Het meten van lokale weefselspanningen in pezen via open-source digitale beeldcorrelatie
Summary
Dit artikel beschrijft een open-source digitaal beeldcorrelatiealgoritme voor het meten van lokale 2D-weefselspanningen in peesexplantaten. De nauwkeurigheid van de techniek is gevalideerd met behulp van meerdere technieken en is beschikbaar voor openbaar gebruik.
Abstract
Er is veel wetenschappelijke interesse in het begrijpen van de stammen die peescellen in situ ervaren en hoe deze stammen weefselremodellering beïnvloeden. Op basis van deze interesse zijn verschillende analytische technieken ontwikkeld om lokale weefselspanningen in peesexplantaten te meten tijdens het laden. In verschillende gevallen zijn de nauwkeurigheid en gevoeligheid van deze technieken echter niet gerapporteerd en geen van de algoritmen is openbaar beschikbaar. Dit heeft het moeilijk gemaakt voor de meer wijdverspreide meting van lokale weefselspanningen in peesexplantaten. Daarom was het doel van dit artikel om een gevalideerde analysetool te creëren voor het meten van lokale weefselspanningen in peesexplantaten die direct beschikbaar en gemakkelijk te gebruiken is. In het bijzonder werd een openbaar beschikbaar augmented-Lagrangian digital image correlation (ALDIC) -algoritme aangepast voor het meten van 2D-stammen door de verplaatsingen van celkernen in achillespezen van muizen onder uniaxiale spanning te volgen. Bovendien werd de nauwkeurigheid van de berekende stammen gevalideerd door digitaal getransformeerde beelden te analyseren en door de stammen te vergelijken met waarden die zijn bepaald met behulp van een onafhankelijke techniek (d.w.z. gefotobleekte lijnen). Ten slotte werd een techniek in het algoritme opgenomen om het referentiebeeld te reconstrueren met behulp van het berekende verplaatsingsveld, dat kan worden gebruikt om de nauwkeurigheid van het algoritme te beoordelen bij afwezigheid van bekende rekwaarden of een secundaire meettechniek. Het algoritme is in staat om stammen tot 0,1 te meten met een nauwkeurigheid van 0,00015. De techniek voor het vergelijken van een gereconstrueerd referentiebeeld met het werkelijke referentiebeeld identificeerde met succes monsters met onjuiste gegevens en gaf aan dat, in monsters met goede gegevens, ongeveer 85% van het verplaatsingsveld nauwkeurig was. Ten slotte waren de stammen gemeten in achillespezen van muizen consistent met de eerdere literatuur. Daarom is dit algoritme een zeer nuttig en aanpasbaar hulpmiddel voor het nauwkeurig meten van lokale weefselspanningen in pezen.
Introduction
Pezen zijn mechanosensitieve weefsels die zich aanpassen en degenereren als reactie op mechanische belasting 1,2,3,4. Vanwege de rol die mechanische stimuli spelen in de biologie van peescellen, is er een grote interesse in het begrijpen van de spanningen die peescellen ervaren in de inheemse weefselomgeving tijdens het laden. Er zijn verschillende experimentele en analytische technieken ontwikkeld om lokale weefselspanningen in pezen te meten. Deze omvatten 2D / 3D digitale beeldcorrelatie (DIC) analyses van oppervlaktespanningen met behulp van spikkelpatronen of gebleekte lijnen (PBL’s) 5,6,7,8, meting van de veranderingen in de centroïde-tot-centroïde afstand van individuele kernen in het weefsel 9,10, en een recente full-field 3D DIC-methode die rekening houdt met out-of-plane beweging en 3D-vervormingen 11 . De nauwkeurigheid en gevoeligheid van deze technieken zijn echter slechts in enkele gevallen gemeld en geen van deze technieken is openbaar gemaakt, wat de wijdverbreide toepassing en het gebruik van deze technieken moeilijk maakt.
Het doel van dit werk was om een gevalideerd analyse-instrument te creëren voor het meten van lokale weefselspanningen in peesexplantaten dat direct beschikbaar en gemakkelijk te gebruiken is. De gekozen methode is gebaseerd op een openbaar beschikbaar augmented-Lagrangian digital image correlation (ALDIC) algoritme geschreven in MATLAB dat is ontwikkeld door Yang en Bhattacharya12. Dit algoritme werd aangepast voor het analyseren van peesmonsters en gevalideerd door het toe te passen op digitaal getransformeerde beelden en door de stammen gemeten in werkelijke peesmonsters te vergelijken met de resultaten verkregen uit gefotobleekte lijnen. Bovendien werd extra functionaliteit in het algoritme geïmplementeerd om de nauwkeurigheid van het berekende verplaatsingsveld te bevestigen, zelfs als er geen bekende rekwaarden of een secundaire meettechniek waren. Daarom is dit algoritme een zeer nuttig en aanpasbaar hulpmiddel voor het nauwkeurig meten van lokale 2D-weefselspanningen in pezen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit artikel was om een open-source, gevalideerde methode te bieden om de 2D-rekvelden in pezen onder trekbelasting te meten. De basis van de software was gebaseerd op een openbaar beschikbaar ALDIC-algoritme12. Dit algoritme was ingebed in een grotere MATLAB-code met de toegevoegde functionaliteit van incrementele (versus cumulatieve) stamanalyse. Dit aangepaste algoritme werd vervolgens toegepast op het trekken van pezen en de nauwkeurigheid ervan werd beoordeeld met twee verschillen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door de National Institutes of Health (R21 AR079095) en de 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 |
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).
