Cómo utilizó UCL ElectroPuls para medir la rigidez de los microentornos del tejido canceroso
Investigadores de UCL utilizaron el Instron ElectroPuls ™ E3000 para realizar ensayos de microindentación ultraslow y de alta precisión en geles de colágeno de 150 μm de espesor, obteniendo datos de rigidez relevantes para modelizar el crecimiento del tejido canceroso. Los resultados se validaron frente a la microscopía de fuerza atómica, lo que confirmó la sensibilidad del sistema ElectroPuls y su capacidad para ensayar tejidos biológicos finos.
Acerca de
UCL(se abre en una nueva pestaña) (UNIVERSITY COLLEGE LONDON) es una de las principales universidades multidisciplinares de investigación del Reino Unido, con sede en Londres. Esta investigación se llevó a cabo a través del Departamento de Física Médica e Ingeniería Biomédica de UCL y del Centre for Medical Image Computing.
Ubicación
Londres, Reino Unido
Sitio web
Los ensayos mecánicos de la microestructura tisular se están convirtiendo en un área de investigación cada vez más activa, especialmente en oncología. Se ha demostrado que los cambios en este microentorno son clave para el crecimiento canceroso, en concreto, el aumento de la rigidez del tejido. Las fuerzas mecánicas externas pueden influir directamente en la señalización celular, regulando e influyendo en el crecimiento. Por tanto, investigar las propiedades mecánicas del microentorno es fundamental para crear un modelo biomecánico del crecimiento tumoral.
Las muestras de células tumorales están disponibles en andamios de colágeno de 150 μm de espesor. Ensayar mecánicamente muestras tan finas es un problema complejo. La microindentación de alta frecuencia de muestreo con el ElectroPuls E3000 permitió extraer propiedades mecánicas de estas muestras tan pequeñas.
El ensayo de indentación es un método cada vez más popular para la caracterización mecánica de tejidos en película fina, gracias a su capacidad para mostrar la respuesta en un rango de fuerzas, obtener un valor del módulo volumétrico y proporcionar ensayos localizados.
Ensayo de las películas finas
El Instron ElectroPuls E3000 se equipó con una célula de carga de 50 N. Los geles de colágeno de 150 μm de espesor se colocaron en un recipiente tipo placa de Petri lleno de fluido. Inicialmente, se creó una forma de onda simple con una velocidad de indentación de 0,05 μm/s.
Dado que era difícil colocar con precisión el indentador a unos pocos μm por encima de la superficie del gel, los ensayos se prolongaban durante mucho tiempo. Se creó una forma de onda más compleja que indentaba el gel hasta 0,5 N y, a continuación, elevaba el indentador 150 μm hasta situarlo justo por encima de la superficie del gel. Esto redujo los tiempos de indentación en un factor de 4, manteniendo al mismo tiempo velocidades de indentación de 0,05 μm/s.
Esta indentación ultraslow permitió cartografiar con precisión el perfil fuerza-indentación del gel fino, a partir del cual se pudo estimar la rigidez.
Los resultados se procesaron mediante un filtro paso bajo para reducir aún más el ruido, junto con un filtro de submuestreo para reducir el tamaño del archivo. Un algoritmo basado en un análisis de modelización lineal determinó el punto de inicio del ensayo, así como el punto en el que la deformación plástica bajo la superficie se volvió significativa.
A partir del perfil carga-profundidad, se calculó el módulo de los geles de colágeno mediante la siguiente fórmula:
Donde F es la carga aplicada, E es el módulo elástico, R es el radio del indentador, δ es la profundidad de indentación y ν es la relación de Poisson del material.
La ventaja de Instron
Ensayar muestras de tejido en película fina con el ElectroPuls E3000 —en el mismo sistema utilizado para ensayos dinámicos de fatiga de 3 kN— demuestra la flexibilidad del instrumento, llevando aún más lejos los límites de lo que la máquina puede hacer gracias al ingenio del usuario. Instron® ofrece una gama completa de células de carga adecuadas para una amplia variedad de aplicaciones.
Dado que los valores del módulo dependen de la velocidad de carga, para la modelización biomecánica se necesitan valores de módulo precisos procedentes de ensayos realizados a velocidades fisiológicas. Los lazos de control de alta fidelidad del ElectroPuls para la precisión de posicionamiento le permiten realizar ensayos de fluencia del orden de micrómetros por minuto, acercándose a velocidades fisiológicas.
Como el posprocesado da al usuario acceso a los datos en bruto, los usuarios finales pueden procesarlos como consideren oportuno, sin sesgos integrados del sistema.
La capacidad del módulo de cálculos para mejorar y ampliar las prestaciones de la máquina quedó demostrada mediante la técnica de reducción de ruido utilizada. Un algoritmo sencillo de reducción de ruido, que toma la media de todos los datos entrantes, muestra cómo el sistema puede ajustarse al ensayo que se necesite mediante el módulo de cálculos.
Este enfoque permitió utilizar información procedente de datos a 10 kHz registrando únicamente a 10 Hz, manteniendo tamaños de archivo manejables y reduciendo de forma significativa los niveles de ruido, todo ello mediante la incorporación de un único cálculo.
Resultados
Los dos gráficos siguientes muestran que una célula de carga es capaz de proporcionar información mecánica de tejido blando tan fino como un gel de colágeno de 150 μm.
Los resultados finales muestran que el módulo del colágeno en esta forma se sitúa en el intervalo de 1800 Pa a 2500 Pa (Figura 2). Estos resultados pueden incorporarse a modelos de crecimiento tumoral y también demuestran que se pueden obtener resultados significativos a partir de estos geles, lo que significa que futuras investigaciones podrán caracterizar células cancerosas embebidas en colágeno para construir un mejor modelo del crecimiento del cáncer.
Estos resultados se validaron mediante un microscopio de fuerza atómica (AFM), que se utiliza habitualmente para mediciones del módulo en muestras mucho más pequeñas. Los resultados del AFM coincidieron con los del ElectroPuls™, lo que sugiere que, para este tipo de ensayos, ElectroPuls™ tiene la capacidad y la sensibilidad necesarias para ensayar tejidos biológicos finos.
Agradecimientos
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