Reconstructing cell surface dynamics from lightsheet microscopy data
从光片显微镜数据重建细胞表面动力学
基本信息
- 批准号:BB/R004579/1
- 负责人:
- 金额:$ 54.25万
- 依托单位:
- 依托单位国家:英国
- 项目类别:Research Grant
- 财政年份:2017
- 资助国家:英国
- 起止时间:2017 至 无数据
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Recent advances in light microscopy have made it possible to acquire fast high-quality 3D scans of single cells. The new techniques are so gentle that live cells can be followed over long periods of time without disrupting their normal behavior. The possibility to accurately reconstruct the outer cell envelope in 3D opens a new window on two distinct biological processes we are investigating, where the cell envelope bulges either outwards or inwards, in a very distinct manner.During blebbing, the first of these two processes, the cell envelope rapidly bulges outwards in form of a blister. It is an important mechanism found in cell locomotion, where blebs are directed to the cell front, for example in immune cells chasing pathogens, spreading tumour cells, and during development of organisms.Macropinocytosis, the second mechanism we are investigating, is the technical term for cell drinking. The outer cell envelope bulges inwards to form a cup like structure. In a process that is not yet understood, the lip of this cup closes, and fluid that previously surrounded the cell is being internalized. Macropinocytosis plays important roles in taking up nutrients for feeding, supporting for example the high demand of fast growing tumour cells. It also is relevant for sampling antigens by immune cells, and can be exploited by pathogens to invade cells. Contrary, it can be exploited as a route of entry for drugs into cells.Blebbing and macropinocytosis share commonality in that they both involve the shaping of the cell envelope under physical forces that are generated by molecules interacting with the envelope. These molecules belong to what is called the cellular cytoskeleton, a structure that is not static but needs to be constantly remodeled. Using a similar approach to tackle both problems, we will acquire detailed 3D scans of the cell envelope and image components of the cytoskeleton and its regulators that have previously been shown to play a role in blebbing and macropinocytosis.Advanced image analysis will then be used to generate spatial maps of the molecular events and deformations of the cell envelope, and how they change over time. These maps will be used to construct mathematical and computer models that help us to infer how molecular events relate to forces acting on the cell envelope. Previous models developed by us successfully predicted where on the cell envelope blebs are going to form, but lack of high quality 3D image data prevented us to enquire further how blebs grow and stop for example.We will take advantage of the new, fast 3D microscopy to investigate the mechanisms that lead to the bulging out or of the bulging in, of the cell envelope in Dictyostelium discoideum. Dictyostelium discoideum is an amoeboid type of non-animal cell in which blebbing and macropinocytosis have been well studied. Asking whether one of our previous discoveries, namely that bleb site localisation in Dictyostelium largely depends on cell geometry, also applies to animal cells, we will conduct a small study in blebbing cells during early development of zebrafish, where blebbing is known to play an important role.Long term goal of the project is to contribute to a better understanding of how the dynamic cytoskeleton can be programmed to fulfill so many different functions, ranging from cell locomotion and cell eating, to the immune response. And, how we could exploit this, for example to prevent entry of pathogens into cells or enhance the uptake of drugs.
光学显微镜的最新进展使得获得单细胞的快速高质量3D扫描成为可能。这项新技术非常温和,可以长时间跟踪活细胞,而不会破坏它们的正常行为。在3D中精确重建外细胞包膜的可能性为我们正在研究的两个不同的生物过程打开了一个新的窗口,在这些过程中,细胞包膜以一种非常独特的方式向外或向内凸起。在这两个过程中的第一个泡泡过程中,细胞包膜以水泡的形式迅速向外膨胀。这是在细胞运动中发现的一个重要机制,在细胞运动中,气泡被引导到细胞前部,例如在免疫细胞追逐病原体、扩散肿瘤细胞和生物体发育过程中。我们正在研究的第二种机制巨噬细胞症,是细胞饮酒的专业术语。细胞外包膜向内凸起,形成杯状结构。在一个尚不清楚的过程中,杯口闭合,之前包围细胞的液体被内化。巨饮作用在摄取营养物质中起着重要的作用,例如支持快速生长的肿瘤细胞的高需求。它也与免疫细胞取样抗原有关,并且可以被病原体利用来入侵细胞。相反,它可以被利用作为药物进入细胞的途径。气泡和巨噬细胞增多症的共同之处在于它们都涉及细胞包膜在分子与包膜相互作用产生的物理力下的形成。这些分子属于所谓的细胞骨架,这种结构不是静态的,而是需要不断重塑的。使用类似的方法来解决这两个问题,我们将获得细胞包膜的详细3D扫描和细胞骨架及其调节因子的图像组件,这些组件先前已被证明在起泡和巨红细胞增多症中发挥作用。然后将使用高级图像分析来生成分子事件和细胞包膜变形的空间图,以及它们如何随时间变化。这些地图将用于构建数学和计算机模型,帮助我们推断分子事件与作用在细胞包膜上的力之间的关系。我们以前开发的模型成功地预测了细胞包膜上的气泡将在哪里形成,但缺乏高质量的3D图像数据使我们无法进一步探究气泡是如何生长和停止的。我们将利用新的、快速的3D显微镜来研究导致盘状盘基骨鞘细胞包膜膨出或膨出的机制。盘状盘基骨柱是一种变形虫类型的非动物细胞,其起泡和巨噬细胞作用已被很好地研究。问我们之前的发现之一,即盘形骨的泡点定位在很大程度上取决于细胞的几何形状,是否也适用于动物细胞,我们将在斑马鱼发育早期的泡细胞中进行一项小型研究,在那里,泡起着重要的作用。该项目的长期目标是有助于更好地理解动态细胞骨架如何被编程来实现如此多的不同功能,从细胞运动和细胞进食到免疫反应。以及我们如何利用这一点,例如防止病原体进入细胞或增强药物的吸收。
项目成果
期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Generative Adversarial Networks for Augmenting Training Data of Microscopic Cell Images
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- 发表时间:2019-11-26
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- 影响因子:2.6
- 作者:Baniukiewicz, Piotr;Lutton, E. Josiah;Bretschneider, Till
- 通讯作者:Bretschneider, Till
Parameter Estimation in an SPDE Model for Cell Repolarization
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- DOI:10.1137/20m1373347
- 发表时间:2022
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Altmeyer R
- 通讯作者:Altmeyer R
Image based modeling of bleb site selection.
基于图像的BLEB站点选择的建模。
- DOI:10.1038/s41598-017-06875-9
- 发表时间:2017-07-27
- 期刊:
- 影响因子:4.6
- 作者:Collier S;Paschke P;Kay RR;Bretschneider T
- 通讯作者:Bretschneider T
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- DOI:10.1093/bioinformatics/bty169
- 发表时间:2018-08-01
- 期刊:
- 影响因子:0
- 作者:Baniukiewicz P;Collier S;Bretschneider T
- 通讯作者:Bretschneider T
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- DOI:10.1007/978-3-030-94004-1_3
- 发表时间:2022-01-01
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- 影响因子:0
- 作者:Kay, Robert R;Lutton, Josiah;Bretschneider, Till
- 通讯作者:Bretschneider, Till
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