כיפוף הקנטילבר של צווארי הירך מורין

Summary

הפרוטוקול הנוכחי מתאר את הפיתוח של פלטפורמת בדיקה לשחזור עבור צוואר הירך מורין במערך כיפוף cantilever. קווי עזר מודפסים תלת-ממדיים מותאמים אישית שימשו לתיקון עקבי וקשיח של עצמות הירך ביישור אופטימלי.

Abstract

שברים בצוואר הירך הם תופעה שכיחה אצל אנשים עם אוסטאופורוזיס. מודלים רבים של עכבר פותחו כדי להעריך מצבי מחלות וטיפולים, עם בדיקות ביומכניות כמדד התוצאה העיקרי. עם זאת, בדיקות ביומכניות מסורתיות מתמקדות בבדיקות פיתול או כיפוף המוחלות על אמצע השלושה של העצמות הארוכות. זה בדרך כלל לא האתר של שברים בסיכון גבוה אצל אנשים אוסטאופורוטיקה. לכן, פותח פרוטוקול בדיקה ביומכנית הבודק את צוואר הירך של עצמות הירך בעומס כיפוף cantilever כדי לשכפל טוב יותר את סוגי השברים שחווים חולי אוסטאופורוזיס. מכיוון שהתוצאות הביומכניות תלויות מאוד בכיוון הטעינה הפלקסורלית ביחס לצוואר הירך, נוצרו מדריכים מודפסים תלת-ממדיים לשמירה על פיר הירך בזווית של 20° ביחס לכיוון הטעינה. הפרוטוקול החדש ייעל את הבדיקה על ידי הפחתת השונות ביישור (21.6° ± 1.5°, COV = 7.1%, n = 20) ושיפור יכולת הרבייה בתוצאות הביומכניות הנמדדות (COV ממוצע = 26.7%). הגישה החדשה באמצעות קווי עזר מודפסים 3D עבור יישור דגימה אמין משפר את הקפדה ושחזור על ידי הפחתת שגיאות המדידה עקב אי התאמה דגימה, אשר אמור למזער את גודל המדגם במחקרי עכבר של אוסטאופורוזיס.

Introduction

סיכון לשבר הוא דאגה רפואית חמורה הקשורה לאוסטאופורוזיס. מעל 1.5 מיליון שברים שבירים מדווחים מדי שנה בארצות הברית לבדה, עם שברים המתרחשים בירך, במיוחד הצוואר הירך, כמו סוג השבר ^{המוביל1}. ההערכה היא כי 18% מהנשים ו -6% מהגברים יחוו שבר בצוואר הירך במהלך ^חייהם2, ושיעור התמותה בשנה אחת לאחר השבר גדול מ -20%¹. לכן, מודלים עכבר המאפשרים בדיקה ביומכנית של צוואר הירך יכול להיות מתאים לחקר שברים שבירים. מודלים של עכברים מציעים גם כלים רבי עוצמה כדי להבהיר אירועים תאיים ומולקולריים הניתנים לתרגום המעורבים באוסטאופורוזיס באופן פוטנציאלי. הסיבה לכך היא הזמינות של כתבים גנטיים, רווח ואובדן של מודלים פונקציה, ואת הספרייה הרחבה של טכניקות מולקולריות ריאגנטים. בדיקה מכנית של עצמות עכבר יכולה לספק את אמצעי התוצאה הדרושים כדי לקבוע את בריאות העצם, וריאציות גנוטיפיות ופנוטיפיות שיכולות להסביר את האטיולוגיה של המחלה, ולהעריך טיפולים המבוססים על מדדי תוצאה של איכות העצם ואת הסיכון ^לשבר3.

האנטומיה של צוואר הירך יוצרת תרחישי טעינה מכניים ייחודיים, אשר בדרך כלל להוביל שברים גמישים (כיפוף). ראש הירך נטען בשקע האצטבולרי בקצה הפרוקסימלי של עצם הירך. זה יוצר תרחיש כיפוף cantilever על צוואר הירך, אשר מחובר בקשיחות לפיר הירך ^distally4. זה שונה מבדיקות כיפוף מסורתיות של 3 או 4 נקודות על עצם הירך באמצע הדיאפיאזיס. בעוד בדיקות אלה מועילות, הם אינם משכפלים את הטעינה שמובילה בדרך כלל לשברים שבריריים אצל אנשים אוסטאופניים ואוסטאופורוטיקה במונחים של מיקום השבר או תרחיש הטעינה.

כדי להעריך טוב יותר את הסיכון לשבר שברירי בעכברים, הוא ביקש לשפר את יכולת הרבייה של בדיקות כיפוף cantilever של צוואר הירך מורין. כפי שחזינו תיאורטית, זווית הטעינה על ראש הירך ביחס לפיר הירך הוכח להשפיע באופן משמעותי על מדדי ^{התוצאה5}, ובכך ליצור אתגר לאמינות ושחזור של התוצאות שדווחו. כדי להבטיח יישור נכון ועקבי של עצמות הירך במהלך הכנת הדגימה, מדריכים תוכננו, והודפסו בתלת-ממד בהתבסס על מדידות אנטומיות שנעשו על סריקות μCT של עצם הירך של C57BL/6 עכבר. המדריכים נועדו לסייע בעקביות עציצים את הדגימות, כך פיר הירך נשמר ב ~ 20 ° מכיוון הטעינה האנכית. זווית זו נבחרה מכיוון שהיא ממקסמת את הנוקשות תוך מזעור רגע הכיפוף המקסימלי לאורך פיר הירך, מה שמגביר את הסבירות לשברים בצוואר הירך ומוביל לבדיקות עקביות יותר הניתנות ^{לשחזור5}. המדריכים הודפסו בתלת-ממד בגדלים שונים כדי להתאים להבדלים אנטומיים בין דגימות ושימשו להחזקת דגימות במצב יציב תוך כדי עציצים במלט עצם אקרילי. הנוקשות, הכוח המרבי, כוח התשואה והאנרגיה המקסימלית חושבו מהגרפים של תזוזת הכוח. שיטת בדיקה זו הראתה תוצאות עקביות לתוצאה הביומכנית הנ”ל. בעזרת התרגול ובסיוע המדריך המודפס בתלת-ממד, ניתן למזער שגיאות מדידה עקב אי-התאמה, וכתוצאה מכך ניתן למזער את מדדי התוצאה האמינים.

Protocol

מחקרים בבעלי חיים אושרו על ידי ועדת משאבי בעלי החיים של אוניברסיטת רוצ’סטר. העכברים ששימשו במחקר זה היו C57BL/6 זכרים ונקבות החל מגיל 24-29 שבועות. עכברים שוכנו בתנאים סטנדרטיים עם מזון ומים עד ליביטום. עם המתת חסד באמצעות שאיפת פחמן דו חמצני, ואחריו נקע צוואר הרחם, 20 עצמות ירך ימניות (10 זכרי?…

Representative Results

כאשר עציצים בעזרת המדריך, פירי הירך היו מיושרים ב 21.6 ° ± 1.5 °. בעוד שזה מייצג סטייה של <10% מהזווית המיועדת של 20°, מקדמי הווריאציה (COV) של זווית החיתוך על פני כל הדגימות שנבדקו היו 7.6% ו-6.5% לעכברים זכרים ונקבות, בהתאמה (n = 10 לכל קבוצה) כפי שאומתו על ידי צילומי רנטגן מישוריים טרום בדיקה (א?…

Discussion

פרוטוקול זה מתאר מבחן כיפוף cantilever אמין עבור צוואר הירך מורין. תרחיש כיפוף הקניבל הטבעי המתרחש בצוואר הירך בדרך כלל אינו מיוצג במבחני כיפוף סטנדרטיים של 3 ו -4 ^{נקודות5}. שיטת בדיקה זו טובה יותר ואמינה יותר משכפלת את סוג השברים בצוואר הירך שחווים חולי שבריריות עצם. המוקד העיקרי בעת…

Materials

¼” x ¼” square aluminum tubing	Grainger	48KU67	Cut to lengths of 1/2" to 1" lengths
1 kN load cell	Instron	2527-130	Any load cell with sub 1 N resolution can be used.
3.5x-45x Zoom Stereo Boom Microscope	Omano	OM2300S-GX4	Microscope used to precisely line up samples with loading platen.
3D printed guides	Custom made		Angled slots at 73.13°, with diameters between 1.9 mm and 2.2 mm
3D printed mount	Custom made		Tapped with M10 threads to fit the mount attachment and with 2 M4 threaded holes adjacent sides to hold the aluminum tubing with sample in place.
Acrylic Base Plate Material Kit	Keystone Industries	921392	Mix 3.5 g of powder with 2 mL of liquid. This will be enough for approximately 8 samples, and will begin to harden quickly.
Amira	ThermoFisher Scientific		Used to compile µCT scans
Biaxial stage	Custom made		Used to center femoral head of sample under the loading platen.
BioMed Amber Resin	formlabs	RS-F2-BMAM-01	Any resin from formlabs could be used for this project.
Bluehill 3	Instron	V3.66	Software used to set up loading protocol and collect load, displacement and time data.
ElectroPuls 10000	Instron	E10000	Mechanical testing system
Faxitron UltraFocus	Faxitron BioOptics	2327A40311	X-ray imaging system
Form 2	formlabs	F2	Used to print the mount and guides
Form 2 Resin Tank LT	formlabs	RT-F2-02	LT Tank was used to be compatible with the BioMed Resin
ImageJ	National Institutes of Health	ImageJ	Used to assess µCT and X-ray images
Laxco iLED Series LED Light Source	ThermoFisher Scientific	AMPSILED30W	Light source used in conjugtion with microscope.
Loading platen	Custom made		This can be any metal rod that is tapered to a diameter of approximately 2.5 mm. We used an M6 screw that was tapered on a lathe.
Mount attachment	Custom made		To secure the 3D printed mount to the load cell. We used a M10/M6 threaded rod
Phosphate Buffer Saline (PBS)	ThermoFisher Scientific	10010031	Need to rehydrate the samples once acrylic base plate material has set.
Plumber's putty	Oatey	31174	Used to seal the end of the aluminum tubing when pouring acrylic base plate material in. Any clay or putty could be used.
PreForm	formlabs	Preform 3.15.2	Formlabs software
Tissue Culture Dish	Corning	353003	Samples can be laid flat in culture dish and covered in PBS to rehydrate.
vivaCT 40	Scanco	µCT 40	Representative set or actual samples can be scanned prior to printing of guides to calculate femoral shaft angle and diameter.