Elastografia de coerência óptica de vibrações ambientais atenuadas para perfilar propriedades mecânicas de células, organoides e tecidos

Jul 16, 2023

Biologia das Comunicações volume 6, Número do artigo: 543 (2023) Citar este artigo

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O papel do ambiente mecânico na definição da função, desenvolvimento e crescimento dos tecidos tem se mostrado fundamental. A avaliação das mudanças na rigidez das matrizes de tecido em várias escalas dependeu principalmente de equipamentos invasivos e muitas vezes especializados, como AFM ou dispositivos de teste mecânico pouco adequados ao fluxo de trabalho da cultura celular. Neste artigo, desenvolvemos um método de elastografia de coerência óptica passiva imparcial , explorando as vibrações do ambiente na amostra que permite o perfil quantitativo não invasivo em tempo real de células e tecidos. Demonstramos um método robusto que separa a dispersão óptica e as propriedades mecânicas, compensando ativamente o viés de ruído associado à dispersão e reduzindo a variância. A eficiência do método para recuperar a verdade fundamental é validada in silico e in vitro e exemplificada para aplicações importantes, como perfil mecânico ao longo do tempo de esferoides ósseos e cartilaginosos, modelos de câncer de engenharia de tecidos, modelos de reparo de tecidos e célula única. Nosso método é prontamente implementável com qualquer sistema de tomografia de coerência óptica comercial sem nenhuma modificação de hardware e, portanto, oferece um avanço na avaliação mecânica de tecidos on-line de propriedades mecânicas espaciais para organoides, tecidos moles e engenharia de tecidos.

O ambiente mecânico na homeostase tecidual tem se mostrado fundamental para a função, desenvolvimento e patologia de múltiplos órgãos1,2,3. A rigidez da matriz pode ser um indicador informativo em muitas aplicações biológicas e médicas. Na engenharia de tecidos, o volume e as propriedades mecânicas espaciais dos enxertos manipulados são cruciais para seu sucesso clínico após a implantação4,5,6,7. Por exemplo, a limitação de nutrientes pode criar uma região central mais macia na cartilagem projetada8,9. Na pesquisa do câncer, a rigidez diferencia o tecido maligno do tecido saudável10, e o monitoramento da mudança na rigidez do modelo 3D de células cancerígenas em resposta ao tratamento medicamentoso anticâncer pode potencialmente indicar a eficácia do medicamento11. No olho, a rigidez da córnea é indicativa de seu desempenho óptico sob pressão intraocular12. Abordagens tradicionais para testar as propriedades mecânicas de tecidos manipulados geralmente requerem contato direto com o tecido e não são estéreis, envolvendo o término da cultura celular13,14. Além disso, fornece apenas valores em massa, em vez de informações localizadas sobre a heterogeneidade mecânica espacial do tecido manipulado. Culturas de fabricação ou de longo prazo precisam de monitoramento contínuo fácil sem danificar as culturas 3D e os sistemas ópticos fornecem uma solução potencial. Portanto, é necessário um sistema para monitoramento on-line estéril do volume e das propriedades mecânicas espaciais de tecidos 3D in vitro, como matrizes de células semeadas, organoides ou explantes ex vivo.

A quantificação e mapeamento espacial da rigidez, um processo conhecido como elastografia, pode ser geralmente realizado estimulando uma amostra, medindo sua deformação e inferindo suas propriedades mecânicas por meio do ajuste a um modelo parametrizado. A elastografia foi implementada pela primeira vez com imagens de ultrassom15, depois ressonância magnética16 e mais recentemente com métodos ópticos como recentemente revisado17. A tomografia de coerência óptica (OCT)18 é particularmente adequada para rastreamento de deformação elastográfica em amostras pequenas, devido à sua capacidade de imagem 3D não invasiva de alta resolução19 e sua capacidade de codificar com precisão o deslocamento em sua fase20.

Os primeiros métodos de elastografia de coerência óptica (OCE) usavam compressão de superfície com rastreamento de speckle21,22 e medição de atraso de fase posterior23, mas o conceito foi realizado com muitas outras formas de estimulação de contato e sem contato24. Uma abordagem bem-sucedida é lançar ondas de cisalhamento controladas no material a partir de carregamento dinâmico pontual por meio de um sopro de ar25 e medir a velocidade da onda espacialmente resolvida usando OCT, que está intimamente ligada à rigidez do material26 e foi demonstrada in vivo27. As ondas de cisalhamento difusas de banda larga que ocorrem naturalmente também podem ser exploradas para medir o comprimento de onda de cisalhamento28,29, um conceito usado por Nguyen et al.30 com OCT, onde é referido como 'elastografia passiva'. Uma abordagem estreitamente relacionada por Zvietcovich et al.31 mede o comprimento de onda de ondas reverberantes de uma matriz de fontes de ponto de contato vibrando em uma única frequência, onde foi aplicado com sucesso ex-vitro para quantificar a rigidez da córnea.