ओपन-सोर्स डिजिटल छवि सहसंबंध के माध्यम से कण्डरा में स्थानीय ऊतक उपभेदों को मापना
Summary
यह पेपर कण्डरा खोजों के भीतर स्थानीय 2 डी ऊतक उपभेदों को मापने के लिए एक ओपन-सोर्स डिजिटल छवि सहसंबंध एल्गोरिथ्म का वर्णन करता है। तकनीक की सटीकता को कई तकनीकों का उपयोग करके मान्य किया गया है, और यह सार्वजनिक उपयोग के लिए उपलब्ध है।
Abstract
उन उपभेदों को समझने में काफी वैज्ञानिक रुचि है जो कण्डरा कोशिकाएं सीटू में अनुभव करती हैं और ये उपभेद ऊतक रीमॉडेलिंग को कैसे प्रभावित करते हैं। इस रुचि के आधार पर, लोडिंग के दौरान कण्डरा खोजों के भीतर स्थानीय ऊतक उपभेदों को मापने के लिए कई विश्लेषणात्मक तकनीकें विकसित की गई हैं। हालांकि, कई मामलों में, इन तकनीकों की सटीकता और संवेदनशीलता की सूचना नहीं दी गई है, और कोई भी एल्गोरिदम सार्वजनिक रूप से उपलब्ध नहीं है। इसने कण्डरा खोजों में स्थानीय ऊतक उपभेदों के अधिक व्यापक माप के लिए मुश्किल बना दिया है। इसलिए, इस पेपर का उद्देश्य कण्डरा खोजों में स्थानीय ऊतक उपभेदों को मापने के लिए एक मान्य विश्लेषण उपकरण बनाना था जो आसानी से उपलब्ध है और उपयोग में आसान है। विशेष रूप से, एक सार्वजनिक रूप से उपलब्ध संवर्धित-लैग्रेंजियन डिजिटल छवि सहसंबंध (एएलडीआईसी) एल्गोरिथ्म को एकअक्षीय तनाव के तहत माउस अकिलिस टेंडन के भीतर सेल नाभिक के विस्थापन को ट्रैक करके 2 डी उपभेदों को मापने के लिए अनुकूलित किया गया था। इसके अतिरिक्त, गणना किए गए उपभेदों की सटीकता को डिजिटल रूप से रूपांतरित छवियों का विश्लेषण करके, साथ ही एक स्वतंत्र तकनीक (यानी, फोटोब्लीच्ड लाइनों) से निर्धारित मूल्यों के साथ उपभेदों की तुलना करके मान्य किया गया था। अंत में, गणना किए गए विस्थापन क्षेत्र का उपयोग करके संदर्भ छवि के पुनर्निर्माण के लिए एल्गोरिदम में एक तकनीक शामिल की गई थी, जिसका उपयोग ज्ञात तनाव मूल्यों या द्वितीयक माप तकनीक की अनुपस्थिति में एल्गोरिदम की सटीकता का आकलन करने के लिए किया जा सकता है। एल्गोरिथ्म 0.00015 की सटीकता के साथ 0.1 तक उपभेदों को मापने में सक्षम है। वास्तविक संदर्भ छवि के साथ पुनर्निर्मित संदर्भ छवि की तुलना करने की तकनीक ने सफलतापूर्वक उन नमूनों की पहचान की जिनमें गलत डेटा था और संकेत दिया कि, अच्छे डेटा वाले नमूनों में, विस्थापन क्षेत्र का लगभग 85% सटीक था। अंत में, माउस अकिलिस टेंडन में मापा गया उपभेद पूर्व साहित्य के अनुरूप था। इसलिए, यह एल्गोरिथ्म कण्डरा में स्थानीय ऊतक उपभेदों को सटीक रूप से मापने के लिए एक अत्यधिक उपयोगी और अनुकूलनीय उपकरण है।
Introduction
टेंडन मेकेनोसेंसेटिव ऊतक हैं जो यांत्रिक लोडिंग 1,2,3,4 के जवाब में अनुकूलन और पतित होते हैं। कण्डरा कोशिका जीव विज्ञान में यांत्रिक उत्तेजनाओं की भूमिका के कारण, उन उपभेदों को समझने में बड़ी रुचि है जो कण्डरा कोशिकाएं लोडिंग के दौरान देशी ऊतक वातावरण में अनुभव करती हैं। कण्डरा में स्थानीय ऊतक उपभेदों को मापने के लिए कई प्रयोगात्मक और विश्लेषणात्मक तकनीकें विकसित की गई हैं। इनमें 2 डी /3 डी डिजिटल इमेज सहसंबंध (डीआईसी) या तो झुकाव पैटर्न या फोटोब्लीच्ड लाइनों (पीबीएल) 5,6,7,8 का उपयोग करके सतह उपभेदों का विश्लेषण, ऊतक 9,10 के भीतर व्यक्तिगत नाभिक की केन्द्रक-से-केन्द्रक दूरी में परिवर्तनका माप, और हाल ही में एक पूर्ण-क्षेत्र 3 डी डीआईसी विधि शामिल है जो आउट-ऑफ-प्लेन गति और 3 डी विरूपण11 पर विचार करती है। . हालांकि, इन तकनीकों की सटीकता और संवेदनशीलता केवल कुछ मामलों में रिपोर्ट की गई है, और इनमें से कोई भी तकनीक सार्वजनिक रूप से उपलब्ध नहीं कराई गई है, जो इन तकनीकों के व्यापक रूप से अपनाने और उपयोग को मुश्किल बनाती है।
इस काम का उद्देश्य कण्डरा खोजों में स्थानीय ऊतक उपभेदों को मापने के लिए एक मान्य विश्लेषण उपकरण बनाना था जो आसानी से उपलब्ध है और उपयोग करने में आसान है। चुनी गई विधि मैटलैब में लिखे गए सार्वजनिक रूप से उपलब्ध संवर्धित-लैग्रेंजियन डिजिटल इमेज कोरिलेशन (एएलडीआईसी) एल्गोरिदम पर आधारित है जिसे यांग और भट्टाचार्य12 द्वारा विकसित किया गया था। इस एल्गोरिथ्म को कण्डरा के नमूनों का विश्लेषण करने के लिए अनुकूलित किया गया था और इसे डिजिटल रूप से रूपांतरित छवियों पर लागू करके और वास्तविक कण्डरा नमूनों में मापा गया उपभेदों की तुलना फोटोब्लीच लाइनों से प्राप्त परिणामों से करके मान्य किया गया था। इसके अलावा, ज्ञात तनाव मूल्यों या द्वितीयक माप तकनीक की अनुपस्थिति में भी गणना किए गए विस्थापन क्षेत्र की सटीकता की पुष्टि करने के लिए एल्गोरिदम में अतिरिक्त कार्यक्षमता लागू की गई थी। इसलिए, यह एल्गोरिथ्म कण्डरा में स्थानीय 2 डी ऊतक उपभेदों को सटीक रूप से मापने के लिए एक अत्यधिक उपयोगी और अनुकूलनीय उपकरण है।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस पेपर का उद्देश्य तन्यता भार के तहत कण्डरा में 2 डी तनाव क्षेत्रों को मापने के लिए एक ओपन-सोर्स, मान्य विधि प्रदान करना था। सॉफ्टवेयर की नींव सार्वजनिक रूप से उपलब्ध एएलडीआईसी एल्गोरिदम12 पर आ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ हेल्थ (आर 21 एआर 079095) और नेशनल साइंस फाउंडेशन (2142627) द्वारा वित्त पोषित किया गया था।
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).
