Atomik Kuvvet Mikroskobu, Darbe girinti ve reometre kullanarak Beyin Doku Ölçekli Mekanik Özellikleri karakterize
6 Eylül 2016
Beynin viskoelastik mekanik özelliklerini mikro, mezo ve makro ölçeklerde karakterize etmek için bir dizi teknik sunuyoruz.
Bu mekanik karakterizasyon tekniklerinin genel amacı, biyolojik dokunun viskoelastik özelliklerini farklı uzunluk ölçeklerinde ve yükleme hızlarında ölçmektir. Bu yöntemler biyoloji mühendisliğindeki temel soruları cevaplamak için kullanılabilir. Örneğin, beyin çok yüksek yükleme oranları altında nasıl deforme olur veya multipl skleroz veya otizm gibi hastalıklar beyin dokusunun mekanik özelliklerini nasıl etkiler?
Bu tekniklerin ana avantajı, biyolojik bir doku gibi çok düşük sertliğe ve çok yüksek hidrasyona sahip malzemeler için, çok çeşitli yükleme koşullarında test yapabilmeniz ve ayrıca çok çeşitli malzeme hacimlerinde test yapabilmenizdir, tek bir hücre seviyesine kadar ve tüm bir beyin seviyesine kadar. Bu tekniklerin sonuçları, koruyucu stratejilerin mühendisliği için önemli olan yaralanma sırasında beynin tepkisinin modellenmesine kadar uzanır. Bu yöntem beynin mekanik özellikleri hakkında fikir verebilse de, kalp ve karaciğer gibi diğer uyumlu biyolojik dokulara da uygulanabilir.
Uyumlu dokuların mekanik karakterizasyonu sırasında, ölçüm probu ile doku arasında uygun temasın kurulması çok önemlidir. Nominal yay sabiti metre başına 0,03 Newton ve 20 mikrometre çapında borosilikat boncuğa sahip bir AFM probunu prob tutucusuna dikkatlice yükleyin. Bir petri kabına monte edilmiş bir beyin dilimini, 37 santigrat dereceye kadar önceden ısıtılmış AFM aşamasına monte edilmiş bir ısıtıcıya yerleştirin.
Sonra yaklaşık iki mililitre önceden ısıtılmış ortam ekleyin. Daha sonra, beyin dilimini çevreleyen ortama indirildiğinde yüzey gerilimi nedeniyle kırılmasını önlemek için AFM probunun üzerine dikkatlice bir damla orta ekleyin. Ardından AFM kafasını sahneye yeniden yerleştirin ve kafayı ortama daldırılana kadar indirmeye başlayın.
Optik mikroskobu kullanarak, sahneyi, ilgilenilen bölge kalibre edilmiş AFM probunun altında olacak şekilde hareket ettirin, ardından dokunun yüzeyiyle temas etmek için AFM probunu indirin. Sürünme uyumluluk deneylerini yürütmek için, yazılımın işlev düzenleyicisinde uygulanan bir kuvvet işlevi oluşturun. Fonksiyon, 20 saniye boyunca tutulan 5 nanonewtonluk bir ayar noktasına 0,1 saniyelik bir rampadan ve ardından sıfır nanonewton'a kadar bir saniyelik bir rampadan oluşur.
Yazılım, uygulanan kuvvet fonksiyonu sırasında AFM probunun dokuya girintisi ile ilgili verileri kaydedecektir. Sürünme uyumluluk deneyini çalıştırdıktan sonra, yazılımda uygulanan bir girinti işlevi oluşturarak kuvvet gevşeme deneyleri gerçekleştirin. Yazılım, AFM probunun dokuya girinti yaparken maruz kaldığı kuvvet hakkında veri toplarken bu işlevi çalıştırın.
Darbe girinti testlerine başlamak için, küresel bir probu cımbız kullanarak sarkacın üzerine kaydırarak eşleştirin. Ardından erimiş kuvars numune direğini plakaya takın ve plakayı translasyon aşamasına vidalayın. Hidratlı beyin dokuları üzerinde dinamik etki deneylerini etkinleştirmek için önce sıvı hücre kalibrasyonunu gerçekleştirin.
Yazılımdaki Kalibrasyon menüsüne gidin, Sıvı Hücre'yi seçin ve erimiş kuvars numunesi ile temas kurmak için yazılım komutlarını izleyin. Ardından, Girinti Türü için Normal'i seçin ve Girinti Yükü için varsayılan değer olan 0,05 milinewton'u kullanın. Ardından, normal girinti yapılandırması için kalibrasyonu gerçekleştirmek üzere devam'a tıklayın.
Şimdi s'yi hareket ettirinampage en az beş milimetre geri ve kol kolunu monte edin. Girinti tipi için Sıvı Hücre'yi seçerek sıvı hücre kalibrasyonunu yeni konfigürasyonda tekrarlayın. Sıvı hücre kalibrasyon faktörünü elde etmek için Devam'a tıklayın.
Ardından, kapasitör plakası aralığını artırın. Kondansatör plakası aralığının arttırılması, son derece uyumlu malzemeleri test ederken gerekli olan maksimum ölçülebilir derinliği artıracaktır. Bir anahtarla, kapasitör plakası aralığını kontrol eden üç somunu küçük artışlarla saat yönünde çevirin.
Saat yönünde her tam dönüşten sonra, Bakım menüsü altında Köprü Kutusu Ayarı'nı seçin ve iyi bir sarkaç testi elde edin. Yaklaşık Derinlik Kalibrasyonu volt başına 70.000 nanometre veya daha yüksek bir değer okuyana kadar somunları yavaşça ayarlamaya devam edin.
Ardından, sarkacın altına bir güç kaynağı aracılığıyla açılıp kapatılabilen yeni bir limit durdurucu yerleştirin. Sarkaç hareketindeki olası bir engeli ortadan kaldırmak ve uyumlu numunelere daha yüksek darbe hızlarının yanı sıra daha yüksek penetrasyon derinliklerine izin vermek için sarkacın arkasında oturan orijinal limit durdurucuyu geri çekin. Solenoidin güç kaynağını açın ve 10 volta ayarlayın.
Ardından, Deney menüsüne gidin ve Darbe'yi seçin ve Darbe Yer Değiştirmesini Ayarlayın. Sarkacın dönüş mesafesini kalibre etmek için yazılım talimatlarını izleyin. Darbe girinti kurulumu tamamen tamamlandığında, ortamı aspire edin ve beyin dilimini kurutun.
Ardından, dilimlenmiş beyni alüminyum numune direğine sabitlemek için ince bir siyanoakrilat yapıştırıcı tabakası kullanın. Daha sonra sıvı hücreyi numune direğindeki ikinci O-ringin üzerine kaydırın ve dokuyu tamamen daldırmak için sıvı hücreyi beş mililitre karbondioksitten bağımsız ortamla doldurun. Kol kolundaki uç banyonun üzerine düzgün bir şekilde yerleşene kadar banyoyu negatif X yönünde hareket ettirin.
Ardından, uç tamamen banyoya daldırılana ve numunenin önüne gelene kadar pozitif Z yönünde hareket edin. Sample Stage Control penceresini kullanarak, dikkatlice temas edin ve ardından s'yi s'den yaklaşık 30 mikrometre uzağa geri çekin.ample. Deneme menüsünde Etki'yi tıklayın ve bir etki denemesi oluşturun.
Salınım mesafesi kalibrasyonuna dayalı olarak ortaya çıkan darbe hızıyla doğrudan ilgili olacak belirli bir darbe yükü seçin. Ve sonra zamanlanmış denemeyi çalıştırın. Sarkaç geri döndüğünde ve numune yüzeyi ölçüm düzlemine hareket etmeye devam ettiğinde, alt limit anahtarını kapatın.
Probun zamanın bir fonksiyonu olarak yer değiştirmesi yazılım tarafından kaydedilecektir. Zımpara kağıdını 25 milimetre çap ölçüm probuna takın. Ardından, termal sistemi takın ve probu monte edin.
Son olarak, üst plaka ile aynı hizada olan alt plakaya başka bir parça zımpara kağıdı yapıştırın. Reometreyi üreticinin talimatlarına göre kalibre edin. İlk olarak, prob üzerindeki kuvveti sıfırlayın.
İkinci olarak, prob ile alt plaka arasında temas kurun. Ardından probun ataletini ölçün. Son olarak, bir motor ayarı yapın.
Ardından ölçüm plakasını yavaşça indirin. Plaka dokunun bir milimetre içinde olduğunda, plaka dokunun üst yüzeyi ile tamamen temas edene ve ölçülen normal kuvvet istenen değere gelene kadar 0,1 milimetrelik artışlarla indirin. Prosedür sırasında hidrasyonu korumak için numunenin kenarlarına küçük bir hacimde ortam sıkın.
Termal davlumbazı indirin. Ardından, Dosya, Yeni'ye tıklayın ve Jel sekmesi altında Frekans Tarama'yı seçin. Ardından pencere ölçümüne bir frekans taramasına tıklayın ve salınım kutusuna çift tıklayın.
Frekans aralığını, gerinim ve nokta sayısını girin. Son olarak, Tamam'ı seçin ve frekans taramasını başlatmak için Başlat'a tıklayın. Burada, hem sürünme uyumu hem de kuvvet gevşeme deneyleri için temsili girinti ve kuvvete karşı zaman yanıtları verilmiştir.
Bu veriler ve sistemin geometrisi kullanılarak, beynin farklı bölgeleri için sürünme uyumu ve kuvvet gevşetme modülleri hesaplanabilir. Darbe girintisi, dokuların mekanik özelliklerini yüksek uzamsal ve zamansal olarak konsantre yükleme oranlarında ölçer. Ortaya çıkan darbe tepkisi parametreleri, dokunun hıza bağlı özelliklerini incelemek için bir araç sağlayan farklı darbe hızlarında ölçülebilir.
Reoloji, depolama ve kayıp modülleri açısından toplu dokunun frekansa bağlı viskoelastik özelliklerini ölçer. Depolama modülü, düşük frekanslardaki kayıp modülünden neredeyse daha büyük bir büyüklük sırasıdır, bu da elastik özelliklerin beyin dokusunun davranışına hakim olduğunu gösterir. Bu prosedürü denerken, dokuyu yeterince nemli tutmak veya dokunun düzgün yapısını korumasına yardımcı olan bir sıvıya daldırmak önemlidir.
Gösterilen bu tekniklerin geliştirilmesi, malzeme araştırmacılarının beynin mekanik tepkisini taklit edebilecek optimize edilmiş bir sentetik jel tasarlamalarının yolunu açmıştır. Bu videoyu izledikten sonra, dokunun viskoelastik mekanik özelliklerini karakterize etmek için atomik kuvvet mikroskobu etkin girinti, darbe girintisi ve reolojinin nasıl kullanıldığını iyi anlamış olmalısınız. Toplanan verileri yorumlarken, dokunun deforme olmuş hacminin yapısal olarak homojen ve elastik olarak izotropik olduğu varsayımını hatırlayın.
Bu, tüm biyolojik dokular için mutlaka doğru değildir. Biyolojik dokuların mekaniği ile ilgili sorularınız daha iyi tanımlandıkça, soruyu uygun uzunluk ölçeğinde veya ilgilendiğiniz zaman ölçeğinde cevaplamak için bu mekanik deneylerden birini veya birkaçını seçebilirsiniz.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, beyin dokusunun viskoelastik mekanik özelliklerini çeşitli ölçeklerde karakterize etme tekniklerini sunar. Bu yöntemler, beynin farklı yükleme koşullarına nasıl yanıt verdiğini ve hastalıkların mekanik özelliklerini nasıl etkilediğini anlamak için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Nörobilim
- Biyolojik Mühendislik
- Mekanik Karakterizasyon
Arka Plan
- Viskoelastik özellikler, beyin mekaniğini anlamak için gereklidir.
- Teknikler, yüksek yükleme oranlarında beyin deformasyonunu değerlendirebilir.
- Multipl skleroz ve otizm gibi hastalıklar beyin dokusu mekaniğini değiştirebilir.
- Elde edilen bilgiler, beyin yaralanmalarına karşı koruyucu stratejiler geliştirmede faydalı olabilir.
Çalışmanın Amacı
- Biyolojik dokuların viskoelastik özelliklerini ölçmek.
- Çeşitli yükleme koşullarının beyin mekaniği üzerindeki etkilerini keşfetmek.
- Bulgular diğer biyolojik dokulara, örneğin kalp ve karaciğer üzerine uygulanabilir hale getirmek.
Kullanılan Yöntemler
- Biyolojik dokular için karakterizasyon teknikleri.
- Geniş bir yükleme koşulları aralığında test etme.
- Tek hücrelerden tüm beyinlere kadar malzeme özelliklerinin değerlendirilmesi.
- Yaralanma senaryoları sırasında beyin tepkisini modelleme.
Ana Sonuçlar
- Teknikler beyin dokusu viskoelastikliğini etkili bir şekilde ölçer.
- Bulgular hastalıkların mekanik özellikleri üzerindeki etkisini ortaya koyar.
- Elde edilen bilgiler beyin yaralanma tepkilerinin anlaşılmasına katkıda bulunur.
- Yöntemler diğer uyumlu biyolojik dokular için de uygulanabilir.
Sonuçlar
- Karakterizasyon teknikleri biyolojik mühendislik için hayati öneme sahiptir.
- Mekanik özellikleri anlamak, yaralanma önlemeye yardımcı olur.
- Araştırmanın sonuçları nörobilimin ötesine, diğer alanlara yayılabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Characterizing the viscoelastic properties of brain tissue across multiple scales enables biopharma R&D to de-risk target validation by linking mechanical phenotypes to disease mechanisms. This multiscale approach supports predictive confidence in preclinical models by providing quantitative, reproducible readouts that inform assay development and translational biomarker strategies. The techniques address a critical gap in mechanobiology research, offering enterprise-relevant tools for screening and lead identification in neurotherapeutics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying how genetic or pharmacological perturbations alter brain tissue stiffness and viscoelastic response.
- Operational Value: Provides standardized, length-scale-specific mechanical readouts that support pathway clarification and biological de-risking of CNS targets.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying compounds that normalize pathological mechanical phenotypes in disease-relevant systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, high-resolution mechanical data (creep compliance, force relaxation, impact response) suitable for assay standardization across microscale to macroscale models.
- Operational Value: Enables reproducible measurement of tissue mechanical properties under controlled hydration and loading conditions, supporting assay robustness and scalability.
- Screening Readiness: Facilitates preparation of validated biological systems for downstream compound screening by establishing baseline mechanical phenotypes.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links mechanical alterations in brain tissue to disease states such as multiple sclerosis and autism, supporting translational biomarker alignment.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery through preclinical validation by providing cross-scale mechanical phenotyping.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by quantifying how interventions affect tissue-level mechanical properties predictive of functional outcomes.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical testing by providing mechanical phenotyping at relevant biological scales.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by measuring how molecular changes affect tissue viscoelasticity at cellular and tissue levels.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative mechanical outputs (storage/loss moduli, creep compliance) that enable reliable compound evaluation across loading rates.
- Analytics: Generates frequency-dependent and time-dependent viscoelastic metrics that allow teams to compare mechanical phenotypes across conditions and genetic backgrounds.
- Translational Research: Connects mechanical changes in brain tissue to disease models, supporting preclinical continuity and biomarker development.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable mechanical characterization platform applicable to multiple compliant tissues (brain, heart, liver) across projects and therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in CNS target validation through direct phenotyping of tissue-level mechanical properties.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility across laboratories via calibrated AFM, impact indentation, and rheometry protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of neurotherapeutic candidates based on mechanical phenotype rescue.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization by identifying compounds that restore normal viscoelastic behavior in disease-relevant brain tissue models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in biomechanics, AFM operation, and rheological analysis to ensure accurate data acquisition and interpretation.
- Dependent on specialized instrumentation including AFM with compliant probes, pendulum-based impact indenters, and temperature-controlled rheometers.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation, hydration maintenance, and calibration procedures to ensure reproducibility.
- Involves adaptation considerations when applying techniques across different tissue types or disease models with varying structural integrity.
- Limited by the assumption of structural homogeneity and elastic isotropy, which may not hold in heterogeneous or pathologically altered tissues.
