Methodenartikel

Een verzameling biomaterialen en biomechanische experimenten en analysemethoden

13 juli 2021

In dit artikel

Samenvatting

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

BESPREKTE ARTIKELEN:

Kolel, A., et al. Gecontroleerde spanning van 3D-hydrogels onder live microscopiebeeldvorming. Journal of Visualized Experiments. (2020).

Yang, F., Wang, Z., en Yang, S. Dual raster-scanning foto-akoestische kleine-dier imager voor vasculaire visualisatie. Journal of Visualized Experiments. (2020).

Tamburrini, R., et al. Detergent-vrije decellularisatie van de menselijke pancreas voor oplosbare extracellulaire matrix (ECM) productie. Journal of Visualized Experiments. (2020).

Koch, S.E., et al. Een multi-cue bioreactor om de inflammatoire en regeneratieve capaciteit van biomaterialen onder stroming en rek te evalueren. Journal of Visualized Experiments. (2020).

Zhou, H., Cen, X., Song, Y., Ugbolue, U.C., en Gu, Y. Onderbeen biomechanische kenmerken geassocieerd met ongeplande loopbeëindiging onder verschillende loopsnelheden. Journal of Visualized Experiments. (2020).

Yin, L., Lai, Z., Hu, X., Liu, K., Wang, L. Evaluering van postural controle en onderbeen spieractivatie bij personen met chronische enkel instabiliteit. Journal of Visualized Experiments. (2020).

Redactioneel

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

Als belangrijk interdisciplinair onderzoeksgebied onthullen biomaterialen en biomechanica de relaties en mechanismen tussen de structuur, prestatie en functie van biomaterialen door middel van experimenteel onderzoek en theoretische analyse, die verbonden zijn met materiaalkunde, mechanica, bio-engineeren, wiskunde, enz. Om de experimentele methoden van biomaterialen en biomechanica te verbeteren, bespreekt deze JoVE-methodencollectie de overeenkomstige experimentele methoden en hun respectieve kenmerken in twee categorieën: mechanische eigenschappen van weefsels en bionische mechanica. De waarnemingen van weefselmechanica omvatten een 3D-hydrogeelrekmethode, een dubbel raster-scanning foto-akoestische methode, een detergent-vrije decellularisatiemethode van de menselijke pancreas en een ontkoppelingsmethode van trek- en schuifspanningen op buisvormige scaffolds. De waarnemingen van bionische mechanica omvatten een methode voor het verzamelen van gegevens van beweging en postural controle van de onderste ledematen voor patiënten met enkelinstabiliteit.

De effecten van mechanische kracht op organisatie omvatten voornamelijk genexpressie, celdifferentiatie, weefselremodellering1,2,3 en veranderingen in de extracellulaire matrix (ECM)4,5,6. Het begrijpen van de weefselrespons op mechanische krachten7,8,9 zal helpen bij de ontwikkeling van het gebied van weefselengineering en theoretische modellen. Kolel et al.10 stellen een methode voor voor het strekken van 3D-hydrogels, die statische of cyclische uniaxiale spanning tijdens een confocale microscoop toelaat. Ze maakten een fibrinegel met een gat van ongeveer 2 mm in diameter op 0,5 mm dikke siliconenrubberstrips, en vervolgens werd uniaxiale rekking uitgevoerd onder live confocale microscopie. Ten slotte bespreken ze de mogelijkheid om cellen in hydrogels in te bedden en ze bloot te stellen aan gecontroleerde externe rekking. Het reksysteem dat in dit protocol wordt gebruikt, bestaat uit 3D-printcomponenten en goedkope elektronische componenten. Het systeem heeft de volgende unieke kenmerken in vergelijking met andere bestaande methoden. Ten eerste staat het systeem het uniaxiale strekken van dikke 3D-zachte hydrogels toe, en heeft het hele hydrogel een Z-uniforme vervorming. Ten tweede is het vanwege de eenvoud van 3D-printen en de lage kosten van deze apparatuur gemakkelijk om dit soort rekapparatuur in andere laboratoria te bouwen. Ten derde kunnen de geometrie en grootte van het monster vrij worden bediend volgens de gebruiker. Deze methode heeft de mogelijkheid verbeterd om externe krachten op biologische processen te bestuderen onder meer fysiologische 3D-condities en heeft bijgedragen aan het gebied van weefselengineering.

Beeldvorming van kleine dieren speelt een belangrijke rol bij het begeleiden van onderzoek naar humane homologe ziekten en het zoeken naar effectieve behandelmethoden. Foto-akoestische beeldvorming (PAI) is een niet-invasieve beeldvormingstechnologie die de voordelen van optische beeldvorming en ultrasone beeldvorming combineert11,12. Yang et al.13 rapporteren een dubbel raster-scanning foto-akoestische imager (DRS-PAI), en door de akoestische koppelingsscanning van verschillende delen van muizen, worden de vasculaire beelden in WIM- en RIM-modi verzameld, respectievelijk. Het voordeel van DRS-PAI is dat WIM en RIM zijn geïntegreerd in één systeem en bieden hoog-resolutie brede veldvasculaire visualisatie van real-time bloeddynamiek. De real-time beeldvormingsmodus (RIM) kan de kenmerken van ademhaling of pols onthullen door de verplaatsing van vatgebieden langs de diepterichtlijn te meten. Bovendien kan RIM de specifieke gebied van de WIM-beelden kwantitatief meten. Door de beelden te vergelijken, kunnen de details van lokale veranderingen nauwkeurig worden onthuld. Deze methode kan gemakkelijk worden toegepast op verschillende gebieden van biomedisch basisonderzoek.

De toenemende vraag naar eilandjes stelt hogere eisen aan het isolerende eilandjes14,15,16. Tamburrini et al.17 stellen een nieuwe, detergent-vrije decellularisatiemethode voor die minder ECM-schade creëert en kritieke componenten van de pancreas-ECM kan behouden. De decellularisatiemethode vermijdt het gebruik van klassieke ionische en niet-ionische chemische detergenten. Bovendien bevordert de decellularisatie van weefsel in een orbitale vibrator veel meer dan de injectie van detergent door een vasculair systeem de eenvoud, consistentie en haalbaarheid van decellularisatietechnologie, waardoor de productie van ECM voor translatie toeneemt. Aangezien huidige acellulaire methoden niet in staat zijn om de resterende Triton X-100 op de ECM na decellularisatie te kwantificeren en de haalbaarheid van het uitbreiden van het productieproces in de cGMP-omgeving laag is, bestudeerden ze ook de haalbaarheid om decellularisatie te verkrijgen door mechanische vibratie in plaats van perfusie van de hele pancreas. Gegevens over de kwantificering van collageen en glycosaminoglycanen tonen een trend die consistent is met eerdere ervaring. Er werden enkele beperkingen gevonden door dit protocol te gebruiken. Daarom worden menselijke pancreassen van donoren met BMI <30 over het algemeen als geschikt beschouwd voor decellularisatie.

Het gebruik van absorbeerbare biomaterialen om regeneratie direct in vivo te induceren is een aantrekkelijke strategie18,19,20,21,22, maar dit soort biomateriaal kan een ontstekingsreactie veroorzaken na implantatie, wat ook de drijvende kracht is voor de daaropvolgende resorptie en regeneratie van nieuw weefsel. Zowel de ontste

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Deze studie werd ondersteund door het Wenzhou Municipal Science and Technology Bureau (Y2020069).

Referenties

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bleuel, J., Zaucke, V., Bruggemann, G. P., Niehoff, A. Effects of cyclic tensile strain on chondrocyte metabolism: a systematic review. Plos One. 10, 0119816(2015).
  2. Pennisi, C. P., Olesen, C. G., de Zee, M., Rasmussen, J., Zachar, V. Uniaxial cyclic strain drives assembly and differentiation of skeletal myocytes. Tissue Engineering Part A. 17, 2543-2550 (2011).
  3. Grodzinsky, A. J., Levenston, M. E., Jin, M., Frank, E. H. Cartilage tissue remodeling in response to mechanical forces. Annual Review of Biomedical Engineering. 2 (1), 691-713 (2000).
  4. Ban, E., et al. Mechanisms of plastic deformation in collagen networks induced by cellular forces. Biophysical Journal. 114 (2), 450-461 (2018).
  5. Storm, C., Pastore, J. J., MacKintosh, F. C., Lubensky, T. C., Janmey, P. A. Nonlinear elasticity in biological gels. Nature. 435, 191-194 (2005).
  6. Muiznieks, L. D., Keeley, F. W. Molecular assembly and mechanical properties of the extracellular matrix: a fibrous protein perspective. Biochimica et Biophysica Acta. 1832, 866-875 (2012).
  7. Livne, A., Bouchbinder, E., Geiger, B. Cell reorientation under cyclic stretching. Nature Communications. 5, 3938(2014).
  8. Xu, G. K., Feng, X. Q., Gao, H. Orientations of cells on compliant substrates under biaxial stretches: a theoretical study. Biophysical Journal. 114 (3), 701-710 (2017).
  9. Chagnon-Lessard, S., Jean-Ruel, H., Godin, M., Pelling, A. Cellular orientation is guided by strain gradients. Integrative Biology. 9 (7), 607-618 (2013).
  10. Kolel, A., et al. Controlled strain of 3D hydrogels under live microscopy imaging. Journal of Visualized Experiments. (166), (2020).
  11. Li, L., et al. Single-impulse panoramic photoacoustic computed tomography of small-animal whole-body dynamics at high spatiotemporal resolution. Nature Biomedical Engineering. 1 (5), 0071(2017).
  12. Jeon, S., Kim, J., Lee, D., Baik, J. W., Kim, C. Review on practical photoacoustic microscopy. Photoacoustics. 15, 100141(2019).
  13. Yang, F., Wang, Z., Yang, S. Dual raster-scanning photoacoustic small-animal imager for vascular visualization. Journal of Visualized Experiments. (161), (2020).
  14. Korpos, E., et al. The peri-islet basement membrane, a barrier to infiltrating leukocytes in type 1 diabetes in mouse and human. Diabetes. 62 (2), 531-542 (2013).
  15. Daoud, J., Petropavlovskaia, M., Rosenberg, L., Tabrizian, M. The effect of extracellular matrix components on the preservation of human islet function in vitro. Biomaterials. 31 (7), 1676-1682 (2010).
  16. Paraskevas, S., Maysinger, D., Wang, R., Duguid, T. P., Rosenberg, L. Cell loss in isolated human islets occurs by apoptosis. Pancreas. 20 (3), 270-276 (2000).
  17. Tamburrini, R., et al. Detergent-free decellularization of the human pancreas for soluble extracellular matrix (ECM) production. Journal of Visualized Experiments. (163), (2020).
  18. Wang, J., et al. Ex vivo blood vessel bioreactor for analysis of the biodegradation of magnesium stent models with and without vessel wall integration. Acta Biomaterials. 50, 546-555 (2017).
  19. Wolf, F., et al. VascuTrainer: a mobile and disposable bioreactor system for the conditioning of tissue-engineered vascular grafts. Annals of Biomedical Engineering. 46 (4), 616-626 (2018).
  20. Ramaswamy, S., et al. A novel bioreactor for mechanobiological studies of engineered heart valve tissue formation under pulmonary arterial physiological flow conditions. Journal of Biomechanical Engineering. 136 (12), 121009(2014).
  21. Vanerio, N., Stijnen, M., de Mol, B. A. J. M., Kock, L. M. An innovative ex vivo vascular bioreactor as comprehensive tool to study the behavior of native blood vessels under physiologically relevant conditions. Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy. 2 (4), (2019).
  22. Kural, M. H., Dai, G., Niklason, L. E., Gui, L. An ex vivo vessel injury model to study remodeling. cell Transplantation. 27 (9), 1375-1389 (2018).
  23. Koch, S. E., et al. A multi-cue bioreactor to evaluate the inflammatory and regenerative capacity of biomaterials under flow and stretch. Journal of Visualized Experiments. (166), (2020).
  24. Gribble, P. A., Hertel, J., Denegar, C. R. Chronic ankle instability and fatigue create proximal joint alterations during performance of the star excursion balance test. International Journal of Sports Medicine. 28 (3), 236-242 (2006).
  25. Herrington, L., Hatcher, J., Hatcher, A., McNicholas, M. A comparison of star excursion balance test reach distances between ACL deficient patients and asymptomatic controls. The Knee. 16 (2), 149-152 (2009).
  26. Olmsted, L. C., Hertel, J. Influence of foot type and orthotics on static and dynamic postural control. Journal of Sport Rehabilitation. 13 (1), 54-66 (2004).
  27. Kahle, N. L., Gribble, P. A. Core stability training in dynamic balance testing among young, healthy adults. Athletic Training & Sports Health Care. 1 (2), 65-73 (2009).
  28. Lieberman, D. E., et al. Foot strike patterns and collision forces in habitually barefoot versus shod runners. Nature. 463 (7280), 531-535 (2010).
  29. Zhou, H., Cen, X., Song, Y., Ugbolue, U. C., Gu, Y. Lower-limb biomechanical characteristics associated with unplanned gait termination under different walking speeds. Journal of Visualized Experiments. (162), (2020).
  30. Doherty, C., et al. The incidence and prevalence of ankle sprain injury: a systematic review and meta-analysis of prospective epidemiological studies. Sports Medicine. 44, 123-140 (2013).
  31. Vuurberg, G., et al. Diagnosis treatment and prevention of ankle sprains: update of an evidence-based clinical guideline. British Journal of Sports Medicine. 52 (15), 956(2018).
  32. Yin, L., Lai, Z., Hu, X., Liu, K., Wang, L. Evaluating postural control and lower-extremity muscle activation in individuals with chronic ankle instability. Journal of Visualized Experiments. (163), (2020).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

3D HydrogelsLive MicroscopyPhotoacoustic ImagingVascular VisualizationExtracellular Matrix ECMDecellularizationInflammatory CapacityRegenerative CapacityBioreactorGait TerminationWalking SpeedsPostural ControlChronic Ankle Instability

Gerelateerde artikelen