Evaluation of flow cytometry data analysis with R

Abstract

Durchflußzytometrie ist eine Technologie die angewandt wird um verschiedene physikalische Eigenschaften von Partikeln zu messen während die Partikel in einer Flüssigkeit an einem Laserstrahl vorbeigeführt werden. Die Eigenschaften der Partikel im Flüssigkeitsstrom werden in Abhängigkeit davon bestimmt, wie das Licht gebrochen wird und wie stark die Fluoreszenz der Partikel ist. Aktuelle Zytometer sind mit mehrfachen Lasern und auch mehrfachen Empfangsdetektoren ausgestattet und die Anzahl der Partikel, die an einem Laser vorbeigeführt werden kann sehr hoch sein. Software Lösungen für die Verarbeitung dieser Daten orientieren sich meist an den Anforderungen aus der klinischen Anwendung, da Durchflußzytometer meist in Spitälern als zentrale Laboreinrichtungen betrieben werden. Deshalb mangelt es der zur Verfügung stehenden kommerziellen Software im Allgemeinen an funktionaler Unterstützung sowie funktionaler Anwendbarkeit, die für den Einsatz in der Forschung notwendig sind. In der vorliegenden Diplomarbeit wird die quelloffene allgemeine Statistiksoftware R mit durchflußzytometriespezifischen Softwarepaketen erweitert und die Anwendbarkeit der Software für durchflußzytometrieunterstützte biomedizinische Forschungsaufgaben wird evaluiert. Die Software wird dabei auf einem kommerziellen Personalcomputer anhand eines standardisierten Qualitätsmodells evaluiert. Die Ergebnisse der Evaluierung zeigen, dass die funktionale Unterstützung der Software ausreicht. Probleme der Interoperabilität und unzureichende Leisungskapazität, die in einer hohen Auslastung der Systemressourcen resultieren, wenn große Datenmengen verarbeitet werden müssen sind die Nachteile der Lösung. Zur Zeit der Verfassung der Arbeit orientieren sich die Lehrunterlagen der Softwarepakete für die Durchflußzytometrie an erfahrenen R Benutzern. Um das Erlernen zu erleichtern stellt die Diplomarbeit ein Tutorial zur Verfügung das sich an den Lehrbedürfnissen von Benutzern mit umfangreicher Erfahrung in der Anwendung von Durchflußzytometrie für Forschungszwecke orientiert, die keine Erfahrung in der Anwendung von R haben.

Flow cytometry is a technology that can be deployed to measure multiple physical characteristics of particles as they flow in a fluid stream through a laser beam. Characteristics of the particles within the fluid stream can be determined based on how the light is scattered and how fluorescence light is emitted. State-of-the-art flow cytometers provide multiple laser beams with multiple optical receivers and the number of particles or cells that pass the lasers can be very high. Software solutions in the flow cytometry domain focus on the clinical aspect of the domain as cytometers are mostly deployed in laboratory core facilities of hospitals. Flow cytometry software in general lacks functional completeness and functional appropriateness for its application in cytometry facilitated research tasks. For this thesis the open source general purpose statistics program R that is extended with flow cytometry support packages is evaluated towards its suitability for the application in biomedical flow cytometry facilitated research. The software is evaluated on an off-the-shelf personal computer by deploying a standardized quality model. The evaluation results show sufficient support of domain functions. Interoperability issues and insufficient performance capacity resulting in high system resource demand if big amounts of data need to be manipulated are the drawback of the solution. The didactic material of the flow cytometry analysis packages of R focuses on experienced R users at the time of writing. In order to facilitate the learning this thesis provides a tutorial tailored to the didactic needs of users experienced in the application of flow cytometry in the research domain that are not experienced in the application of R.