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Optics11公司PIUMA壓痕儀在眼科學(xué)研究中的應(yīng)用

 更新時(shí)間:2022-11-28 點(diǎn)擊量:1045

題目:上皮和基質(zhì)角膜硬度的變化隨年齡和肥胖而發(fā)生

(如果需要完整文獻(xiàn)請與我們工作人員聯(lián)系,可試樣)

簡介:

角膜是無血管的,這使其成為研究基質(zhì)蛋白表達(dá)和組織硬度的模型。角膜上皮粘附在基底區(qū),下面的基質(zhì)由角質(zhì)細(xì)胞和廣泛的膠原蛋白和蛋白聚糖基質(zhì)組成。我們的目標(biāo)是檢查8周和15周小鼠的角膜變化,并將其與15周前2型糖尿病肥胖小鼠進(jìn)行比較。對角膜上皮進(jìn)行納米壓痕原位,然后對上皮進(jìn)行磨損,并在基底膜和基質(zhì)上重復(fù)該過程。進(jìn)行共聚焦成像以檢查蛋白質(zhì)的定位。發(fā)現(xiàn)僵硬取決于年齡和肥胖。與8周小鼠相比,15周小鼠上皮的楊氏模量更大。在15周時(shí),對照組的上皮明顯大于肥胖小鼠的上皮。Crb3和PKCζ在頂端上皮的定位存在差異,肥胖小鼠缺乏片狀延伸。在2型前糖尿病肥胖小鼠中,硬度斜率存在差異,損傷后纖連蛋白的定位可以忽略不計(jì)。這些表明,飲食引起的年齡和環(huán)境變化會(huì)隨著年齡的增長而改變組織的完整性,使其更僵硬。來自2型前糖尿病肥胖小鼠的角膜明顯較軟,這可能是由于頂端表面蛋白質(zhì)的變化表明缺乏完整性和纖連蛋白減少。

2. 材料和方法

2.3. 納米壓痕

角膜上皮和基質(zhì)硬度用Piumanano壓痕系統(tǒng)(Optics11,阿姆斯特丹,荷蘭)測量。為了進(jìn)行測量,頭部被固定。將眼睛浸入磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)中,并將探針降低到角膜的中心。探頭的半徑為26μm,剛度為4.4 N / m。通過10μm壓痕進(jìn)行上皮測量。

為了檢查基底膜和基質(zhì),對上皮進(jìn)行了磨損。使用各種壓痕深度進(jìn)行測量,范圍從1μm到17μm。使用基于赫茲接觸力學(xué)模型的內(nèi)置PIUMA軟件計(jì)算樣品的楊氏模量,假設(shè)角膜組織不可壓縮,泊松比為0.5。加載曲線通過軟件擬合到以下方程中:其中F表示施加的力,表示有效楊氏模量,表示球尖半徑,并表示壓痕深度。我們用于分析的體積楊氏模量是使用以下公式生成的:其中表示被測材料的泊松比。

3. 結(jié)果

3.1. 僵硬取決于年齡和肥胖

在接下來的實(shí)驗(yàn)中,我們將8周和15周的小鼠與天然發(fā)生的小鼠肥胖模型(2型糖尿病小鼠前)進(jìn)行了比較,以檢查上皮和基質(zhì)硬度的變化。使用來自5只8周對照小鼠,5只15周對照小鼠和2只DiO 15周齡小鼠的雙眼。之前,我們證明了肥胖小鼠角膜的角膜上皮傷口修復(fù)受損[]。這些結(jié)果刺激我們檢查角膜的變化,這可能是細(xì)胞遷移和傷口修復(fù)變化的根本原因。在中,我們檢查了完整眼睛中上皮,基底膜和基質(zhì)的硬度。計(jì)算Young氏模量,15周C57Bl6小鼠的完整角膜上皮顯著大于8周小鼠的完整角膜上皮(Wilcoxon秩和檢驗(yàn),*** p < 0.01)。在同等年齡時(shí),上皮顯著大于年齡匹配的DiO小鼠角膜(Wilcoxon秩和檢驗(yàn),*** p < 0. 01)。在這里,小鼠的背景相似,DiO小鼠被喂食高脂肪飲食15周。




圖1.8周對照的角膜上皮硬度(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差),假設(shè)角膜組織不可壓縮,泊松比為0.5。

4.4. 討論

角膜是的,因?yàn)樗鳛檠劬Φ恼凵浔砻姘l(fā)揮著基本功能,同時(shí)也在眼睛和外部環(huán)境之間保持了不透水的屏障。我們已經(jīng)表明,僵硬的變化隨著年齡的增長以及肥胖小鼠(DiO)而發(fā)生,這是II型糖尿病前期的模型。之前,我們證明了DiO小鼠的角膜愈合速度明顯慢于對照C57BL6小鼠的角膜[]。我們在本手稿中的數(shù)據(jù)支持一份報(bào)告,即與對照組相比,糖尿病前期患者的角膜表面疾病發(fā)病率增加(分別為20.67%和3.33%;p < 0.05) ]。

我們證明,年齡匹配的動(dòng)物的上皮硬度與年齡和飲食有關(guān)。由于DiO動(dòng)物的上皮不那么堅(jiān)硬,我們反映了上皮完整性的變化,并對頂端上皮中常見的極性蛋白進(jìn)行了染色。我們檢查了未受傷和受傷的角膜,因?yàn)槠矫鏄O性可以通過幾種不同的線索引發(fā),包括生長因子和/或細(xì)胞外基質(zhì)的變化[。這些線索被認(rèn)為被轉(zhuǎn)化為定向遷移,這需要通過信號通路重組細(xì)胞成分。這些蛋白質(zhì)通常局限于遷移細(xì)胞的前部,導(dǎo)致細(xì)胞骨架變化,前緣膜突起和定向運(yùn)動(dòng)。這些變化在對照中觀察到,并在DiO角膜中被修改。先前,在其他組織中發(fā)現(xiàn)Crb3在分化的分泌細(xì)胞和分化的纖毛細(xì)胞中定位于頂端表。

在基底膜和基質(zhì)中也檢測到剛度的差異,通過基質(zhì)的剛度變化百分比發(fā)生變化。所有測量均在中央角膜中進(jìn)行。剛度變化的原因尚不清楚[]。表明隨著年齡的增長,結(jié)締組織的特征是晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)的積累,并且糖尿病患者受其積累的影響更大。這很重要,因?yàn)樗梢愿淖兓|(zhì)中豐富的蛋白質(zhì)(如膠原蛋白)的糖基化。他們對體外肌腱的研究表明,AGEs會(huì)降低組織的粘彈性。關(guān)于AGEs隨時(shí)間積累及其對膠原纖維和蛋白聚糖間距的影響的數(shù)據(jù)尚不清楚。

在最近的一篇綜述中,McKay等人指出,膠原蛋白交聯(lián)提供了維持角膜完整性的強(qiáng)度,衰老和糖尿病與膠原交聯(lián)的增加有關(guān)[]。然而,該評價(jià)隨后指出,雖然糖尿病人群的角膜滯后和角膜阻力因子升高,但存在不一致之處,他們提出這是由于人類患者群體的異質(zhì)性。糖尿病人群中的一致性極難控制,原因包括疾病的嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間。出于這個(gè)原因,隨著時(shí)間的推移,對幾種不同的小鼠糖尿病模型的研究將很有趣,以解決這個(gè)問題。McKay確實(shí)報(bào)告了基質(zhì)厚度增加,根據(jù)研究的不同,剛度沒有或中度增加。在我們的研究中,我們發(fā)現(xiàn)DiO角膜Kneer等人(2018)的基質(zhì)厚度增加。

其他研究者假設(shè)這種增加與糖尿病有關(guān),并發(fā)現(xiàn)在其隊(duì)列中,LOX與糖尿病或肥胖無關(guān)[]。雖然我們測量了僵硬,但我們沒有測量LOX,需要在飲食的不同時(shí)間在DiO小鼠中檢查其表達(dá)。事實(shí)上,他們的體外研究表明,升高的LOX與缺氧的關(guān)聯(lián)更大。此外,Mankus等人(2012)在P2X7敲除小鼠中證明,LOX與III型膠原蛋白一樣升高,并不表示交聯(lián)增加[]。然而,在DiO小鼠和糖尿病人角膜中,P2X7 mRNA顯著升高7-10倍[]。這種升高表達(dá)的功能含義尚不清楚。在我們目前的研究中,沒有進(jìn)行膠原纖維測量,未來的研究將進(jìn)一步檢查基質(zhì)的細(xì)胞外基質(zhì)。蛋白聚糖的硫酸化可能會(huì)發(fā)生變化,因?yàn)檫@也可能影響剛度。

我們的研究表明,DiO角膜傷口愈合受損可能反映了硬度的差異或基質(zhì)分子(如纖連蛋白)的變化。在對照中,與DiO角膜相比,沿著基質(zhì)神經(jīng)和對照前緣檢測到纖連蛋白。缺氧角膜中檢測到纖連蛋白減少,與對照組相比,角膜愈合延遲。甚至有可能缺乏順應(yīng)性反映了纖連蛋白的減少,因?yàn)轶w外研究表明,纖連蛋白的拉伸會(huì)導(dǎo)致其展開,導(dǎo)致隱秘結(jié)合位點(diǎn)暴露[]。納米壓痕儀在不同年齡和環(huán)境壓力下對相同背景的小鼠的使用為具有許多相互矛盾數(shù)據(jù)的領(lǐng)域提供了對照研究,因?yàn)槿祟惸P头浅?fù)雜。隨著時(shí)間的推移,將對肥胖和非肥胖小鼠的2型糖尿病模型進(jìn)行其他研究,以進(jìn)一步測試我們的結(jié)果。識(shí)別改變角膜完整性的特定因素將用于治療和預(yù)防變化??傊?,研究角膜的物理特征,如原位僵硬,可以深入了解控制和患病條件下傷口修復(fù)的機(jī)制。

生物組織納米壓痕儀介紹
Piuma納米壓痕儀的核心部件是其安裝在壓痕移動(dòng)平臺(tái)上極其敏銳的壓痕探頭
1.壓痕移動(dòng)平臺(tái),具備粗進(jìn)以及精進(jìn)兩級移動(dòng)精度,使得探針可以自動(dòng)尋找到表面并且提供高精度壓痕。除了壓痕移動(dòng)平臺(tái),Piuma納米壓痕儀還有一個(gè)手動(dòng)樣品移動(dòng)平臺(tái)
2.方便樣品的安放。你的樣品可以放在X-Y移動(dòng)臺(tái)上Piuma Nanoindenter微納壓痕儀廠商

3.進(jìn)行楊氏模量的測試或者進(jìn)行多點(diǎn)陣測試。一個(gè)內(nèi)置式的顯微鏡
4.可以直接觀察實(shí)驗(yàn)過程!Piuma Nanoindenter微納壓痕儀廠商

 

生物組織納米壓痕儀是一個(gè)簡單易用的革命性產(chǎn)品,為軟物質(zhì)以及生物材料組織的微觀以及納觀研究帶來希望。依靠自身*的新型光學(xué)技術(shù)以及杰出的微加工工藝,Piuma納米壓痕儀可以測量楊氏模量軟的樣品,范圍甚至是從5Pa到5GPa!Piuma同樣非常適合在液體中測試樣品。其操作非常簡單易學(xué),只需將探頭插入儀器中,簡單定標(biāo)后,即可馬上開始壓痕實(shí)驗(yàn)。

產(chǎn)品構(gòu)件詳細(xì)介紹
1.PROBE探頭
納米壓痕儀核心:一個(gè)微加工工藝制作的光學(xué)壓痕探頭
2.SAMPLE樣品
從水凝膠到骨組織等,在大氣中或者浸沒在液體中
3.SAMPLEXYSTAGEXY樣品臺(tái)
在X-Y(12x12mm)范圍內(nèi)測試樣品
4.INDENTATIONSTAGE壓痕移動(dòng)臺(tái)
粗進(jìn)以及精進(jìn)移動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確壓痕以及自動(dòng)尋找樣品表面
5.MANUALSTAGE手動(dòng)平臺(tái)
為任何樣品以及容器創(chuàng)造空間

 

納米以及微米級別的生物機(jī)械性能

Piuma是一個(gè)創(chuàng)新的,具有成本效益的工具,用來表征生物材料、組織、細(xì)胞器、細(xì)胞層、軟骨、靜電支架、力學(xué)性能,3D打印材料,水凝膠等的微納米機(jī)械性能。

The Piuma 納米壓痕儀專為迎合生物材料以及組織研究人員和工程師的需求,提供易用性和便攜性,同時(shí)提供高精度、高通量和多樣化的數(shù)據(jù)。Optics11小型化的玻璃探針式壓頭,特別適合在液體中測量水合樣品。組織工程和再生醫(yī)學(xué)的研究者,Piuma納米壓痕儀是衡量他們感興趣材料剛度的一個(gè)解決方案。 

 biologicalsample 

軟物質(zhì)材料表征

在生物材料、組織工程、再生醫(yī)學(xué)和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域,Piuma可以在溶液里進(jìn)行非破壞性測量測量某點(diǎn)或者某個(gè)區(qū)域的楊氏模量、蠕變和松弛實(shí)驗(yàn),點(diǎn)陣測量粘附力,描述應(yīng)變硬化行為,樣品的粘度等。測試生物材料和組織樣本的軟硬度可以很容易地在Piuma納米壓痕儀上用其optics11 PIUMA探頭和專用的Piuma軟件來實(shí)現(xiàn)。 

Piuma Nanoindenter是荷蘭Optics11公司出品的新型生物納米壓痕儀。主要應(yīng)用范圍為生物組織、生物支架、水凝膠、聚合物、細(xì)胞等軟物質(zhì)以及生物材料的機(jī)械性能研究。采用了新型探頭設(shè)計(jì),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)其他納米壓痕儀無法測試軟物質(zhì)的問題也解決了原子力顯微鏡在軟物質(zhì)測試中的數(shù)據(jù)波動(dòng)大,操作困難、制樣嚴(yán)苛等常見問題。更開創(chuàng)性的在壓痕儀中加入了動(dòng)態(tài)力學(xué)測試模式DMA,可以獲得材料與振動(dòng)頻率相關(guān)的儲(chǔ)存模量、損失模量和損失因子,用于研究材料在交變力作用下的滯后現(xiàn)象和力學(xué)損耗。


如您對此感興趣,我們可以為您提供試樣服務(wù)。