マウス下顎弓の硬さの不均一性と異方性の測定のための磁気マイクロマニピュレーション

Magnetic Micromanipulation for Measurement of Stiffness Heterogeneity and Anisotropy in the Mouse Mandibular Arch.

• Min Zhu
• Kaiwen Zhang
• Hirotaka Tao
• Sevan Hopyan
• Yu Sun

抄録

組織の力学的特性は、形態形成や疾患の進行に極めて重要である。最近のアプローチにより、胚および病理モデル系間の粘弾性特性の空間分布の測定が可能になり、デュロタキシーや組織スケールの相転移などの重要な仮説の生成が容易になりました。胚のバイオメカニクスには、私たちがまだ発見していない予想外の側面がたくさんあると思われ、それによって発生と疾患を支配するメカニズムに対する私たちの見方が変わることになるでしょう。組織剛性を測定するための最新のアプローチの盲点の一つは、組織剛性パラメータの潜在的な異方性である。ここでは、広い作業空間内で一様な磁場勾配を発生させ、直交する3軸に沿った組織剛性の変化を測定できる磁気マイクロマニピュレーション装置を報告する。この装置をマウスの器官期胚に適用することで、下顎骨弓内の空間的に不均一で方向性のある異方性の硬さを同定した。これらの特性は、フィブロネクチンの発現領域と角度分布に対応しており、発生期の集団的な細胞の動きを方向付けるメカニズムや組織を形成するメカニズムに潜在的な意味を持っています。異方性の評価は、現在の方法のレパートリーを広げ、仮説の生成と検証を可能にします。

The mechanical properties of tissues are pivotal for morphogenesis and disease progression. Recent approaches have enabled measurements of the spatial distributions of viscoelastic properties among embryonic and pathological model systems and facilitated the generation of important hypotheses such as durotaxis and tissue-scale phase transition. There likely are many unexpected aspects of embryo biomechanics we have yet to discover which will change our views of mechanisms that govern development and disease. One area in the blind spot of even the most recent approaches to measuring tissue stiffness is the potentially anisotropic nature of that parameter. Here, we report a magnetic micromanipulation device that generates a uniform magnetic field gradient within a large workspace and permits measurement of the variation of tissue stiffness along three orthogonal axes. By applying the device to the organ-stage mouse embryo, we identify spatially heterogenous and directionally anisotropic stiffness within the mandibular arch. Those properties correspond to the domain of expression and the angular distribution of fibronectin and have potential implications for mechanisms that orient collective cell movements and shape tissues during development. Assessment of anisotropic properties extends the repertoire of current methods and will enable the generation and testing of hypotheses.

Copyright © 2020 Min Zhu et al.