Využití metod vysokokapacitní obrazové analýzy ke studiu biologických účinků chemických látek

Mgr. Aneta Dydowiczová, Ph.D.

Doctoral thesis

Application of high content image analysis in research of biological effects of chemical compounds

Abstract:

Moderní toxikologický výzkum, zejména v oblasti buněčné toxikologie, byl transformován rychlým vývojem nových mikroskopických technik, digitálního zobrazování a počítačové analýzy obrazu. Tyto nové přístupy a metody mohou být použity pro širokou škálu experimentálních scénářů a typů vzorků, včetně in vitro buněčných testů. Automatizované systémy pro získávání obrazu produkují obrazové soubory dat, které jsou příliš velké pro manuální zpracování. Počítačová analýza obrazu tak poskytuje objektivní metodu, která je citlivější, konzistentnější, přesnější a rychlejší než manuální zpracování. Tyto výhody nejsou omezeny na rozsáhlé soubory obrazových dat a umožňují mikroskopii, aby pro urychlení celého procesu, byla použita jako rutinní testovací systém i v malém měřítku. Tato disertační práce představuje aplikaci automatizované akvizice obrazu a automatizovaných maker, vytvořených autorkou v rámci této práce, pro analýzu obrazu k vyhodnocení specifických markerů důležitých buněčných procesů, jako jsou mezibuněčná komunikace zprostředkovaná mezerovými spoji, poškození DNA nebo tvorba a zrání 3D sféroidů. Jednotlivá makra byla vytvořena ve volně přístupném softwaru ImageJ/Fiji, který je široce a efektivně využíván vědeckou komunitou pro nejrůznější analýzy obrazu. Úspěšně provedené aplikace umožnily kvantitativní vyhodnocení buněčných odpovědí in vitro u rozdílných buněčných modelů po expozici různým nebezpečným kontaminantům životního prostředí. Předkládaná práce přispívá k hojnějšímu využívání obrazové cytometrie, která umožňuje vědcům kvantitativně řešit otázky, které by dříve vyžadovaly opakované manuálně prováděné úkony. Tento rychlejší a přesnější přístup posunuje současný výzkum blíže k vysokokapacitnímu způsobu testování toxicity.

Abstract:

Modern toxicology research particularly in the field of cellular toxicology has been transformed by the rapid evolution of new microscopy techniques, digital imaging and computerized image analysis. These new approaches and methods can be used for a wide array of experimental scenarios and sample types including in vitro cell assays. Automated image acquisition systems produce image datasets that are too large for manual processing. Thus, a computer-based image analysis provides an objective method which is more sensitive, more consistent, more accurate and faster than manual processing. These advantages are not limited to massive image datasets and allow microscopy to be used as a routine assay system even on a small scale to speed up the whole process. This dissertation thesis presents the application of automated image acquisition and automated macros developed in-house as a part of this thesis for image analysis for evaluation of specific markers of important cellular processes such as gap junctional intercellular communication, DNA damage or formation and maturation of 3D spheroids. Individual macros were created in open-source software ImageJ/Fiji, which is broadly and effectively used for a variety of image analysis in the scientific community. The successful applications demonstrated here enabled quantitative evaluation of in vitro cellular responses in different cell models after treatment with various hazardous environmental contaminants. The presented work contributes to more abundant use of image cytometry which enables scientists to quantitatively address questions that previously would have required repetitive manual tasks. This faster and more accurate approach shifts current research more closely to high-content manner of toxicity testing.

Keywords

buňky, dvojité zlomy DNA, mezibuněčná komunikace zprostředkovaná mezerovými spoji, in vitro toxikologie, akvizice obrazu, analýza obrazu, obrazová cytometrie, metoda “scrape loading-dye transfer”, sféroidy, cells, DNA double-strand breaks, gap junctional intercellular communication, image acquisition, image analysis, image cytometry, in vitro toxicology, scrape loading-dye transfer assay, spheroids

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 16. 4. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 30. 6. 2020
• Supervisor: RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D.
• Reader: Ph.D. Brad L. Upham, Alison Bauer, PhD

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology