Polarization-resolved second-harmonic generation in tendon upon mechanical stretching

International audienceCollagen is a triple-helical protein that forms various macromolecular organizations in tissues and is responsible for the biomechanical and physical properties of most organs. Second-harmonic generation (SHG) microscopy is a valuable imaging technique to probe collagen fibrillar organization. In this article, we use a multiscale nonlinear optical formalism to bring theoretical evidence that anisotropy of polarization-resolved SHG mostly reflects the micrometer-scale disorder in the collagen fibril distribution. Our theoretical expectations are confirmed by experimental results in rat-tail tendon. To that end, we report what to our knowledge is the first experimental implementation of polarization-resolved SHG microscopy combined with mechanical assays, to simultaneously monitor the biomechanical response of rat-tail tendon at macroscopic scale and the rearrangement of collagen fibrils in this tissue at microscopic scale. These experiments bring direct evidence that tendon stretching corresponds to straightening and aligning of collagen fibrils within the fascicle. We observe a decrease in the SHG anisotropy parameter when the tendon is stretched in a physiological range, in agreement with our numerical simulations. Moreover, these experiments provide a unique measurement of the nonlinear optical response of aligned fibrils. Our data show an excellent agreement with recently published theoretical calculations of the collagen triple helix hyperpolarizability. Copyright © 2012 Biophysical Societ

Ex vivo multiscale quantitation of skin biomechanics in wild-type and genetically-modified mice using multiphoton microscopy

International audienceSoft connective tissues such as skin, tendon or cornea are made of about 90% of extracellular matrix proteins, fibrillar collagens being the major components. Decreased or aberrant collagen synthesis generally results in defective tissue mechanical properties as the classic form of Elhers-Danlos syndrome (cEDS). This connective tissue disorder is caused by mutations in collagen V genes and is mainly characterized by skin hyperextensibility. To investigate the relationship between the microstructure of normal and diseased skins and their macroscopic mechanical properties, we imaged and quantified the microstructure of dermis of ex vivo murine skin biopsies during uniaxial mechanical assay using multiphoton microscopy. We used two genetically-modified mouse lines for collagen V: a mouse model for cEDS harboring a Col5a2 deletion (a.k.a. pN allele) and the transgenic K14-COL5A1 mice which overexpress the human COL5A1 gene in skin. We showed that in normal skin, the collagen fibers continuously align with stretch, generating the observed increase in mechanical stress. Moreover, dermis from both transgenic lines exhibited altered collagen reorganization upon traction, which could be linked to microstructural modifications. These findings show that our multiscale approach provides new crucial information on the biomechanics of dermis that can be extended to all collagen-rich soft tissues

Analyse multi-échelles des propriétés biomécaniques de la peau de souris saine et malade

La peau est un tissu complexe composé de 3 couches : l'épiderme, le derme et l'hypoderme. Le derme est responsable de la majeure partie des propriétés mécaniques de la peau. Une modification de la composition du derme entraîne ainsi des modifications drastiques du comportement mécanique de la peau, comme dans la maladie d'Ehlers-Danlos, qui se caractérise par une hyper?élasticité des tissus. Au niveau microstructural, le derme est composé essentiellement de matrice extracellulaire, formée pour la majeure partie d'un réseau désordonné de fibres de collagène. Pour élucider le lien exact entre organisation microstructurale et propriétés mécaniques de la peau, nous réalisons des essais de traction uniaxiaux in situ sous un microscope multiphoton avec détection du signal de génération de seconde harmonique. Ceci nous permet de suivre la réponse de la microstructure du tissu au cours de l'essai mécanique. Des paramètres quantitatifs ont été développés pour caractériser à la fois la réponse mécanique macroscopique du tissu et le réarrangement du réseau de fibres de collagène sous chargement. Nous pouvons ainsi comparer le comportement multi-échelles de peau de souris saine et de peau de souris atteinte d'une mutation affectant la microstructure du derme

Etude de la réorganisation macroscopique de la peau de souris lors d'une sollicitation bi-axiale

La peau est composée en majorité de collagène et présente une microstructure très hiérarchisée qui influe sur son comportement mécanique aux différentes échelles. Pour caractériser l'influence de la microstructure sur les propriétés mécaniques, un test de traction bi-axiale couplé à une mesure macroscopique (corrélation d'images numériques) et microscopique (génération de second harmonique) a été développé . A terme, ce travail permettra de corréler les propriétés macroscopiques à la microstructures. Cette étude présente les résultats de la mesure effectuée par corrélation d'images

Grundlagen des Autonomen Rechnens

Das vegetative Nervensystem (engl. autonomous nervous system) des Menschen kann das, wovon in der IT-Industrie noch geträumt wird. Abhängig von der aktuellen Umgebung und Tätigkeit reguliert das vegetative Nervensystem mandatorische Körperfunktionen wie Herzfrequenz und Atmung. Reflexe, die dem Selbstschutz dienen, werden automatisch ausgelöst. Verletzungen heilen von selbst, ohne dass man seine normalen Tätigkeiten dafür unterbrechen müsste. Im Rahmen des Seminars „Autonomic Computing“ im Sommersemester 2003 am Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation der Universität Karlsruhe wurden Grundlagen dieses Autonomen Rechnens besprochen. Als Basis für Selbstkonfiguration und Selbstoptimierung werden in „Kontextbewusstsein: Ein Überblick“ Techniken zur Erfassung des physischen und sozialen Kontexts einer Anwendung erläutert. Die dienstorientierte Architektur und konkrete Implementierungen wie z.B. UPnP, Jini oder Bluetooth werden in „Aktuelle Technologien zur Realisierung dienstorientierter Architekturen“ behandelt. Die Arbeit „Service- Orientierung und das Semantic Web“ beschreibt, wie Semantic Web Technologien zur Beschreibung von Web Services verwendet werden können mit dem Ziel der automatischen Dienstfindung. Danach wird der Begriff „Selbstbewusstsein“ in bezug auf Software anhand zweier komplementärer Forschungsprojekte definiert. Technologien zur Überwachung des Laufzeitverhaltens von Rechnersystemen mit dem Ziel der selbstständigen Optimierung sind Gegenstand der Arbeit „Selbst-Überwachung und Selbst-Optimierung“. Der Artikel „Selbst-Schutz“ fasst die Sicherheitsanforderungen zusammen, die an ein autonomes Computersystem gestellt werden müssen und die Techniken, um solche Anforderungen zu erfüllen. Ansätze aus dem Bereich wiederherstellungsorientiertes- und fehlertolerantes Rechnen werden in „Selbst-Heilung“, „ROC – Recovery Oriented Computing“ und „Recovery Oriented Computing: Modularisierung und Redundanz“ vorgestellt. Alle Ausarbeitungen und Präsentationen sind auch elektronisch auf der diesem Band beiliegenden CD oder unter www.autonomic-computing.org verfügbar

The Large Observatory For X-ray Timing: LOFT

LOFT, the Large Observatory for X-ray Timing, is a new space mission concept devoted to observations of Galactic and extra-Galactic sources in the X-ray domain with the main goals of probing gravity theory in the very strong field environment of black holes and other compact objects, and investigating the state of matter at supra-nuclear densities in neutron stars. The instruments on-board LOFT, the Large area detector and the Wide Field Monitor combine for the first time an unprecedented large effective area (~10 m2 at 8 keV) sensitive to X-ray photons mainly in the 2-30 keV energy range and a spectral resolution approaching that of CCD-based telescopes (down to 200 eV at 6 keV). LOFT is currently competing for a launch of opportunity in 2022 together with the other M3 mission candidates of the ESA Cosmic Vision Progra

Adding Autonomic Functionality to Object-oriented Applications

Integrating applications with autonomic,fiinctions such as checkpointing/restart, self-healing or self-updating is diflcult and time consuming [8]. We demonstrate tlmt autonomic,f~tnctionality can he sepuruted,frotn upplications und supplied by default imple?nentations, thereby dramatically reducing the cost oj'scipplying autonomy. This article proposes a proxy/vvrapper technique with an additiorzul code Izook-lip infrustr~lct~ire to provide applic~ztion adaptation with self-upduting, self-configuratior ~ and self-optimizution,fiinctionalities. 1