Summary

Mätning av lokala vävnadsstammar i senor via digital bildkorrelation med öppen källkod

Published: January 27, 2023
doi:

Summary

Detta dokument beskriver en öppen källkod digital bildkorrelationsalgoritm för mätning av lokala 2D-vävnadsstammar inom senexplantat. Teknikens noggrannhet har validerats med hjälp av flera tekniker, och den är tillgänglig för allmän användning.

Abstract

Det finns ett stort vetenskapligt intresse för att förstå de stammar som senceller upplever in situ och hur dessa stammar påverkar vävnadsremodellering. Baserat på detta intresse har flera analystekniker utvecklats för att mäta lokala vävnadsstammar inom senexplantat under belastning. I flera fall har dock dessa teknikers noggrannhet och känslighet inte rapporterats, och ingen av algoritmerna är offentligt tillgängliga. Detta har gjort det svårt för en mer utbredd mätning av lokala vävnadsstammar i senexplantat. Därför var målet med denna uppsats att skapa ett validerat analysverktyg för mätning av lokala vävnadsstammar i senexplantat som är lättillgängligt och lätt att använda. Specifikt anpassades en offentligt tillgänglig augmented-Lagrangian digital image correlation (ALDIC) algoritm för att mäta 2D-stammar genom att spåra förskjutningarna av cellkärnor i musens akillessenor under enaxlig spänning. Dessutom validerades noggrannheten hos de beräknade stammarna genom att analysera digitalt transformerade bilder, samt genom att jämföra stammarna med värden bestämda från en oberoende teknik (dvs. fotoblekta linjer). Slutligen införlivades en teknik i algoritmen för att rekonstruera referensbilden med hjälp av det beräknade förskjutningsfältet, som kan användas för att bedöma algoritmens noggrannhet i frånvaro av kända töjningsvärden eller en sekundär mätteknik. Algoritmen kan mäta stammar upp till 0,1 med en noggrannhet på 0,00015. Tekniken för att jämföra en rekonstruerad referensbild med den faktiska referensbilden identifierade framgångsrikt prover som hade felaktiga data och indikerade att i prover med bra data var cirka 85% av förskjutningsfältet korrekt. Slutligen överensstämde de stammar som uppmättes i hälsenor med den tidigare litteraturen. Därför är denna algoritm ett mycket användbart och anpassningsbart verktyg för noggrann mätning av lokala vävnadsstammar i senor.

Introduction

Senor är mekanokänsliga vävnader som anpassar sig och degenererar som svar på mekanisk belastning 1,2,3,4. På grund av den roll som mekaniska stimuli spelar i sencellbiologi finns det ett stort intresse för att förstå de stammar som senceller upplever i den ursprungliga vävnadsmiljön under belastning. Flera experimentella och analytiska tekniker har utvecklats för att mäta lokala vävnadsstammar i senor. Dessa inkluderar 2D / 3D digital bildkorrelation (DIC) analyser av ytstammar med antingen fläckmönster eller fotoblekta linjer (PBL) 5,6,7,8, mätning av förändringarna i centroid-till-centroidavståndet för enskilda kärnor i vävnaden 9,10 och en ny fullfälts 3D DIC-metod som tar hänsyn till rörelse utanför planet och 3D-deformationer 11 . Noggrannheten och känsligheten hos dessa tekniker har dock rapporterats i endast ett fåtal fall, och ingen av dessa tekniker har gjorts allmänt tillgängliga, vilket gör det svårt att allmänt anta och använda dessa tekniker.

Målet med detta arbete var att skapa ett validerat analysverktyg för mätning av lokala vävnadsstammar i senexplantat som är lättillgängligt och lätt att använda. Den valda metoden är baserad på en offentligt tillgänglig augmented-Lagrangian digital image correlation (ALDIC) algoritm skriven i MATLAB som utvecklades av Yang och Bhattacharya12. Denna algoritm anpassades för att analysera senprover och validerades genom att tillämpa den på digitalt transformerade bilder och genom att jämföra de stammar som uppmättes i faktiska senprover med resultaten erhållna från fotoblekta linjer. Dessutom implementerades ytterligare funktionalitet i algoritmen för att bekräfta noggrannheten i det beräknade förskjutningsfältet även i frånvaro av kända töjningsvärden eller en sekundär mätteknik. Därför är denna algoritm ett mycket användbart och anpassningsbart verktyg för att noggrant mäta lokala 2D-vävnadsstammar i senor.

Protocol

Denna studie godkändes av Pennsylvania State University Institutional Animal Care and Use Committee. 1. Beredning av vävnad För detta protokoll, skörda hälsenorna från 2-4 månader gamla manliga C57BL / 6-möss.OBS: Olika senor eller ligament från möss eller andra små djur kan också användas.Gör ett snitt på huden ytligt till akillessenen för att exponera plantarissenan och den omgivande bindväven. Ta sedan bort dem med ett kirurgiskt blad….

Representative Results

Innan analysen av töjningsfälten i faktiska vävnadsprover validerades ALDIC-protokollet först med hjälp av digitalt ansträngda/transformerade bilder av kärnor i hälsenor hos möss. Specifikt omvandlades bilderna för att digitalt producera enhetliga stammar i x-riktningen 2%, 4%, 6%, 8% och 10% stam med en simulerad Poissons förhållande på 115,16. ALDIC-algoritmens noggrannhet bedömdes sedan genom att jämföra de genomsnittliga beräknade töjningsv?…

Discussion

Syftet med denna artikel var att tillhandahålla en validerad metod med öppen källkod för att mäta 2D-töjningsfält i senor under dragbelastning. Grunden för programvaran baserades på en allmänt tillgänglig ALDIC-algoritm12. Denna algoritm var inbäddad i en större MATLAB-kod med den extra funktionaliteten för inkrementell (kontra kumulativ) stamanalys. Denna anpassade algoritm tillämpades sedan på dragprovning av senor, och dess noggrannhet bedömdes med två olika tekniker (dvs. dig…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete finansierades av National Institutes of Health (R21 AR079095) och National Science Foundation (2142627).

Materials

5-DTAF (5-(4,6-Dichlorotriazinyl) Aminofluorescein), single isomer ThermoFisher D16
Calipers Mitutoyo 500-196-30
Confocal Microscope Nikon A1R HD
Corning LSE Vortex Mixer Coning 6775
DRAQ5 Fluorescent Probe Solution (5 mM) ThermoFisher 62554
MATLAB MathWorks R2022b
Tensile Loading Device N/A N/A Tensile loading device described in Peterson et al, 2020. (ref 13) 
Tube Revolver Rotator ThermoFisher 88881001

Referenzen

  1. Devkota, A. C. Distributing a fixed amount of cyclic loading to tendon explants over longer periods induces greater cellular and mechanical responses. Journal of Orthopaedic Research. 11 (4), 1609-1612 (2007).
  2. Sun, H. B., et al. Cycle-dependent matrix remodeling gene expression response in fatigue-loaded rat patellar tendons. Journal of Orthopaedic Research. 28 (10), 1380-1386 (2010).
  3. Shepherd, J. H., Screen, H. R. C. Fatigue loading of tendon. International Journal of Experimental Pathology. 94 (4), 260-270 (2013).
  4. Paschall, L., Pedaprolu, K., Carrozzi, S., Dhawan, A., Szczesny, S. Mechanical stimulation as both the cause and the cure of tendon and ligament injuries. Regenerative Rehabilitation: From Basic Science to the Clinic. , 359-386 (2022).
  5. Andarawis-Puri, N., Ricchetti, E. T., Soslowsky, L. J. Rotator cuff tendon strain correlates with tear propagation. Journal of Biomechanics. 42 (2), 158-163 (2009).
  6. Cheng, V. W. T., Screen, H. R. C. The micro-structural strain response of tendon. Journal of Materials Science. 42 (21), 8957-8965 (2007).
  7. Luyckx, T., et al. Digital image correlation as a tool for three-dimensional strain analysis in human tendon tissue. Journal of Experimental Orthopaedics. 1 (1), 7 (2014).
  8. Duncan, N. A., Bruehlmann, S. B., Hunter, C. J., Shao, X., Kelly, E. J. In situ cell-matrix mechanics in tendon fascicles and seeded collagen gels: Implications for the multiscale design of biomaterials. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 17 (1), 39-47 (2014).
  9. Arnoczky, S. P., Lavagnino, M., Whallon, J. H., Hoonjan, A. In situ cell nucleus deformation in tendons under tensile load; A morphological analysis using confocal laser microscopy. Journal of Orthopaedic Research. 20 (1), 29-35 (2002).
  10. Screen, H. R. C., Bader, D. L., Lee, D. A., Shelton, J. C. Local strain measurement within tendon. Strain. 40 (4), 157-163 (2004).
  11. Fung, A. K., Paredes, J. J., Andarawis-Puri, N. Novel image analysis methods for quantification of in situ 3-D tendon cell and matrix strain. Journal of Biomechanics. 67, 184-189 (2018).
  12. Yang, J., Bhattacharya, K. Augmented Lagrangian digital image correlation. Experimental Mechanics. 59 (2), 187-205 (2019).
  13. Peterson, B. E., Szczesny, S. E. Dependence of tendon multiscale mechanics on sample gauge length is consistent with discontinuous collagen fibrils. Acta Biomaterialia. 117, 302-309 (2020).
  14. Humphrey, J. D., O’Rourke, S. L. . An Introduction to Biomechanics. , (2015).
  15. Reese, S. P., Weiss, J. A. Tendon fascicles exhibit a linear correlation between Poisson’s ratio and force during uniaxial stress relaxation. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (3), 34501 (2013).
  16. Ahmadzadeh, H., Freedman, B. R., Connizzo, B. K., Soslowsky, L. J., Shenoy, V. B. Micromechanical poroelastic finite element and shear-lag models of tendon predict large strain dependent Poisson’s ratios and fluid expulsion under tensile loading. Acta Biomaterialia. 22, 83-91 (2015).
  17. Szczesny, S. E., Elliott, D. M. Interfibrillar shear stress is the loading mechanism of collagen fibrils in tendon. Acta Biomaterialia. 10 (6), 2582-2590 (2014).
  18. Han, W. M., et al. Macro- to microscale strain transfer in fibrous tissues is heterogeneous and tissue-specific. Biophysical Journal. 105 (3), 807-817 (2013).
  19. Pedaprolu, K., Szczesny, S. E. A novel, open-source, low-cost bioreactor for load-controlled cyclic loading of tendon explants. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (8), 084505 (2022).
  20. Gatt, R., et al. Negative Poisson’s ratios in tendons: An unexpected mechanical response. Acta Biomaterialia. 24, 201-208 (2015).
check_url/de/64921?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Godshall, S., Pedaprolu, K., Vasti, E., Eskandari, F., Szczesny, S. E. Measuring Local Tissue Strains in Tendons via Open-Source Digital Image Correlation. J. Vis. Exp. (191), e64921, doi:10.3791/64921 (2023).

View Video