Testes biotribológicos e Análise de Cartilagem Articular Deslizando contra Metal para Implantes
Summary
Este protocolo descreve a preparação, testes biotribológicos e análise de cilindros osteocondrais deslizando contra material de implante metálico. As medidas de desfecho incluídas neste protocolo são atividade metabólica, expressão genética e histologia.
Abstract
Defeitos osteocondriais em pacientes de meia-idade podem ser tratados com implantes metálicos focais. Desenvolvidos pela primeira vez para defeitos na articulação do joelho, os implantes estão agora disponíveis para o ombro, quadril, tornozelo e a primeira articulação metatarsalphalangeal. Ao mesmo tempo em que proporcionam redução da dor e melhora clínica, alterações degenerativas progressivas da cartilagem oposta são observadas em muitos pacientes. Os mecanismos que levam a esse dano não são totalmente compreendidos. Este protocolo descreve um experimento tribológico para simular um emparelhamento metal-sobre-cartilagem e uma análise abrangente da cartilagem articular. O material de implante metálico é testado contra cilindros osteocondriais bovinos como modelo para cartilagem articular humana. Aplicando cargas diferentes e velocidades deslizantes, as condições de carregamento fisiológico podem ser imitadas. Para fornecer uma análise abrangente dos efeitos sobre a cartilagem articular, histologia, atividade metabólica e análise de expressão genética estão descritos neste protocolo. A principal vantagem do teste tribológico é que os parâmetros de carregamento podem ser ajustados livremente para simular condições in vivo. Além disso, diferentes soluções de teste podem ser usadas para investigar a influência de agentes de lubrificação ou pró-inflamatórios. Usando a análise de expressão genética para genes específicos da cartilagem e genes catabólicos, podem ser detectadas alterações precoces no metabolismo de condrócitos articular em resposta ao carregamento mecânico.
Introduction
O tratamento de defeitos osteocondriais é exigente e requer cirurgia em muitos casos. Para lesões osteocondriais focais em pacientes de meia-idade, implantes metálicos focais são uma opção viável, especialmente após a falha do tratamento primário, como estimulação da medula óssea (SMO) ou implantação de condrócito autólogo (ACI)1. Substituições parciais de superfície podem ser consideradas procedimentos de salvamento que podem reduzir a dor e melhorar a faixa de movimento2. Esses implantes são tipicamente compostos de uma linha de terapia CoCrMo e estão disponíveis em diferentes tamanhos e configurações offset para corresponder à anatomia normal3. Embora inicialmente desenvolvidos para defeitos no condíle femoral medial no joelho, tais implantes estão agora disponíveis e em uso para o quadril, tornozelo, ombro e cotovelo4,5,6. Para um desfecho satisfatório, é fundamental avaliar o alinhamento mecânico das articulações e a condição da cartilagem oposta. Além disso, a implantação correta sem a saliência do implante tem se mostrado fundamental7.
Estudos clínicos demonstraram excelentes resultados de curto prazo em termos de redução da dor e melhora da função em pacientes de meia-idade para diversos locais5,6,8. Comparados com a implantação de aoenxerto, os implantes metálicos focais permitem o rolamento precoce do peso. No entanto, a cartilagem articular oposta mostrou desgaste acelerado em um número considerável de pacientes9,10. Assim, mesmo com a colocação adequada, em muitos casos a degeneração da cartilagem nativa parece inevitável, enquanto os mecanismos subjacentes permanecem incertos. Alterações degenerativas semelhantes foram observadas após hemiartropa bipolar do quadril11 e são aumentadas com atividade e carregamento12.
Experimentos triológicos proporcionam a possibilidade de estudar tais pares in vitro e simular diferentes situações de carregamento ocorridas em condições fisiológicas13. O uso de pinos osteocondriais oferece um modelo de geometria simples para investigar a tribologia da cartilagem articular deslizando contra cartilagem nativa ou qualquer material de implante14 e pode ser usado ainda em modelos inteiros de simulação articular15. Os pares metálico-sobre-cartilagem mostram desgaste acelerado da cartilagem, interrupção da matriz extracelular e diminuição da viabilidade celular na zona superficial em comparação com um pareamento cartilagem-sobre-cartilagem16. Os danos na cartilagem ocorreram principalmente na forma de delaminação entre as zonas superficial e média17. No entanto, os mecanismos que levam à degeneração da cartilagem não são totalmente compreendidos. Este protocolo fornece uma análise abrangente da atividade biossintética da cartilagem articular. Pela determinação da atividade metabólica e dos níveis de expressão genética dos genes catabólicos, podem ser identificadas indicações precoces para a quebra da cartilagem. A vantagem dos experimentos triológicos in vitro é que os parâmetros de carregamento podem ser ajustados para imitar várias condições de carregamento.
Assim, o protocolo a seguir é adequado para simular um emparelhamento metal-sobre-cartilagem, representando um modelo experimental de hemiartropa.
Protocol
Representative Results
Discussion
Implantes metálicos focais representam um procedimento de salvamento para defeitos osteocondriais, especialmente em pacientes de meia-idade e após o tratamento primário falho. Embora estudos clínicos demonstrassem resultados promissores a curto prazo, uma complicação observada é danos à cartilagem nativaoposta 10. Estudos de cadáveres e biomecânicos mostram evidências claras de que a implantação adequada com posicionamento plano ou ligeiramente recesso mantém pressões naturais de co…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta pesquisa foi financiada por NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. e o governo provincial da Baixa Áustria através das Chamadas de Ciência da Vida (Project ID: LSC15-019) e pelo Programa Austríaco DE COMETA (Projeto K2 XTribology, Grant No. 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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