UCL ใช้ ElectroPuls ในการวัดความแข็งเกร็งของสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้อเยื่อมะเร็งอย่างไร
นักวิจัยที่ UCL ใช้ Instron ElectroPuls ™ E3000 เพื่อดำเนินการทดสอบแรงกดระดับไมโครที่มีความแม่นยำสูงและความเร็วต่ำเป็นพิเศษบนคอลลาเจนเจลที่มีความหนา 150 ไมโครเมตร เพื่อดึงข้อมูลความแข็งเกร็งที่เกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองการเติบโตของเนื้อเยื่อมะเร็ง โดยผลลัพธ์ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม ซึ่งยืนยันถึงความไวและขีดความสามารถของระบบ ElectroPuls ในการทดสอบเนื้อเยื่อชีวภาพแบบบาง
เกี่ยวกับ
UCL(เปิดในแท็บใหม่) (UNIVERSITY COLLEGE LONDON) เป็นหนึ่งในมหาวิทยาลัยวิจัยสหวิทยาการชั้นนำของสหราชอาณาจักร ตั้งอยู่ในลอนดอน งานวิจัยนี้ดำเนินการผ่านภาควิชาฟิสิกส์การแพทย์และวิศวกรรมชีวการแพทย์ และศูนย์การคำนวณภาพทางการแพทย์ของ UCL
สถานที่ตั้ง
ลอนดอน, สหราชอาณาจักร
เว็บไซต์
การทดสอบทางกลของโครงสร้างจุลภาคของเนื้อเยื่อกำลังกลายเป็นสาขาการวิจัยที่มีความเคลื่อนไหวมากขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะในด้านมะเร็งวิทยา มีการแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมจุลภาคนี้เป็นกุญแจสำคัญในการเติบโตของมะเร็ง ซึ่งก็คือความแข็งเกร็งของเนื้อเยื่อที่เพิ่มขึ้น แรงทางกลจากภายนอกสามารถส่งผลโดยตรงต่อการส่งสัญญาณของเซลล์ โดยทำหน้าที่ควบคุมและมีอิทธิพลต่อการเติบโต ดังนั้นการตรวจสอบคุณสมบัติทางกลของสภาพแวดล้อมจุลภาคจึงเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างแบบจำลองทางชีวกลศาสตร์ของการเติบโตของเนื้องอก
ตัวอย่างเซลล์เนื้องอกมีอยู่ในโครงร่างคอลลาเจนที่มีความหนา 150 ไมโครเมตร การทดสอบทางกลของตัวอย่างที่บางเช่นนี้ถือเป็นปัญหาที่ยาก การทดสอบแรงกดระดับไมโครที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงโดยใช้ ElectroPuls E3000 สามารถดึงคุณสมบัติทางกลจากตัวอย่างที่มีขนาดเล็กมากเหล่านี้ได้
การทดสอบแรงกดเป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมมากขึ้นสำหรับการวิเคราะห์คุณสมบัติทางกลของเนื้อเยื่อฟิล์มบาง เนื่องจากความสามารถในการแสดงการตอบสนองต่อช่วงแรงที่หลากหลาย ให้ค่ามอดูลัสรวม และให้การทดสอบเฉพาะจุดได้
การทดสอบฟิล์มบาง
Instron ElectroPuls E3000 ติดตั้งโหลดเซลล์ขนาด 50 นิวตัน คอลลาเจนเจลหนา 150 ไมโครเมตรถูกวางลงในภาชนะจานเพาะเชื้อที่บรรจุของเหลว ในตอนแรกได้มีการสร้างรูปแบบคลื่นอย่างง่ายด้วยอัตราการกด 0.05 ไมโครเมตรต่อวินาที
เนื่องจากเป็นการยากที่จะวางหัวกดให้สูงเหนือพื้นผิวเจลเพียงไม่กี่ไมโครเมตรได้อย่างแม่นยำ การทดสอบจึงใช้เวลานานมาก จึงได้มีการสร้างรูปแบบคลื่นที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจะกดเจลจนถึง 0.5 นิวตัน จากนั้นยกหัวกดขึ้น 150 ไมโครเมตรให้อยู่เหนือพื้นผิวเจลพอดี วิธีนี้ช่วยลดเวลาในการกดลงได้ถึง 4 เท่า ในขณะที่ยังคงรักษาอัตราการกดไว้ที่ 0.05 ไมโครเมตรต่อวินาที
การกดที่ช้าเป็นพิเศษนี้ช่วยให้สามารถทำแผนที่โปรไฟล์แรงต่อการกดของเจลบางได้อย่างแม่นยำ ซึ่งสามารถนำไปใช้ประมาณค่าความแข็งเกร็งได้
ผลลัพธ์ได้รับการประมวลผลโดยใช้ตัวกรองความถี่ต่ำ (low-pass filter) เพื่อลดสัญญาณรบกวนเพิ่มเติม พร้อมกับตัวกรองลดอัตราการสุ่มตัวอย่าง (downsample filter) เพื่อลดขนาดไฟล์ อัลกอริทึมที่ใช้การวิเคราะห์แบบจำลองเชิงเส้นช่วยหาจุดเริ่มต้นของการทดสอบ รวมถึงจุดที่การเสียรูปถาวรใต้พื้นผิวเริ่มมีความสำคัญ
จากโปรไฟล์ภาระต่อความลึก ค่ามอดูลัสของคอลลาเจนเจลถูกคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:
โดยที่ F คือภาระที่ใช้, E คือมอดูลัสยืดหยุ่น, R คือรัศมีของหัวกด, δ คือความลึกของการกด และ ν คืออัตราส่วนปัวซองของวัสดุ
ข้อได้เปรียบของ Instron
การทดสอบตัวอย่างเนื้อเยื่อฟิล์มบางด้วย ElectroPuls E3000 บนระบบเดียวกับที่ใช้สำหรับการทดสอบความล้าแบบไดนามิกขนาด 3 กิโลนิวตัน แสดงให้เห็นถึงความยืดหยุ่นของเครื่องมือ โดยขีดจำกัดของสิ่งที่เครื่องจักรสามารถทำได้ถูกผลักดันให้ไกลยิ่งขึ้นด้วยความชาญฉลาดของผู้ใช้งาน Instron® นำเสนอโหลดเซลล์ที่ครบครันซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
เนื่องจากค่ามอดูลัสขึ้นอยู่กับความเร็วของการให้ภาระ ค่ามอดูลัสที่แม่นยำสำหรับการสร้างแบบจำลองทางชีวกลศาสตร์จึงจำเป็นต้องมาจากการทดสอบที่ดำเนินการด้วยความเร็วในระดับสภาวะทางสรีรวิทยา ลูปควบคุมความเที่ยงตรงสูงของ ElectroPuls สำหรับความแม่นยำของตำแหน่งช่วยให้สามารถทำการทดสอบในลักษณะการคืบ (creep-style) ในระดับไมโครเมตรต่อนาที ซึ่งเข้าใกล้ความเร็วในสภาวะทางสรีรวิทยา
เนื่องจากการประมวลผลภายหลังช่วยให้ผู้ใช้เข้าถึงข้อมูลดิบได้ ผู้ใช้ปลายทางจึงสามารถประมวลผลข้อมูลนั้นได้ตามที่เห็นสมควร โดยไม่มีอคติจากระบบภายใน
ความสามารถของโมดูลการคำนวณในการเสริมและขยายขีดความสามารถของเครื่องจักรได้รับการพิสูจน์โดยเทคนิคการลดสัญญาณรบกวนที่ใช้ อัลกอริทึมการลดสัญญาณรบกวนอย่างง่ายซึ่งใช้ค่าเฉลี่ยของข้อมูลขาเข้าทั้งหมด แสดงให้เห็นว่าระบบสามารถปรับจูนให้เข้ากับการทดสอบใดๆ ที่ต้องการได้โดยใช้โมดูลการคำนวณ
แนวทางนี้ช่วยให้สามารถใช้ข้อมูลจากความถี่ 10 kHz ได้ในขณะที่บันทึกข้อมูลที่ 10 Hz เท่านั้น ทำให้ขนาดไฟล์ยังคงจัดการได้ง่ายในขณะที่ลดระดับสัญญาณรบกวนลงอย่างมาก ทั้งหมดนี้ทำได้ผ่านการเพิ่มการคำนวณเพียงรายการเดียว
ผลลัพธ์
กราฟสองรูปด้านล่างแสดงให้เห็นว่าโหลดเซลล์สามารถให้ข้อมูลทางกลจากเนื้อเยื่ออ่อนที่มีความบางเท่ากับคอลลาเจนเจล 150 ไมโครเมตรได้
ผลลัพธ์สุดท้ายแสดงให้เห็นว่ามอดูลัสของคอลลาเจนในรูปแบบนี้อยู่ในช่วง 1800 Pa ถึง 2500 Pa (รูปที่ 2) ผลลัพธ์เหล่านี้สามารถนำไปรวมเข้ากับแบบจำลองการเติบโตของเนื้องอก และยังแสดงให้เห็นว่าสามารถได้รับผลลัพธ์ที่มีความหมายจากเจลเหล่านี้ ซึ่งหมายความว่าการวิจัยในอนาคตจะสามารถวิเคราะห์คุณลักษณะของเซลล์มะเร็งที่ฝังอยู่ในคอลลาเจนเพื่อสร้างแบบจำลองการเติบโตของมะเร็งที่ดีขึ้นได้
ผลลัพธ์เหล่านี้ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ซึ่งโดยปกติจะใช้สำหรับการวัดค่ามอดูลัสในตัวอย่างที่มีขนาดเล็กกว่ามาก ผลลัพธ์จาก AFM สอดคล้องกับผลลัพธ์จาก ElectroPuls™ ซึ่งบ่งชี้ว่าสำหรับการทดสอบประเภทนี้ ElectroPuls™ มีขีดความสามารถและความไวในการทดสอบเนื้อเยื่อชีวภาพแบบบาง
กิตติกรรมประกาศ
ขอขอบคุณ:
พูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญของ Instron
ไม่แน่ใจว่า ElectroPuls E3000 เหมาะสมกับการใช้งานการทดสอบแรงต่ำหรือการทดสอบทางชีวการแพทย์ของคุณหรือไม่? แจ้งความต้องการของคุณให้เราทราบ แล้วเราจะช่วยคุณค้นหาโซลูชันที่เหมาะสม
ปรึกษาวิศวกรฝ่ายแอปพลิเคชัน
แจ้งความต้องการในการทดสอบของคุณให้เราทราบ แล้วเราจะช่วยคุณกำหนดค่าเฟรม โหลดเซลล์ อุปกรณ์จับยึด และซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมสำหรับห้องแล็บของคุณ โปรดกรอกแบบฟอร์มด้านล่าง แล้วเราจะตอบกลับภายใน 1-2 วันทำการ หากต้องการการตอบกลับที่รวดเร็วยิ่งขึ้น โปรดโทร +1-800-473-7838 หรือ +1 781 828 2500 หากคุณอยู่นอกสหรัฐอเมริกา
