processing the single-cell shear assay imaging data

Migliorare la diagnosi mirata del cancro quantificando la meccanica delle singole cellule

Studying the biophysical differences between cancerous and non-cancerous cells allows for novel diagnostic and therapeutic opportunities1. Understanding how differences in biomechanics/mechanobiology contribute to tumor progression and treatment resistance will reveal new avenues for targeted therapy and early diagnosis2.
While it is known that cancer cell mechanical properties differ from normal cells (e.g., viscoelasticity of the plasma membrane and nuclear envelope)3,4,5, robust and reproducible methods for measuring these properties in live cells are lacking6. The shear assay method is used to quantify the mechanical properties of cells by subjecting single cells to fluid shear stress and analyzing their individual responses and resistance to the applied stress3,4,5,7,8,9. Although several methods and techniques have been used to characterize the mechanical properties of single cells, these tend to affect cell material properties by i) perforating/damaging the cell membrane due to the indentation depth, complex tip geometries, or substrate stiffening associated with atomic force microscopy (AFM)10,11, ii) inducing cellular photodamage during optical trapping12,13, or iii) inducing complex stress states associated with micropipette aspiration14,15. These external effects are associated with significant uncertainties in the accuracy of cell viscoelasticity measurements6,16,17.
To address these limitations, the shear assay method described here provides a highly controllable and simple approach to simulate physiological flow in the body without affecting cellular material properties in the process. Fluid shear stresses in this assay represent mechanical stresses experienced by cells in the body either by fluids within the tumor interstitium or in the blood during circulation18,19,20. Further, these fluid stresses promote various malignant behaviors in cancer cells, including progression, migration, metastasis, and cell death19,21,22,23&#160;which vary between tumorigenic and non-tumorigenic cells. Moreover, the altered mechanical features of cancer cells (i.e., they are often &#34;softer&#34; than normal cells found within the same organ) allow them to persist in hostile tumor microenvironments, invade surrounding normal tissues, and metastasize to distant sites24,25,26. By creating a pseudo-biological environment where cells experience physiological levels of fluid shear stress, a process that is physiologically relevant and not destructive to the cell is achieved. The cellular responses to these applied fluid shear stresses allow us to characterize cell mechanical properties.
This paper provides a shear assay protocol for the extensive study of the mechanical properties and behavior of cancerous and non-cancerous cells under applied shear stress. Cells respond to external forces in an elastic and viscous manner and can therefore be idealized as a viscoelastic material3. This technique is categorized into: (i) cell culture of dispersed single cells, (ii) controlled application of fluid shear stress, (iii) in situ imaging and observation of cellular behavior (including resistance to stress and deformation), (iv) strain analysis of cells to determine the extent of deformation, and (v) characterization of the viscoelastic properties of single cells. By interrogating these mechanical properties and behaviors, complex cellular mechanobiology can be distilled to quantifiable data. A protocol outlining this method allows for the cataloging of and comparison between various malignant and non-malignant cell types. Quantifying these differences has the potential to establish diagnostic and therapeutic biomarkers.

Autore in primo piano: Protocollo di saggi a taglio per la determinazione delle proprietà dei materiali a singola cellula  

Protocollo di saggio di taglio per la determinazione delle proprietà dei materiali a singola cellula

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Processing the Single-Cell Shear Assay Imaging Data  

Elaborazione dei dati di imaging del saggio di taglio a cella singola

Per eseguire la correlazione digitale delle immagini, o DIC, utilizzando il software DIC, importare le immagini derivate dalla registrazione del saggio puro nel software DIC, preferibilmente nel formato di file TIF. Per una correlazione ottimizzata, selezionare l'opzione somma differenziale che traccia la deformazione di una nuova immagine rispetto all'ultima immagine. Selezionare una dimensione del sottoinsieme di 31 x 31 pixel con una dimensione del passo di 20 pixel.Mappa la regione di interesse per una singola cella scelta. Per una forma irregolare, ad esempio una cella, usate una maschera poligonale per mappare la geometria della cella. Selezionare punti arbitrari all'interno della cella mappata per tenere traccia della deformazione.Dopo la mappatura, scegliere punti specifici sulla cellula, come il nucleo o il citoplasma, da analizzare facendo clic su Aggiungi un estensimetro e disegnando singoli estensimetri nei punti all'interno del confine cellulare definito. Fare clic su Avvia per iniziare l'elaborazione della deformazione e ottenere i dati di deformazione rispetto al tempo. Il grafico del tempo di deformazione generato come risultato di questa correlazione può essere esportato come file CSV per ulteriori analisi in MATLAB.Fare doppio clic o fare clic con il pulsante destro del mouse sul grafico del tempo di deformazione generato e selezionare Esporta dati. Il DIC dei fotogrammi di immagine estratti dalle registrazioni del saggio puro ha prodotto con successo dati sul tempo di deformazione compatibili con la risposta allo stress di scorrimento. I risultati degli studi che utilizzano la tecnica del saggio puro hanno mostrato che le cellule tumorali erano generalmente più meccanicamente compatibili e meno viscose delle cellule normali.La rigidità e la viscosità delle cellule sono state osservate diminuire con l'aumento della progressione del cancro da uno stato cellulare normale a uno stato leggermente metastatico e infine a uno stato altamente metastatico. Tuttavia, il tempo di rilassamento per questi tipi di cellule non ha mostrato variazioni significative.

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Processing the Single-Cell Shear Assay Imaging Data

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Shear Assay Protocol for the Determination of Single-Cell Material Properties

Irregular biomechanics are a hallmark of cancer biology subject to extensive study. The mechanical properties of a cell are similar to those of a material. A cell's resistance to stress and strain, its relaxation time, and its elasticity are all properties that can be derived and compared to other types of cells. Quantifying the mechanical properties of cancerous (malignant) versus normal (non-malignant) cells allows researchers to further uncover the biophysical fundamentals of this disease. While the mechanical properties of cancer cells are known to consistently differ from the mechanical properties of normal cells, a standard experimental procedure to deduce these properties from cells in culture is lacking. 
This paper outlines a procedure to quantify the mechanical properties of single cells in vitro using a fluid shear assay. The principle behind this assay involves applying fluid shear stress onto a single cell and optically monitoring the resulting cellular deformation over time. Cell mechanical properties are subsequently characterized using digital image correlation (DIC) analysis and fitting an appropriate viscoelastic model to the experimental data generated from the DIC analysis. Overall, the protocol outlined here aims to provide a more effective and targeted method for the diagnosis of difficult-to-treat cancers.

This protocol outlines the quantification of the mechanical properties of cancerous and non-cancerous cell lines in vitro. Conserved differences in the mechanics of cancerous and normal cells can act as a biomarker that may have implications in prognosis and diagnosis.