[論文レビュー] Brillouin-derived viscoelastic parameters of hydrogel tissue models

Michelle Bailey, Martina Alunni Cardinali+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2019

Cellular Mechanics and Interactions参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、非弾的散乱光の周波数シフトおよび線幅を測定することにより、ブルアッイン分光法が水gel組織モデルの弾性および粘性の viscoelastic パラメータを定量的に抽出できることを示している。ゲラチンを液体、ゲル、ガラス状態の各状態をカバーするチューナブルなモデル系として用い、著者らはブルアッインスペクトルが機械的特性と強く相関することを示し、この技術が機械力学的生物学に不可欠な生体材料の全 viscoelastic スペクトルを非侵襲的・光学的に特徴付ける手法であることを確立した。

ABSTRACT

Many problems in mechanobiology urgently require characterisation of the micromechanical properties of the fibrous proteins of cells and tissues. Brillouin light scattering has been proposed as a new optical elastography technique to meet this need, but the information contained in the Brillouin spectrum is still a matter of debate. Here we investigate this question using gelatin as a model system in which the macroscopic physical properties can be manipulated to mimic all the relevant biological states of matter, ranging from the liquid to the gel and the glassy phase. We demonstrate that Brillouin spectroscopy is a powerful tool to reveal both the elastic and viscous properties of biomaterials that are central to their biological functions.

研究の動機と目的

• ブルアッイン光散乱が生体材料における弾性および粘性の機械的性質を測定できる能力を評価すること。
• ブルアッインスペクトルのパラメータ（周波数シフトおよび線幅）が水gelの viscoelastic 動態とどのように関連するかを調査すること。
• ゲラチンを、液体からゲル、ガラス状態に至るまでの物理的状態をカバーするチューナブルなモデル系として用い、ブルアッインデータの体系的キャリブレーションを可能にすること。
• ブルアッイン分光法と細胞環境に関連する微小機械的性質との間の定量的関係を確立すること。
• ブルアッイン分光法が、複雑な生物学的材料をプローブするための非侵襲的・光学的エラストグラフィー手法として有効であることを検証すること。

提案手法

• ゲラチン水gelを合成し、熱的に調整することで、液体、ゲル、ガラス状態の異なる物理的状態にアクセスした。
• ブルアッイン光散乱を実施し、非弾的散乱スペクトルを測定し、ブルアッイン周波数シフトおよび線幅を抽出した。
• 周波数シフトは、水gelの縦弾性率（体積弾性率）と相関した。
• 線幅は、粘性緩和プロセスに関連し、材料の内部摩擦およびエネルギー散逸を反映した。
• 周波数シフトと線幅の組み合わせ解析により、弾性および粘性パラメータの両方の抽出が可能になった。
• 結果は、独立した機械的測定および viscoelastic 動態の理論モデルと照合された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブルアッイン分光法は、軟らかな生体材料における viscoelastic の弾性成分および粘性成分を解像可能か？
• RQ2 ゲラチン水gelの異なる物理的状態（液体、ゲル、ガラス状態）において、ブルアッイン周波数シフトおよび線幅はどのように変化するか？
• RQ3 ブルアッインスペクトルのパラメータは、実験的に測定された機械的性質とどの程度相関するか？
• RQ4 ブルアッイン分光法は、複雑な組織様材料をプローブするための、従来のエラストグラフィーの代替としての非侵襲的・光学的手法として機能可能か？
• RQ5 観察されたスペクトル特徴の物理的起源は、背後にある viscoelastic 動態とどのように関連するか？

主な発見

• ゲル化に伴いブルアッイン周波数シフトが増加し、液体〜ゲル状態への移行に伴い弾性率の上昇と相関した。
• ゲルおよびガラス状態では、ブルアッインスペクトルの線幅が顕著に広がり、粘性緩和プロセスの増強を示した。
• 測定された周波数シフトと体積弾性率との間に強い相関が観察され、この技術が弾性特性に感受することを確認した。
• 線幅は温度およびゲル化状態に非単調な依存関係を示し、遷移状態における複雑な動態を反映した。
• 周波数シフトと線幅の併用解析により、viscoelastic 応答における弾性および粘性寄与の両方の同時定量が可能になった。
• 結果は、ブルアッイン分光法が軟らかな生物学的材料の全 viscoelastic スペクトルをプローブするための実用的で非侵襲的な手法であることを裏付けた。