Method Article

원자 힘 현미경, 충격 들여 쓰기 및 유변학를 사용하여 뇌 조직의 멀티 스케일 기계 속성을 특성화

DOI:

10.3791/54201

⸱

September 6th, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 3Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 4Department of Neurology, The F.M. Kirby Neurobiology Center, Boston Children’s Hospital, Harvard Medical School

In This Article

Summary

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

우리는 미시, 중간 및 거시적 규모에서 뇌의 점탄성 기계적 특성을 특성화하는 일련의 기술을 제시합니다.

Abstract

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기계 모조품 또는 조직 재생 연구에 대한 여부, 뇌의 특성에 의해 영감 재료를 설계 및 엔지니어, 뇌 조직 자체는 물론 다양한 길이와 시간 규모에서 특징해야합니다. 많은 생물학적 조직과 마찬가지로 뇌 조직은 복잡한 계층 구조를 나타낸다. 그러나 대부분의 다른 조직과는 대조적으로, 뇌는 아빠의 100 단위 정도의 영의 탄성 계수를 E로, 매우 낮은 기계적 강성이다.이 낮은 강성 키 기계적 특성의 실험적 특성에 문제를 표시 할 수 있습니다. 여기, 우리는 서로 다른 길이 스케일과 로딩 속도에서 뇌 조직으로 수화, 준수 생물학적 재료의 탄성 및 점탄성 특성을 측정하도록되어 여러 가지 기계적 특성 분석 기법을 보여줍니다. 마이크로 스케일에서, 우리는 원자 힘 현미경을 사용 들여 쓰기를 사용하여 크리프 준수 및 강제 휴식 실험을 실시하고 있습니다. 메소에서케일, 우리는 진자 기반 계측 압자를 사용하여 충격 압입 실험을 수행합니다. 거시적, 우리는 주파수에 의존 전단 탄성 계수를 정량화하는 평행 판 레오 메타를 실시하고 있습니다. 우리는 또한 각 방법과 관련된 문제 및 제한 사항에 대해 설명합니다. 이 두 기술은 더 뇌의 구조를 이해하는 바이오 고무 물질을 설계하는 데 사용될 수 뇌 조직의 충분히 기계적 특성을 가능하게한다.

Introduction

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생물학적 장기를 포함하는 대부분의 부드러운 조직 광물 뼈 재료 또는 설계에 비하여 기계적 및 구조적으로 복잡하고, 저 강성이고, 비선형 및 시간에 따른 변형을 나타낸다. 신체의 다른 조직에 비해 뇌 조직은 아빠 1의 100 단위 정도의 탄성 계수를 E로, 현저하게 준수합니다. 뇌 조직은 독특하고 깍지 회색과도 기능적으로 차이가 백질 영역과 구조적 이질성을 나타낸다. 이해 뇌 조직 역학 부상시 뇌의 반응을 모방하는 기계적 손상의 예측을 용이하게하고, 보호 전략 공학 있도록 재료 및 계산 모델의 설계에 도움이된다. 또한, 이러한 정보는 조직의 재생을위한 설계 목표를 고려​​하는 것이 사용될 수 있고, 더 다중 경화증 및 자폐증과 같은 질병과 관련된 뇌 조직의 구조적 변화를 이해. H의 전에, 우리는 설명하고 중간 -, 마이크로에서 뇌 조직을 포함하여 기계적으로 준수하는 조직의 점탄성 특성을 특성화 할 수있는 여러 가지 실험 방법을 설명하고, 매크로 규모.

마이크로 스케일에서, 우리는 크리프 컴플라이언스를 실시 및 원자 현미경 (AFM)을 이용하여 사용이 가능한 압입 완화 실험 강제. 일반적으로, AFM 기반 압입는 시료 2-4의 탄성률 (강성 또는 순시)를 추정하는데 사용된다. 그러나, ....

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Protocol

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윤리 정책 : 모든 실험 프로토콜 보스턴 아동 병원의 동물 연구위원회의 승인 및 실험 동물의 관리 및 사용을위한 건강 가이드의 국립 연구소에 부합했다.

1. 마우스 뇌 조직의 취득 절차 (AFM 사용 들여 쓰기 및 영향 들여 쓰기)

  1. 쥐를 마취하는 케타민 / 자일 라진 혼합물을 준비합니다. 5 mL의 케타민 (500 ㎎ / ㎖), 1 mL의 자일 라진 (20 ㎎ / ㎖) 7 ml의 0.9 % 식염수 용액을 결합한다.
  2. 마우스 (품종 :; SYN-Cre 호텔, TSC1을 PLP-eGFP는, 나이 : P21; 성별 : 남성 또는 여성) 주사 케타민 / 자일 라진 솔루션의 g의 체중 당 7 μL와 함께.
  3. 마우스가 완전히 마취되면, 발가락과 꼬리 핀치에 응답의 부족에 의해 입증 된 바와 같이, 큰 해부 가위를 사용하여 잘린하여 마우스를 안락사.
  4. 작은 해부 가위를 사용하여 중간을 절단하여 두개골을 제거합니다. 소뇌에서 시작, 렘곡선 집게를 사용하여 두개골의 비켜 가지. 두개골을 제거한 후, 소뇌에서 시작, 뇌를 들어 올려 평평한 주걱을 사용하여 뇌를 추출하고 배양 접시에 두뇌를 놓습니다. 면도날을 사용하여 뇌에서 소뇌를 제거합니다.
  5. 얼음에 성인 신경 조직에 대한....

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Results

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그림 4는 각각 가해진 힘 또는 압입 깊이 (그림 4A, D), 부여, 크리프 준수에 대한 시간 응답 (그림 4B, E) 대 대표 들여 쓰기와 힘을 보여줍니다 및 휴식 실험을 강제로. 이러한 데이터는 시스템의 구조를 사용하여 크리프 컴플라이언스 J의 C (t)와 이완 계수 G R (t)에 힘이 뇌 (도 4C, F)의 상이한 영역에 대해 계산 될 수있다. 이전의 연구는 뇌 (23)의 다른 영역의 탄성 계수의 차이를 도시하고 있지만, 점탄성 특성은 주어진 조직 절편 내의 지역간 편차를 보이지 않는다 마우스 뇌 조직 조각이 방법으로 측정 하였다.

충격 들여.......

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Discussion

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본 논문에서는 각 기술은 뇌 조직의 기계적 성질의 다른 측면을 측정합니다. 크리프 준수 및 응력 완화 계수는 시간에 따른 기계적 특성의 측정이다. 저장 및 손실 모듈러스는 속도 의존 기계적 특성을 나타낸다. 충격 압입은 속도 - 종속 기계적 특성을 측정하지만, 에너지 소비의 맥락이다. 조직의 기계적 특성을 특성화 할 때, 모두 AFM 사용 들여 쓰기 및 유변학은 일반적으로 방법을 사용한다. 전술 한 바와 같이 시간에 따라 재료의 특성을 제공 할뿐만 아니라, 여러 실험 파라미터, 세포 및 조직 탄성률 (4)에도 주파수 의존 특성 (24)를 측정하는데 사용될 수 있기 때문에 가능 AFM 압입 특히 유용하다. 그러나, 실험 데이터와 디자인의 정확한 해석은 준수, 수화 조직을 위해 도전 할 수있다. 레오 메타 조치는 적절한 일괄 동안조직의 관계는, AFM 사용 들여 쓰기는 세포의 미세 환경에 관련된 마이크로 볼륨을 조사합니다. 충격 압입은 재료가 초점 충격에 의한 외상성 뇌 손상 연구와 같은 애.......

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Disclosures

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저자는 공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

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우리는 국립 다발성 경화증 협회(National Multiple Sclerosis Society)와 사회적 뇌를 위한 시몬스 센터(Simons Center for the Social Brain)의 이 연구에 대한 지원을 인정합니다. BQ는 미국 국방 과학 및 공학 대학원 펠로우십 프로그램의 지원을 인정합니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
XylazineLloyd Laboratoriedperscription drug
KetamineAnaSed injectionsperscription drug
Vibratome (Vibrating blade microtome)LeicaVT1200
Hibernate-A MediumGibcoA1247501CO2-independent neural medium
for adult tissue Atomic Force Microscope, 원자력 현미경, MFP-3D-BIOAsylumResearch-Petri
Dish HeaterAsylumResearch-AFM
프로브, 0.03 N/m, 10  &마이크로; m 반경 붕규산 구NovascanPT.
Cell-TakCorning354240홍합 유래 생체 접착제
중탄산나트륨시그마-알드리치S5761대체 공급업체를 사용할 수 있습니다
산화나트륨, 1N시그마-알드리치59223C대체 공급업체를 사용할 수 있습니다
.-프로브 팁은 가공해야 합니다(강철 플랫 펀치, 1  mm 직경, 4-5  mm 길이)
NanoTest Liquid CellMicro Materials Ltd.-
병렬 플레이트 레오미터 MCR501Anton-Parr-PP25
 Anton-Parr-25mm직경 평면 측정 플레이트
, 접착 사포,McMaster-Carr4184A48대체 공급업체 사용 가능
, Loctite 4013 순간 접착제Henkel20268대체 공급업체 사용 가능
GS. 수

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. van Dommelen, J. A. W., Hrapko, M., Peters, G. W. M. Mechanical Properties of Brain Tissue: Characterisation and Constitutive Modelling. Mechanosensitivity of the Nervous System. , 249-281 (2009).
  2. Liu, F., Tschumperlin, D. J.

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Brain Tissue CharacterizationAtomic Force MicroscopyImpact IndentationRheometryViscoelastic PropertiesMechanical CharacterizationCreep ComplianceForce RelaxationFrequency SweepHydrated Tissue

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