Caracterización de tejidos biológicos blandos con nuevos métodos de prueba biomecánica en el laboratorio.

Característica del 23 de enero de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Medical Xpress

Los tejidos biológicos blandos son componentes importantes que influyen en la fisiología y las enfermedades humanas, ya que afectan el comportamiento celular durante el desarrollo, mantenimiento y reparación de los tejidos. La mayoría de los métodos existentes están limitados por técnicas de caracterización integrales que perjudican los procesos fundamentales que subyacen a la arquitectura del tejido.

En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances, Luca Rosalia y un equipo de investigación en ciencias de la salud, física e ingeniería de Harvard y Cambridge desarrollaron un instrumento para pruebas de tracción uniaxial de un tejido biológico blando en el laboratorio, basado en interacciones de circuito cerrado. entre un actuador electromagnético y un sensor de tensión óptico.

El equipo validó el instrumento utilizando elastómeros sintéticos y luego utilizó el dispositivo para examinar las propiedades mecánicas de los tejidos blandos, como el tejido esofágico murino y sus capas constituyentes, que incluyen tejidos epiteliales, conectivos y musculares. Los científicos mejoraron la fiabilidad del instrumento para facilitar una plataforma ideal para una amplia gama de estudios sobre la biomecánica del tejido biológico blando.

Las propiedades de los tejidos blandos incluyen rigidez, resistencia y viscoelasticidad que son clave para diversos procesos biológicos, incluida la morfogénesis embrionaria, el desarrollo posnatal y la función fisiológica. Estas propiedades biológicas también desempeñan un papel en el inicio y la progresión de una variedad de patologías, desde el cáncer hasta la cicatrización de heridas y la fibrosis, así como enfermedades cardiovasculares. Sin embargo, los datos mecánicos disponibles sobre tejidos biológicos son escasos debido a las limitaciones de los métodos de caracterización existentes. Por ejemplo, en la actualidad, las propiedades de tracción de los tejidos biológicos se pueden evaluar principalmente mediante microscopía de fuerza atómica.

En este trabajo, Rosalía y el equipo introdujeron el diseño y desarrollo de un aparato de prueba de tracción y validaron su rendimiento frente a métodos de prueba convencionales utilizando primero elastómeros sintéticos con propiedades mecánicas ya conocidas, seguido de la caracterización biomecánica del esófago murino y sus capas constitutivas. comprender el rendimiento del dispositivo recientemente desarrollado y determinar la confiabilidad del método establecido en el laboratorio.

Los investigadores utilizaron el instrumento propuesto para probar su carácter biomecánico en la escala milimétrica. Los parámetros correspondían al tamaño promedio de muestras de tejido humano biopsiadas rutinariamente en la clínica y a tejido embrionario de ratón y adulto utilizado en biomedicina. El equipo dividió la arquitectura del instrumento propuesto en tres secciones en relación con sus aplicaciones para incluir el manejo de muestras, la aplicación de fuerza y ​​las mediciones de deformación.

Los investigadores diseñaron el instrumento mecánico para alinear su fuente de luz, electroimán y cámara de muestra de montaje en una configuración confiable. Integraron componentes eléctricos y ópticos del dispositivo para realizar simultáneamente pruebas de tracción e imágenes en vivo de pequeñas muestras de tejido biológico. También incluyeron un actuador magnético dentro del dispositivo y un electroimán para generar un campo magnético variable y un sistema óptico.

El equipo pretendía probar la biomecánica de los tejidos biológicos blandos manteniéndolos lo más cerca posible de su entorno fisiológico. Lo lograron diseñando una cámara de montaje transparente y sumergiendo el tejido de la muestra de prueba en una solución salina. Luego diseñaron un sistema de retroalimentación de circuito cerrado para facilitar la estabilidad electromagnética y las propiedades mecánicas que surgen de la muestra, que incluían sensores externos, vibraciones o ruido del sensor.

Los científicos validaron comparativamente el dispositivo evaluando su rendimiento con métodos establecidos, utilizando polivinilsiloxano en el instrumento y en un probador de tracción Instron. Luego probaron la cámara de montaje para recrear el entorno fisiológico de los tejidos biológicos logrado con modelado de elementos finitos para caracterizar aún más la respuesta estrés-deformación del dispositivo.

A continuación, el equipo identificó las múltiples capas de tejido que rodean el esófago, incluidas la mucosa, la submucosa y la túnica muscular. Utilizando el dispositivo, también realizaron la primera técnica de prueba de tracción uniaxial en estudio para caracterizar biomecánicamente todo el tejido esofágico y sus tres capas constituyentes principales. La mucosa contenía un epitelio estratificado escamoso con células suprabasales diferenciadas y células progenitoras basales autorrenovables.

Los bioingenieros todavía tienen que caracterizar exhaustivamente el comportamiento mecánico del esófago debido a la falta de métodos de prueba adecuados en un campo de investigación que se limita en gran medida a los modelos animales. En este trabajo, el equipo llevó a cabo el primer método de prueba de tracción uniaxial para caracterizar biomecánicamente todo el tejido esofágico del ratón y sus tres capas constituyentes.

De esta manera, Luca Rosalia y sus colegas desarrollaron un dispositivo de alta fidelidad para pruebas de tracción uniaxial de tejidos biológicos blandos. El dispositivo funcionó como un sistema de circuito cerrado para generar una fuerza de tracción basada en las interacciones entre un electroimán y una perla ferromagnética, mientras rastreaba el desplazamiento de la muestra bajo una variedad de condiciones de carga. Los científicos validaron el dispositivo caracterizando las propiedades elásticas de los materiales sintéticos y luego investigando la biomecánica del esófago del ratón.

Las investigaciones futuras pueden facilitar mediciones adicionales de las propiedades viscoelásticas de los tejidos biológicos blandos para, en última instancia, respaldar el proceso de toma de decisiones informadas para los resultados de diagnóstico o pronóstico durante la mecanobiología traslacional en la investigación clínica.

Más información: Luca Rosalia et al, Un método de prueba de tracción con detección óptica y activación magnética para la caracterización mecánica de tejidos biológicos blandos, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade2522

Pei-Hsun Wu et al, Comparación de métodos para evaluar las propiedades mecánicas celulares, Nature Methods (2018). DOI: 10.1038/s41592-018-0015-1

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