周囲振動の偏りを軽減した光コヒーレンスエラストグラフィーによる細胞、オルガノイド、組織の機械的特性のプロファイリング

Aug 16, 2023

Communications Biology volume 6、記事番号: 543 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

組織の機能、発達、成長を定義する際の機械的環境の役割は、基本的なものであることが示されています。 複数のスケールでの組織マトリックスの剛性の変化の評価は、細胞培養のワークフローにはあまり適さない AFM や機械的検査装置などの侵襲的で多くの場合専門的な装置にほとんど依存していました。この論文では、バイアスのないパッシブ光コヒーレンス エラストグラフィー法を開発しました。 、サンプル内の周囲振動を利用して、細胞および組織のリアルタイムの非侵襲的定量的プロファイリングを可能にします。 散乱に関連するノイズバイアスを積極的に補償し、分散を低減することにより、光学散乱と機械的特性を分離する堅牢な方法を実証します。 グラウンド トゥルースを取得する方法の効率は、コンピュータおよびインビトロで検証されており、骨および軟骨スフェロイドの経時的機械プロファイリング、組織工学癌モデル、組織修復モデル、単一細胞などの主要なアプリケーションで実証されています。 私たちの方法は、ハードウェアを変更することなく、市販の光干渉断層撮影システムで容易に実装できるため、オルガノイド、軟組織、および組織工学の空間機械的特性のオンライン組織機械的評価に画期的な進歩をもたらします。

組織の恒常性における機械的環境は、複数の臓器の機能、発達、および病理の基本であることが示されています1、2、3。 マトリックスの剛性は、多くの生物学的および医学的用途において有益な指標となりえます。 組織工学では、移植後の臨床的成功には、人工移植片のバルクおよび空間的機械的特性が極めて重要です4、5、6、7。 たとえば、栄養素を制限すると、人工軟骨の中央領域がより柔らかくなる可能性があります8,9。 がん研究では、硬さが悪性組織と健康な組織を区別しており 10、抗がん剤治療に応じた 3D がん細胞モデルの硬さの変化をモニタリングすることで、薬剤の有効性が示される可能性があります 11。 目の場合、角膜の硬さは眼圧下での光学性能を示します12。 人工組織の機械的特性を試験するための従来のアプローチは、通常、組織との直接接触を必要とし、細胞培養の停止を伴う非無菌である 13,14。 さらに、操作された組織の空間的機械的不均一性についての局所的な洞察ではなく、バルク値のみが提供されます。 製造または長期培養には、3D 培養に損傷を与えることなく簡単に継続的にモニタリングできる必要があり、光学システムが潜在的なソリューションを提供します。 したがって、細胞播種マトリックス、オルガノイド、または体外外植片などのインビトロ 3D 組織のバルクおよび空間機械的特性を無菌オンラインでモニタリングするシステムが必要です。

エラストグラフィーとして知られるプロセスである剛性の定量化と空間マッピングは、一般に、試験片を刺激し、その変形を測定し、パラメーター化されたモデルにフィッティングすることで機械的特性を推測することによって実行できます。 エラストグラフィーは、最初は超音波画像法で実装され 15、次に MRI 16、そして最近では最近見直された光学的手法で実装されました 17。 光コヒーレンストモグラフィー (OCT)18 は、高解像度の非侵襲的 3D イメージング能力 19 と、位相を通じて変位を正確にエンコードできる能力 20 により、小さなサンプルのエラストグラフィー変形追跡に特に適しています。

初期の光コヒーレンスエラストグラフィー（OCE）法では、スペックル追跡による表面圧縮 21,22 とその後の位相遅れ測定 23 が使用されていましたが、この概念は他の多くの接触および非接触形式の刺激で実現されています 24。 成功したアプローチの 1 つは、エアパフを介して点動的荷重から材料内に制御されたせん断波を発射し 25、OCT を使用して空間分解された波の速度を測定することです。これは材料の剛性と密接に関係しており 26、生体内で実証されています 27。 自然に発生する広帯域拡散せん断波は、せん断波長 28,29 の測定にも利用できます。この概念は、Nguyen ら 30 によって OCT で使用されており、「パッシブ エラストグラフィー」と呼ばれています。 Zvietcovich et al.31 による密接に関連したアプローチは、単一周波数で振動する接触点源の配列からの残響波からせん断波長を測定し、体外で角膜の硬さを定量化するために適用することに成功しました。