磁共振弹性成像方法评价组织工程构造增长
2012年2月9日
程序演示磁共振弹性的脂肪和骨组织，通过当地的机械性能，使用显微磁共振弹性（μMRE）的无创性评估的工程结构设计的结果监测方法。
检查工程组织结构的传统机械测试通常是不可接受的，这通常会导致样品的破坏。该方法使用显微磁共振弹性成像或显微 MRE 作为一种非侵入性技术来测量小软组织的机械性能。首先，将细胞放在生物材料支架上以产生组织。
将组织悬浮在 aros 凝胶中，并将致动器的尖端放入凝胶中。然后，为了表征致动器运动，将运动转移到样品上并使用激光进行检测。多普勒 viter.
样品和致动器被转移到磁体和磁共振上。采集弹性成像图像。对结果图像的分析显示了成骨和成脂结构的纯粹刚度的变化。
我们首先有了这项技术的想法，我们观察了磁驻留光图在疾病诊断中的应用，并意识到它可以扩展到组织工程。与其他现有技术（如机械测试）相比，该技术的主要优点是它将 MRI 的非侵入性技术应用于组织的主要机械特性。该技术的应用延伸到组织工程，因为机械性能知识将确保它适合其在骨骼和软骨工程中的预期用途。
尽管这些方法为组织工程提供了有价值的见解，但它也可用于诊断不同器官的疾病，例如肝纤维化、创伤性脑损伤或脑癌。这种方法的视觉演示至关重要，因为它包括难以学习的步骤，以及对组织工程和幅度节律成像的事先了解。加尔斯。组织构建体制备过程包括三个主要阶段，细胞群扩增、将细胞接种到生物材料支架上以及通过使用化学信号分子进行分化。
细胞系培养和扩增后，将人间充质干细胞或 HMC 以 1 倍/毫升 6 个细胞的密度接种到明胶海绵上，密度为 10 倍，用于骨形成。大约三天后，细胞应该在支架上汇合以诱导分化。去除培养基并用脂肪诱导培养基代替。
然后在 37 摄氏度和 5% 二氧化碳下孵育细胞三天后。用维持培养基替换培养基，维持培养基由每毫升含有 10 μg 人重组胰岛素的扩增培养基组成。孵育 24 小时后，用诱导培养基更换维持培养基。
重复此循环 3 次。此后每两天更换一次维持培养基，持续 4 周以诱导成骨。在研究期间每两天更换一次新鲜的成骨培养基。
这里的研究为期 4 周，每周进行 MRE。磁共振弹性成像依靠机械剪切波的传播来评估机械性能的局部值。因此，需要使用 piso 电动执行器在感兴趣的组织内产生和表征这些机械振动为了制备样品，将组织培养物转移到直径为 10 毫米的试管中，该试管包含固体基质和一层 0.5%AGROS 凝胶。
然后加入温热的 0.5 块状凝胶。将它封闭起来。让 agros 凝胶凝固 5 分钟。
在室温下，将 piso 电动弯曲电机的尖端插入凝胶表面。接下来，将装有样品的试管和致动器连接到刚性支架上。将激光多普勒气压计的光束朝向机械致动器的尖端。
调整系统的位置以优化反射信号强度，该强度显示在气压计上。为了最大限度地提高反射效果，如有必要，请使用反光带将致动器设置为产生振幅约为 250 微米的无害透明波。将函数发生器设置为使用 20 伏峰值的工作电压和白噪声信号扫描所需的频率范围。
对于此实验，所需的频率范围为 20 到 2000 赫兹。要在 Polytech Rsof 程序上查看表征的频谱，请选择速度和 FFT 显示。开始捕获信号并根据频谱峰值确定系统的谐振频率。
接下来，要测量促动器的挠度，将促动器设置为以特征谐振频率提供连续的正弦波。使用 200 伏特的工作电压峰值和表示致动器传递到凝胶组纤维软表面产生的位移，以显示以位移为 Y 轴的 FFT。表征致动器后，将包含样品和致动器的试管放入 10 毫米射频线圈的槽中，将样品和致动器放在 MRI 扫描仪的中心。
获取侦察图像以识别构造体位置。找到组织结构后，设置采集参数。典型的体外矢状面扫描的重复时间为 1000 毫秒。
回波时间为 20 到 40 毫秒，切片厚度为 0.5 到 1 毫米，视场为 12 x 10 平方毫米，矩阵尺寸为 1 28 x 1 28 像素。对于弹性成像参数，将 Actuator Frequency 设置为由激光多普勒玻璃体表征确定的值。对于此示例，需要一个 bi 对，梯度幅度为 50 高斯/厘米，MRE 延迟设置为零。
将函数发生器更改为突发模式，并调整函数发生器的参数以匹配弹性成像采集参数中的参数，包括频率和周期数。此外，将函数生成器设置为外部触发。要获得矢状图像，请将运动敏化设置为正切片方向，并在采集后开始扫描。
检查图像以评估组织构建体中的信号质量。如果图像看起来太暗，请调整 MR 参数并再次扫描。接下来，将敏化更改为负切片方向。
将文件从 MRI 扫描仪传输到另一台配备 MATLAB 的计算机，并执行 MATLAB 程序，该程序将执行复杂的划分以生成描绘横波传播的图像。评估图像是否存在横波和可能的伪影，例如相位环绕线剖面，以更好地评估波的质量和振幅。如果发生环绕，请减小梯度幅度并获取另一次扫描。
如果不需要对图像进行调整。将参数数组大小调整为 8 个等距值，范围从零秒到特征谐振频率的整个周期。采集图像后，在正切片和负切片方向上采集扫描。
使用专为生成纯粹波数据和样本中传播的波的相应视频而设计的 MATLAB 程序。这是估计机械性能所需的文件。MRE 的最后一步是从纯粹的波浪图像中计算出纯粹的刚度。
首先将数据放入 MATLAB 程序中，该程序将评估三维数据集，指定成像参数，包括视场、梯度、振幅和双极对数，然后运行代码。该算法允许选择感兴趣的区域，为其计算每个参数的平均值和标准差。绘制组织结构的轮廓以选择感兴趣的区域。
将显示所选感兴趣区域内刚度、存储、模量和损耗模量的平均值和标准差。该程序还提供中间结果，包括滤波器后的波形、定向滤波后的波形和线路剖面，有助于估计恢复的忠实度。为了进行准确的估计，滤波需要是平滑的。
如果需要，特定感兴趣区域中参数的标准差也是计算质量的指标，根据需要调整其他参数以获得准确的机械性能值，以观察工程结构的机械性能变化。MRE 检测为期 4 周。该构建体发育图显示由字母 A 表示的成脂性，由字母 O 表示成骨性结构，并显示相应的幅度图像、纯粹波图像、ELA 和平均剪切刚度。
ELA 的色图与条形的配色方案相对应。图表和误差线表示每个感兴趣结构区域内的标准差。随着时间的推移，成脂结构变得不那么坚硬，表明其特性与脂肪组织相似。
同样，成骨结构在 4 周内变得更加僵硬，表明类似骨骼的分化一旦掌握，如果作得当，这项技术可以在大约两个小时内完成。在尝试此过程时，请务必按照此程序全面表征执行器。生化分析和组织学等方法可用于回答诸如确认矿物沉积等问题。
不要忘记在处理人体细胞材料和 MRI 时，它可能非常危险，并且要注意正确的 BL 2 和 MRI。执行这些程序时应采取预防措施。
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概览
本程序演示了磁共振弹性成像（MRE）监测工程脂肪和成骨组织构建物的方法。它利用微观磁共振弹性成像（μMRE）进行机械性质的非侵入性评估。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物学
- 组织工程
背景
- 传统的机械测试通常会破坏样品。
- 非侵入性技术对小型软组织至关重要。
- 微观磁共振弹性成像提供了一个解决方案。
- 这种方法允许对机械性质进行局部评估。
研究目的
- 开发一种非破坏性评估组织构建物的方法。
- 监测工程组织的机械性质。
- 增强对组织工程结果的理解。
使用的方法
- 将细胞固定在生物材料支架上。
- 将组织悬浮在aros凝胶中。
- 将一个执行器尖端放入凝胶中以产生运动。
- 使用激光多普勒振动计检测执行器运动。
主要结果
- 成功的非侵入性机械性质测量。
- 表征传递到组织样品的执行器运动。
- 展示了μMRE在组织工程中的有效性。
- 提供了关于工程构建物机械行为的见解。
结论
- 微观MRE是传统测试的可行替代方案。
- 它允许保存工程组织样品。
- 这种方法可以推动组织工程领域的发展。
常见问题
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.
