GFP geni aktarılmış mezenkimal kök hücre davranışlarının 4 boyutlu kültürde yapay zeka kullanılarak analizi
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2021
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
İstinye Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Hücrelerin moleküler mekanizmalarını ve davranışlarını incelemek için kullanılan iki boyutlu (2B) konvansiyonel hücre kültür sistemleri ucuz ve kolay uygulanabilir olmasına karşın hücrelerin vücut içindeki 3 boyutlu (3B) davranışlarını uygun şekilde taklit edememektedir. Bu eksikliği giderip hücrelerin vücut içerisindeki doğal ortamlarını taklit etmek amacıyla 3B kültür sistemleri geliştirilmiştir. Araştırmalar, 3B kültür ile gerçekleştirilen deneylerin, standart 2B kültüre göre daha doğru sonuçlar verdiğini işaret etmektedir. Sferoid oluşturma ve 3B biyobaskı (3D bioprinting), 3B kültür ortamı oluşturmak için yaygın olarak kullanılan yöntemlerdendir. Ancak tüm bu 3B kültür tekniklerinde, özellikle mikroskobik analizlerde ulaşılması gereken bazı teknolojik ilerlemelere ve yeni yöntemlerinin geliştirilmesine ihtiyaç bulunmaktadır. Time-lapse görüntüleme yöntemi ile, hücrelerdeki zamana bağlı çoğalma, ölüm, hücre hareketi gibi değişiklikler izlenebilmektedir. Ancak bu yöntemdeki görüntülerin sayısallaştırılarak kantitatif analiz yapılması özellikle 3B kültürlerde çok zorludur. Ek olarak, deney gruplarının sayısı, elde edilen fotoğrafların adedi ve inceleme süresi arttıkça analiz edilecek datanın miktarı da katlanarak artmakta ve analiz yapmayı zorlaştırmaktadır. Yapay Zeka (YZ), insan beyninin çalışma prensibini taklit edebilen ve çok sayıdaki veriyi işleyebilen donanım ve yazılımlar bütünüdür. Son yıllardaki YZ çalışmaları, tıbbi görüntülerin analizinde oldukça olumlu sonuçlar vermiştir. Bu tez çalışmasında; 2B ve 3B kültürlerde, mezenkimal kök hücrelerin (MKH) davranışlarının yapay zeka yazılımları ile zamana bağlı incelenmesi amaçlandı. Hücreleri takip etmeyi kolaylaştırmak için ilk etapta MKH’lere viral transfeksiyonla yeşil florasan protein (GFP) geni aktarıldı. Ardından MKH’ler 3B biyoyazıcıda basıldı veya hidrojeller ya da 2B kültür kapları üzerine ekildi. Hücreler inverted florasan mikroskopta yer alan inkübasyon düzeneği içerisinde, time-lapse kamera sistemi ile 24 saat boyunca görüntülendi. Bu şekilde X, Y, Z düzlemlerindeki analize ek olarak 4. boyut (4B) olan zamana bağlı görüntüler elde edildi. Seçme fotoğraflar ile eğitim verdiğimiz YZ destekli ZIESS ZEN Intellesis sistemi kullanılarak 200.000’den fazla fotoğraf segmente edildi. Segmentasyon datasındaki alanlar ölçülerek, hücrelerin konfluensi, hareketlilik, tutunma/yüzeyden kalkma, canlılık/hücre ölümü, GFP miktarında değişim gibi içinde bulundukları farklı durumlara dair sayısal verilerin eldesinde kullanılabilecek orijinal formüller geliştirildi. Çalışmamızda, normal insan işgücü ile tamamlanamayacak kadar fazla sayıdaki analizin, geliştirdiğimiz YZ destekli analiz yöntemleri ve formülasyonlar sayesinde çok daha hassas şekilde ve düşük maliyetle yapılabileceği ortaya konmuştur.
Two-dimensional (2D) conventional cell culture systems are used to study the molecular mechanisms and behavior of cells. Despite being cheap and easy to apply, 2D cultures are inadequate to mimic the 3D behavior of cells within the body. 3D culture systems have been developed to overcome this deficiency and to imitate the natural environment of cells in the body. Research indicates that experiments performed within 3D culture give more accurate results than standard 2D culture. Spheroid formation and 3D bioprinting are some of the methods frequently used to create 3D cultures. However, there is a need for some technological advances and the development of new methods in all 3D culture techniques, especially in microscopic analysis. Time-lapse imaging method allows observation of changes in cells such as proliferation, death and cell movement, over time. However, quantitative analysis of the images especially in 3D cultures is quite difficult. Additionally, as the number of experimental groups, the number of photographs obtained and the observation period increase, the amount of data to be analyzed increases exponentially, rendering analysis more difficult. Artificial Intelligence (AI) is a combination of hardware and software which can imitate the working principle of the human brain and can rapidly process huge amount of data. Recent studies on AI have yielded very promising results in the analysis of medical images. In this thesis study; we examined the behavior of mesenchymal stem cells (MSCs) in 2D and 3D cultures over time, using artificial intelligence. For the purpose of cell tracking, the GFP gene was transferred to the MSCs by viral transfection. MSCs 3D bioprinted or seeded onto hydrogels or 2D culture plates. Cells were observed with time-lapse camera system of an inverted fluorescent microscope for 24 hours. In this way, in addition to the analysis in the X, Y, Z planes, time-dependent images the 4th dimension (4D), were obtained. The AI-empowered ZIESS ZEN Intellesis system was first trained with selected examples and 200,000+ photos from all experiments were segmented with Intellesis software. By measuring the areas in the segmentation data, novel formulas were developed that can be used to obtain numerical data on different conditions such as confluency, cell mobility, attachment/detachment, viability/cell death, and change of GFP signal intensity. In our study, we have showed that multiple analyzes that cannot be completed with a normal human labor can easily be done with AI more precisely and at lower cost.
Two-dimensional (2D) conventional cell culture systems are used to study the molecular mechanisms and behavior of cells. Despite being cheap and easy to apply, 2D cultures are inadequate to mimic the 3D behavior of cells within the body. 3D culture systems have been developed to overcome this deficiency and to imitate the natural environment of cells in the body. Research indicates that experiments performed within 3D culture give more accurate results than standard 2D culture. Spheroid formation and 3D bioprinting are some of the methods frequently used to create 3D cultures. However, there is a need for some technological advances and the development of new methods in all 3D culture techniques, especially in microscopic analysis. Time-lapse imaging method allows observation of changes in cells such as proliferation, death and cell movement, over time. However, quantitative analysis of the images especially in 3D cultures is quite difficult. Additionally, as the number of experimental groups, the number of photographs obtained and the observation period increase, the amount of data to be analyzed increases exponentially, rendering analysis more difficult. Artificial Intelligence (AI) is a combination of hardware and software which can imitate the working principle of the human brain and can rapidly process huge amount of data. Recent studies on AI have yielded very promising results in the analysis of medical images. In this thesis study; we examined the behavior of mesenchymal stem cells (MSCs) in 2D and 3D cultures over time, using artificial intelligence. For the purpose of cell tracking, the GFP gene was transferred to the MSCs by viral transfection. MSCs 3D bioprinted or seeded onto hydrogels or 2D culture plates. Cells were observed with time-lapse camera system of an inverted fluorescent microscope for 24 hours. In this way, in addition to the analysis in the X, Y, Z planes, time-dependent images the 4th dimension (4D), were obtained. The AI-empowered ZIESS ZEN Intellesis system was first trained with selected examples and 200,000+ photos from all experiments were segmented with Intellesis software. By measuring the areas in the segmentation data, novel formulas were developed that can be used to obtain numerical data on different conditions such as confluency, cell mobility, attachment/detachment, viability/cell death, and change of GFP signal intensity. In our study, we have showed that multiple analyzes that cannot be completed with a normal human labor can easily be done with AI more precisely and at lower cost.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Mezenkimal Kök Hücre (MKH), 3 Boyutlu (3B) Biyoyazıcı, Gen Aktarımı, Yapay Zeka (YZ), Makine Öğrenmesi, Mesenchymal Stem Cell, 3D Bioprinting, Gene Transfer, Artificial Intelligence, Machine Learning
Kaynak
WoS Q Değeri
Scopus Q Değeri
Cilt
Sayı
Künye
Özdemir, C. (2021). GFP Geni Aktarılmış Mezenkimal Kök Hücre Davranışlarının 4
Boyutlu Kültürde Yapay Zeka Kullanılarak Analizi. İstinye Üniversitesi Sağlık Bilimleri
Enstitüsü, Kök Hücre ve Doku Mühendisliği. Yüksek Lisans Tezi. İstanbul,
