المغناطيسي منهجية Elastography الرنين لتقييم الأنسجة المهندسة النمو كونستركت
فبراير 9, 2012
الإجراء يدل على منهجية elastography بالرنين المغناطيسي لرصد نتائج هندسيا من الأنسجة الدهنية والبنى المكونة للعظم هندسيا من خلال تقييم محلي موسع من الخواص الميكانيكية باستخدام المجهرية elastography بالرنين المغناطيسي (μMRE).
لفحص الأنسجة الهندسية الاختبار الميكانيكي التقليدي ، والذي غالبا ما يؤدي إلى تدمير العينة غير مقبول. تستخدم هذه الطريقة التصوير المرن بالرنين المغناطيسي المجهري أو التصوير بالرنين المغناطيسي الصغير كتقنية غير جراحية لقياس الخواص الميكانيكية للأنسجة الرخوة الصغيرة. يتم وضع الخلايا الأولى على سقالة المواد الحيوية لتوليد الأنسجة.
يتم تعليق الأنسجة في هلام آروس ، ويتم وضع طرف المشغل في الجل. ثم لتوصيف حركة المشغل يتم نقلها إلى العينة واكتشافها باستخدام الليزر. دوبلر فيتر.
يتم نقل العينة والمشغل إلى مغناطيس وصدى مغناطيسي. يتم الحصول على صور اللطنج. يظهر تحليل الصور الناتجة التغيير في الصلابة المطلقة لكل من التركيبات العظمية والشحمية.
خطرت لنا فكرة هذه التقنية لأول مرة ولاحظنا التصوير المغناطيسي لاستخدام تشخيص المرض وأدركنا أنه يمكن تمديده ليشمل هندسة الأنسجة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية على التقنيات الأخرى الموجودة مثل الاختبارات الميكانيكية ، هي أنها تطبق التكنولوجيا غير الغازية للتصوير بالرنين المغناطيسي على الخصائص الميكانيكية الرئيسية للأنسجة. تمتد تطبيقات هذه التقنية إلى هندسة الأنسجة لأن معرفة الخصائص الميكانيكية ستضمن أنها مناسبة للاستخدامات المقصودة في هندسة العظام والغضاريف.
على الرغم من أن هذه الأساليب توفر رؤى قيمة في هندسة الأنسجة ، إلا أنه يمكن استخدامها أيضا لتشخيص الأمراض في الأعضاء المختلفة ، مثل تليف الكبد أو إصابات الدماغ الرضحية أو سرطان الدماغ ، على سبيل المثال. يعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية لأنه يتضمن الخطوات التي يصعب تعلمها ، والوعي المسبق بهندسة الأنسجة وتصوير إيقاع الحجم. جارس. تتكون عملية تحضير بناء الأنسجة من ثلاث مراحل رئيسية ، توسيع عدد الخلايا ، وبذر الخلايا على سقالة المواد الحيوية والتمايز من خلال استخدام جزيئات الإشارات الكيميائية.
بعد زراعة وتوسيع خط الخلية ، تزرع الخلايا الجذعية الوسيطة البشرية أو HMCs على إسفنجة جيلاتين بكثافة واحدة في 10 إلى ست خلايا لكل مليلتر لتكوين العظام. بعد ثلاثة أيام تقريبا ، يجب أن تظهر الخلايا ملتقية على السقالة للحث على التمايز. قم بإزالة الوسيط واستبدله بوسيط الحث الدهني.
ثم احتضان الخلايا عند 37 درجة مئوية مع 5٪ ثاني أكسيد الكربون بعد ثلاثة أيام. استبدل الوسيط بوسط الصيانة ، والذي يتكون من وسط تمدد يحتوي على 10 ميكروغرام لكل مليلتر من الأنسولين المؤتلف البشري. بعد الحضانة لمدة 24 ساعة ، استبدل وسط الصيانة بوسط الحث.
كرر هذه الدورة ثلاث مرات. استبدل وسيط الصيانة كل يومين بعد ذلك لمدة أربعة أسابيع للحث على تكوين العظم. استبدلها بوسط هشاشة العظام الطازجة كل يومين طوال مدة الدراسة.
تستغرق الدراسة هنا أربعة أسابيع ويتم إجراء التوعية بالرنين المغناطيسي كل أسبوع. يعتمد التصوير الإستوني بالرنين المغناطيسي على انتشار موجات القص الميكانيكية لتقييم القيم المحلية للخواص الميكانيكية. لذلك ، يجب توليد هذه الاهتزازات الميكانيكية وتمييزها داخل الأنسجة ذات الأهمية باستخدام مشغل كهربائي بيزو لتحضير العينة ، انقل ثقافة الأنسجة إلى أنبوب اختبار قطره 10 ملم يحتوي على قاعدة صلبة وطبقة من 0.5٪ جل AGROS.
ثم أضف 0.5 جل أكرو دافئ. لإحاطته. اترك جل agros لمدة خمس دقائق.
في درجة حرارة الغرفة ، أدخل طرف محرك الانحناء الكهربائي piso في سطح الجل. بعد ذلك ، قم بتوصيل الأنبوب الذي يحتوي على العينة والمشغل بدعامة صلبة. قم بتوجيه شعاع مقياس دوبلر الليزر نحو طرف المشغل الميكانيكي.
اضبط موضع النظام لتحسين قوة الإشارة المنعكسة ، والتي يتم عرضها على البارومتر. لزيادة الانعكاس إلى أقصى حد ، استخدم شريطا عاكسا إذا لزم الأمر لإعداد المشغل لتوليد موجات شفافة غير ضارة بسعات كبيرة تبلغ حوالي 250 ميكرون. اضبط مولد الوظيفة لمسح نطاق التردد المطلوب باستخدام جهد تشغيل يبلغ 20 فولت ذروة مع إشارة ضوضاء بيضاء.
بالنسبة لهذه التجربة ، يتراوح نطاق التردد المطلوب من 20 إلى 2000 هرتز. لعرض الطيف المميز على برنامج Polytech Rsof ، حدد السرعة وشاشة FFT. ابدأ في التقاط الإشارة وتحديد تردد الرنين للنظام بناء على قمم الطيف.
بعد ذلك ، لقياس انحراف المشغل ، اضبط المشغل على توصيل جيوب أنفية مستمرة بتردد الرنين المميز. باستخدام جهد تشغيل يبلغ 200 فولت ، قمة الذروة وتشير إلى الإزاحة المتولدة التي يتم توصيلها بواسطة المشغل إلى سطح مجموعة الجل ، تكون الألياف الناعمة لعرض FFT مع الإزاحة كمحور Y. بمجرد توصيف المشغل ، ضع أنبوب الاختبار الذي يحتوي على العينة والمشغل في فتحة في ملف RF مقاس 10 ملم ، ضع العينة والمشغل في وسط ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي.
احصل على صورة استكشافية لتحديد موقع البناء. بمجرد تحديد موقع بنية الأنسجة ، قم بتعيين معلمات الاستحواذ. سيكون للفحص السهمي النموذجي في المختبر وقت تكرار يبلغ 1000 مللي ثانية.
زمن الصدى من 20 إلى 40 مللي ثانية سمك شريحة من 0.5 إلى ملليمتر واحد ومجال رؤية 12 × 10 ملم مربع، بحجم مصفوفة 1 28 × 1 28 بكسل. بالنسبة لمعلمات التصوير المرن ، اضبط تردد المشغل على القيمة التي يحددها توصيف زجاج دوبلر بالليزر. وبالنسبة لهذه العينة، يلزم وجود زوج ثنائي واحد بسعة تدرج قدرها 50 غاوس لكل سنتيمتر وتأخر للتوعية بمخاطر الألغام على صفر.
قم بتغيير مولد الوظائف إلى وضع الاندفاع واضبط معلمات مولد الوظائف لتتناسب مع تلك الموجودة في معلمات اكتساب التصوير المرن ، بما في ذلك تكرار وعدد الدورات. قم أيضا بتعيين مولد الوظائف ليتم تشغيله خارجيا. للحصول على صورة سهمية ، اضبط حساسية الحركة لتكون في اتجاه الشريحة الموجبة وابدأ المسح بعد الاستحواذ.
تحقق من الصورة لتقييم جودة الإشارة في بنية الأنسجة. إذا بدت الصورة مظلمة جدا ، فاضبط معلمات MR واحصل على مسح ضوئي آخر. بعد ذلك ، قم بتغيير التحسس إلى اتجاه الشريحة السلبية.
نقل الملفات من ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي إلى جهاز كمبيوتر آخر مزود ب MATLAB وتنفيذ برنامج MATLAB الذي سيقوم بإجراء تقسيم معقد لإنشاء صورة تصور انتشار موجات القص. تقييم الصورة لوجود موجات القص ويمكن رسم القطع الأثرية المحتملة مثل ملامح خط التفاف الطور لتقييم جودة الموجة واتساعاها بشكل أفضل. في حالة حدوث التغليف، قلل سعة التدرج واحصل على مسح آخر.
إذا لم تكن هناك حاجة إلى تعديلات على الصورة. اضبط حجم مصفوفة المعلمات على ثماني قيم متباعدة بشكل متساو تتراوح من صفر ثانية إلى فترة كاملة لتردد الرنين المميز. احصل على مسح ضوئي في كل من اتجاهي الشريحة الإيجابية والسلبية بمجرد الحصول على الصور.
استخدم برنامج MATLAB المصمم لتوليد بيانات الموجة المطلقة والفيلم المقابل للموجة المنتشرة في العينة. هذا هو الملف المطلوب لتقدير الخواص الميكانيكية. الخطوة الأخيرة من التوعية بالرنين المغناطيسي هي حساب الصلابة المطلقة من صور الموجة الشفافة.
ابدأ بوضع البيانات في برنامج MATLAB الذي سيقيم مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد ، ويحدد معلمات التصوير ، بما في ذلك مجال الرؤية والتدرج والسعة وعدد الأزواج ثنائية القطب ، وقم بتشغيل الكود. تسمح الخوارزمية باختيار مناطق الاهتمام التي يتم حساب المتوسط والانحراف المعياري لكل معلمة. ارسم ملامح بنية الأنسجة لتحديد منطقة الاهتمام.
يتم عرض المتوسط والانحراف المعياري لمعامل الصلابة والتخزين والمعامل والخسارة داخل منطقة الاهتمام المحددة. يوفر البرنامج أيضا نتائج وسيطة ، بما في ذلك الموجة بعد المرشحات ، والموجة بعد التصفية الاتجاهية وملفات تعريف الخط التي تساعد في تقدير مدى دقة الاسترداد. للحصول على تقدير دقيق ، يجب أن تكون الموجة المفلترة سلسة.
يعد الانحراف المعياري للمعلمة في منطقة معينة ذات أهمية أيضا مؤشرا على جودة الحساب إذا لزم الأمر ، اضبط المعلمات الأخرى حسب الحاجة للحصول على قيم دقيقة للخصائص الميكانيكية لمراقبة التغيرات في الخواص الميكانيكية للتركيبات الهندسية أثناء تطورها. تم تطبيق اختبار التوعية بمخاطر الألغام على مدى أربعة أسابيع. تظهر خريطة تطوير البناء هذه الشحمية المشار إليها بالحرف A وعظم العظام المشار إليها بالحرف O مع صور الحجم المقابلة وصور الموجة الشفافة و ELAs ومتوسط صلابة القص المعروضة.
تتوافق خريطة الألوان الخاصة ب ELAs مع نظام ألوان الشريط. يمثل الرسم البياني وأشرطة الخطأ الانحراف المعياري داخل كل منطقة من مناطق الاهتمام. بمرور الوقت ، أصبحت التركيبات الشحمية أقل صلابة ، مما يشير إلى خصائص مشابهة للأنسجة الدهنية.
وبالمثل ، أصبحت تركيبات العظم أكثر صلابة خلال فترة الأربعة أسابيع مما يشير إلى تمايز الشبيه بالعظام بمجرد إتقانها ، يمكن إجراء هذه التقنية في حوالي ساعتين إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم توصيف المشغل بالكامل باتباع هذا الإجراء. يمكن استخدام طرق مثل التحليل الكيميائي الحيوي وعلم الأنسجة للإجابة على أسئلة مثل تأكيد ترسب المعادن.
لا تنس عند العمل مع المواد الخلوية البشرية والتصوير بالرنين المغناطيسي ، يمكن أن يكون خطيرا للغاية والوعي ب BL الثاني والتصوير بالرنين المغناطيسي المناسبين. يجب اتخاذ الاحتياطات أثناء تنفيذ هذه الإجراءات.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
توضح هذه الإجراء منهجية التصوير المرناني المغناطيسي (MRE) لمراقبة هياكل الأنسجة الدهنية والعظمية المهندسة. وهي تستخدم التصوير المرناني المغناطيسي المجهري (μMRE) لتقييم غير جراحي للخواص الميكانيكية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- علم الأحياء
- هندسة الأنسجة
الخلفية
- غالبًا ما تدمر الاختبارات الميكانيكية التقليدية العينات.
- التقنيات غير الغازية ضرورية للأنسجة الرخوة الصغيرة.
- يوفر التصوير المرناني المغناطيسي المجهري حلاً.
- تتيح هذه الطريقة تقييمًا محليًا للخواص الميكانيكية.
هدف الدراسة
- لتطوير طريقة غير مدمرة لتقييم هياكل الأنسجة.
- لمراقبة الخواص الميكانيكية للأنسجة المهندسة.
- لتعزيز فهم نتائج هندسة الأنسجة.
الطرق المستخدمة
- توضع الخلايا على دعامة من المواد الحيوية.
- يتم تعليق الأنسجة في هلام أروس.
- يتم وضع رأس المشغل في الهلام لتوليد الحركة.
- يتم اكتشاف حركة المشغل باستخدام فيبروميتر ليزر دوبلر.
النتائج الرئيسية
- قياس ناجح غير غازي للخواص الميكانيكية.
- توصيف لحركة المشغل المنقولة إلى عينات الأنسجة.
- برهنة فعالية μMRE في هندسة الأنسجة.
- توفير رؤى حول السلوك الميكانيكي للهياكل المهندسة.
الاستنتاجات
- يعتبر التصوير المرناني المغناطيسي المجهري بديلاً قابلاً للتطبيق للاختبار التقليدي.
- يتيح حفظ عينات الأنسجة المهندسة.
- يمكن لهذه الطريقة تطوير مجال هندسة الأنسجة.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Non-destructive mechanical property assessment is critical for longitudinal tissue engineering studies where destructive testing compromises sample integrity and longitudinal tracking. Magnetic resonance elastography (MRE) enables repeated, quantitative monitoring of construct maturation without sample destruction, supporting go/no-go decisions in preclinical development. This approach reduces biological attrition risk by providing predictive, mechanistically relevant readouts aligned with functional tissue outcomes.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of structure-function relationships by correlating mechanical stiffness with differentiation states in adipogenic and osteogenic lineages.
- Operational Value: Supports hypothesis testing of biomaterial and signaling conditions through longitudinal, non-invasive tracking of construct maturation.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative shear stiffness maps with high correlation (R²>0.9914) to dynamic mechanical analysis, enabling assay standardization.
- Operational Value: Provides reproducible, voxel-level mechanical readouts suitable for high-content screening of scaffold and cell conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Tracks mechanophenotypic changes during hMSC differentiation, linking mechanical evolution to tissue functionality.
- Operational Value: Enables continuous monitoring over multi-week studies, reducing need for endpoint destructive assays and supporting longitudinal study designs.
Pipeline & Workflow Integration
Positioned between early construct formation and functional validation, μMRE serves as a mechanistic bridge in the discovery continuum, informing lead candidate selection through quantitative biomechanical phenotyping.
- Discovery Biology: Facilitates mechanistic de-risking by correlating temporal stiffness changes with lineage-specific differentiation, reducing ambiguity in target validation.
- Screening: Delivers standardized, quantitative outputs (shear stiffness, storage/loss modulus) enabling comparison across construct formulations and culture conditions.
- Analytics: Supports statistical analysis of mechanical property trajectories, facilitating data-driven go/no-go decisions in construct optimization.
- Translational Research: Aligns mechanical readouts with tissue functionality, providing a translational biomarker proxy for construct maturity and host integration potential.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable, non-destructive platform applicable across multiple tissue types (bone, cartilage, adipose) and disease models.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence by linking mechanical phenotypes to functional tissue outcomes, reducing mechanistic ambiguity in preclinical models.
- Operational Value: Ensures reproducibility and scalability through standardized actuator calibration, MRI synchronization, and automated stiffness mapping workflows.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by preserving samples for multimodal analysis (e.g., histology, biochemical assays) and reducing replicate construct needs.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of construct candidates based on quantitative, longitudinal mechanical maturation profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in MRI physics, mechanical actuation, and inverse algorithm analysis for accurate stiffness quantification.
- Dependent on specialized instrumentation including piezoelectric actuators, laser Doppler vibrometers, and MRI-compatible delivery systems.
- Necessitates cross-team standardization of elastography parameters (frequency, gradient amplitude, bipolar pairs) across sites for reproducible results.
- Involves adaptation considerations for varying construct sizes, gel compositions, and maturation timelines to optimize wave propagation and signal-to-noise.
- Practical limitations include longer acquisition times versus endpoint assays and potential signal attenuation in highly dense or calcified constructs.
