Un dispositif de bioréacteur d’essai de friction pour l’étude de la biomécanique des articulations synoviales, de la mécanobiologie et de la régulation physique
Summary
Le présent protocole décrit un dispositif d’essai de frottement qui applique simultanément un glissement réciproque et une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact.
Abstract
Dans l’arthrose primaire (OA), l’usure normale associée au vieillissement inhibe la capacité du cartilage à maintenir ses fonctions de charge et de lubrification, favorisant un environnement physique délétère. Les interactions frictionnelles du cartilage articulaire et de la synoviale peuvent influencer l’homéostasie articulaire par l’usure au niveau tissulaire et la mécanotransduction cellulaire. Pour étudier ces processus mécaniques et mécanobiologiques, un dispositif capable de reproduire le mouvement de l’articulation est décrit. Le dispositif d’essai de frottement contrôle la livraison d’un mouvement de traduction réciproque et d’une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact. Cette étude adopte une configuration synoviale sur cartilage, et des mesures de coefficient de frottement sont présentées pour les tests effectués dans un bain de solution saline tamponnée au phosphate (PBS) ou de liquide synovial (SF). Les essais ont été effectués pour une gamme de contraintes de contact, mettant en évidence les propriétés lubrifiantes du SF sous des charges élevées. Ce dispositif de test de friction peut être utilisé comme bioréacteur biomimétique pour étudier la régulation physique des tissus articulaires vivants en réponse à la charge physiologique appliquée associée à l’articulation de l’articulation de l’articulation diarthrodienne.
Introduction
L’arthrose (OA) est une maladie articulaire dégénérative débilitante qui touche plus de 32 millions d’adultes américains, avec un coût sanitaire et socio-économique de plus de 16,5 milliards de dollars1. La maladie a été classiquement caractérisée par la dégradation du cartilage articulaire et de l’os sous-chondral; cependant, les changements apportés à la synoviale ont récemment été appréciés, car la synovite a été liée aux symptômes et à la progressionde l’arthrose 2,3,4. Dans l’arthrose primaire (idiopathique), l’usure normale associée au vieillissement inhibe la capacité du cartilage à maintenir ses fonctions de charge et de lubrification. Il a été démontré que les contraintes générées par le contact glissant prolongé des couches de cartilage articulaire ou le contact glissant du cartilage contre les matériaux de l’implant facilitent l’usure du délaminage en cas de défaillance de fatigue souterraine 5,6. Comme un environnement mécanique dynamique existe dans l’articulation 7,8, les interactions de friction du cartilage articulaire et de la synoviale peuvent influencer l’homéostasie articulaire par l’usure au niveau des tissus et la mécanotransduction cellulaire. Pour étudier ces processus mécaniques et mécanobiologiques, un dispositif a été conçu pour reproduire le mouvement du joint avec un contrôle étroit sur la charge de compression et de frottement 5,6,9,10,11,12,13.
Le présent protocole décrit un dispositif d’essai de frottement qui délivre réciproquement, traduisant le mouvement et la charge de compression aux surfaces de contact des explants de tissus vivants. Le dispositif contrôlé par ordinateur permet à l’utilisateur de contrôler la durée de chaque test, la charge appliquée, l’amplitude de mouvement de l’étape de traduction et la vitesse de traduction. Le dispositif est modulaire, permettant de tester diverses contre-faces, telles que tissu sur tissu (cartilage sur cartilage et synoviale sur cartilage) et tissu sur verre. En plus des mesures fonctionnelles obtenues par le testeur, les composants tissulaires et de bain de lubrification peuvent être évalués avant et après les tests pour évaluer les changements biologiques induits par un régime expérimental donné.
Des études de tribologie du cartilage ont été réalisées pendant des décennies, et plusieurs techniques ont été développées pour mesurer les coefficients de frottement entre le cartilage et le verre et le cartilage sur le cartilage14,15. Les différentes approches sont motivées par le joint et/ou le mécanisme de lubrification d’intérêt. Il y a souvent un compromis entre le contrôle des variables expérimentales et la récapitulation des paramètres physiologiques. Les dispositifs de type pendule utilisent des joints intacts comme point d’appui d’un pendule simple où une surface articulaire se traduit librement sur la deuxième surface 14,16,17,18. Au lieu d’utiliser des articulations intactes, des mesures de frottement peuvent être obtenues en faisant glisser des explants de cartilage sur les surfaces souhaitées 14,19,20,21,22,23,24,25. Les coefficients de frottement rapportés du cartilage articulaire ont varié sur une large plage (de 0,002 à 0,5) en fonction des conditions de fonctionnement14,26. Des dispositifs ont été créés pour reproduire le mouvement rotatif 23,27,28. Gleghorn et al.26 ont développé un tribomètre personnalisé multi-puits pour observer les profils de lubrification du cartilage à l’aide de l’analyse de la courbe de Stribeck, et un mouvement de glissement oscillatoire linéaire a été appliqué entre le cartilage contre une contre-face en verre plat.
Cet appareil vise à isoler les réponses de frottement et à explorer la mécanobiologie des tissus vivants dans diverses conditions de charge. Le dispositif utilise une configuration d’essai simplifiée simulant l’articulation articulaire par glissement compressif, ce qui peut approximer à la fois le mouvement de roulement et de glissement, étant entendu que la résistance au mouvement de roulement pur est négligeable par rapport au coefficient de frottement mesuré du cartilage articulaire29. Construit à l’origine pour étudier les effets de la pressurisation du liquide interstitiel sur la réponse de friction du cartilage articulaire9, le testeur a depuis été utilisé pour explorer des sujets tels que les effets de friction de l’élimination de la zone superficielle du cartilage10, les effets lubrifiants du liquide synovial11, les hypothèses d’usure du cartilage 5,6,30 et les mesures de friction synoviale sur tissu13 . Le bioréacteur d’essai de friction peut mener des expériences de friction dans des conditions stériles, fournissant un nouveau mécanisme pour explorer comment les forces de frottement affectent les réponses mécanobiologiques du cartilage vivant et de la synoviale. Cette conception peut être utilisée comme bioréacteur biomimétique pour étudier la régulation physique des tissus articulaires vivants en réponse à la charge physiologique appliquée associée à l’articulation de l’articulation diarthrodienne.
Cette étude présente une configuration pour les tests de frottement synoviale sur cartilage sur une gamme de contraintes de contact et dans différents bains de lubrification. La surface articulée de la plupart des articulations est, dans une large mesure, le tissu synovial31. Bien que le glissement synoviale sur cartilage ne se produise pas sur les surfaces portantes primaires, les interactions de friction entre les deux tissus peuvent encore avoir des implications importantes pour la réparation au niveau tissulaire et la mécanotransduction cellulaire. Il a déjà été démontré que les synoviocytes de type fibroblaste (SLJ) résidant sur la couche intimale de la synoviale sont mécanosensibles, répondant au stress de cisaillement induit par le liquide32. Il a également été démontré que l’étirement33,34 et la contrainte de cisaillement induite par fluide35 modulent la production de lubrifiant FLS. En tant que tel, le contact coulissant direct entre la synoviale et le cartilage peut fournir un autre stimulus mécanique aux cellules résidentes de la synoviale.
Seuls quelques rapports sur les coefficients de frottement synoviale ont été publiés31,36. Estell et al.13 ont cherché à développer la caractérisation précédente en utilisant des contre-faces biologiquement pertinentes. Grâce à la capacité du dispositif de test de friction à tester les tissus vivants, il est possible d’imiter les interactions physiologiques des tissus pendant l’articulation articulaire pour élucider le rôle de la contrainte de cisaillement de contact sur la fonction synoviocytaire et sa contribution à la diaphonie entre la synoviale et le cartilage. Ce dernier a été impliqué dans la médiation de l’inflammation de l’articulation synoviale dans l’arthrite et post-blessure. En raison de la proximité physique du cartilage avec la synoviale et le liquide synovial, qui contiennent des synoviocytes présentant une capacité multipotente, y compris la chondrogenèse, il est postulé que les synoviocytes jouent un rôle dans l’homéostasie du cartilage et la réparation en se greffant à la surface articulaire. Dans ce contexte, le contact physique et le cisaillement réciproque du cartilage-synoviale et de la synoviale-synoviale peuvent augmenter l’accessibilité des synoviocytes aux régions de lésions cartilagineuses 37,38,39,40. Les études utilisant des configurations synoviale sur cartilage fourniront non seulement des informations sur la mécanique des tissus bruts articulaires et la tribologie, mais elles peuvent également conduire à de nouvelles stratégies pour maintenir la santé des articulations.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un environnement mécanique dynamique existe dans l’articulation car le cartilage est soumis à des forces de compression, de traction et de cisaillement, ainsi qu’à des pressions hydrostatiques et osmotiques44,45. Bien que le cartilage soit le principal tissu porteur de l’articulation, la synoviale subit également des interactions de friction avec la surface du cartilage et avec elle-même dans les régions où le tissu se plie. Les interactions physique…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par l’Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 et NIGMS R01 692 GM083925 (ID du bailleur de fonds: 10.13039/100000057).
Materials
| Aluminum foil | Reynolds Group Holdings | Reynolds Wrap | Sterile tissue harvest |
| Aluminum-framed acrylic enclosure | Custom made | Friction tester component | |
| Autoclavable instant sealing sterilization pouches | Fisherbrand | 01-812-54 | Sterilization of tools |
| Autoclave | Buxton | Sterilization of tools | |
| Beaker (250 mL) | Pyrex Vista | 70000 | Tissue harvest |
| Betadine (Povidone Iodine Prep Solution) | Medline Industries, LP | MDS093906 | Sterile tissue harvest |
| Biological safety cabinet | Labconco | Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC | Sterile tissue harvest |
| Biospy punch | Steritool Inc. | 50162 | Tissue harvest |
| Box cutter | American Safety Razor Company | 94-120-71 | Tissue harvest |
| Circular acrylic-sillicone post (synovium) | Custom made | Tissue mounting | |
| Culture media | Custom made | DMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) supplemented with 50 μg/mL L-proline (Cat. No. P5607; Sigma), 100 μg/mL sodium pyruvate (Cat. No. S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. No. 354350; Corning), and 1% antibiotic–antimycotic (Cat. No. 15-240-062, Gibco) | |
| Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear) | Henkel | 135455 | Tissue mounting |
| Dead weights | OHAUS | Normal load | |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs, Inc. | 2701 | Dilute to 70 % |
| Fixed base | ThorLabs, Inc. | SB1T | Friction tester component |
| Forceps (synovium harvest) | Fine Science Tools | 11019-12 | Tissue harvest |
| Forceps (synovium mounting) | Excelta | 3C-S-PI | Tissue mounting |
| Horizontal linear encoder (for translating stage) | RSF Electronics, Inc. | MSA 670.63 | Friction tester component; system resolution of 1 µm |
| Hot glue gun and glue | FPC Corporation | Surebonder Pro 4000A | Tissue mounting |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | LabVIEW 2010 | Friction testing program |
| Load cell | JR3 Inc. | 20E12A-M25B | Friction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z |
| Loading platen | Custom made | Tissue mounting | |
| O-ring | Parker | S1138AS568-009 | Tissue mounting |
| Petri dish (60 mm) | Falcon | 351007 | Tissue mounting |
| PivotLok Work Positioner (tibia holder) | Industry Depot, Pivot Lok | PL325 | Tissue harvest |
| Removable base | ThorLabs, Inc. | SB1B | Friction tester component |
| Ring stand | Tissue harvest | ||
| Scalpel blades | Havel's Inc. | FSC22 | Tissue harvest |
| Scalpel handle | FEATHER Safety Razor Co., Ltd. | No. 4 | Tissue harvest |
| Screwdriver | Wera | 3334 | Tissue harvest |
| Stage | JMAR | Friction tester component | |
| Stepper motor | Oriental Motor Co., Ltd. | PK266-03B | Friction tester component |
| Suction tool | Virtual Industries, Inc. | PEN-VAC Vacuum Pen | Tissue mounting |
| Support rod | Custom made | Tissue mounting | |
| Surgical scissors | Fine Science Tools | 14061-09 | Tissue mounting |
| Synovial fluid (bovine) | Animal Technologies, Inc. | Friction testing bath | |
| Testing bath | Custom made | Phosphate-Buffered Saline (PBS) with protease inhibitors: 0.04% isothiazolone-base biocide (Proclin 950 Cat. No. 46878-U; Sigma) and 0.1% protease inhibitor – 0.05 M ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA (Cat. No. 0369; Sigma) | |
| Tissue culture incubator | Fisher Scientific | Isotemp | Sterile culture |
| Vertical linear encoder (for loading stage) | Renishaw | T1031-30A | Friction tester component; 20 nm resolution |
| Voice coil actuator | H2W Technologies | NCC20-15-027-1RC | Friction tester component |
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