Оптическая когерентная эластография со смещением вибраций окружающей среды для определения механических свойств клеток, органоидов и тканей.

May 23, 2023

Биология связи, том 6, Номер статьи: 543 (2023) Цитировать эту статью

414 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Было показано, что роль механической среды в определении функции, развития и роста тканей является фундаментальной. Оценка изменений жесткости тканевых матриц в нескольких масштабах в основном опиралась на инвазивное и часто специальное оборудование, такое как АСМ или механические испытательные устройства, плохо подходящие для рабочего процесса с культурой клеток. В этой статье мы разработали беспристрастный метод пассивной оптической когерентной эластографии. , использующий вибрации окружающей среды в образце, что позволяет в режиме реального времени неинвазивно проводить количественное профилирование клеток и тканей. Мы демонстрируем надежный метод, который отделяет оптическое рассеяние и механические свойства путем активной компенсации шумового смещения, связанного с рассеянием, и уменьшения дисперсии. Эффективность метода получения достоверной информации подтверждена in silico и in vitro и проиллюстрирована для ключевых приложений, таких как механическое профилирование костных и хрящевых сфероидов во времени, модели тканевой инженерии рака, модели восстановления тканей и отдельные клетки. Наш метод легко реализовать с помощью любой коммерческой системы оптической когерентной томографии без каких-либо модификаций оборудования и, таким образом, предлагает прорыв в онлайн-механической оценке пространственных механических свойств органоидов, мягких тканей и тканевой инженерии.

Было показано, что механическая среда в гомеостазе тканей имеет основополагающее значение для функционирования, развития и патологии многих органов1,2,3. Жесткость матрицы может быть информативным индикатором во многих биологических и медицинских приложениях. В тканевой инженерии объемные и пространственные механические свойства инженерных трансплантатов имеют решающее значение для их клинического успеха после имплантации4,5,6,7. Например, ограничение питательных веществ может привести к созданию более мягкой центральной области в искусственном хряще8,9. В исследованиях рака жесткость отличает злокачественную ткань от здоровой ткани10, а мониторинг изменения жесткости трехмерной модели раковых клеток в ответ на лечение противораковыми препаратами потенциально может указывать на эффективность препарата11. В глазах жесткость роговицы указывает на ее оптические характеристики при внутриглазном давлении12. Традиционные подходы к тестированию механических свойств инженерных тканей обычно требуют прямого контакта с тканью и нестерильны, включая уничтожение клеточной культуры13,14. Более того, он обеспечивает только объемные значения, а не локальное понимание пространственной механической неоднородности сконструированной ткани. Производственные или долгосрочные культуры нуждаются в простом непрерывном мониторинге без повреждения 3D-культур, и оптические системы являются потенциальным решением. Таким образом, необходима система для стерильного онлайн-мониторинга объемных и пространственных механических свойств трехмерных тканей in vitro, таких как клеточные засеянные матрицы, органоиды или эксплантаты ex vivo.

Количественная оценка и пространственное картирование жесткости, процесс, известный как эластография, обычно может выполняться путем стимуляции образца, измерения его деформации и определения его механических свойств путем подгонки к параметризованной модели. Эластография была впервые реализована с помощью ультразвуковой визуализации15, затем МРТ16 и совсем недавно с помощью оптических методов, как было недавно рассмотрено17. Оптическая когерентная томография (ОКТ)18 особенно хорошо подходит для эластографического отслеживания деформации в небольших образцах благодаря возможности неинвазивной трехмерной визуализации с высоким разрешением19 и способности точно кодировать смещение по фазе20.

Ранние методы оптической когерентной эластографии (ОКЭ) использовали сжатие поверхности с отслеживанием спеклов21,22 и более позднее измерение фазовой задержки23, но эта концепция была реализована со многими другими контактными и бесконтактными формами стимуляции24. Одним из успешных подходов является запуск контролируемых поперечных волн в материале при точечной динамической нагрузке с помощью воздушной затяжки25 и измерение скорости волны с пространственным разрешением с помощью ОКТ, которая тесно связана с жесткостью материала26 и была продемонстрирована in vivo27. Возникающие в природе широкополосные диффузные поперечные волны также могут быть использованы для измерения длины волны сдвига28,29, концепция, использованная Нгуеном и соавт.30 при ОКТ, где она называется «пассивной эластографией». Близкородственный подход Zvietcovich et al.31 измеряет длину волны сдвига реверберирующих волн от массива точечных источников, вибрирующих на одной частоте, где он был успешно применен ex vitro для количественной оценки жесткости роговицы.