İmplantlar İçin Metale Karşı Kayan Eklem Kıkırdağının Biyotribolojik Test ve Analizi
Summary
Bu protokol, metal implant materyaline karşı kayan osteokondral silindirlerin hazırlanmasını, biyotribolojik testlerini ve analizini açıklamaktadır. Bu protokolde yer alan sonuç önlemleri metabolik aktivite, gen ekspresyonu ve histolojidir.
Abstract
Orta yaşlı hastalarda osteokondral defektler fokal metalik implantlarla tedavi edilebilir. İlk olarak diz eklemindeki bozukluklar için geliştirilen implantlar artık omuz, kalça, ayak bileği ve ilk metatarsalphalangeal eklem için kullanılabilir. Ağrı azaltma ve klinik iyileşme sağlarken, karşıt kıkırdak progresif dejeneratif değişiklikler birçok hastada görülmektedir. Bu hasara yol açan mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır. Bu protokol, bir metal-on-kıkırdak eşleştirme ve eklem kıkırdağının kapsamlı analizi simüle etmek için bir tribolojik deney açıklar. Metal implant malzemesi, insan eklem kıkırdağı için bir model olarak sığır osteokondral silindirlere karşı test edilir. Farklı yükler ve sürgülü hızlar uygulanarak fizyolojik yükleme koşulları taklit edilebilir. Bu protokolde eklem kıkırdağı üzerindeki etkilerinin kapsamlı bir analizini sağlamak amacıyla histoloji, metabolik aktivite ve gen ekspresyonu analizleri açıklanmıştır. Tribolojik testlerin en büyük avantajı, yükleme parametrelerinin in vivo koşulları simüle etmek için serbestçe ayarlanabilmektir. Ayrıca, yağlama veya pro-inflamatuar ajanların etkisini araştırmak için farklı test çözümleri kullanılabilir. Kıkırdak spesifik genler ve katabolik genler için gen ekspresyonu analizi kullanılarak mekanik yüklemeye yanıt olarak eklem kondrositmetabolizmasında erken değişiklikler saptanabilir.
Introduction
Osteokondral defektlerin tedavisi zordur ve birçok durumda ameliyat gerektirir. Orta yaşlı hastalarda fokal osteokondral lezyonlar için, fokal metalik implantlar, özellikle kemik iliği stimülasyonu (BMS) veya otolog konrosit implantasyonu (ACI)1 gibi primer tedavinin başarısızlığından sonra uygun bir seçenektir. Kısmi yüzey değişimleri ağrıyı azaltmak ve hareket aralığını artırmak kurtarma prosedürleri olarak kabul edilebilir2. Bu implantlar genellikle bir CoCrMo alaşımoluşur ve normal anatomi3maç için farklı boyutlarda ve ofset yapılandırmaları mevcuttur. Başlangıçta diz medial femoral kondil kusurları için geliştirilmiş olsa da, bu tür implantlar şimdi mevcuttur ve kalça için kullanımda, ayak bileği, omuz, ve dirsek4,5,6. Tatmin edici bir sonuç için, mekanik eklem hizalaması ve karşı kıkırdak durumunu değerlendirmek çok önemlidir. Ayrıca implantın çıkıntısı olmadan doğru implantasyonun temel7olduğu gösterilmiştir.
Klinik çalışmalar ağrı azaltma ve çeşitli yerler için orta yaşlı hastalarda fonksiyonun iyileştirilmesi açısından mükemmel kısa vadeli sonuçlar gösterdi5,6,8. Allogreft implantasyonu ile karşılaştırıldığında, fokal metal implantlar erken ağırlık taşıma sağlar. Ancak, karşıt eklem kıkırdağı hastaların önemli sayıda hızlandırılmış aşınma gösterdi9,10. Bu nedenle, hatta uygun yerleştirme ile, birçok durumda yerli kıkırdak dejenerasyonu kaçınılmaz görünüyor, altta yatan mekanizmalar belirsiz liğini korurken. Kalça11 bipolar hemiartroplasti sonra benzer dejeneratif değişiklikler gözlenmiştir ve aktivite ve yükleme ile artar12.
Tribolojik deneyler bu tür eşleşmeleri in vitro olarak inceleme ve fizyolojik koşullar altında meydana gelen farklı yükleme durumlarını simüle etme olanağı sağlar13. Osteokondral pimlerin kullanımı, yerli kıkırdak veya herhangi bir implant malzemesi14’e karşı kayan eklem kıkırdağının tribolojisini araştırmak için basit bir geometri modeli sunar ve tüm eklem simülasyon modellerinde daha fazla kullanılabilir15. Metal-on-kıkırdak eşleşmeleri hızlandırılmış kıkırdak aşınmagöstermek, ekstrasellüler matris bozulması, ve bir kıkırdak-on-kıkırdak eşleştirme ile karşılaştırıldığında yüzeysel bölgede hücre canlılığı azalmış16. Kıkırdak hasarı yüzeysel ve orta bölgeler arasında delaminasyon şeklinde esas olarak oluştu17. Ancak kıkırdak dejenerasyonuna yol açan mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır. Bu protokol eklem kıkırdağının biyosentetik aktivitesinin kapsamlı bir analizini sağlar. Katabolik genlerin metabolik aktivitesi ve gen ekspresyonu düzeylerinin belirlenmesi ile kıkırdak dökümü için erken endikasyonlar saptanabilir. In vitro tribolojik deneylerin avantajı, yükleme parametrelerinin çeşitli yükleme koşullarını taklit etmek için ayarlanabilmektir.
Bu nedenle, aşağıdaki protokol deneysel bir hemiartroplasti modelini temsil eden bir metal-on-kıkırdak eşleştirme simüle etmek için uygundur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fokal metalik implantlar osteokondral defektler için bir kurtarma prosedürü temsil, özellikle orta yaşlı hastalarda ve başarısız primer tedavi sonrası. Klinik çalışmalar umut verici kısa vadeli sonuçlar gösterse de, gözlenen komplikasyonlardan biri karşıt, yerli kıkırdak10’azarar vermektir. Kadavra ve biyomekanik çalışmalar düz veya biraz gömme konumlandırma ile uygun implantasyon doğal temas basınçları korur açık kanıtlar göstermektedir19…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. tarafından finanse edilmiştir. ve Yaşam Bilimi Aramaları (Proje Kimliği: LSC15-019) ve Avusturya COMET Programı (Project K2 XTribology, Grant No. 849109) ile Aşağı Avusturya eyalet hükümeti.
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
- Zengerink, M., Struijs, P. A. A. A., Tol, J. L., van Dijk, C. N. Treatment of osteochondral lesions of the talus: a systematic review. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 18 (2), 238-246 (2009).
- Aurich, M., et al. Behandlung osteochondraler Läsionen des Sprunggelenks: Empfehlungen der Arbeitsgemeinschaft Klinische Geweberegeneration der DGOU. Zeitschrift fur Orthopadie und Unfallchirurgie. 155 (1), 92-99 (2017).
- Van Bergen, C. J. A., Zengerink, M., Blankevoort, L., Van Sterkenburg, M. N., Van Oldenrijk, J., Van Dijk, C. N. Novel metallic implantation technique for osteochondral defects of the medial talar dome. Acta Orthopaedica. 81 (4), 495-502 (2010).
- Sweet, S. J., Takara, T., Ho, L., Tibone, J. E. Primary Partial Humeral Head Resurfacing. The American Journal of Sports Medicine. 43 (3), 579-587 (2015).
- Becher, C., et al. Minimum 5-year results of focal articular prosthetic resurfacing for the treatment of full-thickness articular cartilage defects in the knee. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 131 (8), 1135-1143 (2011).
- Lea, M. A., Barkatali, B., Porter, M. L., Board, T. N. Osteochondral Lesion of the Hip Treated with Partial Femoral Head Resurfacing. Case Report and Six-Year Follow-up. HIP International. 24 (4), 417-420 (2018).
- Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Paessler, H. H., Skrbensky, G. Effects of a contoured articular prosthetic device on tibiofemoral peak contact pressure: a biomechanical study. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 16 (1), 56-63 (2007).
- Malahias, M. -. A., Chytas, D., Thorey, F. The clinical outcome of the different HemiCAP and UniCAP knee implants: A systematic and comprehensive review. Orthopedic Reviews. 10 (2), (2018).
- Dhollander, A. A. M., et al. The use of a prosthetic inlay resurfacing as a salvage procedure for a failed cartilage repair. Knee Surgery, Sports Traumatology. 23 (8), 2208-2212 (2014).
- Van Bergen, C. J. A. A., van Eekeren, I. C. M. M., Reilingh, M. L., Sierevelt, I. N., van Dijk, C. N. Treatment of osteochondral defects of the talus with a metal resurfacing inlay implant after failed previous surgery. Bone and Joint Journal. 95 (12), 1650-1655 (2013).
- Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Hwang, K. -. T. T., Choi, I. -. Y. Y. The cartilage degeneration and joint motion of bipolar hemiarthroplasty. International Orthopaedics. 36 (10), 2015-2020 (2012).
- Moon, K. H., et al. Degeneration of Acetabular Articular Cartilage to Bipolar Hemiarthroplasty. Yonsei Medical Journal. 49 (5), 716-719 (2008).
- Wimmer, M. A., Pacione, C., Laurent, M. P., Chubinskaya, S. In vitro wear testing of living cartilage articulating against alumina. Journal of Orthopaedic Research. , (2016).
- Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. Simple geometry tribological study of osteochondral graft implantation in the knee. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 232 (3), 249-256 (2018).
- Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. Development of a preclinical natural porcine knee simulation model for the tribological assessment of osteochondral grafts in vitro. Journal of Biomechanics. 77, 91-98 (2018).
- Trevino, R. L., et al. Establishing a live cartilage-on-cartilage interface for tribological testing. Biotribology. 9, 1-11 (2017).
- Oungoulian, S. R., et al. Wear and damage of articular cartilage with friction against orthopedic implant materials. Journal of Biomechanics. 48 (10), 1957-1964 (2015).
- Stotter, C., et al. Effects of Loading Conditions on Articular Cartilage in a Metal-on-Cartilage Pairing. Journal of Orthopaedic Research. 37 (12), 2531-2539 (2019).
- Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Tibesku, C. O., von Skrbensky, G. Tibiofemoral contact mechanics with a femoral resurfacing prosthesis and a non-functional meniscus. Clinical biomechanics. 24 (8), 648-654 (2009).
- Temple, D. K., Cederlund, A. A., Lawless, B. M., Aspden, R. M., Espino, D. M. Viscoelastic properties of human and bovine articular cartilage: a comparison of frequency-dependent trends. BMC Musculoskeletal Disorders. , 1-8 (2016).
- Caligaris, M., Ateshian, G. A. Effects of sustained interstitial fluid pressurization under migrating contact area, and boundary lubrication by synovial fluid, on cartilage friction. Osteoarthritis and Cartilage. 16 (10), 1220-1227 (2008).
- Burris, D. L., Ramsey, L., Graham, B. T., Price, C., Moore, A. C. How Sliding and Hydrodynamics Contribute to Articular Cartilage Fluid and Lubrication Recovery. Tribology Letters. 67 (2), 1-10 (2019).
- Mamat, N., Nor, M. Numerical measurement of contact pressure in the tibiofemoral joint during gait. International Conference on Biomedical Engineering (ICoBE). , 27-28 (2012).
- Manda, K., Ryd, L., Eriksson, A. Finite element simulations of a focal knee resurfacing implant applied to localized cartilage defects in a sheep model. Journal of Biomechanics. 44 (5), 794-801 (2011).
