[논문 리뷰] Structure-stiffness relation of live mouse brain tissue determined by depth-controlled indentation mapping

Nelda Antonovaité, Steven V. Beekmans외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 06.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 깊이 제어형 압입 맵핑 기술을 활용하여 생체 상태의 마우스 해마 조직의 점탄성 특성을 고해상도로 맵핑하는 방법을 제시한다. 이 기술은 기계적 경도가 조직의 해부학적 층과 강하게 상관되며, 세포 핵의 상대적 면적과 조직의 경도 사이에 유의미한 음의 상관관계가 있음을 보여주어 뇌 조직에서 세포 구조와 기계적 거동 간의 직접적인 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The mechanical properties of brain tissue play a pivotal role in neurodevelopment and neurological disorders. Yet, at present, there is no consensus on how the different structural parts of the tissue contribute to its stiffness variations. Here, we have gathered depth-controlled indentation viscoelasticity maps of the hippocampus of isolated horizontal live mouse brain sections. Our results confirm the highly viscoelestic nature of the material and clearly show that the mechanical properties correlate with the different morphological layers of the samples investigated. Interestingly, the relative cell nuclei area seems to negatively correlate with the stiffness observed.

연구 동기 및 목표

• 생체 마우스 뇌 조직의 세포 구조와 그 기계적 성질 간의 정량적 연관성을 확립하기 위해.
• 기존의 매크로스코픽 및 AFM 기반 방법의 한계를 극복하여 연한 점탄성 뇌 조직에 대해 고해상도, 깊이 제어형 기계적 맵핑을 가능하게 하기 위해.
• 세포 핵, 마이엘린, 세포외기질과 같은 구조적 성분이 국소 조직의 경도에 어떻게 기여하는지 여부를 조사하기 위해.
• 뇌 손상 모델링, 신경공학 및 기계생물학 분야의 향후 응용을 지원할 수 있는 신뢰성 있고 고해상도의 점탄성도 맵핑을 제공하기 위해.
• 연약하고 이질적인 생물학적 조직에서 기계적 성질을 측정할 때 표준 AFM에 비해 우수한 대안으로서 펌프 톱 동적 압입 기술의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 정밀하고 안정적인 캔틸레버 위치 모니터링을 위해 광섬유 간섭계를 활용한 펌프 톱 동적 압입을 적용하여 깊이 제어형 기계적 피드백를 가능하게 하였다.
• 30 µm/s 속도로 10 µm 깊이까지 깊이 제어형 하중을 가하고, 30초 간의 회복 시간을 거친 후, 0.2 µm 진폭의 정현파 진동을 1–10 Hz의 다섯 주파수에서 수행하였다.
• 압입 깊이 보정 및 변형률 추정을 위해 탄성 접촉 역학의 허츠 모델을 사용하였으며, 비압축성 가정(포isson 비율 ν = 0.5)을 따르였다.
• 접촉 면적 A와 주파수 ω를 포함한 식을 사용하여 진동 하중 및 변위 진폭, 위상 이득에서 저장 모odulus (E′)와 손실 모odulus (E′′)를 계산하였다.
• 소변형 근사의 타당성을 확보하기 위해 변형률 임계값 7.3% (ε < 0.08)를 설정하였으며, 낮은 품질의 피팅(R² ≤ 0.7) 또는 접촉 시작 측정값은 제외하였다.
• 해부학적 층 간의 경도 비교를 위해 비모수적(Kruskal-Wallis) 및 모수적(일원 분산분석) 통계적 검정을 수행하고 사후 보정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생체 마우스 뇌 조직의 해마 각 층에서 점탄성 특성이 공간적으로 어떻게 변화하는가?
• RQ2 해마에서 세포 핵의 상대적 면적이 국소 조직의 경도와 어느 정도 상관되는가?
• RQ3 깊이 제어형 압입 맵핑은 연한 점탄성 뇌 조직에서 해부학적 층 수준의 기계적 이질성을 해소할 수 있는가?
• RQ4 생체 뇌 조직에서 저장 모odulus와 손실 모odulus는 주파수와 압입 깊이에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 펌프 톱 동적 압입 기술은 연약하고 이질적인 뇌 조직에서 기존의 AFM에 비해 더 신뢰성 있고 일관성 있는 기계적 측정을 제공하는가?

주요 결과

• 해마 조직은 명백한 점탄성 거동를 보이며, 구분된 해부학적 층 간에 뚜렷하게 다른 저장 모odulus (E′)와 손실 모odulus (E′′)를 나타낸다.
• 세포 핵의 상대적 면적과 국소 조직의 경도 사이에 유의미한 음의 상관관계가 관찰되어, 핵 밀도가 높은 영역일수록 더 연한 것으로 나타났다.
• 조직의 기계적 성질은 매우 이질적이며, 해마의 입자세포층, 피라미드세포층, 분자층에 각각 고유한 경도 프로파일을 보였다.
• 펌프 톱 동적 압입 방법을 통해 안정적이고 반복 가능한 측정이 가능하여 고해상도의 신뢰할 수 있는 점탄성도 맵핑이 다수의 주파수 포인트에서 수행되었다.
• 통계 분석을 통해 CA1, CA3 및 덴트레이트 구근의 경도(E′)에 유의미한 차이가 있음을 확인하였으며, CA1에서 가장 높은 경도 값이 관찰되었다.
• 광섬유 간섭계를 사용함으로써 표준 광학 삼각측정 방식의 AFM 대비 측정 안정성과 피드백 제어 성능이 향상되어 노이즈가 감소하고 데이터 품질이 향상되었다.