A high throughput approach for analysis of cell nuclear deformability at single cell level
- 1. Massachusetts Institute of Technology
- 2. Bluebird Bio (United States)
- 3. Stanford University
- 4. Middle East Technical University
Description
Abstract Various physiological and pathological processes, such as cell differentiation, migration, attachment, and metastasis are highly dependent on nuclear elasticity. Nuclear morphology directly reflects the elasticity of the nucleus. We propose that quantification of changes in nuclear morphology on surfaces with defined topography will enable us to assess nuclear elasticity and deformability. Here, we used soft lithography techniques to produce 3 dimensional (3-D) cell culture substrates decorated with micron sized pillar structures of variable aspect ratios and dimensions to induce changes in cellular and nuclear morphology. We developed a high content image analysis algorithm to quantify changes in nuclear morphology at the single-cell level in response to physical cues from the 3-D culture substrate. We present that nuclear stiffness can be used as a physical parameter to evaluate cancer cells based on their lineage and in comparison to non-cancerous cells originating from the same tissue type. This methodology can be exploited for systematic study of mechanical characteristics of large cell populations complementing conventional tools such as atomic force microscopy and nanoindentation.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الملخص تعتمد العمليات الفسيولوجية والمرضية المختلفة، مثل تمايز الخلايا والهجرة والارتباط والانبثاث بشكل كبير على المرونة النووية. يعكس التشكل النووي بشكل مباشر مرونة النواة. نقترح أن القياس الكمي للتغيرات في التشكل النووي على الأسطح ذات التضاريس المحددة سيمكننا من تقييم المرونة النووية وقابلية التشوه. هنا، استخدمنا تقنيات الطباعة الحجرية اللينة لإنتاج ركائز مزروعة بالخلايا ثلاثية الأبعاد (3 - D) مزينة بهياكل أعمدة بحجم ميكرون بنسب أبعاد وأبعاد متغيرة للحث على تغييرات في التشكل الخلوي والنووي. طورنا خوارزمية تحليل صور عالية المحتوى لقياس التغيرات في التشكل النووي على مستوى الخلية الواحدة استجابة للإشارات المادية من ركيزة الثقافة ثلاثية الأبعاد. نقدم أنه يمكن استخدام الصلابة النووية كمعلمة فيزيائية لتقييم الخلايا السرطانية بناءً على نسبها ومقارنة بالخلايا غير السرطانية الناشئة من نفس نوع الأنسجة. يمكن استغلال هذه المنهجية للدراسة المنهجية للخصائص الميكانيكية لمجموعات الخلايا الكبيرة التي تكمل الأدوات التقليدية مثل الفحص المجهري للقوة الذرية والمسافة البادئة النانوية.Translated Description (French)
Résumé Divers processus physiologiques et pathologiques, tels que la différenciation cellulaire, la migration, l'attachement et les métastases, dépendent fortement de l'élasticité nucléaire. La morphologie nucléaire reflète directement l'élasticité du noyau. Nous proposons que la quantification des changements de morphologie nucléaire sur des surfaces à topographie définie nous permette d'évaluer l'élasticité et la déformabilité nucléaires. Ici, nous avons utilisé des techniques de lithographie douce pour produire des substrats de culture cellulaire en 3 dimensions (3-D) décorés de structures de piliers de taille micronique de rapports d'aspect et de dimensions variables pour induire des changements dans la morphologie cellulaire et nucléaire. Nous avons développé un algorithme d'analyse d'image à haut contenu pour quantifier les changements dans la morphologie nucléaire au niveau unicellulaire en réponse aux signaux physiques du substrat de culture 3D. Nous présentons que la rigidité nucléaire peut être utilisée comme paramètre physique pour évaluer les cellules cancéreuses en fonction de leur lignée et en comparaison avec les cellules non cancéreuses provenant du même type de tissu. Cette méthodologie peut être exploitée pour l'étude systématique des caractéristiques mécaniques des grandes populations cellulaires en complément des outils conventionnels tels que la microscopie à force atomique et la nanoindentation.Translated Description (Spanish)
Resumen Varios procesos fisiológicos y patológicos, como la diferenciación celular, la migración, la unión y la metástasis, dependen en gran medida de la elasticidad nuclear. La morfología nuclear refleja directamente la elasticidad del núcleo. Proponemos que la cuantificación de los cambios en la morfología nuclear en superficies con topografía definida nos permitirá evaluar la elasticidad y deformabilidad nuclear. Aquí, utilizamos técnicas de litografía blanda para producir sustratos de cultivo celular tridimensionales (3-D) decorados con estructuras de pilares de tamaño micrométrico de relaciones de aspecto y dimensiones variables para inducir cambios en la morfología celular y nuclear. Desarrollamos un algoritmo de análisis de imágenes de alto contenido para cuantificar los cambios en la morfología nuclear a nivel unicelular en respuesta a las señales físicas del sustrato de cultivo 3D. Presentamos que la rigidez nuclear se puede utilizar como un parámetro físico para evaluar las células cancerosas en función de su linaje y en comparación con las células no cancerosas que se originan en el mismo tipo de tejido. Esta metodología se puede explotar para el estudio sistemático de las características mecánicas de grandes poblaciones de células que complementan las herramientas convencionales como la microscopía de fuerza atómica y la nanoindentación.Files
srep36917.pdf.pdf
Files
(4.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:56498791c55f1a79b2c138a2f75cffb7
|
4.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نهج عالي الإنتاجية لتحليل قابلية التشوه النووي للخلية على مستوى خلية واحدة
- Translated title (French)
- Une approche à haut débit pour l'analyse de la déformabilité nucléaire des cellules au niveau d'une seule cellule
- Translated title (Spanish)
- Un enfoque de alto rendimiento para el análisis de la deformabilidad nuclear de las células a nivel de una sola célula
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2551945174
- DOI
- 10.1038/srep36917
References
- https://openalex.org/W152513584
- https://openalex.org/W969929912
- https://openalex.org/W1494400687
- https://openalex.org/W1517436550
- https://openalex.org/W1556965300
- https://openalex.org/W1894884038
- https://openalex.org/W1946396463
- https://openalex.org/W1963489549
- https://openalex.org/W1964281587
- https://openalex.org/W1964560722
- https://openalex.org/W1970635363
- https://openalex.org/W1979622938
- https://openalex.org/W1981528351
- https://openalex.org/W1988303373
- https://openalex.org/W1988558796
- https://openalex.org/W1988664748
- https://openalex.org/W1989264593
- https://openalex.org/W1995535951
- https://openalex.org/W1996152000
- https://openalex.org/W1996808625
- https://openalex.org/W1998728654
- https://openalex.org/W1999211856
- https://openalex.org/W2003023499
- https://openalex.org/W2005309418
- https://openalex.org/W2006073003
- https://openalex.org/W2008873300
- https://openalex.org/W2010399610
- https://openalex.org/W2016983464
- https://openalex.org/W2017103032
- https://openalex.org/W2017926450
- https://openalex.org/W2025790445
- https://openalex.org/W2025818287
- https://openalex.org/W2026988630
- https://openalex.org/W2030642623
- https://openalex.org/W2033132977
- https://openalex.org/W2033912008
- https://openalex.org/W2034096155
- https://openalex.org/W2035838778
- https://openalex.org/W2038722569
- https://openalex.org/W2042210454
- https://openalex.org/W2043485308
- https://openalex.org/W2052140834
- https://openalex.org/W2060065178
- https://openalex.org/W2064915680
- https://openalex.org/W2073509406
- https://openalex.org/W2085219392
- https://openalex.org/W2086828029
- https://openalex.org/W2088922945
- https://openalex.org/W2103539505
- https://openalex.org/W2103925138
- https://openalex.org/W2108556791
- https://openalex.org/W2110344693
- https://openalex.org/W2112451584
- https://openalex.org/W2116053761
- https://openalex.org/W2116269551
- https://openalex.org/W2116413963
- https://openalex.org/W2117712528
- https://openalex.org/W2122867798
- https://openalex.org/W2123207426
- https://openalex.org/W2129046317
- https://openalex.org/W2133059825
- https://openalex.org/W2137034111
- https://openalex.org/W2138776109
- https://openalex.org/W2143298565
- https://openalex.org/W2145033500
- https://openalex.org/W2147541126
- https://openalex.org/W2148304597
- https://openalex.org/W2148528535
- https://openalex.org/W2151545758
- https://openalex.org/W2159151246
- https://openalex.org/W2172002964
- https://openalex.org/W2227469241
- https://openalex.org/W2462171482
- https://openalex.org/W3011685483
- https://openalex.org/W4248552131
- https://openalex.org/W4250510411