Characterization of the Mechanical Properties of Mouse Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy
JoVE Encyclopedia of Experiments
Neurowetenschap
0 weergaven • 3:08 min • June 17th, 2025
Take a bioadhesive-coated dish with an immobilized mouse brain slice in a pre-warmed medium.
Place it on a pre-warmed atomic force microscope or AFM stage to maintain physiological conditions.
Apply a drop of the medium onto the spherical bead of the AFM cantilever positioned over the AFM head.
Next, reposition the AFM head and submerge it in the medium.
Align the laser beam onto the cantilever to track cantilever deflection using the photodiode.
Lower the AFM probe until it contacts the brain tissue surface.
For creep-compliance measurement, program the AFM probe to apply a constant force.
This force causes the tissue to deform while the cantilever bends. The laser detects cantilever
bending and measures tissue stiffness.
For force relaxation measurement, indent the tissue to a fixed depth and maintain it.
The laser tracks cantilever bending to measure tissue resistance and relaxation over time, enabling precise evaluation of the tissue’s mechanical properties.
Carefully load an AFM probe with a nominal spring constant of 0.03 newtons per meter and a 20 micrometer diameter borosilicate bead into the probe holder. Place a brain slice mounted in a Petri dish onto an AFM stage-mounted heater that has been pre-warmed to 37 degrees Celsius.
Then, add about 2 milliliters of pre-warmed medium.
Next, carefully add a drop of medium onto the AFM probe to protect it from breaking due to surface tension when it is lowered into the medium surrounding the brain slice. Then, reposition the AFM head onto the stage. And begin lowering the head until it is submerged in the medium.
Using the optical microscope, move the stage so that the region of interest is below the calibrated AFM probe. Then, lower the AFM probe to make contact with the surface of the tissue. In order to conduct the creep compliance experiments, construct an applied force function in the software's function editor.
The function consists of a 0.1 second ramp to a 0.05 nanonewton, which is held for 20 seconds, followed by a 1 second ramp down to 0 nanonewton. The software will record data on the AFM probes indentation into the tissue during the applied force function. After running the creep compliance experiment, conduct force relaxation experiments by creating an applied indentation function in the software. Run this function while the software collects data on the force experienced by the AFM probe as it indents into the tissue.
Overzicht
Dit artikel beschrijft een methode voor het meten van de mechanische eigenschappen van muizenhersenweefsel met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM). De techniek houdt in dat er gecontroleerde krachten worden uitgeoefend om de stijfheid en de relaxatiekenmerken van het weefsel te beoordelen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Biofysica
- Mechanische eigenschappen van biologische weefsels
Achtergrond
- Het begrijpen van de mechanische eigenschappen van hersenweefsel is cruciaal voor diverse neurologische studies.
- Atomic force microscopy biedt een methode met een hoge resolutie voor het onderzoeken van weefselmechanica.
- In eerdere studies is AFM gebruikt om cellulaire en weefselreacties te onderzoeken.
- Deze methode maakt real-time meting van weefseldeformatie onder toegepaste krachten mogelijk.
Doel van de studie
- Om de mechanische eigenschappen van muizenhersenweefsel te evalueren met behulp van AFM.
- Om een protocol op te stellen voor metingen van kruipcompliancy en krachtrelaxatie.
- Om het begrip van weefselmechanica in een fysiologische context te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Voorbereiding van bioadhesieve gecoate schaaltjes met geïmmobiliseerde hersencoupes.
- Gebruik van een AFM om gecontroleerde krachten op het weefsel uit te oefenen.
- Meting van de cantilever-deflectie om de weefselstijfheid en relaxatie te beoordelen.
- Gegevensverzameling via geprogrammeerde functies voor krachtapplicatie in de AFM-software.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle meting van weefselstijfheid en relaxatie-eigenschappen.
- Aantoonde de effectiviteit van AFM bij het beoordelen van de mechanica van hersenweefsel.
- Bood een gedetailleerd protocol voor het uitvoeren van beoordelingen van mechanische eigenschappen.
Conclusies
- De studie stelt een betrouwbare methode vast voor het evalueren van de mechanica van hersenweefsel.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van het gedrag van hersenweefsel onder mechanische stress.
- Deze benadering kan worden toegepast in diverse neurologische onderzoekcontexten.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Kwantitatieve karakterisering van de mechanica van hersenweefsel met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM) stelt biofarmaceutische teams in staat om de fysieke eigenschappen van neurologische weefsels met hoge precisie te onderzoeken. Deze mogelijkheid ondersteunt vroege targetvalidatie en mechanistische risicoreductie voor geneesmiddelenonderzoek naar het centraal zenuwstelsel (CZS), waarbij het weefselmicro-milieu en mechanische signalen van invloed zijn op ziektemodellen en therapeutische hypothesen. De integratie van AFM-gebaseerde metingen verhoogt het voorspellende vertrouwen bij de selectie van preklinische modellen en de portfolio-triage voor neurotherapeutische programma's.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt directe meting van weefselstijfheid en visco-elasticiteit mogelijk, die relevant zijn voor ziektemechanismen.
- Ondersteunt functionele validatie van targets die beïnvloed worden door mechanische micro-omgevingen.
- Faciliteert mechanische risicoreductie door fysieke weefseleigenschappen in situ te kwantificeren.
- Verbetert het voorspellende vertrouwen voor de selectie en prioritering van CNS-targets.
Screening & Assayontwikkeling
- Biedt gestandaardiseerde, kwantitatieve resultaten voor de mechanische eigenschappen van weefsels.
- Maakt reproduceerbare beoordeling mogelijk van de weefselrespons op gecontroleerde krachtuitoefening.
- Ondersteunt de ontwikkeling van assays voor verbindingen die de weefselmechanica of cellulaire responsen moduleren.
- Bereidt gevalideerde biologische systemen voor op downstream workflows voor het screenen van verbindingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt preklinische modellen af met ziekte-relevante weefselmechanica voor translationele continuïteit.
- Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk op basis van kwantitatieve gegevens over weefseleigenschappen.
- Ondersteunt de afstemming van biomarkers wanneer mechanische eigenschappen gekoppeld zijn aan de ziekteprogressie.
- Biedt mechanistisch inzicht voor predictieve risicoreductie in neurodegeneratieve modellen en letselmodellen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Mechanische karakterisering op basis van AFM past binnen het continuüm van vroege ontdekking tot preklinisch onderzoek en biedt essentiële informatie voor zowel targetvalidatie als modelselectie voor CNS-programma's.
- Ontdekkingsbiologie: Kwantificeert weefselmechanica om biologische pathways te verduidelijken en mechanosensitieve targets te valideren.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor assay-standaardisatie en evaluatie van verbindingen.
- Analytica: Verschaft gegevens over krachtrelaxatie en kruipcompliantie voor een robuuste statistische vergelijking van weefselcondities.
- Translationeel onderzoek: Zorgt ervoor dat preklinische modellen ziekte-relevante mechanische omgevingen weerspiegelen.
- Herbruik binnen de organisatie: Vestigt een herbruikbaar platform voor mechanische fenotypering binnen CNS-onderzoeksportefeuilles.
Operationele impact en impact op de onderneming
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit in CNS-onderzoek.
- Operationele waarde: Standaardiseert mechanische weefselmetingen voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen en verbetert de kapitaalefficiëntie door risico's in vroege fasen van programma's te verminderen.
- Portfolio-impact: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en de verdere ontwikkeling van neurotherapeutische activa.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in de bediening van AFM en de verwerking van weefsel onder fysiologische omstandigheden.
- Vereist toegang tot gekalibreerde AFM-instrumentatie en analytische software voor krachtmeting.
- Maakt cross-team standaardisatie van protocollen noodzakelijk voor reproduceerbare datageneratie.
- Kan aanpassing vereisen voor verschillende weefseltypen of ziektemodellen binnen CNS-onderzoek.
- Praktische beperkingen omvatten variabiliteit in monstervoorbereiding en gevoeligheid voor omgevingsfactoren.
Veelgestelde vragen over Biofarmacie
AFM-gebaseerde kaart brengen van de elastische eigenschappen van celwanden: op weefsel-, cellulair en Subcellulaire Resoluties
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Atomic Force Microscopy van Red-Light Fotoreceptoren behulp PeakForce Kwantitatieve Nanomechanical Property Mapping
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanische eigenschapsmetingen op nanoschaal in lucht en vloeistof
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Micro-mechanische karakterisatie van Lung weefsel met behulp van Atomic Force Microscopy
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Ultrastructural Analysis of a Mouse Brain Section Using Transmission Electron Microscopy
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Imaging Polysomes Isolated from a Mouse Brain Using Atomic Force Microscopy
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Impact Indentation for Assessing the Mechanical Properties of a Mouse Brain Tissue
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Measuring the Viscoelastic Properties of Mouse Brain Tissue Using Rheometry
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Het meten van de mechanische eigenschappen van levende cellen door gebruik Atomic Force Microscopy
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Karakteriseren Multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van Atomic Force Microscopy, Impact Inspringen en reometrie
Gerelateerde video's
0 Bekeken
Laatst bijgewerkt: 29 augustus 2026