Charakterisierung von weichem biologischem Gewebe mit neuen biomechanischen Testmethoden im Labor

Feature vom 23. Januar 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Medical Xpress

Weiche biologische Gewebe sind wichtige Bestandteile, die die menschliche Physiologie und Krankheit beeinflussen, da sie das Zellverhalten während der Gewebeentwicklung, -erhaltung und -reparatur beeinflussen. Die meisten vorhandenen Methoden sind durch umfassende Charakterisierungstechniken eingeschränkt und beeinträchtigen dadurch grundlegende Prozesse, die der Gewebearchitektur zugrunde liegen.

In einem neuen Bericht, der jetzt in „Science Advances“ veröffentlicht wurde, haben Luca Rosalia und ein Forschungsteam aus Gesundheitswissenschaften, Physik und Ingenieurwissenschaften in Harvard und Cambridge ein Instrument für die einachsige Zugprüfung eines weichen biologischen Gewebes im Labor entwickelt, das auf Wechselwirkungen im geschlossenen Regelkreis basiert zwischen einem elektromagnetischen Aktuator und einem optischen Dehnungssensor.

Das Team validierte das Instrument mithilfe synthetischer Elastomere und untersuchte dann mit dem Gerät die mechanischen Eigenschaften von Weichgeweben wie dem Speiseröhrengewebe der Maus und seinen Aufbauschichten, zu denen Epithel-, Binde- und Muskelgewebe gehören. Die Wissenschaftler verbesserten die Zuverlässigkeit des Instruments, um eine ideale Plattform für eine breite Palette von Studien zur Biomechanik von weichem biologischem Gewebe zu schaffen.

Zu den Eigenschaften von Weichgewebe gehören Steifheit, Festigkeit und Viskoelastizität, die für verschiedene biologische Prozesse, einschließlich embryonaler Morphogenese, postnataler Entwicklung und physiologischer Funktion, von entscheidender Bedeutung sind. Solche biologischen Eigenschaften spielen auch eine Rolle bei der Entstehung und dem Fortschreiten einer Vielzahl von Pathologien, von Krebs über Wundheilung und Fibrose bis hin zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Allerdings sind die verfügbaren mechanischen Daten zu biologischen Geweben aufgrund der Grenzen der vorhandenen Charakterisierungsmethoden spärlich. Beispielsweise können die Zugeigenschaften biologischer Gewebe derzeit hauptsächlich mithilfe der Rasterkraftmikroskopie beurteilt werden.

In dieser Arbeit stellten Rosalia und das Team den Entwurf und die Entwicklung eines Zugprüfgeräts vor und validierten seine Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Prüfmethoden, indem sie zunächst synthetische Elastomere mit bereits bekannten mechanischen Eigenschaften verwendeten, gefolgt von der biomechanischen Charakterisierung der murinen Speiseröhre und ihrer konstituierenden Schichten um die Leistung des neu entwickelten Geräts zu verstehen und die Zuverlässigkeit der im Labor etablierten Methode zu bestimmen.

Die Forscher verwendeten das vorgeschlagene Instrument, um seinen biomechanischen Charakter im Millimeterbereich zu testen. Die Parameter entsprachen der durchschnittlichen Größe menschlicher Gewebeproben, die routinemäßig in der Klinik biopsiert wurden, sowie embryonalem Maus- und Erwachsenengewebe, das in der Biomedizin verwendet wird. Das Team unterteilte die Architektur des vorgeschlagenen Instruments im Hinblick auf ihre Anwendungen in drei Abschnitte, darunter Probenhandhabung, Kraftanwendung und Verformungsmessungen.

Die Forscher konstruierten das mechanische Instrument, um seine Lichtquelle, den Elektromagneten und die Probenkammer in einer zuverlässigen Konfiguration auszurichten. Sie integrierten elektrische und optische Komponenten des Geräts, um gleichzeitig Zugtests und Live-Bildgebung kleiner biologischer Gewebeproben durchzuführen. Sie enthielten außerdem einen magnetischen Aktuator im Gerät und einen Elektromagneten zur Erzeugung eines variablen Magnetfelds sowie ein optisches System.

Das Team wollte die Biomechanik von weichem biologischem Gewebe testen, indem es so nah wie möglich an seiner physiologischen Umgebung gehalten wurde. Dies erreichten sie, indem sie eine transparente Montagekammer entwarfen und das Testprobengewebe in eine Salzlösung eintauchten. Anschließend entwarfen sie ein geschlossenes Rückkopplungssystem, um die elektromagnetische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften der Probe zu erleichtern, darunter externe Sensoren, Vibrationen oder Sensorrauschen.

Die Wissenschaftler validierten das Gerät vergleichend, indem sie seine Leistung mit etablierten Methoden bewerteten, indem sie Polyvinylsiloxan auf dem Instrument und auf einem Instron-Zugprüfgerät verwendeten. Als nächstes testeten sie die Montagekammer, um die physiologische Umgebung biologischer Gewebe mithilfe von Finite-Elemente-Modellierung nachzubilden und so die Spannungs-Dehnungs-Reaktion des Geräts weiter zu charakterisieren.

Als nächstes identifizierte das Team die mehreren Gewebeschichten rund um die Speiseröhre, darunter die Schleimhaut, die Untermukosa und die Tunica muscularis. Mithilfe des Geräts führten sie außerdem erstmals in der Studie ein einachsiges Zugtestverfahren durch, um das gesamte Speiseröhrengewebe und seine drei Hauptbestandteile biomechanisch zu charakterisieren. Die Schleimhaut enthielt ein geschichtetes Plattenepithel mit differenzierten suprabasalen Zellen und sich selbst erneuernden basalen Vorläuferzellen.

Die Bioingenieure müssen das mechanische Verhalten der Speiseröhre noch umfassend charakterisieren, da es in einem weitgehend auf Tiermodelle beschränkten Forschungsgebiet an geeigneten Testmethoden mangelt. In dieser Arbeit führte das Team die erste einachsige Zugversuchsmethode durch, um das gesamte Speiseröhrengewebe der Maus und die drei Schichten, aus denen es besteht, biomechanisch zu charakterisieren.

Auf diese Weise entwickelten Luca Rosalia und Kollegen ein High-Fidelity-Gerät für die einachsige Zugprüfung weicher biologischer Gewebe. Das Gerät fungierte als geschlossenes Kreislaufsystem, das auf der Grundlage der Wechselwirkungen zwischen einem Elektromagneten und einer ferromagnetischen Perle eine Zugkraft erzeugte und gleichzeitig die Verschiebung der Probe unter verschiedenen Belastungsbedingungen verfolgte. Die Wissenschaftler validierten das Gerät, indem sie die elastischen Eigenschaften synthetischer Materialien charakterisierten und anschließend die Biomechanik der Speiseröhre der Maus untersuchten.

Zukünftige Untersuchungen können weitere Messungen der viskoelastischen Eigenschaften weicher biologischer Gewebe ermöglichen, um letztendlich den fundierten Entscheidungsprozess für diagnostische oder prognostische Ergebnisse während der translationalen Mechanobiologie in der klinischen Forschung zu unterstützen.

Mehr Informationen: Luca Rosalia et al., Eine magnetisch betätigte, optisch erfasste Zugprüfmethode zur mechanischen Charakterisierung weicher biologischer Gewebe, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522

Pei-Hsun Wu et al., Ein Vergleich von Methoden zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften von Zellen, Nature Methods (2018). DOI: 10.1038/s41592-018-0015-1

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