Biotribologisk test og analyse af ledbrusk glidende mod metal til implantater
Summary
Denne protokol beskriver forberedelse, biotribologisk testning og analyse af osteochondralcylindre, der glider mod metalimplantatmateriale. Resultatforanstaltninger, der indgår i denne protokol, er metabolisk aktivitet, genekspression og histologi.
Abstract
Osteochondraldefekter hos midaldrende patienter kan behandles med fokale metalliske implantater. Først udviklet til defekter i knæleddet, implantater er nu tilgængelige for skulder, hofte, ankel og den første metatarsalphalangeal fælles. Samtidig med at smertereduktion og klinisk forbedring, progressive degenerative ændringer af den modsatte brusk er observeret hos mange patienter. De mekanismer, der fører til denne skade, er ikke fuldt forstået. Denne protokol beskriver et tribologisk eksperiment for at simulere en metal-on-brusk parring og omfattende analyse af ledbrusk. Metalimplantatmateriale testes mod kvæg osteochondralcylindre som model for menneskelig ledbrusk. Ved at anvende forskellige belastninger og glidende hastigheder, kan fysiologiske belastningsforhold efterlignes. For at give en omfattende analyse af virkningerne på ledbrusk, histologi, metabolisk aktivitet og genekspressionsanalyse er beskrevet i denne protokol. Den største fordel ved tribologisk test er, at belastningsparametre frit kan justeres for at simulere under vivo-forhold. Desuden kan der anvendes forskellige testløsninger til at undersøge smørings- eller proinflammatoriske midlers indflydelse. Ved at bruge genekspressionsanalyse til bruskspecifikke gener og kataboliske gener kan der påvises tidlige ændringer i metabolismen af artikulære chondrocytter som reaktion på mekanisk belastning.
Introduction
Behandlingen af osteochondraldefekter er krævende og kræver operation i mange tilfælde. For fokale osteokondrale læsioner hos midaldrende patienter er fokale metalliske implantater en farbar vej, især efter den manglende primærbehandling, som knoglemarvsstimulation (BMS) eller autolog chondrocytimplantatation (ACI)1. Delvis overflade udskiftninger kan betragtes bjærgning procedurer, der kan reducere smerter og forbedre vifte af bevægelse2. Disse implantater er typisk sammensat af en CoCrMo legering og fås i forskellige størrelser og offset konfigurationer til at matche den normale anatomi3. Mens oprindeligt udviklet til fejl på den mediale femorale condyle i knæet, sådanne implantater er nu tilgængelige og i brug for hofte, ankel, skulder, og albue4,5,6. For at opnå et tilfredsstillende resultat er det afgørende at vurdere den mekaniske fællesjustering og tilstanden af den modsatte brusk. Desuden har korrekt implantation uden fremspring af implantatet vist sig at være grundlæggende7.
Kliniske undersøgelser viste fremragende kortsigtede resultater med hensyn til smertereduktion og forbedring af funktionen hos midaldrende patienter for forskelligesteder 5,6,8. Sammenlignet med allograft implantation tillader fokalmeimplantater tidligt vægtbærende. Den modsatte ledbruse viste imidlertid accelereret slid hos et betydeligt antal patienter9,10. Derfor, selv med korrekt placering, i mange tilfælde degeneration af den indfødte brusk synes uundgåelig, mens de underliggende mekanismer fortsat uklart. Lignende degenerative ændringer er blevet observeret efter bipolar hemiarthroplasty afhoften 11 og øges med aktivitet og belastning12.
Tribologiske forsøg giver mulighed for at studere sådanne bindinger in vitro og simulere forskellige belastningssituationer, der opstår under fysiologiskeforhold 13. Brugen af osteochondralstifter giver en enkel geometrimodel til at undersøge tribologien af ledbrusk, der glider mod indbygget brusk ellerimplantatmateriale 14 og kan yderligere anvendes i hele fælles simuleringsmodeller15. Metal-on-brusk bindinger viser accelereret brusk slid, ekstracellulære matrix forstyrrelser, og nedsat celle levedygtighed i den overfladiske zone sammenlignet med en brusk-on-brusk parring16. Skader på brusk opstod hovedsagelig i form af delaminering mellem de overfladiske og midterste zoner17. Men de mekanismer, der fører til brusk degeneration er ikke fuldt forstået. Denne protokol giver en omfattende analyse af den biosyntetiske aktivitet af ledbrusk. Ved bestemmelse af metabolisk aktivitet og genekspressionsniveauer af kataboliske gener kan der identificeres tidlige indikationer for brusksammenssnængning. Fordelen ved in vitro tribologiske eksperimenter er, at belastningsparametre kan justeres til at efterligne forskellige belastningsforhold.
Derfor er følgende protokol egnet til at simulere en metal-on-brusk parring, der repræsenterer en eksperimentel hemiarthroplasty model.
Protocol
Representative Results
Discussion
Focal metalliske implantater repræsenterer en bjærgning procedure for osteochondralde defekter, især i midaldrende patienter og efter mislykkedes primær behandling. Selv om kliniske undersøgelser viste lovende kortsigtede resultater, en observeret komplikation er skader på den modsatte, indfødte brusk10. Kadaver- og biomekaniske undersøgelser viser klare beviser for, at korrekt implantation med flad eller let forsænket positionering opretholder naturligt kontakttryk19</s…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev finansieret af NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. og nierösterreichens provinsregering gennem Life Science Calls (Projekt-ID: LSC15-019) og ved det østrigske COMET-program (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 |
Riferimenti
- 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).
