UCL이 ElectroPuls를 사용하여 암 조직 미세환경의 강성을 측정한 방법
UCL 연구진은 150μm 두께의 콜라겐 겔에 대해 초저속 고정밀 미세 압입 시험을 수행하기 위해 Instron ElectroPuls ™ E3000을 사용하여 암 조직 성장 모델링과 관련된 강성 데이터를 추출했습니다. 결과는 원자간력 현미경과 비교 검증되어 ElectroPuls 시스템의 민감도와 얇은 생물학적 조직 시험 능력을 확인했습니다.
소개
UCL(새 탭에서 열림)(유니버시티 칼리지 런던)은 런던에 위치한 영국 최고의 다학제 연구 대학 중 하나입니다. 이 연구는 UCL의 의학 물리 및 생물의학 공학과와 의료 영상 컴퓨팅 센터를 통해 수행되었습니다.
위치
영국 런던
웹사이트
조직 미세구조의 기계적 시험은 특히 종양학 분야에서 점점 더 활발한 연구 영역이 되고 있습니다. 이 미세환경의 변화, 즉 조직 강성 증가가 암 성장의 핵심임이 밝혀졌습니다. 외부 기계적 힘은 세포 신호 전달에 직접 영향을 미쳐 성장을 조절하고 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 미세환경의 기계적 특성을 조사하는 것은 종양 성장의 생체역학 모델을 만드는 데 핵심입니다.
종양 세포 샘플은 150μm 두께의 콜라겐 스캐폴드로 제공됩니다. 이렇게 얇은 샘플을 기계적으로 시험하는 것은 어려운 문제입니다. ElectroPuls E3000을 사용한 고샘플링 미세 압입은 이러한 매우 작은 샘플에서 기계적 특성을 추출할 수 있었습니다.
압입 시험은 다양한 힘에 대한 반응을 보여주고, 체적 탄성률 값을 산출하며, 국부적 시험을 제공하는 능력 덕분에 박막 조직의 기계적 특성 분석을 위한 점점 더 인기 있는 방법입니다.
박막 시험
Instron ElectroPuls E3000에 50N 로드셀을 장착했습니다. 150μm 두께의 콜라겐 겔을 유체로 채워진 페트리 접시 용기에 넣었습니다. 처음에는 0.05 μm/s 압입 속도로 간단한 파형을 생성했습니다.
압입자를 겔 표면 위 몇 μm에 정확하게 배치하기 어려웠기 때문에 시험이 매우 오래 걸렸습니다. 겔을 0.5N까지 압입한 다음 압입자를 150μm 올려 겔 표면 바로 위에 위치시키는 더 복잡한 파형을 만들었습니다. 이를 통해 0.05 μm/s 압입 속도를 유지하면서도 압입 시간을 4배 단축했습니다.
이 초저속 압입을 통해 얇은 겔의 힘-압입 프로파일을 정밀하게 매핑할 수 있었으며, 이로부터 강성을 추정할 수 있었습니다.
결과는 노이즈를 더욱 줄이기 위해 저역 통과 필터를 사용하여 처리되었으며, 파일 크기를 줄이기 위해 다운샘플 필터도 사용되었습니다. 선형 모델링 분석을 사용하는 알고리즘이 시험의 시작점과 표면 아래 소성 변형이 유의미해지는 지점을 찾았습니다.
하중-깊이 프로파일에서 다음 공식을 사용하여 콜라겐 겔의 탄성률을 계산했습니다:
여기서 F는 가해진 하중, E는 탄성 계수, R은 압입자의 반경, δ는 압입 깊이, ν는 재료의 푸아송 비입니다.
Instron의 장점
동적 3 kN 피로 시험에 사용되는 동일한 시스템인 ElectroPuls E3000으로 박막 조직 샘플을 시험하는 것은 장비의 유연성을 보여주며, 사용자의 독창성에 의해 기계가 할 수 있는 한계가 더욱 확장됩니다. Instron®은 다양한 응용 분야에 적합한 전체 범위의 로드셀을 제공합니다.
탄성률 값은 하중 속도에 따라 달라지므로, 생체역학 모델링을 위한 정확한 탄성률 값은 생리학적 속도로 실행되는 시험에서 나와야 합니다. ElectroPuls의 위치 정확도를 위한 고충실도 제어 루프는 분당 마이크로미터 단위의 크리프 스타일 시험을 수행할 수 있게 하여 생리학적 속도에 근접합니다.
후처리를 통해 사용자가 원시 데이터에 액세스할 수 있기 때문에 최종 사용자는 시스템 고유의 편향 없이 원하는 대로 데이터를 처리할 수 있습니다.
계산 모듈이 기계의 기능을 향상하고 확장하는 능력은 사용된 노이즈 감소 기술로 입증되었습니다. 들어오는 모든 데이터의 평균을 취하는 간단한 노이즈 감소 알고리즘은 계산 모듈을 사용하여 필요한 시험에 맞게 시스템을 조정할 수 있는 방법을 보여줍니다.
이 접근 방식을 통해 10 kHz의 데이터 정보를 사용하면서도 10 Hz로만 데이터를 기록하여 파일 크기를 관리 가능하게 유지하면서 노이즈 수준을 크게 줄일 수 있었습니다. 이 모든 것이 단일 계산의 추가만으로 가능했습니다.
결과
아래 두 그래프는 로드셀이 150μm 콜라겐 겔만큼 얇은 연조직에서 기계적 정보를 제공할 수 있음을 보여줍니다.
최종 결과는 이 형태의 콜라겐 탄성률이 1800 Pa에서 2500 Pa 범위에 있음을 보여줍니다(그림 2). 이러한 결과는 종양 성장 모델에 통합될 수 있으며, 이러한 겔에서 의미 있는 결과를 얻을 수 있음을 입증합니다. 즉, 향후 연구에서 콜라겐에 포매된 암세포를 특성화하여 암 성장에 대한 더 나은 모델을 구축할 수 있게 됩니다.
이러한 결과는 일반적으로 훨씬 더 작은 샘플의 탄성률 측정에 사용되는 원자간력 현미경(AFM)을 사용하여 검증되었습니다. AFM 결과는 ElectroPuls™의 결과와 일치했으며, 이는 이러한 유형의 시험에서 ElectroPuls™가 얇은 생물학적 조직을 시험할 수 있는 능력과 민감도를 가지고 있음을 시사합니다.
감사의 말
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