Characterization of SH-SY5Y neurons subject to 92kHz ultrasound stimulation / Caracterización de neuronas SH-SY5Y sujetas a estimulación por ultrasonido de 92 kHz

SUMMARY: Cellular microstructural changes due to ultrasound exposure are critical to understand and characterize in order to further the establishment of ultrasonics in cell and tissue engineering and medicine. In this study, neurite length, nuclear morphology, and cellular toxicity are assessed at varying intensities of 92 kHz ultrasound provided by a piezoceramic disk element and incident upon SH- SY5Y neurons in vitro. Findings suggest that stimulation increases neurite length up to 2.73 fold tested at α = 0.05 in an intensity dependent manner. Additionally, stimulation causes a statistically significant (α = 0.05) decrease in nuclear area and less elongated nuclei, by 1.78 fold and 1.38 fold respectively, also in an intensity dependent manner. For maximum transducer surface intensities ranging from 0 to 39.11 W/cm2, the toxicity of 92 kHz ultrasound is assessed and a nontoxic range is determined using Caspase-3 and Annexin V staining, in addition to Calcium imaging via Calcein-AM staining. Intensities of up to 1.6 W/cm2 are found to be nontoxic for the cells under the parameters used in this study.

RESUMEN: Los cambios micro estructurales celulares debidos a la exposición a los ultrasonidos son fundamentales para comprender y caracterizar el establecimiento de los ultrasonidos en la ingeniería y la medicina de células y tejidos. En este estudio, la longitud de las neuritas, la morfología nuclear y la toxicidad celular se evalúan a intensidades variables de ultrasonido de 92 kHz proporcionado por un elemento de disco piezocerámico e incidente sobre las neuronas SH-SY5Y in vitro. Los resultados sugieren que la estimulación aumenta la longitud de las neuritas hasta 2,73 veces probada a α = 0,05 de una manera dependiente de la intensidad. Además, la estimulación provoca una disminución estadísticamente significativa (α = 0,05) en el área nuclear y núcleos menos alargados, en 1,78 veces y 1,38 veces, respectivamente y también de una manera dependiente de la intensidad. Para intensidades máximas de la superficie del transductor que oscilan entre 0 y 39,11 W / cm2, se evaluó la toxicidad del ultrasonido de 92 kHz y se determinó un rango no tóxico mediante tinción con Caspasa-3 y Anexina V, además de imágenes de calcio mediante tinción con Calceína-AM. Se encontró que las intensidades de hasta 1.6 W / cm2 no son tóxicas para las células bajo los parámetros usados en este estudio.

Nuclear elongation correlates with neurite induced cellular elongation during differentiation of SH-SY5Y neural cells / El alargamiento del núcleo se correlaciona con el alargamiento celular inducido por neuritas durante la diferenciación de las células neuronales Sh-Sy5Y

SUMMARY: Cellular differentiation is a highly regulated process that has vast implications for the mechanics of the cell. The interplay between differentiation induced cytoskeletal mechanical changes and strain on the nucleus is a potential cause of gene level changes. This study explores mechanical changes in SH-SY5Y neural cells during differentiation mediated by Retinoic Acid (RA) across Days 0 through 9. Findings suggest that cellular elongation increases 1.92-fold over a 10-day differentiation period, from 48.97 ±16.85µm to 93.96 ± 31.20 µm over 3 repeated trials and across multiple cells analyzed on ImageJ. Nuclear elongation increases less substantially from 17.51 ± 2.71 µm to 23.26 ± 3.10 µm over 3 repeated trials and across multiple cells. Results are statistically significant at a significance level of α = 0.05. This study is one of the first studies to show that during the process of RA mediated neural differentiation in SH-SY5Y neural cells, nuclear elongation is initially not significantly correlated with cellular elongation, but it becomes correlated during the differentiation process with an overall correlation coefficient of 0.4498 at a significance level of α = 0.05. Given the time course of the mechanical changes and the known coupling between the cytoskeleton and nuclear lamina, this study suggests a causative and correlative relationship between neurite-driven cellular elongation and nuclear elongation during neural differentiation.

RESUMEN: La diferenciación celular es un proceso altamente regulado que tiene vastas implicaciones para la mecánica de la célula. La interacción entre los cambios mecánicos citoesqueléticos inducidos por la diferenciación y la tensión en el núcleo es una causa potencial de cambios a nivel genético. Este estudio explora los cambios mecánicos en las células neurales SH-SY5Y durante la diferenciación mediada por el ácido retinoico (RA) durante los días 0 a 9. Los resultados sugieren que el alargamiento celular aumenta 1,92 veces durante un período de diferenciación de 10 días, de 48,97 ± 16,85 µm a 93,96 ± 31,20 µm en 3 ensayos repetidos y en múltiples células analizadas en Image J. El alargamiento nuclear aumenta menos sustancialmente de 17,51 ± 2,71 µm a 23,26 ± 3,10 µm durante 3 ensayos repetidos y en múltiples células. Los resultados son estadísticamente significativos a un nivel de significancia de α = 0,05. Esta investigación es uno de los primeros estudios en demostrar que durante el proceso de diferenciación neural mediada por RA en las células neurales SH-SY5Y, el alargamiento nuclear inicialmente no se correlaciona significativamente con el alargamiento celular, pero se correlaciona durante el proceso de diferenciación con un coeficiente de correlación global de 0,4498 a un nivel de significancia de α = 0,05. Dado el curso temporal de los cambios mecánicos y el acoplamiento conocido entre el citoesqueleto y la lámina nuclear, este estudio sugiere una relación causal y correlativa entre el alargamiento celular impulsado por neuritas y el alargamiento nuclear durante la diferenciación neural.