المغناطيسي منهجية Elastography الرنين لتقييم الأنسجة المهندسة النمو كونستركت

لفحص بنيات الأنسجة المهندسة، لا يُعد الاختبار الميكانيكي التقليدي مقبولاً لأنه غالباً ما يؤدي إلى تدمير العينة. تستخدم هذه الطريقة تصوير المرونة بالرنين المغناطيسي المجهري أو micro MRE كتقنية غير بضعية لقياس الخصائص الميكانيكية للأنسجة الرخوة الصغيرة. أولاً، يتم وضع الخلايا على سِقالة من مادة حيوية لتوليد النسيج.

يتم تعليق النسيج في هلام aros، ويوضع طرف المشغل الميكانيكي داخل الهلام. بعد ذلك، ولتوصيف الحركة، يتم نقل حركة المشغل إلى العينة والكشف عنها باستخدام مقياس سرعة دوپلر الليزري.

يُنقلت العينة والمشغل إلى مغناطيس ورنين مغناطيسي. يتم الحصول على صور مطاطية. ويظهر تحليل الصور الناتجة التغير في صلابة القص لكل من البنى المكونة للعظم والبنى المكونة للدهون.

لقد خطرت لنا فكرة هذه التقنية في البداية عندما لاحظنا استخدام التصوير بالرنين المغناطيسي في تشخيص الأمراض، وأدركنا إمكانية توسيع نطاق استخدامها في هندسة الأنسجة. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنةً بالتقنيات الحالية الأخرى، مثل الاختبار الميكانيكي، في تطبيقها لتقنية التصوير بالرنين المغناطيسي غير الجراحية لدراسة الخصائص الميكانيكية الرئيسية للأنسجة. وتمتد تطبيقات هذه التقنية إلى هندسة الأنسجة لأن معرفة الخصائص الميكانيكية ستضمن ملاءمتها للاستخدامات المقصودة في هندسة العظام والغضاريف.

على الرغم من أن هذه الطرق توفر رؤى قيمة حول هندسة الأنسجة، إلا أنه يمكن استخدامها أيضاً لتشخيص الأمراض في أعضاء مختلفة، مثل تليف الكبد، أو إصابات الدماغ الرضحيّة، أو سرطان الدماغ، على سبيل المثال. ويعد العرض المرئي لهذه الطريقة أمراً بالغ الأهمية لأنها تتضمن خطوات يصعب تعلمها، وتتطلب وعياً مسبقاً بهندسة الأنسجة وتصوير الإيقاع الكمي. وتتكون عملية تحضير البنية النسيجية من ثلاث مراحل رئيسية: توسيع التعداد الخلوي، وزراعة الخلايا على سِقالة من مادة حيوية، والتمايز من خلال استخدام جزيئات الإشارة الكيميائية.

بعد استزراع وتوسيع الخط الخلوي، قم ببذر الخلايا الجذعية الميزنكيمية البشرية أو HMCs على إسفنجة جيلاتينية بكثافة 1×10⁶ خلية/مل لتكوين العظام. وبعد حوالي ثلاثة أيام، يجب أن تظهر الخلايا متلاحمة على السقالة لتحفيز التمايز. قم بإزالة الوسط واستبداله بوسط تحفيز الأنسجة الدهنية.

بعد ذلك، يتم تحضين الخلايا عند 37 °C مع 5% carbon dioxide لمدة ثلاثة أيام. يُستبدل الوسط بوسط صيانة، والذي يتكون من وسط توسيع يحتوي على 10 µg/mL من human recombinant insulin. وبعد التحضين لمدة 24 ساعة، يُستبدل وسط الصيانة بوسط تحريض.

كرر هذه الدورة ثلاث مرات. استبدل وسط الصيانة كل يومين بعد ذلك لمدة أربعة أسابيع لتحفيز تكوين العظم. استبدل الوسط بوسط تحفيز تكوين عظم طازج كل يومين طوال مدة الدراسة.

تستمر الدراسة هنا لمدة أربعة أسابيع، ويتم إجراء تصوير المرونة بالرنين المغناطيسي (MRE) كل أسبوع. يعتمد تصوير المرونة بالرنين المغناطيسي على انتشار موجات القص الميكانيكية لتقييم القيم المحلية للخصائص الميكانيكية. لذلك، يجب توليد هذه الاهتزازات الميكانيكية وتوصيفها داخل النسيج المستهدف باستخدام مشغل كهرضغطية (piezoelectric actuator). ولتحضير العينة، يتم نقل المزرعة النسيجية إلى أنبوب اختبار بقطر 10 millimeter يحتوي على قاعدة صلبة وطبقة من هلام AGROS بتركيز 0.5%.

ثم أضف 0.5 acro gel دافئاً لتغليفه. اترك الـ agros gel ليتماسك لمدة خمس دقائق.

في درجة حرارة الغرفة، أدخل طرف محرك الثني الكهروضغطي (piezo electric bending motor) في سطح الهلام. بعد ذلك، قم بتثبيت الأنبوب الذي يحتوي على العينة والمشغل الميكانيكي بمسند صلب. وجه شعاع مقياس الضغط الليزري بدوبلر (laser doppler barometer) نحو طرف المشغل الميكانيكي.

قم بضبط موضع النظام لتحسين قوة الإشارة المنعكسة، والتي تظهر على مقياس الضغط. ولتحقيق أقصى قدر من الانعكاس، استخدم شريطًا عاكسًا إذا لزم الأمر لضبط المشغل بحيث يولد موجات قص غير ضارة بسعات كبيرة تبلغ حوالي 250 microns. اضبط مولد الدوال لمسح نطاق التردد المطلوب باستخدام جهد تشغيل قدره 20 volts peak tope مع إشارة ضوضاء بيضاء.

بالنسبة لهذه التجربة، يتراوح نطاق التردد المطلوب من 20 إلى 2000 hertz. لعرض الطيف الموصّف على برنامج Polytech Rsof، اختر عرض السرعة و FFT. ابدأ في التقاط الإشارة وحدد تردد الرنين للنظام بناءً على قمم الطيف.

بعد ذلك، لقياس انحراف المشغل الميكانيكي، اضبط المشغل لتقديم موجة جيبية مستمرة عند تردد الرنين المحدد. باستخدام جهد تشغيل يبلغ 200 فولت من الذروة إلى الذروة، ولتحديد الإزاحة الناتجة التي ينقلها المشغل إلى سطح ألياف الجل الرخوة، اضبط جهاز FFT ليكون محور Y هو الإزاحة. وبمجرد توصيف المشغل الميكانيكي، ضع أنبوب الاختبار الذي يحتوي على العينة والمشغل في فتحة بملف RF مقاس 10 مليمتر، ثم ضع العينة والمشغل في مركز ماسح MRI.

قم بالحصول على صورة استكشافية لتحديد موقع البنية. وبمجرد تحديد موقع البنية النسيجية، قم بضبط معاملات الاستحواذ. عادةً ما يكون زمن التكرار في المسح السهمي في المختبر 1000 milliseconds.

زمن صدى يتراوح بين 20 إلى 40 مللي ثانية، وسُمك شريحة يتراوح بين 0.5 إلى 1 مللي متر، ومجال رؤية بمساحة 12 × 10 مللي متر مربع، مع حجم مصفوفة يبلغ 128 × 128 بكسل. بالنسبة لمعايير التصوير المروني، يتم ضبط تردد المشغل على القيمة التي تم تحديدها من خلال توصيف ليزر دوپلر. وبالنسبة لهذه العينة، يلزم وجود زوج واحد من الميول (bi pair) مع سعة تدرج تبلغ 50 غاوس لكل سنتيمتر، وضبط تأخير التصوير المروني (MRE delay) على صفر.

قم بتحويل مولد الدوال إلى وضع الدفقات (burst mode) واضبط بارامترات مولد الدوال لتتطابق مع بارامترات الحصول على بيانات التصوير المروني (elastography)، بما في ذلك التردد وعدد الدورات. كما يجب ضبط مولد الدوال ليكون مُحفزاً خارجياً. وللحصول على صورة سهمية، اضبط تحسس الحركة ليكون في اتجاه الشريحة الموجب وابدأ عملية المسح بعد الحصول على البيانات.

افحص الصورة لتقييم جودة الإشارة في البنية النسيجية. إذا بدت الصورة داكنة للغاية، فقم بتعديل معلمات الرنين المغناطيسي (MR) واكتسب مسحاً آخر. بعد ذلك، قم بتغيير التحسيس إلى اتجاه الشريحة السالب.

انقل الملفات من جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) إلى جهاز كمبيوتر آخر مزود ببرنامج MATLAB وقم بتشغيل برنامج MATLAB الذي سيجري عملية قسمة معقدة لتوليد صورة توضح انتشار موجات القص. قم بتقييم الصورة للتأكد من وجود موجات القص والشوائب المحتملة مثل التفاف الطور (phase wrapping)؛ ويمكن رسم مخططات جانبية لخطوط الطور لتقييم جودة وسعة الموجة بشكل أفضل. في حال حدوث التفاف، قم بتقليل سعة التدرج واجرِ مسحاً آخر.

إذا لم تكن هناك حاجة لإجراء تعديلات على الصورة، قم بضبط حجم مصفوفة المعاملات إلى ثماني قيم متباعدة بالتساوي تتراوح من صفر ثانية إلى دورة كاملة لتردد الرنين المحدد. قم بإجراء مسح في كلا اتجاهي الشرائح الموجب والسالب بمجرد الحصول على الصور.

استخدم برنامج MATLAB المصمم لتوليد بيانات موجة القص والفيديو المقابل للموجة وهي تنتشر في العينة. هذا هو الملف الذي سيكون مطلوباً لتقدير الخصائص الميكانيكية. الخطوة النهائية في تقنية MRE هي حساب صلابة القص من صور موجات القص.

ابدأ بإدخال البيانات في برنامج MATLAB الذي سيقوم بتقييم مجموعة البيانات ثلاثية الأبعاد، ثم حدد معاملات التصوير، بما في ذلك مجال الرؤية، والتدرج، والسعة، وعدد الأزواج ثنائية القطب، وقم بتشغيل الكود. تتيح الخوارزمية اختيار المناطق ذات الأهمية التي يتم حساب المتوسط والانحراف المعياري لكل معامل فيها. ارسم حدود البنية النسيجية لتحديد المنطقة ذات الأهمية.

يتم عرض المتوسط والانحراف المعياري لكل من الصلابة، ومعامل التخزين، ومعامل الفقد ضمن منطقة الاهتمام المحددة. كما يوفر البرنامج نتائج وسيطة، بما في ذلك الموجة بعد المرشحات، والموجة بعد الترشيح الاتجاهي، والمخططات الخطية التي تساعد في تقدير مدى دقة الاستعادة. وللحصول على تقدير دقيق، يجب أن تكون الموجة المرشحة سلسة.

يعتبر الانحراف المعياري لمعامل ما في منطقة اهتمام محددة مؤشراً أيضاً على جودة الحساب؛ وإذا لزم الأمر، يتم ضبط المعاملات الأخرى للحصول على قيم دقيقة للخواص الميكانيكية لمراقبة التغيرات في الخواص الميكانيكية للمكونات المهندسة أثناء تطورها. تم تطبيق اختبار التصوير المروني المغناطيسي (MRE) على مدار فترة أربعة أسابيع. توضح خريطة تطوير المكونات هذه المكونات ذات التمايز الدهني المشار إليها بالحرف A والمكونات ذات التمايز العظمي المشار إليها بالحرف O، مع عرض صور المقدار، وصور الموجات القصية، ومقاييس المرونة الطولية (ELAs)، ومتوسط صلابة القص المقابلة لها.

تتوافق خريطة الألوان الخاصة بـ ELAs مع مخطط الألوان الموجود في الشريط. ويمثل المخطط وأشرطة الخطأ الانحراف المعياري ضمن منطقة الاهتمام لكل بنية. وبمرور الوقت، أصبحت البنى المكونة للدهون أقل صلابة، مما يشير إلى خصائص مشابهة للنسيج الدهني.

وبالمثل، أصبحت البنى المكونة للعظم أكثر صلابة على مدار فترة الأسابيع الأربعة، مما يشير إلى تمايز شبيه بالعظم. وبمجرد إتقان هذه التقنية، يمكن تنفيذها في غضون ساعتين تقريبًا إذا تم تطبيقها بشكل صحيح. وأثناء محاولة إجراء هذه العملية، من المهم توصيف المشغل الميكانيكي بشكل كامل بعد انتهاء هذا الإجراء. ويمكن استخدام طرق مثل التحليل الكيميائي الحيوي وعلم الأنسجة للإجابة على تساؤلات مثل التأكد من ترسب المعادن.

لا تنسَ أنه عند العمل مع المواد الخلوية البشرية والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، فقد يكون الأمر خطيراً للغاية، لذا يجب توخي الحذر واتباع الاحتياطات المناسبة للمستوى الثاني من السلامة البيولوجية (BL2) واحتياطات التصوير بالرنين المغناطيسي أثناء تنفيذ هذه الإجراءات.