Magnetic Resonance elastografie methodologie voor de evaluatie van Tissue Engineered Construct groei
9 februari 2012
De procedure toont de methodologie van magnetische resonantie elastografie voor de controle op de gemanipuleerde uitkomst van vet-en osteogene weefselmanipulatieproduct constructies door middel van niet-invasieve lokale evaluatie van de mechanische eigenschappen met behulp van microscopische magnetische resonantie elastografie (μMRE).
Om gefabriceerde weefselconstructen te onderzoeken, is traditioneel mechanisch testen, dat vaak resulteert in de vernietiging van het monster, niet acceptabel. Deze methode gebruikt microscopische magnetische resonantie elastografie of micro MRE als een niet-invasieve techniek voor het meten van de mechanische eigenschappen van kleine zachte weefsels. Eerst worden cellen op een biomateriaal scaffold geplaatst om weefsel te genereren.
Het weefsel wordt opgehangen in aros-gel en de punt van een actuator wordt in het gel geplaatst. Vervolgens wordt de actuatorbeweging overgebracht naar het monster en gedetecteerd met behulp van een laser. Doppler viter.
Het monster en de actuator worden overgebracht naar een magneet en magnetische resonantie. Elastografiebeelden worden verkregen. Analyse van de resulterende afbeeldingen toont de verandering in sheerstijfheid voor zowel osteogene als adipogene constructen.
We hadden eerst het idee voor deze techniek en we observeerden magnetische residentiefotografie voor het gebruik van ziektediagnose en realiseerden ons dat het kon worden uitgebreid tot weefsel engineering. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van andere bestaande technieken zoals mechanisch testen, is dat het de niet-invasieve technologie van MRI toepast op de belangrijkste mechanische eigenschappen van weefsels. De toepassingen van deze techniek strekken zich uit tot weefsel engineering omdat de kennis van mechanische eigenschappen ervoor zal zorgen dat het geschikt is voor de beoogde toepassingen in bot- en kraakbeen engineering.
Hoewel deze methoden waardevolle inzichten bieden in weefsel engineering, kunnen ze ook worden gebruikt om ziekten in verschillende organen te diagnosticeren, zoals leverfibrose, traumatisch hersenletsel of hersenkanker, bijvoorbeeld. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal omdat het de stappen omvat die moeilijk te leren zijn, en voorafgaande kennis van weefsel engineering en magnitude rhythm imaging. Gars. Het proces voor de bereiding van weefselconstructen bestaat uit drie hoofdstadia, expansie van celpopulatie, zaaien van cellen op een biomateriaal scaffold en differentiatie door het gebruik van chemische signaalmoleculen.
Na cultuur en expansie van de cellijn worden de humane mesenchymale stamcellen of HMC's gezaaid op een gelatine-spons met een dichtheid van een maal 10 tot de zes cellen per milliliter voor botvorming. Ongeveer drie dagen later zouden de cellen confluent moeten zijn op het scaffold om differentiatie te induceren. Verwijder het medium en vervang het met vetinductiemedium.
Bekijk vervolgens de cellen bij 37 graden Celsius met 5% koolstofdioxide na drie dagen. Vervang het medium met onderhoudsmedium, dat bestaat uit expansiemedium met 10 microgram per milliliter humane recombinante insuline. Na 24 uur incubatie, vervang het onderhoudsmedium door inductiemedium.
Herhaal deze cyclus drie keer. Vervang het onderhoudsmedium vervolgens om de twee dagen gedurende vier weken om osteogenese te induceren. Vervang elke twee dagen met vers osteogeen medium gedurende de duur van de studie.
Hier is de studie vier weken lang en MRE wordt elke week uitgevoerd. Magnetische resonantie elastografie is gebaseerd op de voortplanting van mechanische schuifgolven om lokale waarden van mechanische eigenschappen te beoordelen. Daarom moeten deze mechanische trillingen worden gegenereerd en gekenmerkt binnen het weefsel van belang met behulp van een piezo-elektrische actuator. Om het monster voor te bereiden, breng de weefselcultuur over in een testbuis met een diameter van 10 millimeter die een vaste basis en een laagje van 0,5% AGROS-gel bevat.
Voeg vervolgens warm 0,5 acro-gel toe. Om het te omsluiten. Laat het agros-gel vijf minuten staan.
Bij kamertemperatuur steekt u de punt van de piezo-elektrische buigmotor in het oppervlak van het gel. Bevestig vervolgens de buis met het monster en de actuator aan een stijve ondersteuning. Richt de straal van de laser doppler barometer naar de punt van de mechanische actuator.
Pas de positionering van het systeem aan om de sterkte van het gereflecteerde signaal te optimaliseren, die op de barometer wordt weergegeven. Gebruik reflecterend tape indien nodig om de actuator te configureren om onschadelijke schuifgolven met significante amplitudes van ongeveer 250 micron te genereren. Stel de functiegenerator in om het gewenste frequentiebereik te vegen met behulp van een werkspanning van 20 volt piek tot piek met een witte ruissignaal.
Voor dit experiment is het gewenste frequentiebereik 20 tot 2000 hertz. Selecteer snelheid en FFT-weergave om het gekenmerkte spectrum in het Polytech Rsof-programma te bekijken. Begin met het vastleggen van signalen en identificeer de resonantiefrequentie van het systeem op basis van pieken van het spectrum.
Vervolgens, om de uitwijking van de actuator te meten, stelt u de actuator in om een continue sinusoïde te leveren bij de gekenmerkte resonantiefrequentie. Gebruik een werkspanning van 200 volt piek tot piek en noteer de gegenereerde verplaatsing die door de actuator wordt geleverd aan het oppervlak van het gel. Stel fiber soft in om de FFT weer te geven met verplaatsing als de Y-as. Zodra de actuator is gekenmerkt, plaatst u de testbuis met het monster en de actuator in een sleuf in een 10 millimeter RF-spoel en plaatst u het monster en de actuator in het centrum van de MRI-scanner.
Verwerf een scoutbeeld voor identificatie van de locatie van het construct. Zodra het weefselconstruct is gelokaliseerd, stelt u de parameters voor de acquisitie in. Een typische in vitro sagittale scan zal een herhalingstijd hebben van 1000 milliseconden.
Echotijd van 20 tot 40 milliseconden, snededikte van 0,5 tot één millimeter en gezichtsveld van 12 bij 10 millimeter vierkant, met een matrixgrootte van 1 28 bij 1 28 pixels. Voor de elastografieparameters, stelt u de actuatorfrequentie in op de waarde bepaald door de laser doppler viter karakterisering. Voor dit monster is een bi-paar nodig met een gradientamplitude van 50 gauss per centimeter en een MRE-vertraging ingesteld op nul.
Verander de functiegenerator in burstmodus en pas de parameters van de functiegenerator aan om overeen te komen met die in de elastografie-acquisitieparameters, inclusief de frequentie en het aantal cycli. Stel ook de functiegenerator in om extern te worden geactiveerd. Om een sagittaal beeld te verkrijgen, stelt u de bewegingsgevoeligheid in de positieve snederichting in en start u de scan na de acquisiti
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze procedure demonstreert de methodologie van magnetische resonantie elastografie (MRE) voor het monitoren van geëngineerde vet- en osteogene weefselconstructies. Het maakt gebruik van microscopische magnetische resonantie elastografie (μMRE) voor niet-invasieve beoordeling van mechanische eigenschappen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biologie
- Weefselengineering
Achtergrond
- Traditionele mechanische testen vernietigen vaak monsters.
- Niet-invasieve technieken zijn essentieel voor kleine zachte weefsels.
- Microscopische magnetische resonantie elastografie biedt een oplossing.
- Deze methode maakt lokale beoordeling van mechanische eigenschappen mogelijk.
Doel van de studie
- Om een niet-destructieve methode te ontwikkelen voor het evalueren van weefselconstructies.
- Om de mechanische eigenschappen van geëngineerde weefsels te monitoren.
- Om het begrip van weefselengineering resultaten te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Cellen worden op een biomateriaal scaffold geplaatst.
- Weefsel is opgehangen in aros gel.
- Een actuator tip wordt in de gel geplaatst om beweging te genereren.
- Actuator beweging wordt gedetecteerd met behulp van een laser Doppler vibrometer.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle niet-invasieve meting van mechanische eigenschappen.
- Karakterisering van actuator beweging overgebracht naar weefselmonsters.
- Aangetoonde effectiviteit van μMRE in weefselengineering.
- Biedt inzichten in het mechanische gedrag van geëngineerde constructies.
Conclusies
- Microscopische MRE is een levensvatbaar alternatief voor traditionele testen.
- Het maakt het behoud van geëngineerde weefselmonsters mogelijk.
- Deze methode kan het veld van weefselengineering bevorderen.
Veelgestelde vragen
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.
