Élastographie par cohérence optique avec vibrations ambiantes débiaisées pour profiler les propriétés mécaniques des cellules, des organoïdes et des tissus

Aug 16, 2023

Biologie des communications volume 6, Numéro d'article : 543 (2023) Citer cet article

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Le rôle de l’environnement mécanique dans la définition de la fonction, du développement et de la croissance des tissus s’est révélé fondamental. L'évaluation des changements de rigidité des matrices tissulaires à plusieurs échelles repose principalement sur des équipements invasifs et souvent spécialisés tels que l'AFM ou des dispositifs de test mécaniques mal adaptés au flux de travail de culture cellulaire. Dans cet article, nous avons développé une méthode d'élastographie par cohérence optique passive impartiale. , exploitant les vibrations ambiantes de l'échantillon qui permettent un profilage quantitatif non invasif en temps réel des cellules et des tissus. Nous démontrons une méthode robuste qui découple la diffusion optique et les propriétés mécaniques en compensant activement le biais de bruit associé à la diffusion et en réduisant la variance. L'efficacité de la méthode permettant d'extraire la vérité terrain est validée in silico et in vitro, et illustrée pour des applications clés telles que le profilage mécanique temporel des sphéroïdes osseux et cartilagineux, les modèles de cancer d'ingénierie tissulaire, les modèles de réparation tissulaire et les cellules uniques. Notre méthode est facilement implémentable avec n’importe quel système commercial de tomographie par cohérence optique sans aucune modification matérielle et offre ainsi une percée dans l’évaluation mécanique des tissus en ligne des propriétés mécaniques spatiales des organoïdes, des tissus mous et de l’ingénierie tissulaire.

Il a été démontré que l’environnement mécanique de l’homéostasie tissulaire est fondamental pour le fonctionnement, le développement et la pathologie de plusieurs organes1,2,3. La rigidité de la matrice peut être un indicateur informatif dans de nombreuses applications biologiques et médicales. En ingénierie tissulaire, les propriétés mécaniques globales et spatiales des greffons modifiés sont cruciales pour leur succès clinique après implantation4,5,6,7. Par exemple, une limitation en nutriments peut créer une région centrale plus molle dans le cartilage artificiel8,9. Dans la recherche sur le cancer, la rigidité différencie les tissus malins des tissus sains10, et la surveillance du changement de rigidité du modèle 3D de cellules cancéreuses en réponse à un traitement médicamenteux anticancéreux peut potentiellement indiquer l'efficacité du médicament11. Dans l’œil, la rigidité de la cornée est révélatrice de ses performances optiques sous pression intraoculaire12. Les approches traditionnelles pour tester les propriétés mécaniques des tissus modifiés nécessitent généralement un contact direct avec le tissu et sont non stériles, ce qui implique l'arrêt de la culture cellulaire13,14. De plus, il ne fournit que des valeurs globales plutôt qu’un aperçu localisé de l’hétérogénéité mécanique spatiale du tissu modifié. La fabrication ou les cultures à long terme nécessitent une surveillance continue et facile sans endommager les cultures 3D et les systèmes optiques offrent une solution potentielle. Par conséquent, un système est nécessaire pour surveiller en ligne stérilement les propriétés mécaniques globales et spatiales des tissus 3D in vitro tels que les matrices ensemencées de cellules, les organoïdes ou les explants ex vivo.

La quantification et la cartographie spatiale de la rigidité, un processus connu sous le nom d'élastographie, peuvent généralement être réalisées en stimulant un échantillon, en mesurant sa déformation et en déduisant ses propriétés mécaniques par ajustement à un modèle paramétré. L'élastographie a d'abord été mise en œuvre avec l'imagerie échographique15, puis l'IRM16 et plus récemment avec des méthodes optiques comme récemment examinées17. La tomographie par cohérence optique (OCT)18 est particulièrement bien adaptée au suivi de la déformation par élastographie dans de petits échantillons, en raison de sa capacité d'imagerie 3D non invasive à haute résolution19 et de sa capacité à coder avec précision le déplacement à travers sa phase20.

Les premières méthodes d'élastographie par cohérence optique (OCE) utilisaient la compression de surface avec le suivi des taches21,22 et la mesure ultérieure du décalage de phase23, ​​mais le concept a été réalisé avec de nombreuses autres formes de stimulation avec et sans contact24. Une approche réussie consiste à lancer des ondes de cisaillement contrôlées dans le matériau à partir d'une charge dynamique ponctuelle via une bouffée d'air25 et à mesurer la vitesse des ondes résolues spatialement à l'aide de l'OCT, qui est étroitement liée à la rigidité du matériau26 et a été démontrée in vivo27. Les ondes de cisaillement diffuses à large bande d'origine naturelle peuvent également être exploitées pour mesurer la longueur d'onde de cisaillement28,29, un concept utilisé par Nguyen et al.30 avec l'OCT où il est appelé « élastographie passive ». Une approche étroitement liée de Zvietcovich et al.31 mesure la longueur d'onde de cisaillement des ondes réverbérantes provenant d'un ensemble de sources de points de contact vibrant à une fréquence unique, où elle a été appliquée avec succès ex vitro pour quantifier la rigidité de la cornée.