Automated Methods for Analysis of Stem Cell-derived Cardiomyocytes At the Single-Cell level With a Label-Free Digital Holographic Microscope

Abstract

정량적 위상 이미지 (QPI)를 제공하는 디지털 홀로그램 현미경 (DHM)은 라벨이없는 생물학적 샘플 분석 분야에서 유망한 도구입니다. DHM에서 얻은 QPI를 통해 마이크로 미터 크기의 살아있는 세포를 연구 할 수있었습니다. 세포의 건조 질량은 DHM에 의해 모니터링 될 수 있으며, 이는 살아있는 세포의 라벨이없는 QPI를 제공합니다. 심근 세포 (CM)는 심장 박동기 세포에 의해 생성 된 전기 자극에 의해 동기화 된 방식으로 자발적 수축-이완 사이클에 의해 혈관을 통해 혈관을 통해 전신으로 혈액을 펌핑하게하는 심장의 주요 수축성 요소이다. 인간-유도 다 능성 줄기 세포-유래 심근 세포 (hiPSC-CM)는 인간 질병 모델링, 시험 관내 심독성 스크리닝에 사용되는 탄성 요소이다. hiPSC-CM은 또한 재생을위한 심장 세포의 한계로 인해 심근 치료에 이용된다. 심근에서 이식 된 줄기 세포의 전달 및 생존에 관한 줄기 세포 치료에 관한 중요한 문제가있다. CM 자연 수축 이완 박동 활동 동안, 세포 조직은 종종 단축되고 연장된다. CM의 적절한 기능은 섬유 유연성에 달려 있습니다. 심장 세포의 박동 활동 동안 DHM을 사용하여 건조 대량 재분배를 모니터링 할 수 있습니다. 이 논문에서, 우리는 비 침습적 인 방식으로 단일 심근 세포를 연구 할 수 있도록하는 다른 자동화 된 방법에 대해보고합니다. DHM은 정량적 시간 경과 위상 이미지를 제공함으로써 단일 심장 세포 특성화에 완벽하게 적합합니다. 우리는 단일 심근 세포를 연구하고 분석하기위한 여러 가지 접근법을 제안했습니다. 심근 세포의 핵 섹션은 단일 세포의 박동 패턴을 효과적으로 반영 할 수 있습니다. 따라서 우리의 단일 CM 특성화 방법은 주로 세포의 핵 섹션을 사용하여 수행됩니다. 이를 위해, 우리는 주로 핵 섹션을 포함하는 단일 심근 세포를 추출한 후, 단일 CM 모션 특성화 및 단일 CM 모션 속도 및 다른 시간적 파라미터 추출에 대한 약리학 적 물질의 효과에 대한 상이한 계산 알고리즘을 제안 하였다. 또한, 단일 세포 건조 질량 측정을 측정하기위한 DHM의 능력을 사용하여 단일 CM 수축 운동학 및 심장 근육 세포의 힘 생성을위한 FCN 및 광학 흐름에 기초한 방법을 제안했습니다 |Digital holographic microscopy (DHM) providing quantitative phase images (QPIs), is a promising tool in the field of label-free biological sample analysis. The QPIs obtained from DHM made it possible to study micrometer-sized living cells. The cell’s dry mass can be monitored by DHM which provides a label-free QPI of living cells. Cardiomyocytes (CMs) are the main contractile elements of the heart leading to pump the blood to the entire body through the vessels by spontaneous contraction–relaxation cycle in a synchronized manner by electrical stimuli generated by pacemaker cells. Human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) are elastic elements used for human disease modeling, cardiotoxicity screening in vitro. The hiPSC-CMs are also been utilized for myocardium therapy due to the limitations of the heart cells for regeneration. There are crucial issues regarding stem cell therapy with the transfer and survival of the implanted stem cells in the myocardium. While CM spontaneous contraction-relaxation beating activity, the cell tissue frequently shortens and lengthens. The CM’s proper functionality depends on fiber flexibility. While cardiac cell’s beating activity, dry mass redistribution can be monitored with DHM. In this dissertation, we report on different automated methods that allow us to study single cardiomyocytes in a noninvasive manner. DHM is perfectly suited for single cardiac cell characterization by providing a quantitative time-lapse phase image. We have proposed several approaches for studying and analyzing single cardiomyocytes. Cardiomyocyte’s nucleus section can efficiently reflect the beating pattern of single cells. Therefore, our single CM characterization approaches mainly performed using the cell’s nucleus section. To this end, we extracted a single cardiomyocyte which mainly includes the nucleus section, and afterward, I proposed different computational algorithms for single CM motion characterization and the effects of pharmacological substances on single CM motion speed and different temporal parameters extraction. Furthermore, I proposed a method based on FCN and optical flow for Single CM contractile kinetics and force generation of a cardiac muscle cell using the ability of DHM in measuring single cells dry mass.