Comment l’UCL a utilisé l’ElectroPuls® pour mesurer la rigidité des micro-environnements de tissus cancéreux
Des chercheurs de l’UCL ont utilisé l’Instron ElectroPuls® ™ E3000 pour réaliser des essais de micro-indentation ultra-lents et de haute précision sur des gels de collagène de 150 μm d’épaisseur, extrayant ainsi des données de rigidité pertinentes pour la modélisation de la croissance des tissus cancéreux. Les résultats ont été validés par microscopie à force atomique, confirmant la sensibilité du système ElectroPuls® et sa capacité à tester des tissus biologiques minces.
À propos
L’UCL(s’ouvre dans un nouvel onglet) (UNIVERSITY COLLEGE LONDON) est l’une des principales universités de recherche multidisciplinaire du Royaume-Uni, basée à Londres. Cette recherche a été menée par le département de physique médicale et de génie biomédical de l’UCL ainsi que par le Centre for Medical Image Computing.
Lieu
Londres, Royaume-Uni
Site web
Les essais mécaniques sur la microstructure des tissus deviennent un domaine de recherche de plus en plus actif, en particulier en oncologie. Il a été démontré que les modifications de ce micro-environnement sont essentielles à la croissance cancéreuse, notamment l’augmentation de la rigidité des tissus. Les forces mécaniques externes peuvent influencer directement la signalisation cellulaire, régulant et influençant la croissance. L’étude des propriétés mécaniques du micro-environnement est donc essentielle à la création d’un modèle biomécanique de la croissance tumorale.
Des échantillons de cellules tumorales sont disponibles dans des supports en collagène de 150 μm d’épaisseur. Tester mécaniquement des échantillons aussi minces est un problème difficile. La micro-indentation à haut échantillonnage utilisant l’ElectroPuls® E3000 a permis d’extraire les propriétés mécaniques de ces très petits échantillons.
L’essai d’indentation est une méthode de plus en plus populaire pour la caractérisation mécanique des tissus en couches minces, grâce à sa capacité à montrer la réponse sur une gamme de forces, à fournir une valeur de module global et à permettre des essais localisés.
Test des couches minces
L’Instron ElectroPuls® E3000 a été équipé d’un capteur de force de 50 N. Des gels de collagène de 150 μm d’épaisseur ont été placés dans une boîte de Pétri remplie de fluide. Initialement, une forme d’onde simple a été créée avec une vitesse d’indentation de 0,05 μm/s.
Comme il était difficile de placer l’indenteur avec précision à quelques μm au-dessus de la surface du gel, les essais duraient très longtemps. Une forme d’onde plus complexe a été créée pour indenter le gel jusqu’à 0,5 N, puis relever l’indenteur de 150 μm juste au-dessus de la surface du gel. Cela a permis de réduire les temps d’indentation d’un facteur 4 tout en maintenant des vitesses d’indentation de 0,05 μm/s.
Cette indentation ultra-lente a permis une cartographie précise du profil force-indentation du gel mince, à partir duquel la rigidité a pu être estimée.
Les résultats ont été traités à l’aide d’un filtre passe-bas pour réduire davantage le bruit, ainsi qu’un filtre de sous-échantillonnage pour réduire la taille du fichier. Un algorithme utilisant une analyse de modélisation linéaire a permis de trouver le point de départ de l’essai, ainsi que le point où la déformation plastique sous la surface devenait significative.
À partir du profil charge-profondeur, le module des gels de collagène a été calculé à l’aide de la formule suivante :
Où F est la charge appliquée, E est le module d’élasticité, R est le rayon de l’indenteur, δ est la profondeur d’indentation et ν est le coefficient de Poisson du matériau.
L’avantage Instron
Tester des échantillons de tissus en couches minces avec l’ElectroPuls® E3000 — sur le même système utilisé pour des essais de fatigue dynamique de 3 kN — démontre la flexibilité de l’instrument, les limites de la machine étant repoussées par l’ingéniosité de l’utilisateur. Instron® propose une gamme complète de capteurs de force adaptés à une grande variété d’applications.
Les valeurs de module dépendant de la vitesse de mise en charge, les valeurs de module précises pour la modélisation biomécanique doivent provenir d’essais effectués à des vitesses physiologiques. Les boucles de contrôle haute fidélité de l’ElectroPuls® pour la précision de position lui permettent de réaliser des essais de type fluage de l’ordre du micromètre par minute, se rapprochant des vitesses physiologiques.
Le post-traitement donnant à l’utilisateur l’accès aux données brutes, les utilisateurs finaux peuvent traiter ces données comme ils le souhaitent, sans biais intrinsèque du système.
La capacité du module de calcul à améliorer et à étendre les capacités de la machine a été démontrée par la technique de réduction du bruit utilisée. Un algorithme simple de réduction du bruit, qui calcule la moyenne de toutes les données entrantes, montre comment le système peut être ajusté à n’importe quel essai nécessaire à l’aide du module de calcul.
Cette approche a permis d’utiliser les informations provenant de 10 kHz de données tout en n’enregistrant les données qu’à 10 Hz, ce qui permet de maintenir des tailles de fichiers gérables tout en réduisant considérablement les niveaux de bruit — le tout grâce à l’ajout d’un seul calcul.
Résultats
Les deux graphiques ci-dessous montrent qu’un capteur de force est capable de fournir des informations mécaniques à partir de tissus mous aussi minces qu’un gel de collagène de 150 μm.
Les résultats finaux montrent que le module du collagène sous cette forme se situe dans la plage de 1 800 Pa à 2 500 Pa (Figure 2). Ces résultats peuvent être intégrés dans des modèles de croissance tumorale, et ils démontrent également que des résultats significatifs peuvent être obtenus à partir de ces gels — ce qui signifie que les recherches futures pourront caractériser les cellules cancéreuses intégrées dans le collagène pour construire un meilleur modèle de croissance du cancer.
Ces résultats ont été validés à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM), généralement utilisé pour les mesures de module sur des échantillons beaucoup plus petits. Les résultats de l’AFM concordent avec ceux de l’ElectroPuls®™, suggérant que pour ce type d’essai, l’ElectroPuls®™ possède la capacité et la sensibilité nécessaires pour tester des tissus biologiques minces.
Remerciements
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