Bestimmung der Steifheit weicher Biomaterialien und potenziell assoziierter Ziellipide

Abstract

The connection between organ mechanical properties and disease has been widely recognized. Accurately measuring the mechanical properties of tissues contributes to the diagnosis and research of diseases. Indentation nanotechnology is often used to measure the stiffness of tough biomaterials. But it is still unknown about its reliability in analyzing soft biomaterials. In addition, it is not clear whether some lipids are able to become potential targets for regulating organ physiology and pathophysiology. In order to investigate the reliability of nanoindentation technology in soft biomaterials, we used a displacement-controlled nanoindenter to double measure the stiffness of several liver, kidney, uterus and spleen samples reaped from C57BL/6N mice, and compared the variations between test and retest via intraclass correlation coefficients (ICCs), within-subject coefficients of variation (COVs) and Bland-Altman plots. According to the analysis results, we found that among the three stiffness calculation models of Hertzian, JKR, and Oliver & Pharr, the results calculated only in the Hertzian model can consistently provide reliability (ICC>0.8, COV<15%). In addition, for the purpose to explore the lipids that may cause fibrosis of human organs, the expression level of certain lipids in both red blood cell (RBC) and plasma between some healthy people and chronic kidney disease (CKD) patients was compared. Furthermore, we also explored whether dialysis has an effect on the lipid levels in RBC and plasma of CKD patients. After testing all lipids by LC–MS/MS spectrometry, we found that the expression of some lipids in the blood of healthy people and CKD patients was different, and dialysis treatment was also able to cause alterations in several blood lipid levels of CKD patients. In conclusion, it revealed that the nanoindentation technique we used to measure the hardness of the liver, kidney, uterus and spleen is feasible and the Hertzian model provides the most reliable way to measure the stiffness of organs in vitro. Besides, these lipid metabolites could be potential targets for organ fibrosis formation due to their ability in impacting different hemodynamic and metabolic in various physiological or morbid conditions. Our studies are able to provide theoretical foundation and technical support for future research on organ fibrotic diseases.

Der Zusammenhang zwischen den mechanischen Eigenschaften von Organen und Krankheiten ist weithin bekannt. Die genaue Messung der mechanischen Eigenschaften von Geweben trägt zur Diagnose und Erforschung von Krankheiten bei. Indentation Nanotechnologie wird häufig verwendet, um die Steifigkeit von zähen Biomaterialien zu messen. Über seine Zuverlässigkeit bei der Analyse weicher Biomaterialien ist jedoch noch nichts bekannt. Darüber hinaus ist nicht klar, ob einige Lipide potenzielle Ziele für die Regulierung der Organphysiologie und Pathophysiologie werden können. Um die Zuverlässigkeit der Nanoindentation-Technologie in weichen Biomaterialien zu untersuchen, haben wir einen verdrängungskontrollierten Nanoindenter verwendet, um die Steifigkeit mehrerer Leber-, Nieren-, Uterus- und Milzproben, die von C57BL/6N-Mäusen gewonnen wurden, doppelt zu messen und die Variationen zwischen Test und Retest verglichen über Intraklassen-Korrelationskoeffizienten (ICCs), Innersubjekt-Variationskoeffizienten (COVs) und Bland-Altman-Plots. Den Analyseergebnissen zufolge haben wir festgestellt, dass von den drei Steifigkeitsberechnungsmodellen von Hertzian, JKR und Oliver & Pharr die nur im Hertzschen Modell berechneten Ergebnisse konsistent eine Zuverlässigkeit bieten (ICC>0,8, COV<15%). Um die Lipide zu erforschen, die eine Fibrose menschlicher Organe verursachen können, wurde außerdem der Expressionsspiegel bestimmter Lipide sowohl in den roten Blutkörperchen (RBC) als auch im Plasma zwischen einigen gesunden Menschen und Patienten mit chronischer Nierenerkrankung (CKD) verglichen. Darüber hinaus untersuchten wir auch, ob die Dialyse einen Einfluss auf die Lipidspiegel in Erythrozyten und Plasma von CKD-Patienten hat. Nachdem wir alle Lipide durch LC-MS/MS-Spektrometrie getestet hatten, stellten wir fest, dass die Expression einiger Lipide im Blut von gesunden Menschen und von CNE-Patienten unterschiedlich war und die Dialysebehandlung auch in der Lage war, verschiedene Blutfettwerte von CNE-Patienten zu verändern. Zusammenfassend zeigte sich, dass die von uns verwendete Nanoindentation-Technik zur Messung der Härte von Leber, Niere, Gebärmutter und Milz machbar ist und das Hertzsche Modell die zuverlässigste Methode zur Messung der Steifigkeit von Organen in vitro bietet. Außerdem könnten diese Lipidmetaboliten potenzielle Ziele für die Bildung von Organfibrose sein, da sie verschiedene hämodynamische und metabolische Faktoren unter verschiedenen physiologischen oder morbiden Bedingungen beeinflussen können. Unsere Studien sind in der Lage, die zukünftige Forschung zu organfibrotischen Erkrankungen theoretisch fundiert und technisch zu unterstützen.