Elastografia a coerenza ottica con vibrazioni ambientali attenuate per profilare le proprietà meccaniche di cellule, organoidi e tessuti

May 23, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 543 (2023) Citare questo articolo

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Il ruolo dell’ambiente meccanico nel definire la funzione, lo sviluppo e la crescita dei tessuti si è dimostrato fondamentale. La valutazione dei cambiamenti nella rigidità delle matrici tissutali su più scale si è basata principalmente su apparecchiature invasive e spesso specialistiche come AFM o dispositivi di test meccanici poco adatti al flusso di lavoro della coltura cellulare. In questo articolo, abbiamo sviluppato un metodo elastografico a coerenza ottica passiva imparziale , sfruttando le vibrazioni ambientali nel campione che consentono la profilazione quantitativa non invasiva in tempo reale di cellule e tessuti. Dimostriamo un metodo robusto che disaccoppia la dispersione ottica e le proprietà meccaniche compensando attivamente la distorsione del rumore associata alla dispersione e riducendo la varianza. L'efficienza del metodo per recuperare i dati reali è convalidata in silico e in vitro ed esemplificata per applicazioni chiave come la profilazione meccanica nel tempo di sferoidi ossei e cartilaginei, modelli di cancro di ingegneria tissutale, modelli di riparazione tissutale e singole cellule. Il nostro metodo è facilmente implementabile con qualsiasi sistema di tomografia a coerenza ottica commerciale senza alcuna modifica hardware e offre quindi una svolta nella valutazione meccanica dei tessuti on-line delle proprietà meccaniche spaziali per organoidi, tessuti molli e ingegneria dei tessuti.

È stato dimostrato che l'ambiente meccanico nell'omeostasi dei tessuti è fondamentale per la funzione, lo sviluppo e la patologia di più organi1,2,3. La rigidità della matrice può essere un indicatore informativo in molte applicazioni biologiche e mediche. Nell'ingegneria dei tessuti, le proprietà meccaniche spaziali e di massa degli innesti ingegnerizzati sono cruciali per il loro successo clinico dopo l'impianto4,5,6,7. Ad esempio, la limitazione dei nutrienti può creare una regione centrale più morbida nella cartilagine ingegnerizzata8,9. Nella ricerca sul cancro, la rigidità differenzia il tessuto maligno dal tessuto sano10 e il monitoraggio della variazione della rigidità del modello cellulare tumorale 3D in risposta al trattamento farmacologico antitumorale può potenzialmente indicare l'efficacia del farmaco11. Nell'occhio, la rigidità della cornea è indicativa della sua prestazione ottica sotto pressione intraoculare12. Gli approcci tradizionali per testare le proprietà meccaniche dei tessuti ingegnerizzati richiedono solitamente il contatto diretto con il tessuto e non sono sterili, comportando l'interruzione della coltura cellulare13,14. Inoltre, fornisce solo valori di massa piuttosto che informazioni localizzate sull’eterogeneità meccanica spaziale del tessuto ingegnerizzato. Le colture di produzione o a lungo termine necessitano di un monitoraggio continuo e semplice senza danni alle colture 3D e i sistemi ottici forniscono una potenziale soluzione. Pertanto, è necessario un sistema per il monitoraggio sterile in linea delle proprietà meccaniche globali e spaziali dei tessuti 3D in vitro come matrici seminate di cellule, organoidi o espianti ex vivo.

La quantificazione e la mappatura spaziale della rigidità, un processo noto come elastografia, può essere generalmente eseguita stimolando un provino, misurandone la deformazione e deducendo le sue proprietà meccaniche attraverso l'adattamento a un modello parametrizzato. L'elastografia è stata inizialmente implementata con l'ecografia15, poi con la risonanza magnetica16 e più recentemente con metodi ottici recentemente esaminati17. La tomografia a coerenza ottica (OCT)18 è particolarmente adatta per il tracciamento della deformazione elastografia in piccoli campioni, grazie alla sua capacità di imaging 3D non invasivo ad alta risoluzione19 e alla sua capacità di codificare con precisione lo spostamento attraverso la sua fase20.

I primi metodi di elastografia a coerenza ottica (OCE) utilizzavano la compressione superficiale con il tracciamento dello speckle21,22 e la successiva misurazione del ritardo di fase23, ​​ma il concetto è stato realizzato con molte altre forme di stimolazione a contatto e senza contatto24. Un approccio efficace consiste nel lanciare onde di taglio controllate nel materiale da un carico dinamico puntuale tramite un soffio d'aria25 e misurare la velocità dell'onda risolta spazialmente utilizzando l'OCT, che è strettamente legato alla rigidità del materiale26 ed è stato dimostrato in vivo27. Le onde di taglio diffuse a banda larga presenti in natura possono anche essere sfruttate per misurare la lunghezza d'onda di taglio28,29, un concetto utilizzato da Nguyen et al.30 con OCT dove viene definito "elastografia passiva". Un approccio strettamente correlato di Zvietcovich et al.31 misura la lunghezza d'onda di taglio delle onde riverberanti provenienti da una serie di sorgenti di punti di contatto che vibrano a una singola frequenza, dove è stato applicato con successo ex-vitro per quantificare la rigidità della cornea.