3d optical imaging of living cells in microgravity: application to study dynamic changes of cytoskeleton
Canlı hücrelerin mikro çekim altında 3 boyutlu görüntülenmesi: hücre iskeletinin dinamik değişimlerinin çalışılmasında uygulanması
- Tez No: 713273
- Danışmanlar: PROF. DR. CHRISTIAN DEPEURSINGE, DR. MARCEL EGLI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 165
Özet
Toplam vücut kütlemizin çoğunluğu gelişimsel programlarının mekanik uyarıcılarla kumanda edildiği dokulardan meydana gelir. Genç yetişkinlerde neredeyse vücut kütlemizin yarısını oluşturan çizgili kas diğer tüm mekanik hassasiyetli dokulara baskın çıkar. Kaslar tarafından veya yerçekimi ile oluşturulan sıkıştırıcı ve gerici kuvvetlerin herhangi birinin hafifletilmesi değişen seviyelerde kas atrofisiyle sonuçlanır. Benzer şekilde hareketsizlik (hastalık, sakatlanma veya hareketsiz yaşam tarzı nedeniyle) kas kaybına neden olur. Aslında, uzay yolculuğu ile ilişkili kas kütlesi kaybı, özellikle yük taşıyan ve yerçekimsizlik kasları da denilen kaslarda, sıklıkla büyüklük olarak (aksi yönde olmasına rağmen) yer kürede (aynı süreli) fiziksel egzersiz ile gözlemlenen potansiyel artışına göre daha fazladır. Daha küçük ölçekte, mikro çekim ile mekanik yükün kalkması ciddi hücresel değişimlerle sonuçlanır. Bu değişimler hücre iskeleti yapılarının yeniden organize olmasını temel alır. Dijital Holografik Mikroskop (DHM) ışık dalga önünün gerçek zamanlı nicel faz ölçümünü mümkün kılan yenilikçi bir girişim ölçer tekniğidir. Bu teknik ile müstesna çevresel şartlarda tek pozlama özelliği sayesinde çalışmadaki istisnai sağlamlığı ile bir araya geldiğinde eksensel doğrultuda nanometre ölçeğinde doğruluğa erişilmesi mümkündür. Karmaşık ışık dalga önünün eldesi dijital odaklamaya (Hücrelerin özgürce üç boyutta da hareketine izin verir.) ve numerik optik aberasyon düzeltmelerini sonradan yapabilmeye izin verirken faz bilgisi nicel olarak doğrudan hücre hacmine veya kırılma indisine (hücresel içerikle ilişkili) ilişkilendirilebilir. Tüm bu avantajlar DHM'i hücre morfolojisinin zor ve talepkar ortamlarda zamansal değişiminin incelenmesinde tercih edilen metot yapmaktadır. Sonuçlar epi-floresan mikroskop moduna sahip simüle edilen mikro çekim (Gelişi güzel konumlama makinesi) ve parabolik uçuş için özel geliştirilmiş bir DHM ile elde edilmiştir. Epi-floresan mikrokop modu için hızlı odaklama bu modun parabolik uçuşta kullanılmasını DHM dijital odaklamasından faydalanarak mümkün kılar. Kas önhücresi hücre hattı C2C12 ile yapılan canlı hücre çalışmaları floresan mikrokop moduyla gözlemlenen hücre iskeleti aktin ağı yeniden dağılımı ile ilintili çekirdek etrafı faz artışı gibi kas önhücrelerindeki morfolojik değişimleri DHM'in algılayabileceğini gösterir. Gelişi güzel konumlama makinesindeki çekirdek etrafı faz artışına istatistiksel olarak anlamlı dakika ölçeğinde hücre içi serbest Ca^2+ iyon artışı eşlik eder. Avrupa Uzay Ajansı 53. ve 55. Parabolik uçuşlarında yapılan hızlı hücresel tepki deneyleri onlarca saniye ölçeğindeki yerçekimi değişimlerine hücre içi serbest Ca^2+ iyon konsantrasyonu floresan işaretleri ve işaretsiz DHM fazıyla görünür şekilde hücresel hassasiyet olduğuna işaret eder. Hücre iskeleti yeniden modellenmesinde önemli rol alan hücre alttaş bağlantılarını aydınlatması için tamamlayıcı bir DHM tekniği, tüm iç yansıma holografik mikroskop (TIR-HM), geliştirilmiştir. Bu işaretsiz yakın alan görüntüleme tekniği önceden rapor edilmiş TIR-HM teknikleri aksine düşük çözünürlük problemini objektiften gönderim ve yansıma toplaması sayesinde yaşamaz. TIR-HM uygulaması sabit C2C12 hücrelerinde gösterilmiştir fakat mekano biyoloji dışında genel olarak malzeme bilimi ve metrolojiyi içeren oldukça zengin uygulama senaryoları bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Most of our total body mass originates from tissues whose developmental programs are directed by mechanical stimuli. Predominating over all other mechanosensitive tissues is skeletal muscle, which comprises nearly half of our entire body mass as young adults. Mitigating either of compressive and tensile forces generated by muscles themselves or gravitational force impinging on muscle results in varying degrees of muscle atrophy. As such, immobilization (due to disease, injury, or inactive lifestyle) causes muscle loss. In fact, the loss of muscle mass associated with space travel is often greater in magnitude (albeit opposite in direction) to the potential increases in muscle mass observed in response to physical exercise (of the same duration) on earth, particularly in the postural and weight-bearing muscles, the so-called anti-gravity muscles. In a smaller scale, the mechanical unloading via microgravity results in severe cellular modifications, including cell morphology. These changes are based on the reorganization of cytoskeletal structures. Digital Holographic Microscopy (DHM) is a novel interferometric technique enabling real-time quantitative phase measurement of a light wavefront. With this technique, it is possible to achieve an axial accuracy down to the nanometer scale, combined with an exceptional robustness in operation regarding distinct environmental conditions thanks to the single-acquisition feature. Retrieval of the complex light wavefront permits digital focusing (allowing the cells to move freely in all three dimensions) and numerical optical aberrations corrections a-posteriori, while the phase information can be quantitatively directly related to both cellular volume and refractive index (which is linked to cellular content). All these advantages make DHM the method of choice to investigate the temporal evolution of cytomorphology in harsh and demanding experimental conditions. Results are obtained by a DHM with epifluorescence microscopy mode specially developed for simulated microgravity conditions (Random Positioning Machine), and parabolic flight operation. Fast autofocusing for epifluorescence microscopy mode enabling the use respective mode during parabolic flight campaigns becomes possible via exploitation of DHM digital focusing feature. Live cell studies that are carried on mouse myoblast cell line C2C12 demonstrate that DHM can detect morphological modifications in myoblast cells as perinuclear phase increase associated to cytoskeletal actin network redistribution observed on fluorescence microscopy mode. Statistically significant cytosolic free Ca^2+ ion increase in minutes scale is accompanied by a perinuclear phase increase on random positioning machine. Fast cellular response experiments on board ESA 53rd parabolic flight campaign and ESA 55th parabolic flight campaign indicate cellular sensitivity to tens of seconds of alternated gravity exposures that is visible from both fluorescent markers for cytosolic free Ca^2+ ion concentration and marker free DHM phase. A complementary DHM technique, total internal reflection holographic microscopy (TIR-HM), is developed to shed light on the cell substrate contacts that take crucial role in the cytoskeletal remodeling. This marker free near field imaging technique does not suffer from inferior resolution unlike the previously reported TIR-HM techniques thanks to its objective type incidence and reflection collection. Application of TIR-HM is demonstrated on fixed C2C12 but a wealth of application scenarios exist outside of mechanobiology in general including materials and metrology.
Benzer Tezler
- Cerrahide vasküler doku rejenerasyonu için biyoreaktör kullanılarak 3 boyutlu ven greftinin elde edilmesi ve biyomekaniğinin araştırılması
Generation of a 3D vein graft for surgical vascular tissue regeneration using bioreactor and its biomechanical investigation
BELMA NALBANT
Doktora
Türkçe
2024
BiyomühendislikDokuz Eylül ÜniversitesiMoleküler Tıp Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TARKAN ÜNEK
PROF. DR. ZEYNEP YÜCE
- Quantification of Saharan dust influences on Eastern Mediterranean air quality via atmospheric modeling
Sahra tozunun Doğu Akdeniz hava kalitesi üzerindeki etkilerinin atmosfer modeliyle belirlenmesi
BURCU KABATAŞ
Doktora
İngilizce
2016
Meteorolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER ÜNAL
- Optimization of piezo-fiber scanning architecture for low voltage, 3D and unwarped actuation
Alçak gerilimli, 3B taramalı, eğriliği düzeltilmiş piezoelektrik fiber tarama mimarisi
RAMIN KHAYATZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. ONUR FERHANOĞLU
- 3 boyutlu yazıcı ile basılmış, odak ayarlı kolajen katkılı zarlı mikro akışkan mercek
A 3D-printed tunable fluidic lens with collagen-enriched membrane
ESAT CAN ŞENEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Compressed sensing based 3D image reconstruction in digital breast tomosynthesis and micro-bioimaging
Sayısal meme tomosentezinde ve mikro biyogörüntülemede sıkıştırılmış algılama tabanlı 3B görüntü geri çatma
ADEM POLAT
Doktora
İngilizce
2018
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İSA YILDIRIM