مقالة منهجية

مجموعة من المواد الحيوية والتجارب الميكانيكية الحيوية وطرق التحليل

يوليو 13, 2021

 ,  ,  , 
1Ulsan Ship and Ocean College, Ludong University, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 3School of Pharmacy, Wenzhou Medical University

في هذه المقالة

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المقالات التي تمت مناقشتها:

Kolel، A.، et al. سلالة خاضعة للرقابة من الهلاميات المائية ثلاثية الأبعاد تحت التصوير المجهري الحي. مجلة التجارب المتصورة. (2020).

Yang ، F. ، Wang ، Z. ، and Yang ، S. تصوير الصغيرة الصوتي المزدوج للمسح الضوئي للمسح الضوئي لتصور الأوعية الدموية. مجلة التجارب المتصورة. (2020).

Tamburrini، R.، et al. إزالة الخلايا الخالية من المنظفات للبنكرياس البشري لإنتاج المصفوفة خارج الخلية القابلة للذوبان (ECM). مجلة التجارب المتصورة. (2020).

Koch, S.E., et al. مفاعل حيوي متعدد الإشارات لتقييم القدرة الالتهابية والتجددية للمواد الحيوية تحت التدفق والتمدد. مجلة التجارب المتصورة. (2020).

Zhou و H. و Cen و X. و Song و Y. و Ugbolue و U.C. و Gu ، Y. الخصائص الميكانيكية الحيوية للأطراف السفلية المرتبطة بإنهاء المشي غير المخطط له تحت سرعات المشي المختلفة. مجلة التجارب المتصورة. (2020). < p class = "jove_content" >Yin ، L. ، Lai ، Z. ، Hu ، X. ، Liu ، K. ، Wang ، L. تقييم التحكم في الوضعية وتنشيط عضلات الأطراف السفلية لدى الأفراد الذين يعانون من عدم استقرار الكاحل المزمن. مجلة التجارب المتصورة. (2020).

افتتاحية

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

كمجال بحث مهم متعدد التخصصات ، تكشف المواد الحيوية والميكانيكا الحيوية عن العلاقات والآليات بين بنية المواد الحيوية وأدائها ووظيفتها من خلال البحث التجريبي والتحليل النظري ، والذي يرتبط بعلوم المواد والميكانيكا والهندسة الحيوية والرياضيات وما إلى ذلك. من أجل تحسين الطرق التجريبية للمواد الحيوية والميكانيكا الحيوية ، تناقش مجموعة طرق JoVE هذه الطرق التجريبية المقابلة وخصائصها في فئتين: الخصائص الميكانيكية للأنسجة وميكانيكا الإلكترونيات. تشمل ملاحظات ميكانيكا الأنسجة طريقة تمدد هيدروجيل ثلاثي الأبعاد ، وطريقة صوتية ضوئية مزدوجة للمسح النقطي ، وطريقة إزالة الخلايا الخالية من المنظفات من البنكرياس البشري ، وطريقة فصل ضغوط الشد والقص على السقالات الأنبوبية. تتضمن ملاحظات ميكانيكا الإلكترونيات طريقة جمع البيانات لحركة الأطراف السفلية والتحكم في الوضعية للمرضى الذين يعانون من عدم استقرار الكاحل.

تشمل تأثيرات القوة الميكانيكية على التنظيم بشكل أساسي التعبير الجيني ، وتمايز الخلايا ، وإعادة تشكيل الأنسجة1،2،3 ، والتغيرات في المصفوفة خارج الخلية (ECM) 4،5،6. سيساعد فهم استجابة الأنسجة للقوى الميكانيكية7،8،9 في تطوير مجال هندسة الأنسجة والنماذج النظرية. يقترح Kolel et al.10 طريقة لتمديد الهلاميات المائية ثلاثية الأبعاد ، والتي تسمح بإجهاد أحادي المحور الثابت أو الدوري أثناء المجهر متحد البؤر. قاموا بتشكيل هلام الفيبرين بثقب قطره حوالي 2 مم على شرائط مطاطية من السيليكون بسمك 0.5 مم ، ثم تم إجراء التمدد أحادي المحور تحت الفحص المجهري متحد البؤر الحي. أخيرا ، يناقشون إمكانية تضمين الخلايا في الهلاميات المائية وتعريضها للتمدد الخارجي المتحكم فيه. يتكون نظام التمدد المستخدم في هذا البروتوكول من مكونات طباعة ثلاثية الأبعاد ومكونات إلكترونية منخفضة التكلفة. يحتوي النظام على الميزات الفريدة التالية مقارنة بالطرق الأخرى الحالية. أولا ، يسمح النظام بالتمدد أحادي المحور للهلاميات المائية الناعمة ثلاثية الأبعاد السميكة ، ويحتوي الهيدروجيل بأكمله على تشوه Z-uniform. ثانيا ، نظرا لبساطة الطباعة ثلاثية الأبعاد والتكلفة المنخفضة لهذه المعدات ، فمن السهل بناء هذا النوع من معدات التمدد في مختبرات أخرى. ثالثا ، يمكن تشغيل هندسة وحجم العينة بحرية وفقا للمستخدم. حسنت هذه الطريقة القدرة على دراسة القوى الخارجية على العملية البيولوجية في ظل ظروف ثلاثية الأبعاد فسيولوجية أكثر وساهمت في مجال هندسة الأنسجة.

يلعب تصوير الصغيرة دورا مهما في توجيه البحث عن الأمراض المتجانسة البشرية والبحث عن طرق علاج فعالة. التصوير الضوئي الصوتي (PAI) هو تقنية تصوير غير جراحية تجمع بين مزايا التصوير البصري والتصوير بالموجات فوق الصوتية11،12. أبلغ Yang et al.13 عن جهاز تصوير صوتي ضوئي مزدوج للمسح النقطي (DRS-PAI) ، ومن خلال مسح الاقتران الصوتي لأجزاء مختلفة من الفئران ، يتم جمع الصور الوعائية في وضعي WIM و RIM ، على التوالي. تتمثل ميزة DRS-PAI في أن WIM و RIM مدمجان في نظام واحد ويوفران تصورا عالي الدقة للأوعية الدموية واسع النطاق لديناميكيات الدم في الوقت الفعلي. يمكن أن يكشف وضع التصوير في الوقت الفعلي (RIM) عن خصائص التنفس أو النبض عن طريق قياس إزاحة الأوعية الدموية على طول اتجاه العمق. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن ل RIM قياس المنطقة المحددة لصور WIM كميا. من خلال مقارنة الصور ، يمكن الكشف عن تفاصيل التغييرات المحلية بدقة. يمكن تطبيق هذه الطريقة بسهولة في مختلف مجالات البحوث الأساسية الطبية الحيوية.

يطرح الطلب المتزايد على الجزر متطلبات أعلى لعزل الجزر14،15،16. يقترح Tamburrini et al.17 طريقة جديدة خالية من المنظفات تخلق ضررا أقل لوحدة التحكم في الحركة ويمكن أن تحافظ على المكونات الهامة لوحدة التحكم في البنكرياس. تتجنب طريقة إزالة الخلايا استخدام المنظفات الكيميائية الأيونية وغير الأيونية الكلاسيكية. علاوة على ذلك ، فإن إزالة الخلايا من الأنسجة في هزاز مداري بدلا من حقن المنظفات من خلال نظام الأوعية الدموية يعزز بشكل كبير بساطة واتساق وجدوى تقنية إزالة الخلايا ، وبالتالي زيادة إنتاج ECM للترجمة. نظرا لأن الطرق اللاخلوية الحالية لا يمكنها تحديد كمية Triton X-100 المتبقية على ECM post-decellularization وجدوى توسيع عملية التصنيع في بيئة cGMP منخفضة ، فقد درسوا أيضا جدوى الحصول على إزالة الخلايا عن طريق الاهتزاز الميكانيكي بدلا من تروية البنكرياس كله. تظهر البيانات المتعلقة بالتقدير الكمي للكولاجين والجليكوزامينوجليكان اتجاها يتفق مع التجربة السابقة. تم العثور على بعض القيود باستخدام هذا البروتوكول. لذلك ، يعتبر البنكرياس البشري من المتبرعين الذين لديهم مؤشر كتلة الجسم <30 مناسبا بشكل عام لإزالة الخلايا.

يعد استخدام المواد الحيوية القابلة للامتصاص للحث على التجديد مباشرة في الجسم الحي استراتيجية جذابة18،19،20،21،22 ، ولكن هذا النوع من المواد الحيوية يمكن أن يسبب تفاعلا التهابيا بعد الزرع ، وهو أيضا القوة الدافعة للارتشاف اللاحق وتجديد الأنسجة الجديدة. يتم تحديد كل من عملية الالتهاب والتجديد من خلال إجهاد الشد والقص. يصف Koch et al.23 بالتفصيل استخدام مفاعل حيوي لفصل ضغوط الشد والقص على السقالات الأنبوبية. يقترحون أن تطبيق نظام المفاعل الحيوي الأنبوبي هذا سيساعد في دراسة آثارها الفردية والمشتركة في الميكانيكا. يقوم هذا المفاعل الحيوي بتقييم مساهمات إجهاد القص والتمدد الدوري بشكل منهجي في الالتهاب وتجديد الأنسجة في السقالات الأنبوبية القابلة للامتصاص. أيضا ، هذا يجعل من الممكن توحيد قدرات الالتهاب والتجديد تحت تأثير الدعامات الأنبوبية تحت الأحمال الميكانيكية التي يتم التحكم فيها جيدا. تتم مناقشة الخطوات الرئيسية لهذه الطريقة بالتفصيل: بناء وإعداد المفاعل الحيوي ، وإعداد السقالة وتطعيم الخلايا ، وتطبيق وصيانة تدفق التمدد والقص ، وجمع العينات ، والتحليل. يمكن لهذا النظام اختبار مجموعة متنوعة من ترقيع الأوعية الدموية المصممة بالأنسجة (على سبيل المثال ، المصادر الاصطناعية أو الطبيعية ، والهياكل المجهرية المختلفة ، والمسامية المختلفة). من أجل الفصل بشكل فعال بين تطبيق إجهاد القص والتوتر ، فإن المفاهيم الأساسية المستخدمة في المفاعل الحيوي هي كما يلي. أولا ، يتم فصل إجهاد القص والتحكم في التمدد باستخدام أنظمة ضخ مختلفة. ثانيا ، يتم تحفيز السقالات بطريقة من الداخل إلى الخارج بأبعاد مدفوعة حسابيا. يتم تطبيق التدفق على السطح الخارجي للسقالة الأنبوبية باستخدام مضخة تدفق ، بينما يتم توسيع أنبوب السيليكون باستخدام مضخة إجهاد منفصلة ، ويتم توسيع التوتر المحيطي للدعم باستخدام مضخة إجهاد منفصلة. يمكن أيضا استخدام هذه الطريقة لعدد كبير من التحليلات حول بناء الأوعية الدموية. تشير النتائج إلى التأثيرات الفريدة لمجموعات مختلفة من القص والتوتر على نمو وإعادة تشكيل بنية الكسب غير المشروع الوعائي المصممة بالأنسجة (TEVG). تساعد الرؤى التي تم الحصول عليها من خلال مجموعة النظام الأساسي في المختبر في تحسين معلمات التصميم المطورة حديثا ل TEVGs في الموقع .

يمكن تقسيم التحكم في الموقف والتوازن إلى حالات ثابتة وديناميكية24،25،26،27. من بينها ، تشير قدرة التوازن الديناميكي إلى قدرة الجسم على التحكم في مركز ثقل الجسم ووضعه وضبطه أثناء الحركة28. من منظور الميكانيكا الحيوية الرياضية ، فإن الجسم الرئيسي للحفاظ على التوازن الديناميكي هو مفصل الكاحل للأطراف السفلية. إذا كان مفصل الورك هو الجسم الرئيسي للحفاظ على التوازن ، فسيكون من السهل السقوط. Zhou et al.29 يحلل التغيرات في الميكانيكا الحيوية للأطراف السفلية عند إنهاء المشي الناجم عن حافز غير متوقع. يتم استخدام نظام تحليل الحركة ومنصة الضغط الأخمصي لجمع بيانات الحركة لحركة الأطراف السفلية في الموقع. يمكن استخدام هذه الطريقة في أبحاث الميكانيكا الحيوية ، وأنظمة الواقع الافتراضي ، وجهاز التحكم عن بعد للروبوت ، وإنتاج الرسوم المتحركة ، والتدريب الرياضي ، وأبحاث بيئة العمل ، والألعاب التفاعلية ، وما إلى ذلك.

يعد عدم استقرار الكاحل المزمن (CAI) أحد أكثر الإصابات الرياضية شيوعا ، ويتميز بالألم المستمر وتورم الكاحل ، وإفساح المجال في الكاحل ، والإعاقة المبلغ عنها ذاتيا ، مما يؤثر بشكل خطير على استقرار الوضعية للمرضى30،31. يمكن تحسين CAI من خلال تسجيل علم الحركة. يحلل Yin et al.32 مساهمات الرؤية واستقبال الحس العميق والإحساس الدهليزي في الحفاظ على استقرار الوضعية باستخدام تصوير الوضعية الديناميكي بالكمبيوتر. تم إجراء وقياس اختبارات التنظيم الحسي (SOT) ، والموقف الأحادي الجانب (الولايات المتحدة) ، وحد الاستقرار (LOS) ، واختبار التحكم الحركي (MCT) ، واختبارات التكيف (ADT). توفر هذه القياسات طريقة جديدة لمراقبة عملية تنسيق الأنظمة الحسية الثلاثة وتنظيم تنشيط العضلات للحفاظ على استقرار الوضعية.

إلى جانب البحث الشامل متعدد التخصصات ، تعزز معدات وطرق القياس المتقدمة تطوير وتطور المواد الحيوية والميكانيكا الحيوية. على الرغم من أن هذه المقالة تناقش طرق الاختبار المختلفة ، إلا أنه من الضروري دمج طرق وأفكار البحث المختلفة في مختلف المجالات كاتجاه بحثي متعدد التخصصات وشامل من أجل تسريع بحث المواد الحيوية والميكانيكا الحيوية وتعزيز التواصل بين الباحثين في مختلف المجالات.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذه الدراسة من قبل مكتب العلوم والتكنولوجيا في بلدية ونتشو (Y2020069).

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bleuel, J., Zaucke, V., Bruggemann, G. P., Niehoff, A. Effects of cyclic tensile strain on chondrocyte metabolism: a systematic review. Plos One. 10, 0119816(2015).
  2. Pennisi, C. P., Olesen, C. G., de Zee, M., Rasmussen, J., Zachar, V. Uniaxial cyclic strain drives assembly and differentiation of skeletal myocytes. Tissue Engineering Part A. 17, 2543-2550 (2011).
  3. Grodzinsky, A. J., Levenston, M. E., Jin, M., Frank, E. H. Cartilage tissue remodeling in response to mechanical forces. Annual Review of Biomedical Engineering. 2 (1), 691-713 (2000).
  4. Ban, E., et al. Mechanisms of plastic deformation in collagen networks induced by cellular forces. Biophysical Journal. 114 (2), 450-461 (2018).
  5. Storm, C., Pastore, J. J., MacKintosh, F. C., Lubensky, T. C., Janmey, P. A. Nonlinear elasticity in biological gels. Nature. 435, 191-194 (2005).
  6. Muiznieks, L. D., Keeley, F. W. Molecular assembly and mechanical properties of the extracellular matrix: a fibrous protein perspective. Biochimica et Biophysica Acta. 1832, 866-875 (2012).
  7. Livne, A., Bouchbinder, E., Geiger, B. Cell reorientation under cyclic stretching. Nature Communications. 5, 3938(2014).
  8. Xu, G. K., Feng, X. Q., Gao, H. Orientations of cells on compliant substrates under biaxial stretches: a theoretical study. Biophysical Journal. 114 (3), 701-710 (2017).
  9. Chagnon-Lessard, S., Jean-Ruel, H., Godin, M., Pelling, A. Cellular orientation is guided by strain gradients. Integrative Biology. 9 (7), 607-618 (2013).
  10. Kolel, A., et al. Controlled strain of 3D hydrogels under live microscopy imaging. Journal of Visualized Experiments. (166), (2020).
  11. Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (5), 0071(2017).
  12. Jeon, S., Kim, J., Lee, D., Baik, J. W., Kim, C. Review on practical photoacoustic microscopy. Photoacoustics. 15, 100141(2019).
  13. Yang, F., Wang, Z., Yang, S. Dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization. Journal of Visualized Experiments. (161), (2020).
  14. Korpos, E., et al. The peri-islet basement membrane, a barrier to infiltrating leukocytes in type 1 diabetes in mouse and human. Diabetes. 62 (2), 531-542 (2013).
  15. Daoud, J., Petropavlovskaia, M., Rosenberg, L., Tabrizian, M. The effect of extracellular matrix components on the preservation of human islet function in vitro. Biomaterials. 31 (7), 1676-1682 (2010).
  16. Paraskevas, S., Maysinger, D., Wang, R., Duguid, T. P., Rosenberg, L. Cell loss in isolated human islets occurs by apoptosis. Pancreas. 20 (3), 270-276 (2000).
  17. Tamburrini, R., et al. Detergent-free decellularization of the human pancreas for soluble extracellular matrix (ECM) production. Journal of Visualized Experiments. (163), (2020).
  18. Wang, J., et al. Ex vivo blood vessel bioreactor for analysis of the biodegradation of magnesium stent models with and without vessel wall integration. Acta Biomaterials. 50, 546-555 (2017).
  19. Wolf, F., et al. VascuTrainer: a mobile and disposable bioreactor system for the conditioning of tissue-engineered vascular grafts. Annals of Biomedical Engineering. 46 (4), 616-626 (2018).
  20. Ramaswamy, S., et al. A novel bioreactor for mechanobiological studies of engineered heart valve tissue formation under pulmonary arterial physiological flow conditions. Journal of Biomechanical Engineering. 136 (12), 121009(2014).
  21. Vanerio, N., Stijnen, M., de Mol, B. A. J. M., Kock, L. M. An innovative ex vivo vascular bioreactor as comprehensive tool to study the behavior of native blood vessels under physiologically relevant conditions. Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy. 2 (4), (2019).
  22. Kural, M. H., Dai, G., Niklason, L. E., Gui, L. An ex vivo vessel injury model to study remodeling. cell Transplantation. 27 (9), 1375-1389 (2018).
  23. Koch, S. E., et al. A multi-cue bioreactor to evaluate the inflammatory and regenerative capacity of biomaterials under flow and stretch. Journal of Visualized Experiments. (166), (2020).
  24. Gribble, P. A., Hertel, J., Denegar, C. R. Chronic ankle instability and fatigue create proximal joint alterations during performance of the star excursion balance test. International Journal of Sports Medicine. 28 (3), 236-242 (2006).
  25. Herrington, L., Hatcher, J., Hatcher, A., McNicholas, M. A comparison of star excursion balance test reach distances between ACL deficient patients and asymptomatic controls. The Knee. 16 (2), 149-152 (2009).
  26. Olmsted, L. C., Hertel, J. Influence of foot type and orthotics on static and dynamic postural control. Journal of Sport Rehabilitation. 13 (1), 54-66 (2004).
  27. Kahle, N. L., Gribble, P. A. Core stability training in dynamic balance testing among young, healthy adults. Athletic Training & Sports Health Care. 1 (2), 65-73 (2009).
  28. Lieberman, D. E., et al. Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature. 463 (7280), 531-535 (2010).
  29. Zhou, H., Cen, X., Song, Y., Ugbolue, U. C., Gu, Y. Lower-limb biomechanical characteristics associated with unplanned gait termination under different walking speeds. Journal of Visualized Experiments. (162), (2020).
  30. Doherty, C., et al. The incidence and prevalence of ankle sprain injury: a systematic review and meta-analysis of prospective epidemiological studies. Sports Medicine. 44, 123-140 (2013).
  31. Vuurberg, G., et al. Diagnosis treatment and prevention of ankle sprains: update of an evidence-based clinical guideline. British Journal of Sports Medicine. 52 (15), 956(2018).
  32. Yin, L., Lai, Z., Hu, X., Liu, K., Wang, L. Evaluating postural control and lower-extremity muscle activation in individuals with chronic ankle instability. Journal of Visualized Experiments. (163), (2020).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

3D HydrogelsLive MicroscopyPhotoacoustic ImagingVascular VisualizationExtracellular Matrix ECMDecellularizationInflammatory CapacityRegenerative CapacityBioreactorGait TerminationWalking SpeedsPostural ControlChronic Ankle Instability

مقالات ذات صلة