מדידת זני רקמה מקומיים בגידים באמצעות מתאם תמונה דיגיטלית בקוד פתוח
Summary
מאמר זה מתאר אלגוריתם מתאם תמונה דיגיטלית בקוד פתוח למדידת זני רקמות דו-ממדיים מקומיים בתוך צמחי גידים. דיוק הטכניקה אומת באמצעות טכניקות רבות, והיא זמינה לשימוש ציבורי.
Abstract
קיים עניין מדעי רב בהבנת הזנים שתאי גידים חווים באתרם וכיצד זנים אלה משפיעים על עיצוב מחדש של רקמות. בהתבסס על עניין זה, פותחו מספר טכניקות אנליטיות למדידת זני רקמה מקומיים בתוך צמחי גידים במהלך העמסה. עם זאת, במספר מקרים, הדיוק והרגישות של טכניקות אלה לא דווחו, ואף אחד מהאלגוריתמים אינו זמין לציבור. עובדה זו הקשתה על מדידה נרחבת יותר של זני רקמה מקומיים בצמחי גידים. לכן, מטרת מאמר זה הייתה ליצור כלי ניתוח מתוקף למדידת זני רקמה מקומיים בצמחי גידים, זמין וקל לשימוש. באופן ספציפי, אלגוריתם ALDIC (רגימנט-לגראנז’יאני) זמין לציבור הותאם למדידת זנים דו-ממדיים על ידי מעקב אחר התזוזות של גרעיני התא בתוך גידי אכילס של עכבר תחת מתח חד-צירי. בנוסף, הדיוק של הזנים המחושבים אומת על ידי ניתוח תמונות שעברו טרנספורמציה דיגיטלית, כמו גם על ידי השוואת הזנים עם ערכים שנקבעו מטכניקה עצמאית (כלומר, קווים מולבנים). לבסוף, שולבה באלגוריתם טכניקה לשחזור תמונת הייחוס באמצעות שדה התזוזה המחושב, שניתן להשתמש בו כדי להעריך את דיוק האלגוריתם בהיעדר ערכי מתח ידועים או טכניקת מדידה משנית. האלגוריתם מסוגל למדוד זנים עד 0.1 בדיוק של 0.00015. הטכניקה להשוואת תמונת ייחוס משוחזרת לתמונת הייחוס בפועל זיהתה בהצלחה דגימות עם נתונים שגויים והצביעה על כך שבדגימות עם נתונים טובים, כ-85% משדה התזוזה היה מדויק. לבסוף, הזנים שנמדדו בגידי אכילס של עכברים תאמו את הספרות הקודמת. לכן, אלגוריתם זה הוא כלי שימושי ביותר וניתן להתאמה למדידה מדויקת של זני רקמות מקומיים בגידים.
Introduction
גידים הם רקמות רגישות למכנו שמסתגלות ומתנוונות בתגובה לעומס מכני 1,2,3,4. בשל התפקיד שממלאים גירויים מכניים בביולוגיה של תאי הגידים, קיים עניין רב בהבנת הזנים שתאי הגידים חווים בסביבת הרקמה הטבעית במהלך ההעמסה. פותחו מספר טכניקות ניסיוניות ואנליטיות למדידת זני רקמות מקומיים בגידים. אלה כוללים ניתוחי מתאם תמונה דיגיטלית דו-ממדית / תלת-ממדית (DIC) של זני פני השטח באמצעות תבניות כתמים או קווים פוטו-מולבנים (PBLs)5,6,7,8, מדידת השינויים במרחק הצנטרואידי לצנטרואידי של גרעינים בודדים בתוך הרקמה 9,10, ושיטת DIC תלת-ממדית בשדה מלא ששקלה לאחרונה תנועה מחוץ למישור ועיוותים תלת-ממדיים 11 . עם זאת, הדיוק והרגישות של טכניקות אלה דווחו רק במקרים ספורים, ואף אחת מהטכניקות הללו לא פורסמה לציבור, מה שמקשה על אימוץ ושימוש נרחב בטכניקות אלה.
מטרת עבודה זו הייתה ליצור כלי ניתוח מתוקף למדידת זני רקמה מקומיים בצמחי גידים, זמין וקל לשימוש. השיטה שנבחרה מבוססת על אלגוריתם ALDIC (ראשי תיבות של Augmented-Lagrangian Digital Image Correlation – Aldic) שנכתב ב-MATLAB ופותח על ידי Yang ו-Bhattacharya12. אלגוריתם זה הותאם לניתוח דגימות גידים ואומת על ידי יישומו על תמונות שעברו טרנספורמציה דיגיטלית ועל ידי השוואת הזנים שנמדדו בדגימות גידים בפועל לתוצאות שהתקבלו מקווים מולבנים. יתר על כן, פונקציונליות נוספת הוטמעה באלגוריתם כדי לאשר את הדיוק של שדה התזוזה המחושב גם בהיעדר ערכי מאמץ ידועים או טכניקת מדידה משנית. לכן, אלגוריתם זה הוא כלי שימושי ביותר וניתן להתאמה למדידה מדויקת של זני רקמה דו-ממדית מקומית בגידים.
Protocol
Representative Results
Discussion
מטרת מאמר זה הייתה לספק שיטה מתוקפת בקוד פתוח למדידת שדות המאמץ הדו-ממדי בגידים תחת עומס מתיחה. הבסיס של התוכנה התבסס על אלגוריתם ALDICזמין לציבור 12. אלגוריתם זה הוטמע בקוד MATLAB גדול יותר עם פונקציונליות נוספת של ניתוח מתח מצטבר (לעומת מצטבר). אלגוריתם מותאם זה יושם לאחר מכן לבדיק?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (R21 AR079095) והקרן הלאומית למדע (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).
