con el fin de
detectar cantidad de cromosomas, sexo, especie, posibles anomalías como
traslocaciones, deleciones, duplicaciones, inversiones, etc.
Almacenamiento y organización de Cariotipos: Se permitirá almacenar cada
cariotipo para su posterior consulta y también clasificarlo por sus propiedades.
Reportes finales con los resultados: Contar con herramientas para construir reportes
que brinden información detallada de los resultados del análisis del cariotipo, mostrando
cariograma original, cariotipo y resultados de un individuo
Ayuda Multimedia: Proveer una ayuda que permita entender mejor el funcionamiento
de la aplicación, implementando animaciones, estado de los procesos, etc.
Temas a implementar en el trabajo Final
Técnicas de Tratamiento de Imágenes:
Para poder manipular las imágenes que han sido obtenidas se necesitan algoritmos de
análisis y tratamiento de imágenes, para poder identificar los cromosomas, analizarlos y
aparearlos.
Programación Orientada a Objetos:
Todos las entidades que se encuentran en el trabajo, por ejemplo "Cromosoma",
"Cariograma", "Cariotipo",etc.. pueden ser representadas por medio de clases, con
jerarquías, herencia y polimorfismo, utilizando clases abstractas como conjunto, vector,
par ordenado, etc..Por ejemplo, un "Cariograma" es un conjunto de "Cromosomas", La
representación de un "Cromosoma" debe contener un "vector" de "pares ordenados" que
lo definen gráficamente, y así sucesivamente con todas los objetos que aparecen en el
problema.
Técnicas de Bases de Datos:
Para almacenar y recuperar datos que necesite la aplicación se utilizarán técnicas de
SQL, Manejo de Tablas, Reportes. etc. Esto es muy importante en la etapa 5 porque se
necesita recuperar información acerca de determinada especie, o en base a la cantidad
de pares encontrados. Se precisarán numerosas tablas ya sea de Especies, Anomalías,
Características de los pares de Cromosomas, etc. Las consultas tendrán que operar con
más de una tabla a la vez.
Programación Multimedia:
Con el objetivo de una mejor interacción de la aplicación con el usuario, se utilizarán
imágenes, sonido y video a fin de lograr una mayor comprensión del proceso.
Bibliografía:
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[John, Bernald] Meiosis.
[Santos Guerra] Introducción a la Citogenética General. Santos Guerra.
[Asimov, I] La relatividad del error.
[Asimov, I] Nueva guía de la ciencia.
[Mitelman, Felix.] ISCN 1995 (International System for Human Cytogenetic
Nomenclature).
[Haralick, Robert. Shapiro, Linda] Computer and Robot Vision.
[Sedgewick, Robert] Algorithms in C.
[Rosenfeld, A.] Digital Picture Processing.
[Cernuschi Frias, B.] Vision para Computadoras.
Programación Avanzada en Delphi 2.0
[Kruglinski] Inside Visual C++
[Jensen, K. Wirth, N.] Pascal. Manual del Usuario e Informe.
[Andrews, M.] Visual C++ Object Oriented Programing.
Khoros Pro. Khoral Research Inc.