Misurazione di ceppi tissutali locali nei tendini tramite correlazione di immagini digitali open source

Riepilogo

Questo documento descrive un algoritmo di correlazione delle immagini digitali open source per misurare ceppi tissutali 2D locali all'interno di espianti di tendini. L'accuratezza della tecnica è stata convalidata utilizzando più tecniche ed è disponibile per uso pubblico.

Abstract

C'è un notevole interesse scientifico nella comprensione dei ceppi che le cellule tendinee sperimentano in situ e di come questi ceppi influenzano il rimodellamento dei tessuti. Sulla base di questo interesse, sono state sviluppate diverse tecniche analitiche per misurare i ceppi tissutali locali all'interno degli espianti di tendini durante il carico. Tuttavia, in diversi casi, l'accuratezza e la sensibilità di queste tecniche non sono state riportate e nessuno degli algoritmi è disponibile pubblicamente. Ciò ha reso difficile la misurazione più diffusa dei ceppi tissutali locali negli espianti di tendini. Pertanto, l'obiettivo di questo documento era quello di creare uno strumento di analisi convalidato per misurare ceppi tissutali locali negli espianti di tendini che fosse prontamente disponibile e facile da usare. In particolare, un algoritmo di correlazione digitale lagrangiana aumentata (ALDIC) disponibile al pubblico è stato adattato per misurare i ceppi 2D monitorando gli spostamenti dei nuclei cellulari all'interno dei tendini di Achille del topo sotto tensione uniassiale. Inoltre, l'accuratezza delle deformazioni calcolate è stata convalidata analizzando immagini trasformate digitalmente e confrontando le deformazioni con valori determinati da una tecnica indipendente (cioè linee fotosbiancate). Infine, nell'algoritmo è stata incorporata una tecnica per ricostruire l'immagine di riferimento utilizzando il campo di spostamento calcolato, che può essere utilizzato per valutare l'accuratezza dell'algoritmo in assenza di valori di deformazione noti o di una tecnica di misurazione secondaria. L'algoritmo è in grado di misurare deformazioni fino a 0,1 con una precisione di 0,00015. La tecnica per confrontare un'immagine di riferimento ricostruita con l'immagine di riferimento effettiva ha identificato con successo campioni che avevano dati errati e ha indicato che, nei campioni con dati validi, circa l'85% del campo di spostamento era accurato. Infine, i ceppi misurati nei tendini di Achille del topo erano coerenti con la letteratura precedente. Pertanto, questo algoritmo è uno strumento molto utile e adattabile per misurare con precisione i ceppi tissutali locali nei tendini.

Introduzione

I tendini sono tessuti meccanosensibili che si adattano e degenerano in risposta al carico meccanico 1,2,3,4. A causa del ruolo che gli stimoli meccanici svolgono nella biologia delle cellule tendinee, c'è un grande interesse nella comprensione dei ceppi che le cellule tendinee sperimentano nell'ambiente tissutale nativo durante il carico. Sono state sviluppate diverse tecniche sperimentali e analitiche per misurare i ceppi tissutali locali nei tendini. Questi includono analisi di correlazione digitale delle immagini (DIC) 2D / 3D di ceppi s....

Protocollo

Questo studio è stato approvato dal Pennsylvania State University Institutional Animal Care and Use Committee.

1. Preparazione dei tessuti

1. Per questo protocollo, raccogliere i tendini di Achille da topi maschi C57BL / 6 di 2-4 mesi.
   NOTA: potrebbero essere utilizzati anche diversi tendini o legamenti di topi o altri piccoli animali.
   1. Fare un'incisione sulla pelle superficiale al tendine di Achille per esporre il tendine plantare e il tessuto connettivo circostante. Quindi, rimuoverli usando una lama chirurgica.
   2. Separare i muscoli soleo e gastrocnemio esposti dall'arto posteriore e raschiarli ac....

Risultati

Prima di analizzare i campi di deformazione in campioni di tessuto reali, il protocollo ALDIC è stato convalidato utilizzando immagini tese / trasformate digitalmente di nuclei all'interno dei tendini di Achille del topo. In particolare, le immagini sono state trasformate per produrre digitalmente ceppi uniformi nella direzione x del 2%, 4%, 6%, 8% e 10% di deformazione con un rapporto di Poisson simulato di 1^15,16. L'accuratezza dell'algoritmo ALDIC è stata qu.......

Discussione

L'obiettivo di questo documento era fornire un metodo open source convalidato per misurare i campi di deformazione 2D nei tendini sotto carico di trazione. La base del software era basata su un algoritmo ALDIC disponibile al pubblico¹². Questo algoritmo è stato incorporato in un codice MATLAB più grande con l'aggiunta della funzionalità di analisi incrementale (rispetto a cumulativa) della deformazione. Questo algoritmo adattato è stato quindi applicato alla prova di trazione dei tendini e la .......

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
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