Количественная оценка упругих свойств биопленок окружающей среды с помощью оптической когерентной эластографии
Summary
В данной работе подчеркивается эффективность метода оптической когерентной эластографии (ОЦЭ) для быстрой и неразрушающей характеристики упругих свойств биопленки. Мы разъясняем важнейшие процедуры реализации OCE для точных измерений и представляем значения модуля Юнга для двух гранулированных биопленок.
Abstract
Биопленки представляют собой сложные биоматериалы, представляющие собой хорошо организованную сеть микробных клеток, заключенных в самостоятельно производимые внеклеточные полимерные вещества (ЭПС). В данной работе представлен подробный отчет о реализации измерений с помощью оптической когерентной эластографии (ОЦЭ), предназначенных для упругой характеризации биопленок. OCE — это неразрушающий оптический метод, который позволяет локально картировать микроструктуру, морфологию и вязкоупругие свойства частично прозрачных мягких материалов с высоким пространственным и временным разрешением. Мы предоставляем подробное руководство с подробным описанием основных процедур для правильного применения этого метода, а также методологию оценки объемного модуля Юнга гранулированных биопленок на основе собранных измерений. Они включают в себя настройку системы, сбор данных и постобработку. В ходе дискуссии мы углубимся в физику, лежащую в основе датчиков, используемых в OCE, и исследуем фундаментальные ограничения, касающиеся пространственных и временных масштабов измерений OCE. В заключение мы расскажем о возможных будущих направлениях развития метода OCE для облегчения упругих измерений биопленок окружающей среды.
Introduction
При очистке сточных вод и восстановлении водных ресурсов полезные биопленки в прикрепленных реакторах роста все чаще используются для того, чтобы микробы могли преобразовывать нежелательные загрязнители, такие как органические вещества, азот и фосфаты, в стабилизированные формы, которые могут быть легко удаленыиз воды. В этих системах эмерджентная функция биопленки, а именно биохимические превращения, тесно связана с разнообразием микробов, находящихся в ней, и питательных веществ, которые эти микробыполучают. Соответственно, продолжающийся рост биопленки может представлять проблему для поддержания стабильной функциональности реактора, поскольку рост новой биопленки может изменить общие метаболические процессы биопленки, характеристики массопереноса и состав сообщества. Максимально возможная стабилизация среды биопленки может защитить от таких изменений3. Это включает в себя обеспечение постоянного потока питательных веществ и поддержание стабильной структуры биопленки с постоянной толщиной4. Мониторинг жесткости и физической структуры биопленки позволит исследователям получить представление об общем состоянии и функционировании биопленки.
Биопленки проявляют вязкоупругие свойства 5,6,7. Эта вязкоупругая природа приводит к сочетанию мгновенной и медленной, зависящей от времени деформации в ответ на внешние механические силы. Одним из уникальных аспектов биопленок является то, что, когда они подвергаются существенной деформации, они реагируют как вязкие жидкости. И наоборот, при незначительной деформации их реакция сравнима с твердыми телами5. Более того, в пределах этой области малой деформации существует диапазон деформаций, в котором биопленки демонстрируют линейную зависимость между силой и смещением 5,6,7. Деформации в этом линейном диапазоне являются оптимальными для оценки механических характеристик биопленки, поскольку они позволяют проводить воспроизводимые измерения. Существует несколько методов, позволяющих количественно оценить упругий отклик в этом диапазоне. Оптическая когерентная эластография (OCE) является новым методом, который адаптируется для анализа биопленок в этом линейном диапазоне (деформации порядка 10-4-10-5)8,9.
На сегодняшний день OCE наиболее широко применяется в области биомедицины, где этот метод применяется для характеристики биологических тканей, которые требуют только поверхностного оптического доступа. Например, Li et al. использовали OCE для характеристики эластичных свойств кожной ткани10. Другие авторы охарактеризовали анизотропные эластические свойства тканей роговицы свиньи и человека и то, как на них влияет внутриглазное давление 11,12,13,14,15,16. Некоторые преимущества метода ОСЭ для изучения биопленок заключаются в том, что он является неразрушающим и обеспечивает мезомасштабное пространственное разрешение, не требует пробоподготовки, а сам метод быстрый; Он обеспечивает совместные измерения физической структуры и упругих свойств (например, пористости, шероховатости поверхности и морфологии)8,9,17,18.
Метод OCE измеряет локальное смещение распространяющихся упругих волн в образце с помощью фазочувствительной оптической когерентной томографии (ОКТ). ОКТ — это низкокогерентный оптический интерферометр, который преобразует локальные изменения смещения образца в изменение интенсивности, которое регистрируется с помощью оптического спектрометра. Метод ОКТ также используется в исследованиях биопленок для характеристики мезомасштабной структуры, распределения пористости в трех измерениях и деформации биопленки 17,19,20,21. Кроме того, Picioreanu et al. оценили механические свойства биопленки с помощью обратного моделирования взаимодействия жидкости и структуры изображений деформации поперечного сеченияОКТ 22.
С другой стороны, измерения OCE в сочетании с обратным эластодинамическим волновым моделированием позволяют получить волновую скорость упругих волн в образце, что позволяет характеризовать упругие и вязкоупругие свойства образца. Наша группа адаптировала метод OCE для количественного измерения упругих и вязкоупругих свойств биопленки 8,9,18 и валидировала методику в сравнении с измерениями сдвиговой реометрии в образцах агарозных гелевых планшетов18. Подход OCE обеспечивает точную и надежную оценку свойств биопленки, поскольку измеренная скорость упругой волны коррелирует с упругими свойствами образца. Кроме того, пространственное затухание амплитуды упругой волны может быть напрямую коррелировано с вязкоупругими свойствами из-за вязких эффектов в материале. Мы сообщили об измерениях вязкоупругих свойств бактериальных биопленок смешанных культур, выращенных на купонах во вращающемся кольцевом реакторе (RAR), и гранулированных биопленок со сложной геометрией с использованием эластодинамических волновых моделей18.
Метод OCE также является мощной альтернативой традиционной реометрии18, которая используется для вязкоупругой характеризации. Методы реометрии лучше всего подходят для образцов с плоской геометрией. Таким образом, гранулированные биопленки, которые имеют произвольную форму и морфологию поверхности, не могут быть точно охарактеризованы на реометре 8,23. Кроме того, в отличие от ОСЭ, методы реометрии могут быть сложными для адаптации к измерениям в режиме реального времени, например, во время роста биопленки в проточных клетках24,25.
В данной работе мы показываем, что измерения частотно-независимой скорости поверхностных волн с помощью OCE могут быть использованы для характеристики упругих свойств биопленки без необходимости создания сложных моделей. Эта разработка сделает подход OCE более доступным для более широкого сообщества биопленок для изучения механических свойств биопленки.
На рисунке 1 показана схематическая иллюстрация системы ОКТ, используемой в данном исследовании. Система включает в себя несколько приборов, в том числе коммерческую фазочувствительную ОКТ-систему в спектральной области, генератор задержки, генератор функций и пьезоэлектрический преобразователь. Система ОКТ работает по принципу интерферометрии с использованием широкополосного источника света с центральной длиной волны 930 нм. Собранная интенсивность света, которая коррелирует со сложными структурными деталями в образце, анализируется в блоке постобработки, а затем преобразуется в изображение поперечного сечения образца, обычно называемое ОКТ-изображением. Глубина ОКТ-визуализации зависит от выраженности оптического рассеяния в образце, которое обусловлено локальными изменениями показателя преломления и ограничено 1-3 мм в биологических тканях и биопленках. Поскольку оптическая фаза в образце и интенсивность интерференции модулируются движением, ОКТ можно использовать для обнаружения локального смещения образца. Мы используем чувствительность смещения ОКТ в методе ОЦЭ для отслеживания стационарного поля смещения упругих волн в образце. В частности, генератор функций выдает синусоидальное напряжение для управления пьезоэлектрическим преобразователем. Преобразователь, в свою очередь, растягивается и сжимается с колебательной временной историей. Колебательное смещение преобразователя передает синусоидальную силу на поверхность образца через напечатанный на 3D-принтере клиновидный наконечник в вершине преобразователя, что приводит к генерации гармонических упругих волн в образце. Клиновой наконечник обеспечивает легкий контакт с образцом, так что образец остается неповрежденным после того, как привод втягивается с поверхности образца. Для регистрации локального смещения в образце для каждого пикселя в образце регистрируются смежные развертки глубины, разделенные фиксированной временной задержкой. Оптическая разность фаз между последовательными развертками в каждой точке пикселя пропорциональна локальному вертикальному смещению в одной и той же точке. Синхронизация между перемещением преобразователя и сканирующей оптики в системе ОКТ достигается за счет триггерного импульса, который исходит от генератора функций и задерживается в генераторе задержки. Этот этап синхронизации облегчает получение согласованных изображений поперечного сечения локального оптического распределения фазы в образце. Эти изображения прямо пропорциональны локальному вертикальному гармоническому смещению в образце и известны как изображение OCE. Изображения OCE регистрируются на различных частотах срабатывания преобразователя для получения упругой длины волны и скорости волны в зависимости от частоты. Измеренные скорости волн анализируются с помощью эластодинамической модели для определения упругих свойств образца.
Protocol
Representative Results
Discussion
Достижимая глубина изображения в системе ОКТ определяется степенью проникновения света от источника света, которая зависит от длины волны источника. Кроме того, длина волны определяет осевое разрешение. Более длинные волны могут проникать глубже в образец, но за счет снижения осевого …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят компанию Aqua-Aerobic Systems, Inc. (Рокфорд, штат Иллинойс, США) за предоставление гранулированных биопленок, изученных в этой работе. Авторы также выражают признательность Национальному научному фонду за поддержку в виде премий #210047 и #193729.
Materials
| 3D printed sample holder | |||
| 3D printed wedge tip | 3 mm width | ||
| BNC cables | Any brand | ||
| Delay generator | Stanford Research Systems | DG535 | DG535 Digital delay/ Pulse Generator |
| Function generator | Agilent Technologies | 33250A 80 MHz Function / Arbitrary Waveform Generator | |
| Granular biofilm | Aqua-Aerobic Systems | Obtained from an Aerobic Granular Sludge reactor (Aqua-Aerobic Systems, Inc.) | |
| MATLAB | MathWorks | Release 2022a (MATLAB 9.12) | |
| Piezoelectric transducer | Thorlabs | PK2JUP1 | Discrete Piezo Stack, 75 V, 30.0 µm Displacement |
| SD-OCT System | Thorlabs | Ganymede II, LSM03 scan lens | |
| ThorImageOCT | Thorlabs | Version: 5.5.5 |
References
- Mahto, K. U., Das, S. Bacterial biofilm and extracellular polymeric substances in the moving bed biofilm reactor for wastewater treatment: A review. Bioresour Technol. 345, 126476 (2022).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. d. e. C., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Briones, A., Raskin, L. Diversity and dynamics of microbial communities in engineered environments and their implications for process stability. Curr Opin in Biotechnol. 14 (3), 270-276 (2003).
- Sanchez-Huerta, C., Sanchez Medina, J., Wang, C., Fortunato, L., Hong, P. Understanding the role of sorption and biodegradation in the removal of organic micropollutants by membrane aerated biofilm reactor (MABR) with different biofilm thickness. Water Res. 236, 119935 (2023).
- Wang, H. F., Hu, H., Yang, H. Y., Zeng, R. J. Characterization of anaerobic granular sludge using a rheological approach. Water Res. 106, 116-125 (2016).
- Ma, Y. J., Xia, C. W., Yang, H. Y., Zeng, R. J. A rheological approach to analyze aerobic granular sludge. Water Res. 50, 171-178 (2014).
- Lin, X., Wang, Y. Microstructure of anammox granules and mechanisms endowing their intensity revealed by microscopic inspection and rheometry. Water Res. 120, 22-31 (2017).
- Liou, H. C., et al. Towards mechanical characterization of granular biofilms by optical coherence elastography measurements of circumferential elastic waves. Soft Matter. 15 (28), 5562-5573 (2019).
- Liou, H. C., Sabba, F., Wang, Z., Wells, G., Balogun, O. Layered viscoelastic properties of granular biofilms. Water Res. 202, 117394 (2021).
- Li, C., Guan, G., Reif, R., Huang, Z., Wang, R. K. Determining elastic properties of skin by measuring surface waves from an impulse mechanical stimulus using phase-sensitive optical coherence tomography. J R Soc Interface. 9, 831-841 (2012).
- Ramier, A., et al. In vivo measurement of shear modulus of the human cornea using optical coherence elastography. Sci Rep. 10, 17366 (2020).
- Ramier, A., Tavakol, B., Yin, S. H. Measuring mechanical wave speed, dispersion, and viscoelastic modulus of cornea using optical coherence elastography. Optics Express. 27 (12), 16635 (2019).
- Crespo, M. A., et al. In vivo determination of human corneal elastic modulus using vibrational optical coherence tomography. Cornea Ext Dis. 11 (7), 1-11 (2022).
- Ambrozinski, L., et al. Acoustic micro-tapping for non-contact 4D imaging of tissue elasticity. Sci Rep. 6 (38967), 1-11 (2016).
- Pitre, J. J., et al. Nearly-incompressible transverse isotropy (NITI) of cornea elasticity: model and experiments with acoustic micro-tapping OCE. Sci Rep. 10 (12983), 1-14 (2020).
- Lan, G., Aglyamov, S. R., Larin, K. V., Twa, M. D. In vivo human corneal shear wave optical coherence elastography. Optom Vis Sci. 98, 58-63 (2021).
- Rosenthal, A., et al. Morphological analysis of pore size and connectivity in a thick mixed-cultured biofilm. Biotechnol Bioeng. 115, 2268-2279 (2018).
- Liou, H. C., Sabba, F. I., Packman, A., Wells, G., Balogun, O. Nondestructive characterization of soft materials and biofilms by measurement of guided elastic wave propagation using optical coherence elastography. Soft Matter. 15, 575-586 (2019).
- Wagner, M., Taherzadeh, D., Haisch, C., Horn, H. Investigation of the mesoscale structure and volumetric features of biofilms using optical coherence tomography. Biotechnol Bioeng. 107 (5), 844-853 (2010).
- Leite-Andrade, M. C., et al. A new approach by optical coherence tomography for elucidating biofilm formation by emergent Candida species. PLoS ONE. 12 (11), e0188020 (2017).
- Blauert, F., Horn, H., Wagner, M. Time-resolved biofilm deformation measurements using optical coherence tomography. Biotechnol Bioeng. 112 (9), 1893-1905 (2015).
- Picioreanu, C., Blauert, F., Horn, H., Wagner, M. Determination of mechanical properties of biofilms by modeling the deformation measured using optical coherence tomography. Water Res. 145, 588-598 (2018).
- Li, M., Nahum, Y., Matouš, K., Stoodley, P., Nerenberg, R. Effects of biofilm heterogeneity on the apparent mechanical properties obtained by shear rheometry. Biotechnol Bioeng. 120, 553-561 (2023).
- Karimi, A., Karig, D., Kumar, A., Ardekani, A. M. Interplay of physical mechanisms and biofilm processes: review of microfluidic methods. Lab Chip. 15 (1), 23-42 (2015).
- Geisel, S., Secchi, E., Vermant, J. Experimental challenges in determining the rheological properties of bacterial biofilms. Interface Focus. 12 (6), 20220032 (2022).
- Winkler, M. K. H., van Loosdrecht, M. C. M. Intensifying existing urban wastewater. Science. 375 (6579), 377-378 (2022).
- Graff, K. F. . Wave motion in elastic solids. , (1991).
- Kennedy, B. F., Kennedy, K. M., Sampson, D. D. A review of optical coherence elastography: Fundamentals, techniques and prospects. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20 (2), 272-288 (2014).
- Ang, M., et al. Anterior segment optical coherence tomography. Prog Retin Eye Res. 66, 132-156 (2018).
- Kirby, M. A., et al. Spatial resolution in dynamic optical coherence elastography. J Biomed Opt. 24 (9), 1-16 (2019).
- Larin, K. V., Sampson, D. D. Optical coherence elastography – OCT at work in tissue biomechanics. Biomed Opt Express. 8, 1172-1202 (2017).
- Muhammad, A., et al. Importance of species sorting and immigration on the bacterial assembly of different-sized aggregates in a full-scale aerobic granular sludge. Environ Sci Technol. 53 (14), 8291-8301 (2019).
- Candry, P., et al. Tailoring polyvinyl alcohol-sodium alginate (PVA-SA) hydrogel beads by controlling crosslinking pH and time. Sci Rep. 12 (1), 20822 (2022).
- Kirby, M. A., et al. Optical coherence elastography in ophthalmology. J Biomed Opt. 22 (12), 1-28 (2017).
- Liang, X., Boppart, S. A. Biomechanical properties of in vivo human skin from dynamic optical coherence elastography. IEEE Trans Biomed Eng. 57 (4), 953-959 (2010).
