CONTRACTIONWAVE: Software baseado em fluxo óptico denso para quantificar a contratilidade celular

dc.creatorSérgio Ricardo Aluotto Scalzo Júnior
dc.date.accessioned2022-06-03T18:46:19Z
dc.date.accessioned2025-09-09T00:18:44Z
dc.date.available2022-06-03T18:46:19Z
dc.date.issued2021-11-03
dc.description.abstractQuantification of cardiomyocyte contractility is an essential biomedical task and a key step in understanding the mechanisms involved in the pathogenesis of cardiac disease. However, accurate and reproducible measurements are hampered by several factors inherent to the software options currently available. Therefore, our goal was to develop an innovative technology to quantify the biomechanics of cardiomyocytes through robust open-source software written in Python language. We used cell images obtained from bright field microscope, and processed by dense optical method. To validate the software efficiency, we exposed male adult (12 weeks), neonatal (1-3 days) and Human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSCM) to drugs known to affect contractility (Isoproterenol or Verapamil). Statistical analysis was performed using ANOVA and Test t student, using p<0.05. Thus, we developed CONTRACTIONWAVE (CW), an open-source software written in Python language that combines in a single platform a robust method to acquire, visualize, analyze, and quantify contractility parameters of cardiac cells at different developmental stages. CW presents innovative features: 1) the Dense optical flow algorithm makes the program more sensitive; 2) CW can automatically detect contraction-relaxation average speed parameters and frequency; 3) CW interface was designed for users that are not a specialist in the cardiovascular field, therefore achieving a wide audience; 4) CW provides a novel visualization feature that permits simultaneous viewing of the cell image and the contraction waves. Adult, Neonatal and hiPSCM cardiomyocytes, treated with ISO or VERA, showed a significant decrease in Contraction Time, Relaxation and Total Contraction-Relaxation (ms). Only cells treated with VERA showed a decrease in the Maximum Contraction Speed (µm/s) and Maximum Relaxation Speed (µm/s) while the ISO increased. Likewise, ISO and VERA induced opposite effects in the shortening area (µm²). Cardiomyocytes from a hypertension model showed an increase in contraction time. Taken together, our results shows that CONTRACTIONWAVE is a high power open-source software to analyze cardiac contraction parameters, streamlining drug testing, disease modeling and advancing basic research in the cardiac.
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/42241
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
dc.subjectFisiologia
dc.subjectMiócitos Cardíacos
dc.subjectContração Miocárdica
dc.subjectProcessamento de imagens
dc.subjectFluxo óptico
dc.subjectSoftware
dc.subject.otherCardiomiócito
dc.subject.otherparâmetros de contratilidade
dc.subject.otheriPSC-CM
dc.subject.otherprocessamento de imagem
dc.subject.otherfluxo óptico
dc.subject.othersoftware
dc.titleCONTRACTIONWAVE: Software baseado em fluxo óptico denso para quantificar a contratilidade celular
dc.title.alternativeCONTRACTIONWAVE: Dense optical flow software to quantify cellular contractility
dc.typeTese de doutorado
local.contributor.advisor-co1Ubirajara Agero Batista
local.contributor.advisor1Silvia Carolina Guatimosim Fonseca
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/7958786029463633
local.contributor.referee1Stêfany Bruno de Assis Cau
local.contributor.referee1Danilo Roman Campos
local.contributor.referee1Antônio José Natali
local.contributor.referee1Flávio Augusto de Melo Marques
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5719203056999137
local.description.resumoA quantificação da contratilidade dos cardiomiócitos é uma tarefa biomédica essencial e uma etapa fundamental na compreensão dos mecanismos envolvidos na patogênese da doença cardíaca. No entanto, medidas precisas e reprodutíveis são dificultadas por vários fatores inerentes às opções de software disponíveis atualmente. Por tanto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver uma tecnologia inovadora para quantificar a biomecânica dos cardiomiócitos por meio de um open-source software escrito em linguagem Python. Foram utilizadas imagens celulares obtidas em microscópio de campo claro e processadas pelo método de fluxo óptico denso. Para validar a eficiência do software, tratamos células de camundongos e ratos machos adultos (12 semanas), neonatais (1-3 dias) e cardiomiócitos derivados de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPSCM) com drogas que possuem efeitos bem definidos nos parâmetros de contratilidade (isoproterenol ou verapamil). A análise estatística foi realizada por meio de ANOVA e Teste t student, utilizando p <0,05. Desse modo, desenvolvemos uma plataforma o CONTRACTIONWAVE (CW), um open-source software escrito em linguagem Python que combina em uma única plataforma um método robusto para adquirir, visualizar, analisar e quantificar parâmetros de contratilidade de células cardíacas em diferentes estágios de desenvolvimento. CW apresenta características inovadoras: 1) o algoritmo de fluxo óptico denso torna o programa mais sensível; 2) CW pode detectar automaticamente os parâmetros de velocidade média de contração-relaxamento e a frequência de contração; 3) A interface do CW foi projetada para usuários que não são especialistas na área cardiovascular, o que permite atingir, portanto, um público amplo; 4) CW fornece um novo recurso que permite a visualização simultânea da imagem da célula e do gráfico de contração celular. Os cardiomiócitos adultos, neonatais e hiPSCM, tratados com ISO ou VERA, mostraram uma diminuição significativa no tempo de contração, relaxamento e tempo total de contração-relaxamento (ms). Apenas as células tratadas com VERA apresentaram diminuição na Velocidade Máxima de Contração (µm/s) e Velocidade Máxima de Relaxamento (µm/s) enquanto o ISO aumentou. Da mesma forma, ISO e VERA induziram efeitos opostos na área de encurtamento (µm²). Cardiomiócitos adultos provenientes de um modelo de hipertensão mostraram um aumento no tempo de contração. Em conjunto, nossos dados mostram que o CONTRACTIONWAVE é um software de alto desempenho para analisar parâmetros de contração celular, proporcionando uma maior rapidez em testes de drogas, modelagem de doenças e o avanço da pesquisa básica na área cardíaca.
local.identifier.orcid0000-0002-1496-878X
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentICB - DEPARTAMENTO DE FISIOLOGIA E BIOFÍSICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciências Biológicas - Fisiologia e Farmacologia

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