Elastografia de coerência óptica de vibrações ambientais desviadas para perfilar propriedades mecânicas de células, organóides e tecidos

Aug 16, 2023

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 543 (2023) Citar este artigo

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O papel do ambiente mecânico na definição da função, desenvolvimento e crescimento do tecido tem se mostrado fundamental. A avaliação das mudanças na rigidez das matrizes teciduais em múltiplas escalas tem dependido principalmente de equipamentos invasivos e muitas vezes especializados, como AFM ou dispositivos de teste mecânico pouco adequados ao fluxo de trabalho da cultura celular. Neste artigo, desenvolvemos um método imparcial de elastografia de coerência óptica passiva. , explorando vibrações ambientais na amostra que permitem o perfil quantitativo não invasivo em tempo real de células e tecidos. Demonstramos um método robusto que separa o espalhamento óptico e as propriedades mecânicas, compensando ativamente o viés de ruído associado ao espalhamento e reduzindo a variância. A eficiência do método para recuperar a verdade básica é validada in silico e in vitro, e exemplificada para aplicações importantes, como perfil mecânico de esferóides ósseos e cartilaginosos, modelos de câncer de engenharia de tecidos, modelos de reparo de tecidos e células únicas. Nosso método é prontamente implementável com qualquer sistema comercial de tomografia de coerência óptica sem quaisquer modificações de hardware e, portanto, oferece um avanço na avaliação mecânica de tecidos on-line de propriedades mecânicas espaciais para organoides, tecidos moles e engenharia de tecidos.

O ambiente mecânico na homeostase tecidual tem demonstrado ser fundamental para a função, desenvolvimento e patologia de múltiplos órgãos1,2,3. A rigidez da matriz pode ser um indicador informativo em muitas aplicações biológicas e médicas. Na engenharia de tecidos, as propriedades mecânicas espaciais e de volume dos enxertos projetados são cruciais para o seu sucesso clínico após a implantação4,5,6,7. Por exemplo, a limitação de nutrientes pode criar uma região central mais macia na cartilagem projetada8,9. Na pesquisa do câncer, a rigidez diferencia o tecido maligno do tecido saudável10, e o monitoramento da mudança na rigidez do modelo 3D de células cancerígenas em resposta ao tratamento com medicamentos anticâncer pode potencialmente indicar a eficácia do medicamento11. No olho, a rigidez da córnea é indicativa do seu desempenho óptico sob pressão intraocular12. As abordagens tradicionais para testar as propriedades mecânicas de tecidos manipulados geralmente requerem contato direto com o tecido e não são estéreis, envolvendo o término da cultura celular13,14. Além disso, fornece apenas valores em massa, em vez de informações localizadas sobre a heterogeneidade mecânica espacial do tecido projetado. As culturas de fabricação ou de longo prazo precisam de monitoramento contínuo e fácil, sem danos às culturas 3D, e os sistemas ópticos fornecem uma solução potencial. Portanto, é necessário um sistema para monitoramento on-line estéril das propriedades mecânicas espaciais e em massa de tecidos 3D in vitro, como matrizes semeadas de células, organoides ou explantes ex vivo.

A quantificação e mapeamento espacial da rigidez, processo conhecido como elastografia, pode ser geralmente realizado estimulando uma amostra, medindo sua deformação e inferindo suas propriedades mecânicas por meio do ajuste a um modelo parametrizado. A elastografia foi implementada primeiro com ultrassonografia15, depois ressonância magnética16 e mais recentemente com métodos ópticos, conforme revisado recentemente17. A tomografia de coerência óptica (OCT)18 é particularmente adequada para rastreamento de deformação de elastografia em pequenas amostras, devido à sua capacidade de imagem 3D não invasiva de alta resolução19 e à sua capacidade de codificar com precisão o deslocamento através de sua fase20.

Os primeiros métodos de elastografia de coerência óptica (OCE) usavam compressão de superfície com rastreamento de manchas21,22 e posterior medição de atraso de fase23, ​​mas o conceito foi realizado com muitas outras formas de estimulação com e sem contato24. Uma abordagem bem-sucedida é lançar ondas de cisalhamento controladas no material a partir do carregamento dinâmico pontual por meio de um sopro de ar e medir a velocidade da onda espacialmente resolvida usando OCT, que está intimamente ligada à rigidez do material e foi demonstrada in vivo. Ondas de cisalhamento difusas de banda larga que ocorrem naturalmente também podem ser exploradas para medir o comprimento de onda de cisalhamento28,29, um conceito usado por Nguyen et al.30 com OCT, onde é referido como 'elastografia passiva'. Uma abordagem intimamente relacionada de Zvietcovich et al.31 mede o comprimento de onda de cisalhamento de ondas reverberantes de uma série de fontes de pontos de contato vibrando em uma única frequência, onde foi aplicado com sucesso ex-vitro para quantificar a rigidez da córnea.