Lente-free Video microscopia per la dinamica e analisi quantitativa della coltura delle cellule aderenti
Summary
Lente-libero video microscopia permette di monitorare le colture cellulari direttamente all’interno dell’incubatrice. Qui descriviamo il protocollo completo utilizzato per acquisire e analizzare un’acquisizione di 2,7 giorni lunghi delle cellule coltivate di HeLa, che conduce a un dataset di 2.2 x 106 misurazioni della morfologia delle cellule individuali e ciclo cellulare 10584 tracce.
Abstract
Qui, dimostriamo che lente-libero video microscopia permette di catturare simultaneamente la cinetica di migliaia di cellule direttamente all’interno dell’incubatrice e che è possibile monitorare e quantificare singole cellule lungo diversi cicli cellulari. Descriviamo il protocollo completo utilizzato per monitorare e quantificare una coltura delle cellule HeLa per 2,7 giorni. In primo luogo, acquisizione di cultura cellulare viene eseguita con un microscopio obiettivo-libero video, e quindi i dati vengono analizzati seguendo un processo in quattro fasi: rilevazione delle cellule segmentazione e la divisione cellulare delle cellule-rilevamento, ricostruzione olografica di multi-lunghezza d’onda, algoritmi. Di conseguenza, mostriamo che è possibile raccogliere un dataset con più di 10.000 brani del ciclo cellulare e più di 2 x 106 cella misurazioni morfologiche.
Introduction
Cellule di mammiferi coltivate nel corso di diversi cicli cellulari di monitoraggio e misurazione con precisione dimensioni delle celle e celle massa secca è un compito impegnativo. Diverse tecniche ottiche privo di etichetta sono in grado di eseguire questo compito1,2: uno spostamento di fase interferometria3, microscopia digitale oleografica (DHM)4,5,6, 7, quadriwave laterale taglio interferometria8,9 e fase quantitativa tomografia10,11. Questi metodi hanno portato a molte nuove idee per la comprensione del ciclo cellulare delle cellule di mammiferi. Tuttavia raramente sono accoppiati con cella automatica algoritmi di rilevamento e loro velocità effettiva resta limitato durante la misurazione delle cellule traiettorie massa1 (N < 20 rispettivamente3,4,5 , 6). quindi un nuovo metodo ottico è necessario misurare il traiettorie massa cellulare con grandi statistiche (N > 1000).
In questa carta, dimostriamo la capacità della lente-libero video microscopia di immagine contemporaneamente migliaia di cellule direttamente all’interno dell’incubatrice e quindi quantificare metriche di singola cellula lungo migliaia di tracce individuali ciclo cellulare. Privo di lente la microscopia è una fase quantitativa, tecnica che consente l’acquisizione dell’immagine di fase delle cellule densamente imballate su un campo visivo molto ampio di imaging (in genere diverse decine di mm2, qui 29,4 mm2)12,13 ,14,15. Diversi criteri di misurazione a livello di singola cellula sono determinati, ad es., zona di cella, cellulare massa secca, spessore della cella, lunghezza asse maggiore delle cellule e delle cellule di proporzioni12,15, da ogni immagine. Quindi, applicando un algoritmo di rilevamento delle cellule, queste caratteristiche possono essere tracciate per ogni singola cella come una funzione dell’esperimento tempo14,15. Inoltre, rilevando la presenza di divisioni cellulari nelle tracce delle cellule, è possibile estrarre altre informazioni importanti come la cella iniziale a secco massa (appena dopo la divisione delle cellule), la massa secca di cella finale (appena prima la divisione delle cellule) e la cella ciclo di durata, cioè, il tempo tra due divisioni consecutive15. Tutte queste misure possono essere computate con statistiche molto buone (N > 1000) perché l’ampio campo visivo in genere consentirebbe l’analisi di 200 a 10.000 cellule in una singola acquisizione privo di lente.
Per spiegare questa metodologia basata sulla lente-libero video microscopia, descriviamo il protocollo per monitorare e quantificare una coltura delle cellule HeLa per 2,7 giorni. Analisi dei dati è un processo in quattro fasi basato sulla ricostruzione olografica multi-lunghezza d’onda, cella-rilevamento, segmentazione delle cellule e algoritmi di divisione cellulare. Qui è indicato che la risoluzione spaziale e la frequenza di fotogrammi relativamente veloce (uno acquisizione ogni 10 minuti) ottenuti con questa configurazione obiettivo-libero video microscopia è compatibile con algoritmi di rilevamento delle cellule standard. L’analisi completa di questo dataset deriva nella misurazione di 10.584 cella tracce sopra cicli completi di cella.
Per riassumere, privo di lente video microscopia è un potente strumento per monitorare automaticamente migliaia di senza etichetta, non sincronizzato e le cellule non modificate ogni esperimento; ogni cella monitorata nel corso di diversi cicli cellulari. Le nostre misurazioni forniscono così il valore medio dei diversi parametri di cella, ma ancora più importante, la variabilità inter-cella sopra una grande popolazione di cellule.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questa carta, indichiamo che lente-libero video microscopia può essere utilizzato all’interno di un’incubatrice per catturare la cinetica di migliaia di celle. Al fine di descrivere la metodologia globale che abbiamo spiegato come un’acquisizione di time-lapse 2,7 giorno delle cellule HeLa in cultura possa essere analizzati con algoritmi di rilevamento delle cellule standard. Il risultato è un set di dati con 2.2 x 106 cella misure e 10.584 tracce del ciclo cellulare. Le acquisizioni sono state effettuate…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori non hanno nulla a riconoscere.
Materials
| Cytonote lens-free video microscope | Iprasense | ||
| Horus acquisition software | Iprasense | ||
| 6-well glass bottom culture plates | MatTek corporation | Part No: P06G-0-14-F | |
| DMEM + GlutaMAX medium | Gibco | ||
| heat-inactivated fetal calf serum | Eurobio | ||
| penicillin and streptomycin | Gibco | ||
| Fibronectin | Sigma Aldrich | ||
| Matlab, image processing toolbox | Mathworks |
References
- Zangle, T. A., Teitell, M. A. Live-cell mass profiling: an emerging approach in quantitative biophysics. Nat Methods. 11 (12), 1221-1228 (2014).
- Popescu, G., Park, K., Mir, M., Bashir, R. New technologies for measuring single cell mass. Lab Chip. 14 (4), 646-652 (2014).
- Reed, J., et al. Rapid, massively parallel single-cell drug response measurements via live cell interferometry. Biophys J. 101 (5), 1025-1031 (2011).
- Mir, M., et al. Optical measurement of cycle-dependent cell growth. Proc Natl Acad Sci. USA. 108 (32), 13124-13129 (2011).
- Girshovitz, P., Shaked, N. T. Generalized cell morphological parameters based on interferometric phase microscopy and their application to cell life cycle characterization. Biomed Opt Express. 3 (8), 1757-1773 (2012).
- Kemper, B., Bauwens, A., Vollmer, A., Ketelhut, S., Langehanenberg, P. Label-free quantitative cell division monitoring of endothelial cells by digital holographic microscopy. J Biomed Opt. 15 (3), (2010).
- Mir, M., Bergamaschi, A., Katzenellenbogen, B. S., Popescu, G. Highly sensitive quantitative imaging for monitoring single cancer cell growth kinetics and drug response. PLoS One. 9 (2), 1-8 (2014).
- Bon, P., Savatier, J., Merlin, M., Wattellier, B., Monneret, S. Optical detection and measurement of living cell morphometric features with single-shot quantitative phase microscopy. J Biomed Opt. 17 (7), (2012).
- Aknoun, S., et al. Living cell dry mass measurement usinq quantitative phase imaging with quadriwave lateral shearing interferometry: an accuracy and sensitivity discussion. J Biomed Opt. 20 (1), 1-4 (2015).
- Cotte, Y., et al. Marker-free phase nanoscopy. Nature Photonics. 7 (2), 113-117 (2013).
- Choi, W., et al. Tomographic phase microscopy. Nat Methods. 4 (9), 717-719 (2007).
- Kesavan, S. V., et al. High-throughput monitoring of major cell functions by means of lensfree video microscopy. Sci Rep. 4, 1-11 (2014).
- Zheng, G., Lee, S. A., Antebi, Y., Elowitz, M. B., Yang, C. The ePetri dish, an on-chip cell imaging platform based on subpixel perspective sweeping microscopy (SPSM). Proc Natl Acad Sci USA. 108 (41), 16889-16894 (2011).
- Pushkarsky, I., et al. Automated single-cell motility analysis on a chip using lensfree microscopy. Sci Rep. 4, 4717 (2014).
- Allier, C., et al. Imaging of dense cell cultures by multiwavelength lens-free video microscopy. Cytom Part A. 91 (5), 1-10 (2017).
- Su, T. -. W., Seo, S., Erlinger, A., Ozcan, A. High-throughput lensfree imaging and characterization of a heterogeneous cell solution on a chip. Biotechnol Bioeng. 102 (3), 856-868 (2009).
- Delacroix, R., et al. Cerebrospinal fluid lens-free microscopy: a new tool for the laboratory diagnosis of meningitis. Sci Rep. 7, 39893 (2017).
- Tinevez, J. -. Y., et al. TrackMate: an open and extensible platform for single-particle tracking. Methods. 115, 80-90 (2016).
- Popescu, G. Optical imaging of cell mass and growth dynamics. Am J Physiol Physiol. 295 (2), 538-544 (2008).
- Liu, P. Y., et al. Cell refractive index for cell biology and disease diagnosis: past, present and future. Lab Chip. 16, 634-644 (2016).
- Rapoport, D. H., Becker, T., Mamlouk, A. M., Schicktanz, S., Kruse, C. A novel validation algorithm allows for automated cell tracking and the extraction of biologically meaningful parameters. PLoS One. 6 (11), e27315 (2011).
- Al-Kofahi, O., et al. Automated cell lineage construction: A rapid method to analyze clonal development established with murine neural progenitor cells. Cell Cycle. 5 (3), 327-335 (2006).
- Meijering, E., Dzyubachyk, O., Smal, I., van Cappellen, W. A. Tracking in cell and developmental biology. Semin Cell Dev Biol. 20 (8), 894-902 (2009).
- Posakony, J. W., England, J. M., Attardi, G. Mitochondrial growth and division during the cell cycle in HeLa cells. J Cell Biol. 74 (2), 468-491 (1977).
- Zocchi, E., et al. Expression of CD38 Increases Intracellular Calcium Concentration and Reduces Doubling Time in HeLa and 3T3 Cells. J Biol Chem. 273 (14), 8017-8024 (1979).
- Reitzer, L. J., Wice, B. M., Kennell, D. Evidence that glutamine, not sugar, is the major energy source for cultured HeLa cells. J Biol Chem. 254 (8), 2669-2676 (1979).
- Benedetti, A. D. E., Joshi-barve, S., Rinker-Schaeffer, C., Rhoads, R. E. Expression of Antisense RNA against Initiation Factor eIF-4E mRNA in HeLa Cells Results in Lengthened Cell Division Times, Diminished Translation Rates, and Reduced Levels of Both eIF-4E and the p220 Component of eIF-4F. Mol Cell Biol. 11 (11), 5435-5445 (1991).
- Kumei, Y., Nakajima, T., Sato, A., Kamata, N., Enomoto, S. Reduction of G1 phase duration and enhancement of c-myc gene expression in HeLa cells at hypergravity. J Cell Sci. 93 (2), 221-226 (1989).
- Ginzberg, M. B., Kafri, R., Kirschner, M. On being the right (cell) size. Science. 348 (6236), 1245075 (2015).
- Mathieu, E., et al. Time-lapse lens-free imaging of cell migration in diverse physical microenvironments. Lab Chip. 16 (17), 3304-3316 (2016).
