Essais et analyse biotribologiques du cartilage articulaire glissant contre le métal pour les implants
Summary
Ce protocole décrit la préparation, les essais biotribologiques et l’analyse des cylindres ostéochondral glissant contre le matériel d’implant métallique. Les mesures des résultats incluses dans ce protocole sont l’activité métabolique, l’expression des gènes et l’histologie.
Abstract
Les défauts ostéochondral dans les patients entre deux âges pourraient être traités avec des implants métalliques focaux. D’abord développés pour des défauts dans l’articulation du genou, les implants sont maintenant disponibles pour l’épaule, la hanche, la cheville et la première articulation métatarsalphalangeal. Tout en fournissant la réduction de douleur et l’amélioration clinique, des changements dégénératifs progressifs du cartilage opposé sont observés dans beaucoup de patients. Les mécanismes menant à ces dommages ne sont pas entièrement compris. Ce protocole décrit une expérience tribologique pour simuler un appariement métal-sur-cartilage et une analyse complète du cartilage articulaire. Le matériel d’implant métallique est testé contre les cylindres ostéochondral bovins comme modèle pour le cartilage articulaire humain. En appliquant différentes charges et vitesses de glissement, les conditions physiologiques de chargement peuvent être imitées. Pour fournir une analyse complète des effets sur le cartilage articulaire, l’histologie, l’activité métabolique et l’analyse d’expression de gène sont décrites dans ce protocole. Le principal avantage des essais tribologiques est que les paramètres de chargement peuvent être ajustés librement pour simuler des conditions in vivo. En outre, différentes solutions d’essai pourraient être utilisées pour étudier l’influence de la lubrification ou des agents pro-inflammatoires. En utilisant l’analyse de l’expression génétique pour les gènes spécifiques au cartilage et les gènes cataboliques, des changements précoces dans le métabolisme des chondrocytes articulaires en réponse à la charge mécanique pourraient être détectés.
Introduction
Le traitement des défauts ostéochondral est exigeant et exige la chirurgie dans beaucoup de cas. Pour les lésions ostéochondral focales chez les patients d’âge moyen, les implants métalliques focaux sont une option viable, surtout après l’échec du traitement primaire, comme la stimulation de la moelle osseuse (BMS) ou l’implantation autologue de chondrocytes (ACI)1. Les remplacements partiels de surface peuvent être considérés comme des procédures de récupération qui peuvent réduire la douleur et améliorer l’étendue dumouvement 2. Ces implants sont généralement composés d’un alliage CoCrMo et sont disponibles en différentes tailles et configurations offset pour correspondre à l’anatomie normale3. Alors qu’initialement développé pour les défauts sur le condyle fémoral médial dans le genou, ces implants sont maintenant disponibles et en usage pour la hanche, la cheville, l’épaule etle coude 4,5,6. Pour un résultat satisfaisant, il est crucial d’évaluer l’alignement articulaire mécanique et l’état du cartilage adverse. En outre, l’implantation correcte sans saillie de l’implant s’est montrée fondamentale7.
Les études cliniques ont démontré d’excellents résultats à court terme en termes de réduction de la douleur et d’amélioration de la fonction chez les patients d’âgemoyen pour divers endroits 5,6,8. Comparés à l’implantation d’allogreffe, les implants métalliques focaux permettent un port précoce du poids. Cependant, le cartilage articulaire opposé a montré l’usure accélérée dans un nombre considérable de patients9,10. Par conséquent, même avec le placement approprié, dans beaucoup de cas la dégénérescence du cartilage indigène semble inévitable, alors que les mécanismes sous-jacents restent peu clairs. Des changements dégénératifs similaires ont été observés après l’hémiarthroplastie bipolaire dela hanche 11 et sont augmentés avec l’activité et lechargement 12.
Les expériences tribologiques offrent la possibilité d’étudier de tels appariements in vitro et de simuler différentes situations de chargement se produisant dans des conditionsphysiologiques 13. L’utilisation d’épingles ostéochondral offre un modèle de géométrie simple pour étudier la tribologie du cartilage articulaire glissant contre le cartilage indigène ou tout matériel d’implant14 et pourrait encore être employé dans les modèles entiers de simulationcommune 15. Les appariements métal-sur-cartilage montrent l’usure accélérée de cartilage, la perturbation extracellulaire de matrice, et la viabilité diminuée de cellules dans la zone superficielle comparée à un appariement de cartilage-sur-cartilage16. Les dommages au cartilage se sont produits principalement sous forme de délamination entre les zones superficielles et moyennes17. Cependant, les mécanismes menant à la dégénérescence de cartilage ne sont pas entièrement compris. Ce protocole fournit une analyse complète de l’activité biosynthétique du cartilage articulaire. Par la détermination de l’activité métabolique et des niveaux d’expression de gène des gènes cataboliques, des indications tôt pour la panne de cartilage pourraient être identifiées. L’avantage des expériences tribologiques in vitro est que les paramètres de chargement peuvent être ajustés pour imiter diverses conditions de chargement.
Par conséquent, le protocole suivant est approprié pour simuler un appariement métal-sur-cartilage, représentant un modèle expérimental d’hémiarthroplastie.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les implants métalliques focaux représentent une procédure de récupération pour des défauts osteochondral, particulièrement dans les patients entre deux âges et après traitement primaire échoué. Bien que les études cliniques aient démontré des résultats prometteurs à court terme, une complication observée est dommages au cartilage indigène opposé10. Les études cadavériques et biomécaniques montrent clairement que l’implantation correcte avec un positionnement plat ou légè…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. et le gouvernement provincial de Basse-Autriche par le biais des appels en sciences de la vie (Id du projet : LSC15-019) et par le programme autrichien COMET (Projet K2 XTribology, Subvention 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 |
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