Новое электромагнитное устройство может вывести исследования в механобиологии в клиническую практику

Исследователи сообщают, что новое электромагнитное устройство, позволяющее проводить высокоточные измерения широкого спектра мягких биологических тканей, устанавливает новый стандарт точности в области механобиологии. Метод позволяет проводить механические испытания тканей размером с образцы человеческой биопсии, что особенно актуально для изучения заболеваний человека.

Мягкие ткани организма обладают широким диапазоном механических свойств, таких как жесткость и прочность, которые критически важны для выполнения их функций. Например, ткани желудочно-кишечного тракта мягкие, чтобы обеспечивать прохождение и переваривание пищи, тогда как сухожилия относительно более жесткие для передачи усилия от мышцы к кости.

Точное измерение этих свойств, которые могут меняться в процессе развития или из-за болезни, имеет огромное значение для биологии и медицины. Существующие методы измерения остаются неадекватными, а их точность и надежность ограничены — до сих пор.

Новое исследование с участием ученых из Кембриджского университета и Института медицинской инженерии и науки MIT (IMES) привело к созданию устройства, основанного на магнитном воздействии и оптическом считывании. Это потенциально позволяет проводить визуализацию живой ткани под инвертированным микроскопом. Таким образом можно получить представление о поведении ткани под механическими силами как на клеточном, так и на молекулярном уровне. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Электромагнит оказывает тянущее усилие на образец ткани, закрепленный на устройстве, в то время как оптическая система измеряет изменение его размера или формы.

«Одним из самых критических требований для механического тестирования мягких биологических тканей является необходимость максимально точно имитировать физиологические условия биологического образца (например, температуру, питательные вещества), чтобы сохранить ткань живой и ее биомеханические свойства», — сказал доктор Тьерри Савен, доцент биоинженерии, руководивший исследовательской группой.

«С этой целью мы разработали прозрачную монтажную камеру для измерения механических свойств тканей — в миллиметровом масштабе — в их естественной физиологической и химической среде. В результате получилось более универсальное, точное и надежное устройство, демонстрирующее высокую воспроизводимость».

Чтобы напрямую оценить производительность своего электромагнитного устройства, исследователи провели исследование биомеханики пищевода мыши и его составных слоев. Пищевод — это мышечная трубка, соединяющая глотку с желудком, и она состоит из нескольких тканевых слоев. Ученые использовали устройство для первого биомеханического исследования каждого из трех отдельных слоев ткани пищевода мыши.

Их результаты показали, что пищевод ведет себя как трехслойный композитный материал, аналогичный тем, которые обычно используются в инженерных приложениях. Насколько известно исследователям, это первые данные о механических свойствах каждого отдельного слоя пищевода.

«Наше исследование продемонстрировало повышенную надежность электромагнитного устройства, обеспечив погрешность в реакции «напряжение-деформация» ниже 15% — уровень точности, которого ранее не было», — сказал доктор Адриен Аллу, научный сотрудник Института Гёрдона. — «Мы надеемся, что это устройство может в конечном итоге стать новым стандартом в области биомеханики тканей, предоставляя стандартизированный набор данных для характеристики механики мягких тканей мыши и человека в целом».

Кандидат наук IMES Лука Розалия добавил:

«Благодаря анализу биомеханики здоровых тканей и их изменений при заболеваниях, наше устройство в конечном итоге может быть использовано для выявления изменений свойств ткани, имеющих диагностическую ценность, и, следовательно, станет ценным инструментом для принятия клинических решений».