title: Computational and experimental design and analysis of a compound library for high-content cell morphology imaging screens
Creators: name: Kaltenbrunner, Isabel
Publisher: name: :none
Year: 2019

description: Die Morphologie einer Zelle stellt ein sehr geeignetes Ausleseverfahren für verschiedenste bildbezogene Anwendungen dar, das es ermöglicht, vielseitige und komplexe Informationen über den biologischen Status einer Zelle zu gewinnen. Ist eine Zelle externen oder internen Perturbationen ausgesetzt, ist sie gezwungen, darauf zu reagieren, um in die zellinterne Homöostase zurückzukehren. Diese Reaktion äußert sich häufig in phänotypischen Veränderungen der Zelle. Morphologische Ausleseverfahren sind daher von großem Nutzen, wenn es darum geht, solche Störsubstanzen zu identifizieren. Das übergreifende Ziel dieser Masterarbeit war es, eine Wirkstoffsammlung zu erstellen, welche dahingehend optimiert ist, morphologische Änderungen in High-Throughput Screens hervorzurufen. Zunächst haben wir zahlreiche Substanzen aus bereits vorhandener Literatur ausgewählt, charakterisiert und gefiltert. Anschließend haben wir den Screen mit über 1400 Wirkstoffen durchgeführt, welche einerseits aus einer käuflich erwerbbaren Sammlung von Sigma-Aldrich stammen und andererseits der hausinternen Wirkstoffbibliothek entnommen wurden. Nach Inkubation mit den Substanzen wurden die Zellen mit drei unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen gefärbt und mikroskopiert. Durch die anschließende computerbasierte und statistische Analyse der Zellphänotypen konnte die große Anzahl an Wirkstoffen auf eine überschaubare Menge von Substanzen reduziert werden, welche signifikante morphologische Veränderungen hervorrufen und nun die neue Wirkstoffsammlung „CeMM Library of Morphologically active Perturbagens“ (CLoMP) darstellen. Eine abschließende Charakterisierung der ``CLoMP'' zeigt ihre vielseitigen Eigenschaften auf, welche sie zu einer nützlichen Ressource für viele weitere Studien machen, wie beispielsweise die Untersuchung von Wirkstoff-Effekten oder zugrundeliegenden zellulären Mechanismen. Des Weiteren benötigt die CLoMP aufgrund ihres praktischen Formats lediglich eine einzige Multiwell-Platte. Dies ist vor allem für sehr umfangreiche, kombinatorische Screens von Vorteil, welche Interaktionen von Wirkstoffen mit anderen Wirkstoffen oder auch mit genetischen Faktoren behandeln und dadurch in kleinerem Umfang gehalten werden können.
description: Image-based cell morphology as readout provides huge potential for extracting multifaceted and complex information about biological processes that are taking place within a cell. Upon external or internal perturbations, cellular systems need to react to return to homeostasis, which often finds expression in phenotypical changes of the cell. Hence, morphological readouts are of great usefulness for identifying and investigating the impact of cellular perturbers, such as drug treatments, mutations or radiation. The overarching goal of this Master's thesis was to establish a compound library of chemical substances optimized for inducing strong morphological changes in high-throughput high-content imaging screens. We started by compiling a list of already known morphological perturbers by searching, characterizing and prioritizing compounds from the literature. We then screened more than 1400 drugs originating on the one hand from a comercial library from Sigma Aldrich and on the other hand from an in-house collection of small molecules. After incubation with these drugs, cells were stained using three different fluorescent dyes. A subsequent computational and statistical analysis on cell phenotypes was used to filter the large number of compounds to a small number of active hits that evoke a significant change in cell morphology, the so-called “CeMM Library of Morphologically active Perturbagens” (CLoMP). A following analysis of the ‘CLoMP’ shows its versatile properties, making it a useful resource for subsequent approaches, such as the investigation of drug effects and underlying cellular mechanisms. Moreover, its practical format allows downsizing on a single multiwell plate, which is particularly important for large-scale combination screens that address drug-drug or gene-drug interactions, in order to avoid combinatorial explosion.