A New Algorithm to Analyze the Video Data of Cell Contractions in Microfluidic Platforms

• Main Authors: Nikolay Nikolov, Roberta Visone, Igor Nesteruk, Marco Rasponi, Alberto Redaelly
• Format: Article
• Language: English
• Published: Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute 2018-06-01
• Series: Innovative Biosystems and Bioengineering
• Subjects: Cardiomyocyte; Cell; Organ-on-chip; Oscillations; Algorithm; Video data; Optical microscopy; Tissue engineering
• Online Access: http://ibb.kpi.ua/article/view/128477

Проблематика. Одним из быстро развивающихся направлений в науке является тканевая инженерия с использованием технологии “лаборатория на микрочипе”. Для оценки механических сокращений клеток используются оптическая микроскопия и анализ видеоданных. Однако известные методы регистрируют только факт сокращения клеток и существенно искажают форму и амплитуду полезного сигнала. Поэтому задачи корректного количественного анализа таких видеоизображений являются актуальными. Цель. Целью работы является разработка алгоритма анализа видеоданных механических сокращений кардиомиоцитов на микрочипе для определения их функциональных и структурных свойств на тканевом уровне. Методика реализации. Разработанный алгоритм анализа видеоизображений реализован программным кодом Matlab 2016. Для апробации предложенного метода были проанализированы данные о сокращения клеток кардиомиоцитов, выращенных в микрочипе. Исследовались три группы клеток: выращенные без стимуляции, а также клетки, которые стимулировались электрическими полями 5 и 25 В/см. Форма стимулирующих импульсов – прямоугольная, частота – 1 Гц. Результаты. Предложенный алгоритм анализа видеоданных, позволяет оценить скорость сокращения клеток в микрометрах за секунду. Кроме того, он позволяет разложить механические колебания клеток на компоненты. Алгоритм использовался для оценки изменения скорости сокращения кардиомиоцитов в зависимости от интенсивности напряжения и частоты возбуждения. Выводы. Предложенный метод анализа видеоданных сокращений клеток кардиомиоцитов на микрочипе не требует каких-либо вспомогательных биомаркеров или сред. Анализ видеоизображений позволяет оценить амплитуду и скорость колебаний, форму сигнала, пространственно- неоднородное распределение механической активности клеток. Показано, что импульсное электрическое поле в диапазоне 5–25 В/см на частоте 1 Гц при культивировании клеток оказывает отрицательное влияние на сократительную способность кардиомиоцитов.