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

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorNikolov, Nikolay
dc.contributor.authorVisone, Roberta
dc.contributor.authorNesteruk, Igor
dc.contributor.authorRasponi, Marco
dc.contributor.authorRedaelly, Alberto
dc.contributor.authorНіколов, Микола Олександрович
dc.contributor.authorВізоне, Роберта
dc.contributor.authorНестерук, Ігор Георгійович
dc.contributor.authorРаспоні, Марко
dc.contributor.authorРедаеллі, Альберто
dc.contributor.authorНиколов, Николай Александрович
dc.contributor.authorВизоне, Роберта
dc.contributor.authorНестерук, Игорь Георгиевич
dc.contributor.authorРаспони, Марко
dc.contributor.authorРедаелли, Альберто
dc.date.accessioned2018-07-19T11:06:38Z
dc.date.available2018-07-19T11:06:38Z
dc.date.issued2018
dc.description.abstractenBackground. One of the rapidly developing trends in science is tissue engineering with use of microfluidic platform (MP) technology. To evaluate mechanical contraction of cells, optical microscopy recordings can be used. Known methods as a matter of fact substantially distort the shape and amplitude of the signal. Therefore, a modified approach is mandatory. Objective. The development of an algorithm for the analysis of the video data of mechanical oscillations of cardiomyocytes on a microfluidic platform in order to determine their functional and structural properties at the tissue level. Methods. The developed algorithm for the analysis of video images was implemented by the original program code in Matlab 2016. We analyzed the data of the cardiomyocyte contraction in cells cultured in MPs. Three groups of cells were analyzed: without stimulation and stimulated with electric fields of 5 and 25 V/cm. The form of the stimulating impulses is rectangular, the frequency is 1 Hz Results. An algorithm for the video data analysis is proposed, which allows for estimating the rate of contraction in μm/s. Moreover, it allows for decomposing the mechanical oscillations of cells into components. The algorithm has been used to evaluate the change in the contraction rate of cardiomyocytes cultured in a lab-on-chip, as a function of voltage intensity and excitation frequency under different experimental conditions. Conclusions. The proposed method does not require any auxiliary biomarkers or media. Analysis of video images allows us to estimate the amplitude and rate of oscillations, the shape of the signal, the spatial heterogeneity distribution of the mechanical activity of cells. Our results show that the pulsed electric field in the range 5–25 V/cm at frequencies of 1 Hz during cell cultivation affects negatively the mechanical functional abilities of cardiomyocytes.uk
dc.description.abstractruПроблематика. 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.uk
dc.description.abstractukПроблематика. Одним із напрямів у науці, що швидко розвивається, є тканинна інженерія з використанням технології “лабораторія на мікрочипі”. Для оцінки механічних скорочень клітин використовуються оптична мікроскопія й аналіз відеоданих. Однак відомі методи реєструють тільки факт скорочення клітин і суттєво спотворюють форму й амплітуду корисного сигналу. Тому актуальним залишається кількісний аналіз таких відеозображень. Мета. Метою роботи є розробка алгоритму аналізу відеоданих механічних скорочень кардіоміоцитів на мікрочипі для визначення їх функціональних і структурних властивостей на тканинному рівні. Методика реалізації. Розроблений алгоритм аналізу відеозображень реалізовано програмним кодом Matlab 2016. Для апробації запропонованого методу були проаналізовані дані про скорочення кардіоміоцитів, вирощених у мікрочипі. Досліджувалися три групи клітин: вирощені без стимуляції, а також клітини, які стимулювалися електричними полями 5 і 25 В/см. Форма стимулюючих імпульсів – прямокутна, частота 1 Гц. Результати. Запропонований алгоритм аналізу відеоданих дає змогу оцінити швидкість скорочення клітин у мікрометрах за секунду. Крім того, він дає можливість розкласти механічні коливання клітин на компоненти. Алгоритм використовувався для оцінки зміни швидкості скорочення кардіоміоцитів залежно від інтенсивності напруги і частоти збудження. Висновки. Розроблений метод аналізу відеоданих оптичної мікроскопії скорочень кардіоміоцитів на мікрочіпі не вимагає допоміжних біомаркерів або середовищ. Аналіз відеозображень дає змогу оцінити амплітуду і швидкість коливань, форму сигналу, просторовий розподіл механічної активності клітин. Показано, що імпульсне електричне поле в діапазоні 5–25 В/см на частоті 1 Гц при культивуванні клітин чинить негативний вплив на здатність кардіоміоцитів скорочуватись.uk
dc.format.pagerangePp. 74-83uk
dc.identifier.citationA New Algorithm to Analyze the Video Data of Cell Contractions in Microfluidic Platforms / N. Nikolov, R. Visone, I. Nesteruk, M. Rasponi, A. Redaelly // Innovative Biosystems and Bioengineering : international scientific e-journal. – 2018. – Vol. 2, No. 2. – Pp. 74–83. – Bibliogr.: 12 ref.uk
dc.identifier.issnhttps://doi.org/10.20535/ibb.2018.2.2.128477
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/23968
dc.language.isoenuk
dc.publisherIgor Sikorsky Kyiv Polytechnic Instituteuk
dc.publisher.placeKyivuk
dc.rightsAttribution 4.0 International (CC BY 4.0)en
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/en
dc.sourceInnovative Biosystems and Bioengineering : international scientific e-journal, 2018, Vol. 2, No. 2uk
dc.subjectcardiomyocyteuk
dc.subjectcelluk
dc.subjectorgan-on-chipuk
dc.subjectoscillationsuk
dc.subjectalgorithmuk
dc.subjectvideo datauk
dc.subjectoptical microscopyuk
dc.subjecttissue engineeringuk
dc.subjectкардіоміоцитиuk
dc.subjectклітиниuk
dc.subjectоргани на мікрочипіuk
dc.subjectколиванняuk
dc.subjectалгоритмuk
dc.subjectвідеоданіuk
dc.subjectоптична мікроскопіяuk
dc.subjectтканинна інженеріяuk
dc.subjectкардиомиоцитыuk
dc.subjectклеткиuk
dc.subjectорганы на микрочипеuk
dc.subjectколебанияuk
dc.subjectвидеоданныеuk
dc.subjectоптическая микроскопияuk
dc.subjectтканевая инженерияuk
dc.subject.udc577uk
dc.titleA New Algorithm to Analyze the Video Data of Cell Contractions in Microfluidic Platformsuk
dc.title.alternativeНовий алгоритм аналізу відеозображень осциляцій клітин у мікрочипахuk
dc.title.alternativeНовый алгоритм анализа видеоизображений осцилляций клеток в микрочипахuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
IBB2018.2.2_01.pdf
Розмір:
651.56 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
7.74 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Innovative Biosystems and Bioengineering: international scientific e-journal, Vol. 2, No. 2