Development and validation of computational tools for semi-3D traction force microscopy

Zusammenfassung

Las interacciones célula-matriz juegan un papel clave en la regulación de una gran variedad de procesos fisiológicos fundamentales, incluyendo la señalización, migración y crecimiento celular. Debido a su reproducibilidad y bajo coste, la microscopía de fuerza de tracción (TFM, por sus siglas en inglés) se utiliza habitualmente para estimar las fuerzas celulares a partir de un gran número de partículas fluorescentes embebidas en un hidrogel que imita las propiedades mecánicas de la matriz extracelular. Esta tesis presenta una metodología para la cuantificación de las fuerzas 3D ejercidas por células adheridas a la superficie de un gel elástico. La metodología propuesta combina nuevas alternativas para el cálculo de los desplazamientos de las partículas fluorescentes con diferentes métodos de control de errores. Las técnicas desarrolladas incluyen una etapa de pre-filtrado para mejorar la calidad de las imágenes adquiridas de las partículas fluorescentes. El cálculo de las deformaciones del gel causadas por la acción de las fuerzas celulares se ha reformulado como un proceso de registro de imagen. Las fuerzas se han recuperado de una forma eficiente operando en el dominio de Fourier, y se han aplicado diferentes métodos de control de errores que se adaptan a cada distribución de fuerza. Por último, se ha presentado un simulador de TFM que reproduce fielmente las condiciones de un experimento de TFM real. El simulador permite evaluar el rendimiento de los algoritmos actuales y futuros utilizados en TFM bajo una gran variedad de condiciones, siendo una herramienta valiosa para interpretar correctamente los resultados de un experimento de TFM real y distinguir los errores inherentes producidos por los algoritmos de los resultados biológicos reales. Finalmente, los métodos computaciones desarrollados se han aplicado a experimentos TFM reales para analizar las fuerzas ejercidas por células madre derivadas de tejido adiposo sobre un gel de poliacrilamida.