Como a UCL utilizou o ElectroPuls para medir a rigidez de microambientes de tecidos cancerosos
Pesquisadores da UCL utilizaram o Instron ElectroPuls ™ E3000 para realizar ensaios de microindentação de alta precisão e ultralentos em géis de colágeno com 150 μm de espessura, extraindo dados de rigidez relevantes para a modelagem do crescimento de tecidos cancerosos. Os resultados foram validados em relação à microscopia de força atômica, confirmando a sensibilidade do sistema ElectroPuls e sua capacidade para testar tecidos biológicos finos.
Sobre
UCL(abre em nova aba) (UNIVERSITY COLLEGE LONDON) é uma das principais universidades de pesquisa multidisciplinar do Reino Unido, com sede em Londres. Esta pesquisa foi conduzida através do Departamento de Física Médica e Engenharia Biomédica e do Centro de Computação de Imagem Médica da UCL.
Localização
Londres, Reino Unido
Site
O ensaio mecânico da microestrutura tecidual está se tornando uma área de pesquisa cada vez mais ativa, especialmente na oncologia. Foi demonstrado que as alterações nesse microambiente são fundamentais para o crescimento canceroso — especificamente, o aumento da rigidez do tecido. Forças mecânicas externas podem influenciar diretamente a sinalização celular, regulando e influenciando o crescimento. Investigar as propriedades mecânicas do microambiente é, portanto, fundamental para a criação de um modelo biomecânico do crescimento tumoral.
Amostras de células tumorais estão disponíveis em suportes de colágeno com 150 μm de espessura. Testar mecanicamente amostras tão finas é um problema difícil. A microindentação de alta amostragem usando o ElectroPuls E3000 foi capaz de extrair propriedades mecânicas dessas amostras muito pequenas.
O ensaio de indentação é um método cada vez mais popular para a caracterização mecânica de tecidos de filmes finos, graças à sua capacidade de mostrar a resposta em uma gama de forças, gerar um valor de módulo de elasticidade volumétrico e fornecer testes localizados.
Testando os Filmes Finos
O Instron ElectroPuls E3000 foi equipado com uma célula de carga de 50 N. Géis de colágeno com 150 μm de espessura foram colocados em um recipiente de placa de Petri preenchido com fluido. Inicialmente, uma forma de onda simples foi criada com uma taxa de indentação de 0,05 μm/s.
Como era difícil posicionar com precisão o indentador alguns μm acima da superfície do gel, os testes duravam muito tempo. Foi criada uma forma de onda mais complexa que indentaria o gel até 0,5 N e, em seguida, elevaria o indentador 150 μm para logo acima da superfície do gel. Isso reduziu os tempos de indentação em um fator de 4, mantendo as taxas de indentação de 0,05 μm/s.
Esta indentação ultralenta permitiu o mapeamento preciso do perfil de força-indentação do gel fino, a partir do qual a rigidez pôde ser estimada.
Os resultados foram processados usando um filtro passa-baixa para reduzir ainda mais o ruído, juntamente com um filtro de subamostragem para reduzir o tamanho do arquivo. Um algoritmo usando análise de modelagem linear encontrou o ponto inicial do teste, bem como o ponto onde a deformação plástica abaixo da superfície se tornou significativa.
A partir do perfil carga-profundidade, o módulo dos géis de colágeno foi calculado usando a seguinte fórmula:
Onde F é a carga aplicada, E é o módulo de elasticidade, R é o raio do indentador, δ é a profundidade de indentação e ν é a razão de Poisson do material.
A Vantagem Instron
Testar amostras de tecido de filme fino com o ElectroPuls E3000 — no mesmo sistema usado para testes de fadiga dinâmica de 3 kN — demonstra a flexibilidade do instrumento, com os limites do que a máquina pode fazer sendo ampliados pela engenhosidade do usuário. A Instron® oferece uma linha completa de células de carga adequadas para uma ampla gama de aplicações diferentes.
Como os valores do módulo dependem da velocidade de carregamento, valores precisos de módulo para modelagem biomecânica precisam vir de testes realizados em velocidades fisiológicas. Os loops de controle de alta fidelidade do ElectroPuls para precisão posicional permitem que ele realize ensaios do tipo fluência na ordem de micrômetros por minuto, aproximando-se das velocidades fisiológicas.
Como o pós-processamento dá ao usuário acesso aos dados brutos, os usuários finais podem processar esses dados da maneira que acharem melhor, sem vieses integrais do sistema.
A capacidade do módulo de cálculos de aprimorar e expandir as capacidades da máquina foi demonstrada pela técnica de redução de ruído utilizada. Um algoritmo simples de redução de ruído, que tira a média aritmética de todos os dados recebidos, mostra como o sistema pode ser ajustado para qualquer teste necessário usando o módulo de cálculo.
Esta abordagem permitiu que informações de 10 kHz de dados fossem utilizadas enquanto apenas se registravam dados a 10 Hz, mantendo os tamanhos dos arquivos gerenciáveis e reduzindo significativamente os níveis de ruído — tudo através da adição de um único cálculo.
Resultados
Os dois gráficos abaixo mostram que uma célula de carga é capaz de fornecer informações mecânicas de tecidos moles tão finos quanto um gel de colágeno de 150 μm.
Os resultados finais mostram que o módulo do colágeno nesta forma cai na faixa de 1.800 Pa a 2.500 Pa (Figura 2). Esses resultados podem ser incorporados em modelos de crescimento tumoral e também demonstram que resultados significativos podem ser obtidos a partir desses géis — o que significa que pesquisas futuras poderão caracterizar células cancerosas incorporadas em colágeno para construir um melhor modelo de crescimento do câncer.
Esses resultados foram validados usando um microscópio de força atômica (AFM), normalmente usado para medições de módulo em amostras muito menores. Os resultados do AFM concordaram com os do ElectroPuls™, sugerindo que, para este tipo de teste, o ElectroPuls™ tem a capacidade e a sensibilidade para testar tecidos biológicos finos.
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