Literature Review on Image-based Analyses of Sub-cellular Microstructures in in Vitro Neurological Disease Models

Abstract

In vitro cultured neurons are utilized to create models of neurological diseases (NDs). These models are used to study the mechanisms of NDs as well as potential diagnostic and therapeutic approaches. Image-based microscopy analysis is one of the most used methods in the evaluation of the studied conditions. Through image analysis, subtle structural changes in neurons can be detected and associated to NDs.

This quantitative literature review focuses on in vitro research employing image analysis methods on specific NDs including Parkinson’s Disease (PD), Alzheimer’s Disease (AD), epilepsy, and stroke. Emphasis is given to neuronal morphology and specific sub-cellular microstructures (SCMs) such as synaptic proteins, protein aggregates, and extracellular vesicles (EVs) associated with focused NDs. The review encompasses aspects of imaging hardware, acquisi-tion techniques, and tools for image analysis by also assessing the benefits and drawbacks of standard practices.

The literature analysis revealed that each ND can be characterized with different SCM to focus. The majority of imaging was conducted using confocal and epifluorescent microscopy, both of which utilize fluorescent compounds for structure visualization. A range of analysis methods and software was employed, independent from the SCMs studied.

The results show that confocal microscopy is the advancing technique in image-based analysis. Additionally, neuron morphology as a feature, is shown to reveal NDs even if it isn’t their primary biomarker. The results also demonstrate the freedom of choosing the software that fit purposes of research the best.

Neurologisia sairauksia (NS) tutkitaan in vitro muodostetuilla malleilla neuroniverkostoista. Malleilla pystytään tarkastelemaan NS:ien toimintamekanismeja sekä kehittämään sairauksien diagnosointia ja terapioita. NS:ien tutkimisessa yksi käytetyimmistä menetelmistä on mikroskoopilla kuvaaminen. Kuvantamisen avulla neuronien pienet rakenteelliset muutokset saadaan yhdistettyä NS:ien käyttäytymiseen.

Tässä määrällisessä kirjallisuuskatsauksessa keskitytään tutkimuksiin, joissa on käytetty in vitro kuvantamismenetelmiä Parkinsoniin, Alzheimeriin, epilepsiaan ja aivohalvaukseen. Tarkastelussa on neuronien morfologia sekä tietyt solunsisäiset mikrorakenteet (SM) jotka liittyvät NS:iin. Näihin lukeutuvat synaptiset proteiinit, liukenemattomat proteiinikappaleet ja solunulkoiset rakkulat. Kirjallisuuskatsauksen tavoitteena on selvittää kuvantamislaitteistoa, kuvantamistekniikoita ja analyysityökaluja sekä eri käyttötarkoitusten ja -kohteiden etuja ja haittoja.

Analysoiduista tutkimuksista käy ilmi, että eri NS:ien määrittämiseen käytetään yleensä tiettyjä SM:iä. Kuvantaminen suoritetaan yleisimmin pintafluoresoivalla tai konfokaalimikroskoopilla. Molemmissa hyödynnetään fluoresoivan väriaineen lisäämistä solunsisäisten rakenteiden erottamiseksi.

Analyysiohjelmistojen käyttö oli vaihtelevaa eikä näyttänyt riippuvan muista parametreistä. Tuloksista voidaan päätellä konfokaalimikroskopian olevan kehittyvä menetelmä kuvantamisessa. Lisäksi neuronien morfologiaa käytetään tärkeänä osana NS:ien tutkimusta, vaikka se ei olisi sairauden suora biomarkkeri. Esille käy myös tietty vapaus valita analyysiohjelmisto tarpeen mukaan.