Wie UCL ElectroPuls® zur Messung der Steifigkeit von Mikroumgebungen krebsartigen Gewebes einsetzte
Forscher am UCL nutzten das Instron ElectroPuls® ™ E3000, um ultralangsamme, hochpräzise Mikroindentationsprüfungen an 150 μm dicken Kollagengelen durchzuführen und Steifigkeitsdaten zu extrahieren, die für die Modellierung des Wachstums krebsartigen Gewebes relevant sind. Die Ergebnisse wurden mittels Rasterkraftmikroskopie validiert und bestätigten die Empfindlichkeit und Eignung des ElectroPuls®-Systems für die Prüfung dünner biologischer Gewebe.
Über
UCL (öffnet in neuem Tab) (UNIVERSITY COLLEGE LONDON) ist eine der führenden multidisziplinären Forschungsuniversitäten des Vereinigten Königreichs mit Sitz in London. Diese Forschung wurde am Institut für Medizinische Physik und Biomedizinische Technik sowie am Zentrum für Medizinische Bildverarbeitung des UCL durchgeführt.
Standort
London, Vereinigtes Königreich
Website
Die mechanische Prüfung von Gewebemikrostrukturen wird zu einem zunehmend aktiven Forschungsgebiet, insbesondere in der Onkologie. Es wurde gezeigt, dass Veränderungen in dieser Mikroumgebung entscheidend für das Krebswachstum sind – nämlich eine erhöhte Gewebesteifigkeit. Externe mechanische Kräfte können die Zellsignalisierung direkt beeinflussen und das Wachstum regulieren und steuern. Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Mikroumgebung ist daher entscheidend für die Erstellung eines biomechanischen Modells des Tumorwachstums.
Tumorzellproben sind in Kollagengerüsten verfügbar, die 150 μm dick sind. Die mechanische Prüfung solch dünner Proben stellt ein schwieriges Problem dar. Hochauflösende Mikroindentation mit dem ElectroPuls® E3000 konnte mechanische Eigenschaften aus diesen sehr kleinen Proben extrahieren.
Indentationsprüfung ist eine zunehmend beliebte Methode zur mechanischen Charakterisierung von Dünnschichtgeweben, dank ihrer Fähigkeit, die Reaktion über einen Kraftbereich hinweg zu zeigen, einen Kompressionsmodulwert zu liefern und lokalisierte Prüfungen zu ermöglichen.
Prüfung der Dünnschichten
Das Instron ElectroPuls® E3000 wurde mit einer 50-N-Kraftmessdose ausgestattet. 150 μm dicke Kollagengele wurden in einen mit Flüssigkeit gefüllten Petrischalen-Behälter gegeben. Zunächst wurde eine einfache Wellenform mit einer Indentationsrate von 0,05 μm/s erstellt.
Da es schwierig war, den Indenter präzise einige μm über der Geloberfläche zu positionieren, liefen die Prüfungen sehr lange. Es wurde eine komplexere Wellenform erstellt, die das Gel bis zu 0,5 N eindrücken und dann den Indenter 150 μm anheben würde, um ihn knapp über der Geloberfläche zu positionieren. Dies reduzierte die Indentationszeiten um den Faktor 4, während die Indentationsrate von 0,05 μm/s beibehalten wurde.
Diese ultralangsamme Indentation ermöglichte eine präzise Abbildung des Kraft-Indentations-Profils des dünnen Gels, aus dem die Steifigkeit geschätzt werden konnte.
Die Ergebnisse wurden mit einem Tiefpassfilter verarbeitet, um das Rauschen weiter zu reduzieren, sowie mit einem Downsampling-Filter, um die Dateigröße zu verringern. Ein Algorithmus unter Verwendung linearer Modellierungsanalyse fand den Startpunkt der Prüfung sowie den Punkt, an dem die plastische Verformung unter der Oberfläche signifikant wurde.
Aus dem Last-Eindringtiefe-Profil wurde der Modul der Kollagengele mit folgender Formel berechnet:
Dabei ist F die aufgebrachte Last, E der Elastizitätsmodul, R der Radius des Indenters, δ die Eindringtiefe und ν die Poissonzahl des Materials.
Der Instron-Vorteil
Die Prüfung von Dünnschichtgewebeproben mit dem ElectroPuls® E3000 – auf demselben System, das für dynamische 3-kN-Ermüdungsprüfungen verwendet wird – demonstriert die Flexibilität des Instruments, wobei die Grenzen dessen, was die Maschine leisten kann, durch den Einfallsreichtum des Anwenders weiter ausgedehnt werden. Instron® bietet ein vollständiges Sortiment an Kraftmessdosen, die für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen geeignet sind.
Da Modulwerte von der Belastungsgeschwindigkeit abhängen, müssen genaue Modulwerte für die biomechanische Modellierung aus Prüfungen stammen, die mit physiologischen Geschwindigkeiten durchgeführt werden. Die hochpräzisen Regelkreise des ElectroPuls® für Positionsgenauigkeit ermöglichen es ihm, Kriechversuche in der Größenordnung von Mikrometern pro Minute durchzuführen und sich dabei physiologischen Geschwindigkeiten anzunähern.
Da die Nachbearbeitung dem Anwender Zugriff auf Rohdaten gibt, können Endanwender diese Daten nach Belieben verarbeiten, ohne integrale Systemverzerrungen.
Die Fähigkeit des Berechnungsmoduls, die Möglichkeiten der Maschine zu erweitern und zu verbessern, wurde durch die verwendete Rauschreduktionstechnik demonstriert. Ein einfacher Rauschreduzierungsalgorithmus, der den Mittelwert aller eingehenden Daten nimmt, zeigt, wie das System mithilfe des Berechnungsmoduls auf jede benötigte Prüfung abgestimmt werden kann.
Dieser Ansatz ermöglichte es, Informationen aus 10 kHz Daten zu nutzen, während nur Daten mit 10 Hz aufgezeichnet wurden, wodurch die Dateigrößen überschaubar blieben und gleichzeitig das Rauschen erheblich reduziert wurde – alles durch die Hinzufügung einer einzigen Berechnung.
Ergebnisse
Die beiden folgenden Diagramme zeigen, dass eine Kraftmessdose in der Lage ist, mechanische Informationen aus weichem Gewebe zu liefern, das so dünn wie ein 150 μm dickes Kollagengel ist.
Die Endergebnisse zeigen, dass der Modul von Kollagen in dieser Form im Bereich von 1.800 Pa bis 2.500 Pa liegt (Abbildung 2). Diese Ergebnisse können in Modelle des Tumorwachstums einbezogen werden, und sie zeigen auch, dass aussagekräftige Ergebnisse aus diesen Gelen gewonnen werden können – was bedeutet, dass zukünftige Forschung in der Lage sein wird, kollageneingebettete Krebszellen zu charakterisieren, um ein besseres Modell des Krebswachstums zu erstellen.
Diese Ergebnisse wurden mittels eines Rasterkraftmikroskops (AFM) validiert, das typischerweise für Modulusmessungen an wesentlich kleineren Proben verwendet wird. Die AFM-Ergebnisse stimmten mit denen des ElectroPuls® überein, was darauf hindeutet, dass ElectroPuls® für diese Art von Prüfung die Fähigkeit und Empfindlichkeit besitzt, dünne biologische Gewebe zu prüfen.
Danksagungen
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