조직의 구조 및 기계적 특성 평가를 위한 광역학

포유류에서 네 가지 조직 유형(연결형, 근육형, 상피형, 신경형)은 각각 신체의 장기를 위한 틀 제공, 움직임 촉진, 보호 장벽 형성, 몸 내부와 외부의 신호 조절과 같은 특정한 기능을 가지고 있다. 조직 구성 요소의 구성과 공간적 배열, 즉 조직 구조는 조직의 기계적 행동과 생물학적 기능을 좌우한다. 건선, 인대 손상, 골다공증, 간섬유화, 대동맥판막 협착 등 다양한 질환이 조직구조와 기계적 행동에 변화를 일으키는 것으로 알려져 있으며 선천적 결함이나 급성·만성 상해에서 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 이해는 근본적인 원인을 진단하고 치료하는 데 도움이 될 수 있기 때문에 건강하고, 병들고, 비정상적이고, 손상된 조직의 구조와 기계적 기능을 이해하는 것이 중요하다.

조직 구조 및 기계적 속성의 특성화와 그것들 사이의 관계는 여러 가지 이유로 실험적으로 어렵다. 많은 조직들은 공간적으로 이질적이고 계층적이며 탄성적으로 비등방성이다. 장력 및 압축 테스트와 같은 일반적인 기계적 테스트 기술은 조직의 이질성을 포착하지 못하며 국소 비등방성의 특성화는 어렵다. 종종 조직의 구조에 대한 직접적인 육안 검사는 광학(밝은 분야) 현미경 및 외부 얼룩(예: 헤마 토크 릴린 및 에오신)을 사용하여 이루어진다. 이 접근 방식은 매우 성공적이기는 하지만 시간이 많이 걸리고 2D 검사에 국한됩니다. 따라서, 3D 조직 구조 이질성에 대한 어떠한 정보도 직접적으로 얻을 수 없다. 이러한 제한은 공간적, 일시적 이질적 및 비등방성 조직과 같은 복잡한 조직에 특히 제한적이며, 이는 개별 공간 영역에서 전체적인 대량 기계적 속성에 대한 상대적 기여의 성격이 잘 이해되지 않는다. 다른 첨단 영상 기술과 2차 심포니 생성(SHG) 현미경 및 나노 들여 쓰기(NI)와 같은 기계적 특성 테스트 방법은 3D 조직 미세 구조와 마이크로기계적 특성을 서브 마이크론 규모로 평가하기 위한 새로운 설루션을 제공하여 이러한 과제를 극복하는 데 도움이 될 수 있다.

콜라겐 조직의 주요 하중 지지 역할 때문에 콜라겐 조직의 미세 구조를 평가하기 위해 다양한 광학 방법이 사용되어 왔다. 표준 형광 현미경은 정상 조직과 이상 플라스틱 조직을 구별하기 위한 바이오마커로서 콜라겐 조직의 형광 사용을 조사하기 위해 사용되어 왔다. 또 다른 접근법으로 연구자들은 복잡한 콜라겐 구조의 조직 구조-기능 관계를 분석하기 위해 상용 스펙트럼 도메인 광학 일관성 단층촬영(OCT)을 사용했다. 마지막으로 콜라겐 섬유 정렬을 추정하기 위해 작은 각도 광선 산란과 편광 현미경이 사용되었다. 이러한 방법은 콜라겐 섬유의 정렬이 적용된 변형률 및 조직 강성과 밀접한 관련이 있음을 보여주었다. 이러한 연구의 중요성에도 불구하고, 3D 이미지 획득의 기술적 한계와 데이터 분석의 복잡성 때문에 조직의 평면 외 섬유는 고려되지 않는다. SHG 현미경은 콜라겐 섬유를 영상화하는 매력적인 대안으로 떠올랐다. 앞에서 언급한 영상법과 달리, SHG 현미경은 비선형 광학 산란을 기반으로 하며, 2차 광학 비선형성을 가진 매체와 상호작용하는 강렬한 광학 펄스가 원래 파장의 절반(또는 주파수의 두 배)에서 훨씬 약한 빛을 생성한다. 섬유질 콜라겐과 같은 생물학적 구조는 강한 SHG 신호를 생성하므로 3가지 공간 차원에서 비침습적이고 라벨이 부착되지 않은 생물학적 영상에 매력적인 기법이다. 더욱이, 구조에 대한 기법의 특수성 때문에, SHG 이미지의 콘텐츠는 상대적으로 접근하기 쉬운 이미지 처리 방법을 사용하여 정량화할 수 있다. 실제로 구조적 특성에 기초한 이러한 형태의 정량적 SHG(qSHG) 영상은 힘줄, 뼈, 인대, 쥐 자궁경부를 포함한 다양한 조직에서 콜라겐 네트워크의 정량적 평가를 위한 신뢰할 수 있는 방법으로서 관심을 끌었다.

예를 들어 뇌, 연골, 각막과 같은 연조직의 기계적 성질을 특징짓기 위해 점점 더 많이 받아들여지는 방법은 NI이다. 이 기법은 샘플에 마이크로 스케일, 기하학적으로 잘 정의된 탐침을 유도하고 결과 하중과 움푹 들어간 깊이를 측정하여 연성 소재의 국소 탄성, 점탄성 및 다탄성 기계적 특성을 정량화할 수 있다. 하중-침착 데이터는 잘 확립된 탄성 접촉 이론을 사용하여 처리된다. 탄성 및 전단 모듈, 투과성 및 확산성, 크리프 및 응력 완화 반응과 같은 시간 의존적 특성과 같은 평형 특성을 정밀한 위치에서 결정할 수 있어 조직 특성을 평면 내에서 매핑할 수 있다.