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使用压力肌动描记仪对小鼠生殖系统进行双轴向基础张力与被动测试

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DOI：

10.3791/60125

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2019年8月13日

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1Department of Biomedical Engineering, Tulane University

本文内容

摘要

本方案采用市售的压力肌动图系统，对小鼠阴道和宫颈进行压力肌动图检测。通过使用含钙和不含钙的培养基，在模拟生理条件下分别分离出平滑肌细胞（SMC）的基础张力和被动细胞外基质（ECM）对器官的贡献。

摘要

女性生殖器官，特别是阴道和宫颈，由多种细胞成分和独特的细胞外基质（ECM）构成。平滑肌细胞在阴道和宫颈壁内发挥收缩功能。根据生化环境以及器官壁的机械性扩张程度，平滑肌细胞会改变其收缩状态。在基础生理条件下，平滑肌细胞的贡献被归类为基础张力。更具体地说，基础张力是指在无激素和神经刺激的情况下，平滑肌细胞所维持的基础性部分收缩状态。此外，细胞外基质为器官壁提供结构支持，并作为生化信号分子的储存库。这些生化信号对多种器官功能至关重要，例如促进组织生长和维持稳态。每个器官的细胞外基质主要由胶原纤维（主要是I型、III型和V型胶原）、弹性纤维以及糖胺聚糖/蛋白聚糖组成。细胞外基质的组成和结构决定了各器官的力学特性。细胞外基质组成的改变可能导致生殖系统病理状态的发生，例如盆腔器官脱垂或宫颈过早重塑。此外，细胞外基质微观结构和刚度的变化可能改变平滑肌细胞的活性和表型，从而导致收缩力的丧失。

本研究中，所报道的实验方案用于评估4至6月龄非妊娠小鼠在动情期时阴道和宫颈的基底张力及被动力学特性。将器官组织安装于商用压力肌动描记仪中，进行压力-直径和力-长度测试。文中包含了生殖器官力学表征的示例数据及数据分析方法。这些信息可能有助于构建数学模型，并为女性健康相关疾病的治疗干预提供理性设计依据。

引言

阴道壁由四层组成，分别为上皮层、固有层、肌层和外膜。上皮层主要由上皮细胞构成。固有层含有大量弹力纤维和纤维状胶原纤维。肌层也包含弹力蛋白和胶原纤维，但平滑肌细胞的数量有所增加。外膜由弹力蛋白、胶原蛋白和成纤维细胞组成，但其浓度较前几层有所降低。由于平滑肌细胞在器官收缩功能中发挥重要作用，因此它们成为生物力学相关研究团队关注的重点。因此，量化平滑肌细胞的面积分数及其排列方式对于理解其力学功能至关重要。先前的研究表明，阴道壁内的平滑肌成分主要沿环向和纵向轴向排列。组织学分析显示，阴道壁近端和远端区域的平滑肌面积分数均约为35%1。

宫颈是一种富含胶原的结构，直到最近，人们一直认为其平滑肌细胞含量极少2,3。然而，近期研究表明，平滑肌细胞在宫颈中可能具有更高的丰度并发挥更重要的作用4,5。宫颈表现出平滑肌细胞的梯度分布：内口处平滑肌细胞占50–60%，而外口处仅占10%。然而，小鼠研究报道，宫颈由10–15%的平滑肌细胞和85–90%的纤维结缔组织构成，且未提及区域差异6,7,8。鉴于小鼠模型与常报道的人体模型存在差异，有必要进一步研究小鼠宫颈的结构特征。

本实验方案旨在阐明小鼠阴道和宫颈的力学特性。通过使用一种压力肌动图装置，可在维持细胞-基质相互作用和器官几何结构的前提下，同时评估器官周向和轴向的力学性能。将器官固定在两个定制的套管上，并用6-0丝线缝合固定。围绕估计的生理轴向伸长率进行压力-直径测试，以测定顺应性和切线模量9。通过力-长度测试验证估计的轴向伸长率，并确保在生理范围内量化力学特性。本实验方案应用于4至6月龄、处于动情期的非妊娠小鼠阴道和宫颈。

该方案分为两个主要的力学测试部分：基础张力和被动测试。基础张力是指平滑肌细胞在缺乏局部、激素和神经等外部刺激的情况下仍存在的基础性部分收缩状态10。阴道和宫颈的这种基础性收缩特性会产生特有的力学行为，这些行为由压力肌动图系统进行测量。被动特性则通过去除维持基础收缩状态的细胞内钙离子，使平滑肌细胞松弛后进行评估。在被动状态下，胶原纤维和弹性纤维对器官的力学特性起主导作用。

小鼠模型被广泛用于研究女性生殖健康中的病理过程。小鼠在量化生殖系统内细胞外基质（ECM）与力学特性之间动态关系方面具有多项优势11,12,13,14。这些优势包括周期短且特征明确的动情周期、相对低廉的成本、易于操作以及较短的妊娠时间15。此外，实验小鼠的基因组已被充分绘制，基因修饰小鼠是验证机制性假设的有力工具16,17,18。

市售的压力肌动描记系统被广泛用于量化各种组织和器官的力学响应。利用压力肌动描记系统分析的一些重要结构包括弹性动脉19,20,21,22、静脉和组织工程血管移植物23,24、食管25以及大肠26。压力肌动描记技术能够在维持细胞-细胞外基质相互作用和体内几何结构的前提下，同时评估轴向和环向方向上的力学特性。尽管肌动描记系统在软组织和器官力学研究中已被广泛应用，但此前尚未建立针对阴道和宫颈的压力肌动描记技术操作方案。以往对阴道和宫颈力学特性的研究均采用单轴拉伸方法进行评估27,28。然而，这些器官在体内承受的是多轴载荷29,30，因此量化其双轴力学响应具有重要意义。

此外，近期研究表明，平滑肌细胞可能在软组织病理过程中发挥潜在作用5,28,31,32。这进一步凸显了采用压力肌动描记技术的优势，因其可保留细胞与基质间的天然相互作用，从而有助于明确平滑肌细胞在生理及病理生理条件下所起的作用。本文中，我们提出了一种用于量化阴道和宫颈在基础张力状态及被动状态下多轴力学特性的实验方案。

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方案

选用处于动情期的初产雌性C57BL6J小鼠（4-6个月龄，体重29.4 ± 6.8克）进行本研究。所有实验程序均经杜兰大学机构动物护理和使用委员会批准。小鼠在分娩后适应环境一周，随后实施安乐死，饲养条件为标准环境（12小时光照/12小时黑暗循环）。

1. 在动情期处死小鼠

  1. 确定动情周期：根据以往研究，通过肉眼观察来监测动情周期15,33,34。动情周期包括四个阶段：动情前期、动情期、动情后期和动情间期。在动情前期，外生殖器肿胀、呈粉红色、湿润且有皱褶。动情期时，外生殖器仍有皱褶，但肿胀程度减轻，颜色较粉且湿润度降低。动情后期和动情间期均表现为无肿胀和皱褶，缺乏粉红色调，且干燥34,35。
  2. 在动情期进行实验：所有机械测试均在小鼠处于动情期时进行，因为此阶段最容易识别，并能提供一致且可重复的实验时间点。
  3. 对于接受基础张力测试的小鼠，采用断头法处死；对于仅在被动条件下测试的小鼠，采用二氧化碳（CO2）吸入法处死。使用断头法有助于保持生殖道平滑肌细胞的功能，因为CO2气体会影响平滑肌细胞的收缩特性36,37,38,39,40,41,42。必须在处死后30分钟内完成解剖，以最大限度减少细胞凋亡的发生。

2. 生殖系统解剖

  1. 准备工作：在实验台上放置吸水垫，并用4 °C的Hank’s平衡盐溶液（HBSS）填充培养皿和注射器。准备擦拭纸用于脂肪组织的丢弃。将小鼠仰卧放置，四肢和尾巴用胶带固定。打开显微镜光源，准备好显微剪刀、普通剪刀、两对直头镊子和两对弯头镊子。
  2. 使用斜头镊子和剪刀提起腹部周围的皮肤，在耻骨上方的腹部基部做一浅切口，切口深度应避免刺穿腹肌壁。继续用剪刀向上剪至肋骨区域，并深入切开腹肌。
  3. 用弯头镊子和显微剪刀轻轻牵拉脂肪组织以去除浅层脂肪。脂肪组织会不均匀地反射光线，呈现类似闪光的外观。将所有去除的脂肪和组织放置在擦拭纸上。辨认两侧子宫角和耻骨。
  4. 将闭合的剪刀置于阴道壁与耻骨之间，小心地剪开耻骨中段（耻骨联合）。用弯头镊子夹住切开的耻骨两端，向两侧拉开以更好地暴露生殖器官。
  5. 用直头镊子和显微剪刀将膀胱和尿道从阴道壁上分离。用直头镊子夹住膀胱以产生张力，采用钝性分离技术将周围组织与阴道分开。待膀胱和尿道完全游离后，剪断其基部并从体腔中移除。
  6. 辨认生殖系统：子宫角从宫颈处分出。宫颈可通过其几何形状和硬度与阴道区分。宫颈外径小于阴道，且质地较硬，触感类似小珠（图1）。
  7. 使用墨水和游标卡尺在器官上标记间距为3 mm的点。从卵巢下方的输卵管开始，沿器官向下标记至宫颈。以宫颈中心点为起点，继续沿路径标记至阴道外口。
  8. 待墨水干燥后，将生殖器官从周围的脂肪组织、结缔组织和结肠中分离。尽可能靠近阴道外口处清理阴道。使用剪刀围绕阴道外口进行环形剪切。
    注意：在操作过程中器官可能变干。如有此风险，可使用装有4 °C HBSS的注射器向器官滴加溶液以保持湿润。
  9. 在卵巢正下方剪断子宫角。注意：随着结缔组织的去除和器官回缩，器官长度会短于离体时的初始长度。将解剖得到的生殖器官放入盛有4 °C HBSS的培养皿中。此长度变化可用于计算体内估计长度（见第5节）。
    注意：我们已确认，在解剖和插管过程中使用该温度的HBSS不会影响平滑肌细胞的活性。然而，维持pH值为7.4对于保持平滑肌细胞活性至关重要。在此温度下，HBSS的pH值为7.4。
  10. 在4 °C HBSS中平衡15分钟后，使用游标卡尺测量各标记点之间的距离。将每段距离的测量值记录到电子表格中。这些数值将用于计算体内拉伸比（原始长度/离体长度）。
  11. 将含有废弃组织的擦拭纸放回小鼠腹部区域，使多余组织朝向小鼠体内，并用4 °C HBSS浸湿。用铝箔包裹小鼠及多余组织，放入耐冷冻袋中，于-20 °C保存。研究表明，阴道的被动力学行为在经历一次冻融循环后无显著差异43。所有测试器官均在安乐死后立即使用，或在经历一次冻融循环后使用。

3. 插管

  1. 确定适合器官类型的正确导管尺寸。在典型的 C57BL6J 小鼠中，阴道使用直径均为 3.75 mm 且带铆接结构的导管。宫颈则使用一端为阴道端、直径 3.75 mm 的导管，以及另一端为子宫端、直径 0.75 mm 的导管（图20.75 mm 的套管表面光滑。
    注意：上述标注的直径尺寸适用于典型的未产4-6个月龄C57BL6小鼠、C57BL6 × 129SvEv小鼠以及未产7-9个月龄小鼠。然而，在某些情况下（如脱垂或妊娠），可能需要使用更大尺寸的套管。
  2. 将每个器官的宫颈端固定在套管装置的力传感器部分，将器官的另一端（阴道端或子宫端）固定在装置的千分尺部分，两端均用缝线扎紧。
  3. 由于阴道与宫颈在厚度和收缩性方面存在差异，可能需要采用不同的技术以实现最有效的插管。对于阴道，于两条nd 和 3rd 以“X”形方式固定套管上的铆钉。在进行宫颈插管时，套管无需铆接，因此最好将器官置于套管后方，在子宫端使用3条水平缝线，外部开口处使用4条缝线. 对于两个器官，缝线之间的最大长度不应超过7 mm（图3).

4. 压力血管造影仪的设置

  1. 为了建立压力肌动图系统，启动测试系统，并向储液瓶中加入 200 mL 的 HBSS（图 4）。将加热功能打开，使储液瓶中的 HBSS 加热。接着，打开显微镜并启动计算机程序。确保灌注器官的图像、压力接口、流量计读数以及序列功能工具均可见（图 5）。

5. 基础张力机械测试

注意：在测试初期，宫颈表现出周期性收缩的特性，但经过预处理后该特性减弱。基础张力测试使用DMT装置浴槽中的Krebs Ringer缓冲液（KRB）进行。缓冲液以95% O2 和5% CO2 混合气体持续通气。基础张力测试完成后，更换为无钙KRB缓冲液继续实验。

  1. 确定无负载几何形态：拉伸器官，使管壁无张力。对于阴道，观察阴道壁上的沟槽。对于宫颈，在位于宫颈中心标记上下方的墨点正下方进行切割。该方法可重复地确定宫颈原位长度为6 mm44。使用卡尺测量缝线之间的长度。
  2. 确定无负载压力（UP）：将压力从0 mmHg以1 mmHg为增量逐步升至10 mmHg，确定器官不再塌陷时的压力值。该压力可通过程序显示器上外径在某一压力下出现的最大跳跃来判断。记录该压力及对应的外径后，将此点记为器官首次不塌陷的点，并将力归零。
  3. 体内拉伸程度估算：通过将体内测量长度除以离体后测量长度，计算估算的体内拉伸比：
    体内与离体弹性比公式，λ_iv 方程，科学分析。
  4. 压力-直径预处理：将压力设为0 mmHg，长度设为估算的体内长度静态平衡显微图像；ΣFx=0，ΣFy=0；物理学中使用的矢量分解图。，压力变化速率为1.5 mmHg/s。运行一个压力从0 mmHg升至体内压力+无负载压力（表1），保持30秒，再降至0 mmHg并保持30秒的循环序列。重复该序列共5次后，在计算机程序中点击停止并保存文件。
  5. 确定实验性体内拉伸程度：在无负载压力下，将器官调整至估算的体内长度，然后点击开始。评估从无负载压力到最大压力范围内的压力-力值关系（表1）。在计算机程序中点击停止按钮并保存文件。
    注意：测得的拉伸值为原位测量结果。其局限性在于仅能在耻骨联合分离后进行测量，导致自然牵连结构丧失，可能影响长度。而理论拉伸值基于先前提出的理论，即器官在生理压力范围内受力变化极小，以实现能量守恒45。在本方案中，测得的体内拉伸值是指在生理压力范围内力变化最小时，通过实验确定的长度所计算出的拉伸值。
  6. 压力-直径预处理：将压力设为0 mmHg，长度设为实验性体内长度，压力变化速率为1.5 mmHg/s。运行一个压力从0 mmHg升至最大压力+UP，保持30秒，再降至0 mmHg并保持30秒的循环序列。重复该序列共5次后，在程序界面中点击停止按钮并保存文件。
    注意：步骤5.4对于在压力升高时获得更稳定的轴向力读数至关重要。此步骤有助于确定正确的体内拉伸程度，而仅凭视觉判断常会低估该值。步骤5.6作为预防性措施，旨在减少滞后效应，使器官响应具有一致性、可重复性，并便于数学分析。
  7. 力-长度预处理：将入口和出口压力均设为1/3最大压力+UP。将器官调整至体内长度的-2%，点击开始。以10 µm/s的速度将长度从-2%体内长度拉伸至+2%体内长度，再返回-2%。重复轴向拉伸共5次。在计算机程序中点击停止并保存文件。
  8. 平衡：将器官保持在确定的体内长度，入口和出口压力均设为最大压力的1/3+UP。使器官平衡10分钟。以1.5 mmHg/s的速率缓慢将压力降至0 mmHg。
  9. 重新评估无负载几何形态：将器官设为体内长度，压力设为无负载压力。以10 µm/s的速度逐渐减小轴向长度，趋近于估算的无负载长度，直至力变化极小。该对应长度即为无负载长度，即器官既无张力也无压缩的状态。在将力归零前，记录无负载长度、外径及力值。
    注意：先前的无负载几何形态由视觉判断确定，仅为定性方法。为实现定量分析并考虑预处理过程中可能发生的长度变化，需重新评估。该几何参数将在第8节中使用。
  10. 超声设置：使用通用腹部成像程序包在测试装置中可视化器官（图6）。测试前，尽量减少压力肌动图金属盆底部产生的伪影。调整套管高度，使其距离底部最远，同时确保组织完全浸没在测试溶液中。使用3D打印的定制支架，在成像过程中保持换能器垂直稳定。
  11. 超声成像：识别靠近力传感器的套管，调整显微镜载物台，沿组织长度方向进行成像。在整个测试过程中，持续追踪长度方向的中段区域（图6A,C）。成像完成后，回放由一系列B模式帧组成的“动态存储”循环，识别外径最大的帧。所得厚度计算值将在第8节中使用。
  12. 压力-直径测试（体内长度的-2%）：点击开始，调整器官至体内长度的-2%，将压力设为0 mmHg，变化速率为1.5 mmHg/s。将压力从0 mmHg升至最大压力，再以20秒保持期降至0 mmHg。重复该过程共5次。
  13. 压力-直径测试（体内长度）：点击开始，调整器官至体内长度，将压力设为0 mmHg，变化速率为1.5 mmHg/s。将压力从0 mmHg升至最大压力，再以20秒保持期降至0 mmHg。重复该过程共5次。
  14. 压力-直径测试（体内长度的+2%）：调整器官至体内长度的+2%，将压力设为0 mmHg，变化速率为1.5 mmHg/s。将压力从0 mmHg升至最大压力，再以20秒保持期降至0 mmHg。重复该过程共5次。三个长度下的压力数据将在第8节中使用。
  15. 力-长度测试（标称压力）：将压力设为无负载压力，器官调整至体内长度的-2%。以10 µm/s的速度将器官拉伸至体内长度的+2%，再返回-2%。共重复3次。
  16. 力-长度测试（1/3最大压力+UP）：将压力设为最大压力的1/3+UP，器官调整至体内长度的-2%。点击开始后，以10 µm/s的速度将器官拉伸至体内长度的+2%，再返回-2%。共重复3次后，点击停止并保存数据。
  17. 力-长度测试（2/3最大压力+UP）：将压力设为最大压力的2/3+UP，器官调整至体内长度的-2%。点击开始，以10 µm/s的速度将器官拉伸至体内长度的+2%，再返回-2%。共重复3次后，点击停止并保存数据。
  18. 力-长度测试（最大压力+UP）：将压力设为最大压力+UP，器官调整至体内长度的-2%。以10 µm/s的速度将器官拉伸至体内长度的+2%，再返回-2%。共重复3次后，保存数据。所有力数据将在第8节中使用。
  19. 移除KRB测试培养基，并用无钙KRB冲洗。更换为添加2 mM EGTA的无钙KRB溶液。将组织孵育30分钟。移除溶液，更换为新鲜的无钙KRB培养基。

6. 被动机械测试

注意：如果从被动测试开始，请从第1步开始操作。如果在被动测试之前已进行过基础张力测试，则从第6步开始。如果使用冷冻组织，应在室温下平衡30分钟，然后再进行器官插管。

  1. 确定无负载几何形态：拉伸器官，使其管壁无张力。测量从缝合线到缝合线的灌注器官长度，并记录为无负载长度。
  2. 确定无负载压力：按下 开始 后，将压力从 0 以 1 mmHg 为增量逐步增加至 10 mmHg。在此过程中，确定器官处于无张力状态时的压力。通过计算机程序监测，可根据外径的最大突变来判断该压力值。将力归零后，记录此压力以及外径，并将其标记为器官未塌陷状态的第一个数据点。
  3. 估算体内拉伸程度：将体内测量的长度除以离体后测量的长度，计算出估算的体内拉伸比。
  4. 压力-直径预处理：按下 开始 后，将压力设定为 0 mmHg，长度设定为估算的体内长度，压力梯度设为 1.5 mmHg/s。开始运行一个将压力从 0 mmHg 升至最大压力再回到 0 mmHg 的序列。重复此过程共 5 个循环，每个循环保持 30 秒。
  5. 力-长度预处理：将器官调整至体内长度，并在计算机程序中手动输入两侧压力的无负载压力值。按下 开始 后，设置压力梯度为 2 mmHg，压力为最大压力的 1/3。以 10 µm/s 的速度将器官拉伸至 +2% 拉伸，再回缩至 -2% 拉伸。重复该循环共 5 次，然后按下 停止。
  6. 确定实验性体内长度：在 -2% 体内长度、体内长度和 +2% 体内长度处测量并绘制力值。在从 0 mmHg 到最大压力范围内均匀分布的压力点下采集力值。实验性体内拉伸比即为在一系列压力下表现出相对平坦力-长度曲线的拉伸值。
  7. 在新的体内长度下重复压力-直径和轴向预处理步骤。
  8. 平衡：将器官保持在确定的体内长度，将入口和出口压力设为无负载压力。让器官重新平衡 15 分钟。15 分钟后，缓慢将入口和出口压力降至 0 mmHg。
  9. 重新评估无负载构型：将器官调整至无负载长度，并重新估算无负载长度。在压力为 0 mmHg、无负载压力以及最大压力的 1/3 时，记录无负载长度和外径。在无负载压力下将力归零。无负载压力下的直径即为体内直径。
    注：重新估算无负载长度是必要的，因为在预处理后的软生物组织中曾观察到微小的塑性变形。本实验中使用的无负载构型将以此次测量为准，用于第 8 节分析。
  10. 超声成像：在无负载长度和压力下进行超声 B 模式成像。
  11. 压力-直径测试：将器官置于实验确定的体内长度的 -2% 处，压力设为 0 mmHg，按下 开始。将压力从 0 mmHg 升至最大压力，再降回 0 mmHg。在 2–0 mmHg 步骤保持 20 秒。总共重复 5 次后，点击界面中的 停止 按钮并保存文件。
    注：在实验性体内长度、以及实验性体内长度的 +2% 处重复该测试。
  12. 力-长度测试：将压力设为额定压力，并将器官调整至体内长度的 -2%。以 10 µm/s 的速度将器官拉伸至体内长度的 +2%，再回缩至 -2%。总共重复 3 次后保存数据。分别在最大压力的 1/3、2/3 和最大压力下重复该测试。
  13. 根据超声 B 模式图像计算无负载壁厚。使用成像软件绘制一条线表示穿透深度。将比例尺设为该线的长度（例如，如 图 6B 和 6D 所示为 2000 µm）。
  14. 管壁厚度计算：使用计算机软件追踪并测量器官的内径和外径。然后在内外径之间绘制并测量一条线。共绘制 25 条跨壁线。对所有数据点取平均值，并重复该过程共 3 次。

7. 清理

  1. 确保压力为 0 mmHg 且已关闭。关闭两个三通阀的主进液口和出液口。用吸管吸除灌注装置基座中残留的液体。
  2. 将器官从支架上取下，向储液瓶中加入去离子水。使用注射器用水冲洗灌注管。连接管路以绕过灌注管。
  3. 打开压力和流体系统，将入口压力设为 200 mmHg，出口压力设为 0 mmHg，压力梯度设为 10 mmHg/s，让液体流动运行 5 分钟。在储液瓶为空的情况下让系统继续运行，使空气流通 5 分钟或直至管路完全干燥。

8. 数据分析

  1. 进行压力-直径测试时，采集压力从最小值开始上升直至最大值时的数据；进行力-长度测试时，采集力从略低于最大峰值开始直至力不再下降时的数据。
  2. 打开每个压力-直径测试的数据文件，选择平均压力标签页。导航到最后一条曲线的加载区域（0 mmHg 至最大压力），并将数据导入电子表格。对外径、入口压力、出口压力、力、温度、pH 和流量标签页中的相同区域进行选择，并将每项数据放入同一文档中。
  3. 打开每个力-长度测试的数据。导航至曲线的加载区域（-2% 至 +2%），并将数据拖放至电子表格中。对其他测量变量的相同区域进行选择，并将每项数据放入同一电子表格中。
  4. 对压力-直径测试和力-长度测试，从所有压力值中减去 UP（未加载压力）。
  5. 每 1 mmHg 对压力-直径数据进行平均处理（即 0±0.5、1±0.5、2±0.5）。
  6. 计算器官的未加载体积（V）。可使用公式 1 计算 V，其中 R02 为显微镜测得的未加载外半径，L 为未加载长度，H 为超声检测到的未加载厚度。该计算基于不可压缩性假设，即器官在变形过程中体积保持不变。
    注：未加载长度使用游标卡尺从缝线至缝线测量；未加载直径通过显微镜、相机和软件测量后计算半径（图 5）；未加载厚度由超声图像计算得出（图 6）。
    体积计算公式；显示 \(V = π(R_0^2 - (R_0 - H)^2)L\)；数学概念。 公式 1
  7. 基于不可压缩性假设，利用未加载体积、变形后的外半径（静态平衡，ΣFx=0 示意图，显示力平衡分析与矢量分解。）和长度（静态平衡；ΣFx=0，MA=0；示意图；梁的受力分析；教育用物理概念。），计算变形后的内半径 静态平衡示意图；符号约定，ΣFx=0，ΣFy=0，力矢量，教学用途。
    半径计算公式；数学公式；科研与教学用途 公式 2
  8. 使用公式 3、4 和 5 分别计算各向应力。在公式 3–5 中，P 定义为管腔内压力，Ft 为传感器测得的力。
    周向应力公式，σθ=pri/(ro-ri)，用于压力容器分析。 公式 3
    应力分析公式 σz=Ft+πPri²/π(ro²-ri²)；力学中施加应力的计算公式。 公式 4
    径向应力公式，σr=pr_i/(r_0+r_i)，用于力学应力分析。 公式 5
  9. 绘制压力-直径关系、力-压力关系、周向应力-周向拉伸关系，以及轴向应力与周向拉伸值的关系图（图 7，图 8）。拉伸值可使用中壁半径计算。周向应力和轴向应力的计算分别见公式 6 和公式 7。
    静态平衡公式，λθ=(ri+ro/2)/(Ri+Ro/2)，用于旋转分析。 公式 6
    静态平衡，λz=l/L 公式，物理公式，教学概念。 公式 7
  10. 在生理压力范围内及体内拉伸状态下计算顺应性。下压力边界（LPB）为平均测量压力减去 1 个标准差，上压力边界（UPB）为平均测量压力加上 1 个标准差9。
    静态平衡公式，用于表示物理公式中的比值。
  11. 计算切线模量以量化材料刚度。确定与下压力边界和上压力边界相对应的周向应力值。在体内长度下，对所确定应力范围内的周向应力-周向拉伸曲线拟合一条直线，并计算该直线的斜率9。

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结果

成功分析女性生殖器官的力学特性取决于适当的器官解剖、插管和测试。必须将子宫角完整地剥离至阴道，且不能有任何缺损图1）。根据器官类型的不同，导管的尺寸也会有所变化（图2). 插管操作必须确保器官在实验过程中不会移动，同时在操作过程中不能损伤器官壁（图3）。任一步骤失败都将导致血管无法承受压力。为了获得一致且可重复的结果，测试流程的标准化对本方案的成功至关重要。

器官正确解剖并插管后，启动压力肌动图系统。压力肌动图系统的装置包括控制器单元、流量计和载物台（图4）。该系统用于在器官进行力学测试时监测其多个方面（图5）。使用超声系统或等效设备测量器官在无载荷状态下有无基础张力时的厚度（图6）。力学测试完成后，可计算周向和轴向的切线模量（表2）。

基础张力测试和平行被动...

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讨论

本文提供的实验方案介绍了一种测定小鼠阴道和宫颈机械性能的方法。本方案所分析的机械性能包括器官在被动状态和基础张力状态下的表现。通过改变器官所处的生化环境，可诱导出被动状态与基础张力状态。在本方案中，用于基础张力测试的培养液含有钙离子。对基础张力状态进行测试，可分离出女性生殖器官中平滑肌细胞对机械性能的贡献54,55。在进行被动机械测试时，培养液中不含钙离子。缺乏钙离子会抑制平滑肌细胞的收缩，从而有助于揭示其他细胞外基质（ECM）成分（如胶原纤维和弹性纤维）的作用，这些成分主要决定了组织的被动机械性能。结合生化分析与组织学分析，这些结果有助于阐明细胞外基质微观结构组成与机械功能之间的关系，进而揭示与女性生殖健康相关疾病的结构与机械机制。

此前，阴道和宫颈的测试主要采用单轴拉伸方法27,28。然而，阴道和宫颈具有各向异性的特性，并在体内承受多轴方向的力学...

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本工作由美国国家科学基金会职业奖资助，项目编号 #1751050。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2F 导管MillarSPR-320用于测量宫颈压力的导管
6-0 缝合线精细科学工具18020-60较大的缝合线结
CaCl2（无水）VWR97062-590HBSS 浓度：140 mg/mL
CaCl₂·2H₂OFischer ChemicalBDH9224-1KG
KRB 浓度：3.68 g/L
葡萄糖（D-葡萄糖）VWR101172-434HBSS 浓度：1000 毫克/毫升
KRB 浓度：19.8 g/L
Dumont #5/45 镊子Fine Science Tools11251-35弯头镊
杜蒙特 SS 镊子精细科学工具11203-25直头镊子
Eclipse尼康E200用于成像的显微镜
流量计Danish MyoTechnologies161FM测试装置内的流量计
力传感器 - 110PDanish MyoTechnologies100079力传感器
ImageJSciJavaImageJ1用于测量体积
仪器箱Fine Science Tools20830-00用于存放解剖工具的外壳
KClFisher Chemical97061-566HBSS 浓度：400 mg/mL
KRB 浓度：3.5 g/L
KH2PO4G-Biosciences71003-454HBSS 浓度：60 mg/mL
MgCl2VWR97064-150
KRB 浓度：1.14 g/L
MgCl2-6H2OVWRBDH9244-500GHBSS 浓度：100 mg/mL
MgSO₄·7H₂OVWR97062-134HBSS 浓度：48 mg/mL
Microsoft Excel微软6278402用于电子表格的程序
Na2HPO4（无水二碱）VWR97061-588HBSS 浓度：48 mg/mL
KRB 浓度：1.44 g/L
NaClVWR97061-274HBSS 浓度：8000 毫克/毫升
KRB 浓度：70.1 g/L
NaHCO₃VWR97062-460HBSS 浓度：350 mg/mL
KRB 浓度：21.0 g/L
压力肌动图系统Danish MyoTechnologies110P 和 120CP压力肌动图系统：
程序，套管装置
和控制器单元
压力传感器Danish MyoTechnologies100106压力传感器
学生杜蒙特#5镊子Fine Science Tools91150-20直头镊子
学生用瓦纳斯弹簧剪Fine Science Tools91500-09显微剪刀
组织染料Bradley Products1101-3测量体内拉伸的链接
超声换能器FujiFilm Visual SonicsLZ-550使用的超声换能器：256 个阵元，中心频率 40 MHz
VEVO2100FujiFilm Visual SonicsVS-20035用于成像的超声
瓦格纳剪刀精细科学工具14069-12较大的剪刀

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