Diseño de un dispositivo integrado para pruebas de tracción de tejidos biológicos accionados magnéticamente y detectados ópticamente. (A) Esquema que ilustra el principio de funcionamiento del dispositivo para permitir la caracterización mecánica de alta fidelidad de tejidos biológicos blandos en la escala milimétrica. (B) modelo 3D de la configuración, que muestra (arriba) el electroimán, el sensor CCD, el sistema de iluminación y la base compatible con microscopía; (abajo) la cámara de montaje, la celda de flotabilidad, la muestra de tejido blando, las tapas impresas en 3D y los portamuestras. (C) Foto del aparato de ensayo de tracción en funcionamiento en la platina de un microscopio invertido Olympus CKX41. Crédito: Avances de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522
Los tejidos biológicos blandos son constituyentes importantes que influyen en la fisiología y las enfermedades humanas, ya que afectan el comportamiento de las células durante el desarrollo, el mantenimiento y la reparación de los tejidos. La mayoría de los métodos existentes están limitados por técnicas de caracterización integrales que perjudican los procesos fundamentales que subyacen a la arquitectura del tejido.
En un nuevo informe publicado ahora en Avances de la cienciaLuca Rosalia y un equipo de investigación en ciencias de la salud, física e ingeniería de Harvard y Cambridge desarrollaron un instrumento para la prueba de tracción uniaxial de un tejido biológico blando en el laboratorio, basado en interacciones de bucle cerrado entre un actuador electromagnético y un sensor de tensión óptico .
El equipo validó el instrumento usando elastómeros sintéticos, luego usó el dispositivo para examinar las propiedades mecánicas de los tejidos blandos como tejido esofágico murino y sus capas constituyentes, que incluyen tejidos epiteliales, conectivos y musculares. Los científicos mejoraron la fiabilidad del instrumento para facilitar una plataforma ideal para una amplia gama de estudios sobre la biomecánica del tejido biológico blando.
Comprender las propiedades del tejido biológico blando
Las propiedades de los tejidos blandos incluyen rigidez, resistencia y viscoelasticidad que son clave para diversos procesos biológicosincluido morfogénesis embrionaria, desarrollo posnatal y función fisiológica. Tales propiedades biológicas también desempeñan un papel en el inicio y el progreso de una variedad de patologías, desde el cáncer hasta la cicatrización de heridas y la fibrosis, así como enfermedades cardiovasculares. Sin embargo, los datos mecánicos disponibles sobre tejidos biológicos son escasos debido a los límites de los métodos de caracterización existentes. Por ejemplo, en la actualidad, las propiedades de tracción de los tejidos biológicos se pueden evaluar principalmente utilizando Fuerza atómica microscópica.
En este trabajo, Rosalía y el equipo introdujeron el diseño y desarrollo de un aparato de prueba de tracción y validaron su rendimiento frente a los métodos de prueba convencionales mediante el uso de elastómeros sintéticos primero con propiedades mecánicas ya conocidas, seguido de la caracterización biomecánica del esófago murino y sus capas constitutivas. para comprender el rendimiento del dispositivo recientemente desarrollado y determinar la confiabilidad del método establecido en el laboratorio.
Validación de dispositivos frente a métodos estándar utilizando muestras de material sintético. (A) Izquierda: foto del dispositivo en funcionamiento (configuración de aire), utilizando pinzas mecánicas para montar las muestras elastoméricas. Derecha: Fotografía de un probador Instron 5544 con una muestra elastomérica montada usando pinzas similares. (B) Curvas de tensión-deformación de las muestras Elite Double 8 y 22 en nuestro dispositivo (configuración de aire) y en el probador Instron. (C) Curvas de tensión-deformación de las muestras Elite Double 8 y 22 en nuestro dispositivo (PBS en configuración de cámara de montaje) y en la máquina Instron; n = 3 muestras por prueba. Las barras de error representan 1 SD. Crédito: Avances de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522
Consideraciones de diseño del dispositivo.
Los investigadores utilizaron el instrumento propuesto para probar su carácter biomecánico a escala milimétrica. Los parámetros correspondieron al tamaño medio de las muestras de tejido humano biopsiadas de forma rutinaria en la clínica y al tejido embrionario de ratón y adulto utilizado en biomedicina. El equipo dividió la arquitectura del instrumento propuesto en tres secciones relativas a sus aplicaciones para incluir el manejo de muestras, la aplicación de fuerza y medidas de deformación.
Los investigadores diseñaron el instrumento mecánico para alinear su fuente de luz, electroimán y cámara de muestra de montaje en una configuración confiable. Integraron componentes eléctricos y ópticos del dispositivo para realizar simultáneamente pruebas de tracción e imágenes en vivo de pequeñas muestras de tejido biológico. También incluyeron un actuador magnético dentro del dispositivo y un electroimán para generar un campo magnético variable y un sistema óptico.
Estudios de preacondicionamiento, velocidad de deformación e histéresis del esófago murino. (A) Vista lateral de una muestra de pared esofágica bajo tensión uniaxial en el dispositivo propuesto. (B) Comportamiento de tensión-deformación representativo del esófago para el análisis de preacondicionamiento durante seis ciclos de carga. (C) Desviaciones de tensión absolutas para cada ciclo de carga de preacondicionamiento posterior (n = 3 muestras). (D) Referencia prescrita y señales de posición medidas para el análisis de velocidad de deformación en ε˙ = 0,025, 0,050 y 0,100 s−1. (E) Respuesta tensión-deformación a diferentes velocidades de deformación. (F) Módulo de Young de 0 a 10 % y de 50 a 60 % de alargamiento para análisis de velocidad de deformación (n = 3 muestras). (G) Referencia prescrita y señales de posición medidas para el análisis de histéresis. (H) Comportamiento de tensión-deformación de las muestras de esófago durante los ciclos de carga y descarga para el análisis de histéresis. (I) Módulo de Young a 0 a 10% y 50 a 60% de elongaciones durante el ciclo de histéresis para n = 1 muestra repetida tres veces. En todos los gráficos, las barras de error representan 1 SD. Crédito: Avances de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522
Recreación de un entorno microfisiológico en el laboratorio
El equipo pretendía probar la biomecánica del tejido biológico blando manteniéndolo lo más cerca posible de su entorno fisiológico. Lo lograron diseñando una cámara de montaje transparente y sumergiendo el tejido de la muestra de prueba en una solución salina. Luego diseñaron un sistema de retroalimentación de circuito cerrado para facilitar la estabilidad electromagnética y las propiedades mecánicas que surgen de la muestra, que incluían sensores externos, vibraciones o ruido del sensor.
Los científicos validaron comparativamente el dispositivo evaluando su rendimiento con métodos establecidos, utilizando polivinil siloxano en el instrumento y en un probador de tracción Instron. A continuación, probaron la cámara de montaje para recrear el entorno fisiológico de los tejidos biológicos logrados con modelado de elementos finitos para caracterizar aún más la respuesta de tensión-deformación del dispositivo.
Caracterización biomecánica del esófago
A continuación, el equipo identificó las múltiples capas de tejido que rodean el esófago, incluidas la mucosa, la submucosa y la túnica muscular. Usando el dispositivo, también realizaron una primera técnica de prueba de tracción uniaxial en estudio para caracterizar biomecánicamente todo el tejido esofágico y sus tres capas constituyentes principales. La mucosa contenía un epitelio estratificado escamoso con células suprabasales diferenciadas y células progenitoras basales autorrenovables.
Los bioingenieros todavía tienen que caracterizar exhaustivamente el comportamiento mecánico del esófago debido a la ausencia de métodos de prueba adecuados dentro de un campo de investigación limitado en gran medida a modelos animales. En este trabajo, el equipo llevó a cabo el primer método de prueba de tracción uniaxial para caracterizar biomecánicamente todo el tejido esofágico del ratón y sus tres capas constituyentes.
Caracterización mecánica del esófago como un tejido multicapa. (A) Sección del esófago teñida con hematoxilina y eosina (H&E), que muestra las capas epitelial (mucosa), estromal (submucosa) y muscular (tunica muscularis). Barra de escala, 200 μm. (B) Comportamiento de tensión-deformación del esófago intacto, el epitelio y el estroma no divididos y la capa muscular (modelo de dos capas). (C) Comportamiento de tensión-deformación del esófago intacto y de cada capa individual (modelo de tres capas). (D) Módulo de Young con alargamientos del 0 al 10% de la pared esofágica intacta y de las capas de tejido separadas. (E) Módulo de Young con alargamientos del 50 al 60% del esófago intacto y de las capas de tejido separadas. (F) Módulo de Young del esófago intacto y de las capas de tejido separadas a tensiones fisiológicas. Se usaron tres especímenes diferentes (n = 3) para cada prueba y cada prueba se repitió cinco veces. En todos los gráficos, las barras de error representan 1 DE. Crédito: Avances de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522
panorama
De esta manera, Luca Rosalia y sus colegas desarrollaron un dispositivo de alta fidelidad para pruebas de tracción uniaxial de tejidos biológicos blandos. El dispositivo funcionó como un sistema de circuito cerrado para generar una fuerza de tracción basada en las interacciones entre un electroimán y una perla ferromagnética, mientras rastreaba el desplazamiento de la muestra bajo una variedad de condiciones de carga. Los científicos validaron el dispositivo mediante la caracterización de las propiedades elásticas de los materiales sintéticos, y luego investigaron la biomecánica del esófago del ratón.
Las investigaciones futuras pueden facilitar más mediciones de las propiedades viscoelásticas de los tejidos biológicos blandos para respaldar en última instancia el proceso informado de toma de decisiones para los resultados de diagnóstico o pronóstico durante la mecanobiología traslacional en la investigación clínica.
Más información:
Luca Rosalia et al, Un método de prueba de tracción de detección óptica y accionado magnéticamente para la caracterización mecánica de tejidos biológicos blandos, Avances de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522
Pei-Hsun Wu et al, Una comparación de métodos para evaluar las propiedades mecánicas de las células, Métodos de la naturaleza (2018). DOI: 10.1038/s41592-018-0015-1
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Citación: Caracterización del tejido biológico blando con nuevos métodos de prueba biomecánicos en el laboratorio (23 de enero de 2023) recuperado el 23 de enero de 2023 de https://medicalxpress.com/news/2023-01-characterizing-soft-biological-tissue-biomechanical.html
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