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Cell Painting

Ein bildbasierter High-Content-Multiplex-Assay für das morphologische Profiling mittels mehrerer Fluoreszenzfarbstoffe.

Was ist Cell Painting?

Das Cell Painting ist ein bildbasierter High-Content-Multiplex-Assay, der für das zytologische Profiling eingesetzt wird. In einem Cell Painting Assay werden bis zu sechs Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt, um verschiedene Kompartimente einer Zelle zu markieren, darunter den Zellkern, das Endoplasmatische Retikulum, Mitochondrien, das Zytoskelett, den Golgi-Apparat und die RNA. Das Ziel ist, von der Zelle so viel wie möglich „anzumalen“, um ein repräsentatives Bild der gesamten Zelle zu erhalten.

Um Messwerte der Eigenschaften jeder Zelle zu gewinnen, wird eine automatisierte Bildanalyse-Software genutzt. Die Anzahl der einzigartigen Messwerte bewegt sich üblicherweise im Bereich von 100 bis 1000 pro Zelle. Die Messwerte umfassen normalerweise die Intensität, Struktur, Form, Größe sowie die Nähe zu einem Objekt in der benachbarten Struktur, und liefern so Hinweise auf die räumlichen Beziehungen zwischen den Organellen. Zusammengefasst bilden diese Messwerte das phänotypische Profil.

Zellkernfarbstoff

Zellkern
Farbstoff: Hoechst 33342

MitoTracker Deep Red

Mitochondrien
Farbstoff: MitoTracker Deep Red

Endoplasmatisches Retikulum Farbstoff

Endoplasmatisches Retikulum
Farbstoff: Concanavalin A/Alexa Fluor 488-Konjugat

Nukleoli, zytoplasmatische RNA Farbstoff

Nukleoli, zytoplasmatische RNA Farbstoff
Farbstoff: SYT0 14 Green Fluorescent Nucleic Acid Stain

F-Aktin-Zytoskelett, Golgi, Plasmamembran Farbstoff

F-Aktin-Zytoskelett, Golgi, Plasmamembran
Farbstoff: Phalloidin/Alexa Fluor 568-Konjugat, Wheatgerm Agglutinin/Alexa Fluor 555-Konjugat
 

ER (Endoplasmisches Retikulum) und Zellkerne

Bildkomposition bestehend aus Aktin, ER (Endoplasmisches Retikulum) und den Zellkernen.

 

Cell Painting für phänotypisches Profiling

 

Das phänotypische Profil einer Zelle zeigt den spezifischen biologischen Zustand einer Zelle an. Genauer gesagt kann es dazu genutzt werden, biologische Störungen abzufragen, da die Zellmorphologie durch Faktoren wie den Stoffwechsel, den genetischen und epigenetischen Status und Umweltindikatoren beeinflusst wird. Zudem kann es genutzt werden, um gesunde Zellen im Vergleich zu kranken Zellen zu beschreiben. Da das phänotypische Profil einen Zusammenschluss einer ganzen Anzahl von Messwerten darstellt, die in Cell-Painting-Assays erhoben werden, ist es gegenüber Abweichungen oder Veränderungen dieser Eigenschaften empfindlicher. Mit anderen Worten, ein phänotypisches Profil kann bestimmte Eigenschaften der Zelle erfassen, die für das bloße Auge nicht offensichtlich sind.

In einem Interview mit dem Science Explorer erklärte Angeline Lim, Ph.D.: „Ich stelle mir das Cell Painting oder das Phänotyp-Profiling gerne als analog zur Gesichtserkennung vor. Es ist ein bisschen so, wie wenn Facebook oder iPhoto die Gesichter von Personen markiert. Sobald Sie ein Foto haben und es markieren, extrahiert die Software im Hintergrund Informationen aus dem Foto und berechnet ein Profil. Wenn ein anderes Foto auftaucht, vergleicht die Software dessen Profil mit dem des vorausgegangenen Fotos, um festzustellen, ob dies die gleichen oder unterschiedliche Fotos sind. So funktioniert das Cell Painting im Grunde. Beim Cell Painting erwarten wir vom Bildanalyse-Schritt, dass ähnliche Zellen und unähnliche Zellen, oder auch kranke Zellen und gesunde Zellen, in unterschiedlichen Clustern zusammengefasst werden. Dies findet potenziell vielerlei Anwendungen, insbesondere in der Wirkstoffforschung.“

 

Beispiele behandelter Zellen und phänotypischer Veränderungen

 

Hier ist ein Beispiel, in dem behandelte Zellen offensichtliche Veränderungen ihres Phänotyps zeigen – nur drei der fünf Wellenlängen sind in dieser Bildkomposition gezeigt: Zellkerne in Blau, Endoplasmatisches Retikulum in Grün, Aktin und Golgi in Rot.

 

Kontrolle, unbehandelte Zellen.

Kontrolle, unbehandelte Zellen.

Mit Rotenon behandelte Zellen.

Mit Rotenon, ein in Insektiziden häufig verwendetes Toxin, behandelte Zellen. Von Rotenon ist ebenfalls bekannt, dass es die mitochondriale ATP-Produktion hemmt und von dem gezeigt wurde, dass es in verschiedenen Krebszellen eine anticancerogene Aktivität aufweist.

Mit Chloroquin behandelte Zellen.

Mit Chloroquin behandelte Zellen. Chloroquin wurde ursprünglich für die Behandlung von Malaria entwickelt.

 

Allgemeiner Arbeitsablauf eines Cell-Painting-Assays

 

Ein Vorteil des Cell-Painting-Assays ist, dass sein Arbeitsablauf zu denjenigen gehört, die vielen Biologen vertraut sind. Als Erstes plattieren Sie Ihre Zellen aus. Als Nächstes lösen Sie eine bestimmte Art der Störung aus. Diese kann chemisch oder genetisch sein (z. B. Zugabe einer Verbindung, kleiner Moleküle oder einer RNAi-Bibliothek). Nach einer geeigneten Inkubationszeit werden die Zellen mit einem Set von Cell-Painting-Farbstoffen gefärbt. Es ist auch möglich, andere Farbstoffkombinationen zu verwenden, die für Ihren speziellen Assay geeigneter sind.

Nachdem die Zellen „angemalt“ wurden, werden Aufnahmen der Zellen mit einem High-Content-Imager wie unserem ImageXpress® Micro High-Content Imaging System erfasst. Eine automatisierte Bildanalyse-Software wie unsere MetaXpress® Image Analysis Software wird zur Extraktion von Eigenschaften angewendet, wobei Zellen und deren Zellkomponenten identifiziert und vermessen werden. Zuletzt werden die Messungen mittels verschiedener Datenanalyse-Werkzeuge weiter verarbeitet, um phänotypische Profile zu erzeugen und zu vergleichen, um Cluster-Analysen durchzuführen und um Ziele zur Ableitung morphologischer Profile zu identifizieren. Behandeln Sie die Zellen mit chemischen oder genetischen Störeinflüssen (z. B. RNAi, CRISPR/Cas9) oder mit Viren.

 

Allgemeiner Arbeitsablauf eines Cell-Painting-Assays

 

  1. Plattieren Sie die Zellen in Kultivierungsplatten (384-Well-Platte).
  2. Färben Sie die Zellen mit Fluoreszenzfarbstoffen (z. B. Hoechst, Phalloidin, MitoTracker).
  3. Erfassen Sie Aufnahmen der Zellen mit einem High-Content-Imaging-System.
  4. Analysieren Sie die Zellbilder, um Eigenschaften und Messwerte mittels einer automatisierten Bildanalyse-Software zu extrahieren.
  5. Leiten Sie morphologische Profile aus den Messwerten ab.

 


 

Erfahren Sie mehr über das Cell Painting

 

Cell Painting entwickelt sich aufgrund seiner vielen wichtigen potenziellen Anwendungen zu einem wertvollen Werkzeug, insbesondere in der Wirkstoffforschung. Erfahren Sie, wie Sie die Fähigkeiten des High-Content-Imaging optimieren und führen Sie Multiplex-Assays durch, indem Sie die vorkonfigurierten oder benutzerdefinierten Module der MetaXpress Software nutzen, um ein datenreiches Phänotyp-Profil zu erzielen.

 

 

Ressourcen für das Cell Painting

Videos und Webinare

Erschließen Sie das Potential des Cell Paintings

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