Come l'UCL ha utilizzato ElectroPuls per misurare la rigidezza dei microambienti dei tessuti cancerosi
I ricercatori dell'UCL hanno utilizzato Instron ElectroPuls ™ E3000 per eseguire prove di micro-indentazione ad alta precisione e a velocità ultra-bassa su gel di collagene spessi 150 μm, estraendo dati sulla rigidezza rilevanti per la modellazione della crescita dei tessuti cancerosi. I risultati sono stati validati rispetto alla microscopia a forza atomica, confermando la sensibilità e la capacità del sistema ElectroPuls per il test di tessuti biologici sottili.
Informazioni
UCL(si apre in una nuova scheda) (UNIVERSITY COLLEGE LONDON) è una delle principali università di ricerca multidisciplinare del Regno Unito, con sede a Londra. Questa ricerca è stata condotta attraverso il Dipartimento di Fisica Medica e Ingegneria Biomedica dell'UCL e il Centro per il Medical Image Computing.
Sede
Londra, Regno Unito
Sito web
I test meccanici sulla microstruttura dei tessuti stanno diventando un'area di ricerca sempre più attiva, specialmente in oncologia. È stato dimostrato che i cambiamenti in questo microambiente sono fondamentali per la crescita cancerosa, in particolare l'aumento della rigidezza dei tessuti. Le forze meccaniche esterne possono influenzare direttamente la segnalazione cellulare, regolando e influenzando la crescita. L'indagine sulle proprietà meccaniche del microambiente è quindi fondamentale per la creazione di un modello biomeccanico della crescita tumorale.
Campioni di cellule tumorali sono disponibili in scaffold di collagene spessi 150 μm. Testare meccanicamente campioni così sottili è un problema difficile. La micro-indentazione ad alto campionamento tramite ElectroPuls E3000 è stata in grado di estrarre le proprietà meccaniche da questi campioni molto piccoli.
Le prove di indentazione sono un metodo sempre più diffuso per la caratterizzazione meccanica dei tessuti a film sottile, grazie alla loro capacità di mostrare la risposta attraverso una gamma di forze, fornire un valore del modulo di compressibilità e consentire test localizzati.
Test sui film sottili
L'Instron ElectroPuls E3000 è stato equipaggiato con una cella di carico da 50 N. I gel di collagene spessi 150 μm sono stati posizionati in un contenitore per piastre di Petri riempito di fluido. Inizialmente, è stata creata una forma d'onda semplice con una velocità di indentazione di 0,05 μm/s.
Poiché era difficile posizionare con precisione l'indentatore a pochi μm sopra la superficie del gel, i test richiedevano tempi molto lunghi. È stata creata una forma d'onda più complessa che indentasse il gel fino a 0,5 N, per poi sollevare l'indentatore di 150 μm appena sopra la superficie del gel. Ciò ha ridotto i tempi di indentazione di un fattore 4, mantenendo comunque velocità di indentazione di 0,05 μm/s.
Questa indentazione ultra-lenta ha permesso una mappatura precisa del profilo forza-indentazione del gel sottile, da cui è stato possibile stimare la rigidezza.
I risultati sono stati elaborati utilizzando un filtro passa-basso per ridurre ulteriormente il rumore, insieme a un filtro di sottocampionamento per ridurre le dimensioni del file. Un algoritmo che utilizza l'analisi di modellazione lineare ha individuato il punto di inizio del test, nonché il punto in cui la deformazione plastica sotto la superficie diventava significativa.
Dal profilo carico-profondità, il modulo dei gel di collagene è stato calcolato utilizzando la seguente formula:
Dove F è il carico applicato, E è il modulo elastico, R è il raggio dell'indentatore, δ è la profondità di indentazione e ν è il coefficiente di Poisson del materiale.
Il vantaggio Instron
Testare campioni di tessuto a film sottile con l'ElectroPuls E3000 — sullo stesso sistema utilizzato per test di fatica dinamici da 3 kN — dimostra la flessibilità dello strumento, con i limiti di ciò che la macchina può fare spinti oltre dall'ingegnosità dell'utente. Instron® offre una gamma completa di celle di carico adatte a un'ampia varietà di applicazioni diverse.
Poiché i valori del modulo dipendono dalla velocità di carico, i valori accurati del modulo per la modellazione biomeccanica devono provenire da test eseguiti a velocità fisiologiche. Gli anelli di controllo ad alta fedeltà di ElectroPuls per la precisione posizionale consentono di eseguire test di tipo creep nell'ordine di micrometri al minuto, avvicinandosi alle velocità fisiologiche.
Poiché la post-elaborazione consente all'utente di accedere ai dati grezzi, gli utenti finali possono elaborare tali dati come meglio credono, senza distorsioni intrinseche del sistema.
La capacità del modulo di calcolo di potenziare ed espandere le funzionalità della macchina è stata dimostrata dalla tecnica di riduzione del rumore utilizzata. Un semplice algoritmo di riduzione del rumore, che calcola la media di tutti i dati in entrata, mostra come il sistema possa essere sintonizzato su qualsiasi test necessario utilizzando il modulo di calcolo.
Questo approccio ha permesso di utilizzare informazioni provenienti da 10 kHz di dati registrandoli a soli 10 Hz, mantenendo gestibili le dimensioni dei file e riducendo significativamente i livelli di rumore — il tutto attraverso l'aggiunta di un singolo calcolo.
Risultati
I due grafici sottostanti mostrano che una cella di carico è in grado di fornire informazioni meccaniche da tessuti molli sottili come un gel di collagene da 150 μm.
I risultati finali mostrano che il modulo del collagene in questa forma rientra nell'intervallo compreso tra 1800 Pa e 2500 Pa (Figura 2). Questi risultati possono essere incorporati nei modelli di crescita tumorale e dimostrano inoltre che è possibile ottenere risultati significativi da questi gel — il che significa che la ricerca futura sarà in grado di caratterizzare le cellule cancerose incorporate nel collagene per costruire un modello migliore della crescita del cancro.
Questi risultati sono stati validati utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM), tipicamente utilizzato per misurazioni del modulo su campioni molto più piccoli. I risultati dell'AFM concordano con quelli dell'ElectroPuls™, suggerendo che per questo tipo di test, ElectroPuls™ possiede la capacità e la sensibilità per testare tessuti biologici sottili.
Ringraziamenti
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