والتجريبية وبروتوكول العناصر المحددة للتحقيق في نقل المواد المذابة المحايدة، واتهم في الغضروف المفصلي
Summary
نقترح على بروتوكول للتحقيق في نقل الجزيئات المشحونة وغير المشحونة عبر الغضروف المفصلي مع المعونة من الطرق التجريبية والعددية وضعت مؤخرا.
Abstract
هشاشة العظام (OA) هو المرض الموهن مقترن تدهور الغضاريف والعظم تحت الغضروف. تنكس الغضروف المفصلي يضعف وظيفة الحاملة لها إلى حد كبير كما كان يواجه تدهور الكيميائية الهائل، أي بروتيوغليكان الخسارة والكولاجين ليفية التعطيل. طريقة واحدة واعدة لتحقيق آليات الأضرار الكيميائية خلال OA هي لفضح العينات الغضروف إلى المذاب الخارجي ورصد انتشار الجزيئات. ويرتبط درجة الضرر الغضروف (أي تركيز وتكوين الجزيئات الأساسية) مع فقدان طاقة الصدم من المواد المذابة الخارجية بينما تتحرك عبر الغضروف المفصلي يخلق خصائص انتشار مختلفة مقارنة الغضروف السليم. في هذه الدراسة، ونحن نقدم بروتوكول، والذي يتكون من عدة خطوات، ويستند سبق وضعها التجريبي الصغير-C14px؛ "> omputed T omography (الدقيقة CT) ونمذجة العناصر المحدودة ونقل جزيئات يودي المشحونة وغير المشحونة يتم تسجيلها لأول مرة باستخدام الصغرى CT، والذي يليه من خلال تطبيق ثنائي الطور-المذاب ونماذج العناصر المحدودة المتعدد المراحل للحصول على معاملات نشر. والكثافة الرسم الثابت عبر المناطق الغضروف.
Introduction
النقل الجزيئي يلعب دورا حيويا في التوازن المفاصل التعبير، وتقديم العلاجات لغضروف مفصلي وعلى النقيض محسنة الغضروف التصوير 1، 2، 3. العوامل مثل التكامل الغضروف وintactness، تهمة المذاب وحجم وكذلك الأسمولية وتركيز حمام في اتصال مع الغضروف قد تؤثر على معدل النقل 4 و 5 و 6. نقل المواد المذابة، إما محايدة أو تهمة، يمكن أن تكون مختلفة بين المناطق الغضاريف المفصلية، لأن كل منطقة تتكون من تركيزات وتوجهات جزيئات المصفوفة خارج الخلية الرئيسية المختلفة، وهي البروتيوغليكان (PGS) والكولاجين النوع الثاني 1، 7، 8، 9،معشوقة = "XREF"> 10 و 11. الأهم من ذلك، نقل المواد المذابة اتهم يمكن أن تعتمد إلى حد كبير على تركيز البروتيوغليكان تضم رسوم ثابتة السلبية داخل المصفوفة خارج الخلية مما يزيد في غضروف مفصلي 8 و 9. تلك المعايير كثافة الشحنة ثابتة خاصة (FCD)، والتوجه من الألياف الكولاجين والاختلاف محتوى الماء في الغضروف قد تخضع التعديلات كما هشاشة العظام (OA) تقدم، وبالتالي يدل على أهمية دراسة نشرها عبر الغضروف.
في الدراسة الحالية، وبروتوكول بناء على الدراسات التجريبية والحسابية المحددة سابقا 6، 8، يقترح 9 إلى التحقيق بدقة نشرها تحت شروط الحدود باستخدام مختلف المواد المذابة محايدة واتهم في نموذج محدود، حمام من نشرها. تياقترح وتتكون الأساليب الصغرى بين التصوير المقطعي والتصوير (الدقيقة CT) من نظام بما في ذلك الغضروف وعلى حمام محدود تدعمها متقدمة ثنائي الطور-المذاب ونماذج العناصر المحدودة المتعدد المراحل. وتمكن هذه النماذج الحصول على معاملات نشر جزيئات محايدة واتهم كذلك FCDs عبر مناطق مختلفة من الغضروف المفصلي. باستخدام هذه النماذج، يمكن للمرء الحصول على فهم أفضل لسلوك نشرها الجزيئات المحايدة ووجهت إليه تهمة التي يمكن استخدامها لتحقيق التفاعل بين الغضروف وتتراكب محدود، حمام.
Protocol
Representative Results
Discussion
قدمنا بروتوكول تجريبي جنبا إلى جنب مع إجراء نمذجة العناصر المحددة لدراسة نشر المواد المذابة محايدة، واتهم في الغضروف المفصلي. وفقا لدراساتنا الأخيرة، يمكن أن النماذج المقترحة تصف بدقة نقل كلا محايد (ثنائي الطور-المذاب) وسالبة الشحنة (متعدد الأطوار) المذابة في من?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أعرب عن امتناني لالسيد جيرون فان دن بيرغ، والسيد ماتيس Wassink من مجموعة ميكانيكا التنمية على UMC أوتريخت لمساعدتهم في عملية المقابس عظمي غضروفي التفاف. وأيد هذا العمل من خلال منحة من مؤسسة التهاب المفاصل الهولندية.
Materials
| Hexabrix | Guerbet | 15HX005D | Negatively charged contrast agent |
| Visipaque | GE healthcare | 12570511 | Nuetral contrast agent |
| PBS | Life technologies | 10010023 | Medium |
| micro-CT | Perkin Elmer | Monitoring diffusion | |
| Freezing-point osmometer | Advanced instruments | Measuring solution osmolality |
References
- Arkill, K. P., Winlove, C. P. Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage. Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).
- Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. Solute transport across the articular surface of injured cartilage. Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).
- Leddy, H. A., Guilak, F. Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage. Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).
- Leddy, H. A., Guilak, F. Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching. Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).
- Gu, W. Y., Yao, H. Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues. Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).
- Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage. Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).
- Kulmala, K. A. M., et al. Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents. Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model. J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. , (2016).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models. Journal of Biomechanics. , (2016).
- Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
- Ateshian, G., Weiss, J., Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. Computer Models in Biomechanics. , 231-249 (2013).
- Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. , (2016).
- Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage. Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).
- Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).
- Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage. Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).
- Felson, D. T., et al. Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors. Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).
- Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography. Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).
- Raya, J. G., et al. Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage. Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).
- Tavakoli Nia, H., et al. Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties. ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).
- Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. , (2014).
- Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks. Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).
- Kokkonen, H. T., et al. Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).
- Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage. Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).
- Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro. Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).
- Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage – associations to matrix composition and integrity. Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).
- Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent’s transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. , (2015).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. , (2016).
