세포, 오가노이드 및 조직의 기계적 특성을 프로파일링하기 위한 편향성 제거된 주변 진동 광학 일관성 탄성 측정법

Jul 16, 2023

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 543(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

조직 기능, 발달 및 성장을 정의하는 데 있어서 기계적 환경의 역할은 근본적인 것으로 나타났습니다. 여러 규모에서 조직 매트릭스의 강성 변화에 대한 평가는 주로 세포 배양 작업 흐름에 적합하지 않은 AFM 또는 기계적 테스트 장치와 같은 침습적이고 종종 전문 장비에 의존해 왔습니다. 이 논문에서는 편견이 없는 수동 광학 일관성 탄성 측정 방법을 개발했습니다. , 세포와 조직의 실시간 비침습적 정량 프로파일링을 가능하게 하는 샘플의 주변 진동을 활용합니다. 우리는 산란 관련 노이즈 바이어스를 적극적으로 보상하고 분산을 줄여 광학 산란과 기계적 특성을 분리하는 강력한 방법을 보여줍니다. 지상 진실을 검색하는 방법의 효율성은 in silico 및 in vitro에서 검증되었으며 뼈 및 연골 회전 타원체의 시간 경과 기계적 프로파일링, 조직 공학 암 모델, 조직 복구 모델 및 단일 세포와 같은 주요 응용 분야에 대해 예시되었습니다. 우리의 방법은 하드웨어 수정 없이 모든 상업용 광 간섭 단층 촬영 시스템으로 쉽게 구현할 수 있으므로 오가노이드, 연조직 및 조직 공학에 대한 공간 기계적 특성에 대한 온라인 조직 기계적 평가에 획기적인 발전을 제공합니다.

조직 항상성의 기계적 환경은 다중 장기 기능, 발달 및 병리학의 기본인 것으로 나타났습니다1,2,3. 매트릭스 강성은 ​​많은 생물학적 및 의학 응용 분야에서 유용한 지표가 될 수 있습니다. 조직 공학에서 조작된 이식편의 대량 및 공간적 기계적 특성은 이식 후 임상적 성공에 매우 중요합니다4,5,6,7. 예를 들어, 영양 제한으로 인해 조작된 연골의 중앙 영역이 더 부드러워질 수 있습니다8,9. 암 연구에서 강성은 악성 조직과 건강한 조직을 구별하며, 항암제 치료에 반응하는 3D 암세포 모델의 강성 변화를 모니터링하면 잠재적으로 약물의 효과를 나타낼 수 있습니다11. 눈에서 각막의 강성은 안압하에서의 광학 성능을 나타냅니다12. 조작된 조직의 기계적 특성을 테스트하기 위한 전통적인 접근 방식은 일반적으로 조직과의 직접적인 접촉이 필요하며 세포 배양 종료를 포함하는 비멸균적입니다13,14. 또한, 조작된 조직의 공간적 기계적 이질성에 대한 국부적인 통찰력보다는 대량 값만 제공합니다. 제조 또는 장기 배양에는 3D 배양 손상 없이 쉽고 지속적인 모니터링이 필요하며 광학 시스템은 잠재적인 솔루션을 제공합니다. 따라서 세포 시드 매트릭스, 오가노이드 또는 생체 외 이식편과 같은 시험관 내 3D 조직의 대량 및 공간적 기계적 특성을 멸균 온라인 모니터링하기 위한 시스템이 필요합니다.

탄성학으로 알려진 프로세스인 강성의 정량화 및 공간 매핑은 일반적으로 시편을 자극하고, 변형을 측정하고, 매개변수화된 모델에 피팅을 통해 기계적 특성을 추론함으로써 수행될 수 있습니다. 탄성 조영술은 초음파 영상15으로 처음 구현된 다음 MRI16로 구현되었으며 최근에는 최근 검토된 광학적 방법으로 구현되었습니다. OCT(광간섭 단층촬영)18은 고해상도 비침습적 3D 이미징 용량19 및 위상을 통해 변위를 정확하게 인코딩하는 기능으로 인해 작은 샘플의 탄성학 변형 추적에 특히 적합합니다.

초기 광학 간섭성 탄성학(OCE) 방법은 반점 추적 및 이후의 위상 지연 측정을 통해 표면 압축을 사용했지만 이 개념은 다른 많은 접촉 및 비접촉 형태의 자극으로 실현되었습니다. 성공적인 접근법 중 하나는 에어 퍼프를 통해 점 동적 하중에서 재료의 제어된 전단파를 시작하고 재료의 강성과 밀접하게 연결되어 있으며 생체 내에서 입증된 OCT를 사용하여 공간적으로 분해된 파동 속도를 측정하는 것입니다. 자연적으로 발생하는 광대역 확산 전단파는 Nguyen et al.30이 OCT와 함께 사용하는 개념인 전단 파장28,29을 측정하는 데 활용될 수도 있습니다. 여기서는 '수동 탄성학'이라고 합니다. Zvietcovich et al.31의 밀접하게 관련된 접근법은 단일 주파수에서 진동하는 접촉점 소스 배열의 반향파에서 전단 파장을 측정하며, 각막 강성을 정량화하기 위해 체외에서 성공적으로 적용되었습니다.