Biotribologische Prüfung und Analyse von Gelenkknorpel gleiten gegen Metall für Implantate
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Vorbereitung, biotribologische Prüfung und Analyse von Osteochonderzylindern, die gegen Metallimplantatmaterial gleiten. Ergebnismaßnahmen, die in diesem Protokoll enthalten sind metabolische Aktivität, Genexpression und Histologie.
Abstract
Osteochondrale Defekte bei Patienten mittleren Alters könnten mit fokalen metallischen Implantaten behandelt werden. Zunächst für Defekte im Kniegelenk entwickelt, sind nun Implantate für Schulter, Hüfte, Knöchel und das erste metatarsalphalangeal Gelenk erhältlich. Bei der Schmerzlinderung und klinischen Verbesserung werden bei vielen Patienten progressive degenerative Veränderungen des gegnerischen Knorpels beobachtet. Die Mechanismen, die zu diesem Schaden führen, sind nicht vollständig verstanden. Dieses Protokoll beschreibt ein tribologisches Experiment zur Simulation einer Metall-auf-Knorpel-Paarung und einer umfassenden Analyse des Gelenkknorpels. Metallimplantatmaterial wird an Rinderosteochondralzylindern als Modell für den menschlichen Gelenkknorpel getestet. Durch die Anwendung unterschiedlicher Lasten und Gleitgeschwindigkeiten können physiologische Belastungsbedingungen nachgeaht werden. Um eine umfassende Analyse der Auswirkungen auf den Gelenkknorpel, Histologie, metabolische Aktivität und Genexpressionsanalyse zu ermöglichen, werden in diesem Protokoll beschrieben. Der Hauptvorteil der tribologischen Tests besteht darin, dass die Belastungsparameter frei eingestellt werden können, um in vivo-Bedingungen zu simulieren. Darüber hinaus können verschiedene Testlösungen verwendet werden, um den Einfluss von Schmier- oder Entzündungsmitteln zu untersuchen. Durch die Verwendung von Genexpressionsanalysen für Knorpel-spezifische Gene und katabole Gene könnten frühe Veränderungen im Stoffwechsel von Gelenkchdrozyten als Reaktion auf mechanische Belastung nachgewiesen werden.
Introduction
Die Behandlung von Osteochonderdefekten ist anspruchsvoll und erfordert in vielen Fällen eine Operation. Bei fokalen osteochondralen Läsionen bei Patienten mittleren Alters sind fokale metallische Implantate eine praktikable Option, insbesondere nach dem Scheitern der Primärbehandlung, wie Knochenmarkstimulation (BMS) oder autologe Chondrozytenimplantation (ACI)1. Teilweiser Oberflächenersatz kann als Bergungsverfahren betrachtet werden, die Schmerzen reduzieren und den Bewegungsbereich verbessern können2. Diese Implantate bestehen in der Regel aus einer CoCrMo-Legierung und sind in verschiedenen Größen und Offset-Konfigurationen erhältlich, um der normalen Anatomie3zu entsprechen. Während ursprünglich für Defekte an der medialen Femoralkondyle im Knie entwickelt, sind solche Implantate jetzt verfügbar und im Einsatz für die Hüfte, Knöchel, Schulter, und Ellenbogen4,5,6. Für ein zufriedenstellendes Ergebnis ist es entscheidend, die mechanische Gelenkausrichtung und den Zustand des gegnerischen Knorpels zu beurteilen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine korrekte Implantation ohne Vorsprünge des Implantats grundlegend ist7.
Klinische Studien zeigten hervorragende kurzfristige Ergebnisse in Bezug auf Schmerzlinderung und Verbesserung der Funktion bei Patienten mittleren Alters für verschiedene Standorte5,6,8. Im Vergleich zur Allograft-Implantation ermöglichen fokale Metallimplantate ein frühes Gewicht. Der gegnerische Gelenkknorpel zeigte jedoch bei einer beträchtlichen Anzahl von Patienten einen beschleunigten Verschleiß9,10. Daher scheint selbst bei ordnungsgemäßer Platzierung eine Degeneration des einheimischen Knorpels in vielen Fällen unvermeidlich, während die zugrunde liegenden Mechanismen unklar bleiben. Ähnliche degenerative Veränderungen wurden nach der bipolaren Hemiarthroplastik der Hüfte11 beobachtet und werden mit Aktivität und Belastung12erhöht.
Tribologische Experimente bieten die Möglichkeit, solche Paarungen in vitro zu untersuchen und verschiedene Belastungssituationen zu simulieren, die unter physiologischen Bedingungen auftreten13. Die Verwendung von Osteochondralstiften bietet ein einfaches Geometriemodell zur Untersuchung der Tribologie des Gelenkknorpelgleitens gegen nativen Knorpel oder jedes Implantatmaterial14 und könnte weiter in ganzen Gelenksimulationsmodellen15verwendet werden. Metall-auf-Knorpel-Paarungen zeigen beschleunigten Knorpelverschleiß, extrazelluläre Matrixstörungen und verminderte Zelllebensfähigkeit in der oberflächlichen Zone im Vergleich zu einer Knorpel-auf-Knorpel-Paarung16. Schäden am Knorpel traten hauptsächlich in Form von Delamination zwischen der oberflächlichen und mittleren Zone17auf. Die Mechanismen, die zu knorpeldegenerationleiten, sind jedoch nicht vollständig verstanden. Dieses Protokoll bietet eine umfassende Analyse der biosynthetischen Aktivität des Gelenkknorpels. Durch die Bestimmung der metabolischen Aktivität und der Genexpressionsniveaus kataboler Gene könnten frühe Hinweise auf einen Knorpelabbau identifiziert werden. Der Vorteil von in vitro tribologischen Experimenten besteht darin, dass Die Belastungsparameter an verschiedene Belastungsbedingungen angepasst werden können.
Daher eignet sich das folgende Protokoll zur Simulation einer Metall-auf-Knorpel-Paarung, die ein experimentelles Hemiarthroplastikmodell darstellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fokale metallische Implantate stellen ein Bergungsverfahren für Osteochonderdefekte dar, insbesondere bei Patienten mittleren Alters und nach fehlgeschlagener Primärbehandlung. Obwohl klinische Studien vielversprechende kurzfristige Ergebnisse zeigten, ist eine beobachtete Komplikation eine Schädigung des gegnerischen, nativen Knorpels10. Kadaver und biomechanische Studien zeigen eindeutige Beweise dafür, dass eine richtige Implantation mit flacher oder leicht versenkter Positionierung den nat…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde von NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. gefördert. und die Landesregierung Niederösterreichs durch die Life Science Calls (Projekt-ID: LSC15-019) und das österreichische COMET-Programm (Projekt K2 XTribology, Grant-Nr. 849109).
Materials
| Amphotericin B | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | A-2942-100ML | |
| buffered formaldehyde solution 4% | VWR | 97131000 | |
| Cell Proliferation Kit II (XTT) | Roche Diagnostics | 11465015001 | XTT-based ex vivo toxicology assay |
| CoCrMo raw material | Acnis International | CoCrMo rods 6mm in diameter | |
| CryoStar NX70 Cryostat | Thermo Fischer Scientific | cryosectioning device | |
| dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sidma-Aldrich Chemie | D 2438-10ML | |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | medium | |
| fetal bovine serum | Gibco | ||
| Hyaluronic acid | Anika Therapeutics Inc. | component of lubricating solution | |
| iCycler | BioRad | thermal cycler | |
| Leica microscope DM‐1000 | Leica | microscope for histology | |
| LightCycler 480 Sealing Foil | Roche Diagnostics | ||
| LightCycler 96 | Roche Diagnostics | thermal cycler for PCR | |
| MagNA Lyser Green Beads | Roche Diagnostics | 3358941001 | |
| Osteochondral Autograft Transfer System (OATS) | Arthrex Inc. | cutting tube for harvesting osteochondral cylinders | |
| osteosoft | Merck | 1017279010 | decalcifier-solution |
| Penicillin /Streptomycin | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | P4333-100ML | |
| phosphate‐buffered saline | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | PBS | |
| Prescale Low Pressure | Fujifilm | pressure indicating film | |
| RNeasy Fibrous Tissue Kit | QIAGEN | 74404 | |
| Synergy 2 | BioTek Instruments | plate reader | |
| Tetra‐Falex MUST | Falex Tribology | Tribometer | |
| Tissue‐ Tek O.C.T. | SAKURA | 4583 | embedding formulation |
| Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit | Roche Diagnostics | 40897030001 | |
| β-mercaptoethanol | Sidma-Aldrich Chemie | M3148 |
Referenzen
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