قياس سلالات الأنسجة المحلية في الأوتار عبر ارتباط الصورة الرقمية مفتوحة المصدر
Summary
تصف هذه الورقة خوارزمية ارتباط الصور الرقمية مفتوحة المصدر لقياس سلالات الأنسجة 2D المحلية داخل نباتات الأوتار. تم التحقق من دقة التقنية باستخدام تقنيات متعددة ، وهي متاحة للاستخدام العام.
Abstract
هناك اهتمام علمي كبير بفهم السلالات التي تواجهها خلايا الأوتار في الموقع وكيف تؤثر هذه السلالات على إعادة تشكيل الأنسجة. بناء على هذا الاهتمام ، تم تطوير العديد من التقنيات التحليلية لقياس سلالات الأنسجة المحلية داخل نباتات الأوتار أثناء التحميل. ومع ذلك ، في العديد من الحالات ، لم يتم الإبلاغ عن دقة وحساسية هذه التقنيات ، ولا تتوفر أي من الخوارزميات للجمهور. وقد جعل هذا من الصعب قياس سلالات الأنسجة المحلية على نطاق واسع في زراعة الأوتار. لذلك ، كان الهدف من هذه الورقة هو إنشاء أداة تحليل تم التحقق من صحتها لقياس سلالات الأنسجة المحلية في نباتات الأوتار المتاحة بسهولة وسهلة الاستخدام. على وجه التحديد ، تم تكييف خوارزمية ارتباط الصور الرقمية المعززة (ALDIC) المتاحة للجمهور لقياس سلالات 2D من خلال تتبع إزاحة نوى الخلية داخل أوتار أخيل الفأر تحت التوتر أحادي المحور. بالإضافة إلى ذلك ، تم التحقق من دقة السلالات المحسوبة من خلال تحليل الصور المحولة رقميا ، وكذلك من خلال مقارنة السلالات بالقيم المحددة من تقنية مستقلة (أي الخطوط المبيضة ضوئيا). أخيرا ، تم دمج تقنية في الخوارزمية لإعادة بناء الصورة المرجعية باستخدام حقل الإزاحة المحسوب ، والذي يمكن استخدامه لتقييم دقة الخوارزمية في حالة عدم وجود قيم إجهاد معروفة أو تقنية قياس ثانوية. الخوارزمية قادرة على قياس سلالات تصل إلى 0.1 بدقة 0.00015. نجحت تقنية مقارنة صورة مرجعية أعيد بناؤها مع الصورة المرجعية الفعلية في تحديد العينات التي تحتوي على بيانات خاطئة وأشارت إلى أنه في العينات ذات البيانات الجيدة ، كان ما يقرب من 85٪ من مجال الإزاحة دقيقا. أخيرا ، كانت السلالات المقاسة في أوتار أخيل الفأر متسقة مع الأدبيات السابقة. لذلك ، تعد هذه الخوارزمية أداة مفيدة للغاية وقابلة للتكيف لقياس سلالات الأنسجة المحلية في الأوتار بدقة.
Introduction
الأوتار هي أنسجة حساسة ميكانيكيا تتكيف وتتدهور استجابة للتحميل الميكانيكي1،2،3،4. نظرا للدور الذي تلعبه المحفزات الميكانيكية في بيولوجيا خلايا الأوتار ، هناك اهتمام كبير بفهم السلالات التي تواجهها خلايا الأوتار في بيئة الأنسجة الأصلية أثناء التحميل. تم تطوير العديد من التقنيات التجريبية والتحليلية لقياس سلالات الأنسجة المحلية في الأوتار. وتشمل هذه تحليلات ارتباط الصورة الرقمية 2D / 3D (DIC) للإجهادات السطحية باستخدام أنماط البقع أو الخطوط المبيضة ضوئيا (PBLs) 5،6،7،8 ، وقياس التغيرات في المسافة من النقط الوسطى إلى النوى الفردية داخل الأنسجة9،10 ، وطريقة حديثة ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد كاملة المجال تأخذ في الاعتبار الحركة خارج المستوى والتشوهات ثلاثية الأبعاد11 . ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ عن دقة وحساسية هذه التقنيات إلا في حالات قليلة، ولم يتم إتاحة أي من هذه التقنيات للجمهور، مما يجعل اعتماد هذه التقنيات واستخدامها على نطاق واسع أمرا صعبا.
كان الهدف من هذا العمل هو إنشاء أداة تحليل تم التحقق من صحتها لقياس سلالات الأنسجة المحلية في نباتات الأوتار المتاحة بسهولة وسهلة الاستخدام. تعتمد الطريقة المختارة على خوارزمية ارتباط الصور الرقمية المعززة (ALDIC) المتاحة للجمهور والمكتوبة في MATLAB والتي تم تطويرها بواسطة Yang و Bhattacharya12. تم تكييف هذه الخوارزمية لتحليل عينات الأوتار والتحقق من صحتها من خلال تطبيقها على الصور المحولة رقميا ومقارنة السلالات المقاسة في عينات الأوتار الفعلية بالنتائج التي تم الحصول عليها من الخطوط المبيضة ضوئيا. علاوة على ذلك ، تم تنفيذ وظائف إضافية في الخوارزمية لتأكيد دقة حقل الإزاحة المحسوب حتى في حالة عدم وجود قيم إجهاد معروفة أو تقنية قياس ثانوية. لذلك ، هذه الخوارزمية هي أداة مفيدة للغاية وقابلة للتكيف لقياس سلالات الأنسجة 2D المحلية بدقة في الأوتار.
Protocol
Representative Results
Discussion
كان الهدف من هذه الورقة هو توفير طريقة مفتوحة المصدر ومعتمدة لقياس حقول إجهاد 2D في الأوتار تحت حمل الشد. استند أساس البرنامج إلى خوارزمية ALDIC المتاحة للجمهور12. تم تضمين هذه الخوارزمية في رمز MATLAB أكبر مع الوظيفة المضافة لتحليل الإجهاد التدريجي (مقابل التراكمي). ثم تم تطبيق هذه ا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R21 AR079095) والمؤسسة الوطنية للعلوم (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 |
References
- 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).
- 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).
- Shepherd, J. H., Screen, H. R. C. Fatigue loading of tendon. International Journal of Experimental Pathology. 94 (4), 260-270 (2013).
- 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).
- 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).
- Cheng, V. W. T., Screen, H. R. C. The micro-structural strain response of tendon. Journal of Materials Science. 42 (21), 8957-8965 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Screen, H. R. C., Bader, D. L., Lee, D. A., Shelton, J. C. Local strain measurement within tendon. Strain. 40 (4), 157-163 (2004).
- 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).
- Yang, J., Bhattacharya, K. Augmented Lagrangian digital image correlation. Experimental Mechanics. 59 (2), 187-205 (2019).
- 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).
- Humphrey, J. D., O’Rourke, S. L. . An Introduction to Biomechanics. , (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Gatt, R., et al. Negative Poisson’s ratios in tendons: An unexpected mechanical response. Acta Biomaterialia. 24, 201-208 (2015).
