Et passivt testsystem for ankeldorsifleksjon for en in vivo-modell av overforbruksindusert tendinopati

Summary

Denne protokollen presenterer et testsystem som brukes til å indusere kvantifiserbare og kontrollerte utmattingsskader i en akillessene hos rotter for en in vivo-modell av overforbruksindusert tendinopati. Prosedyren består i å feste rottens ankel til en leddaktuator som utfører passiv ankeldorsifleksjon med et spesialskrevet MATLAB-skript.

Abstract

Tendinopati er en kronisk senetilstand som resulterer i smerte og tap av funksjon og skyldes gjentatt overbelastning av senen og begrenset restitusjonstid. Denne protokollen beskriver et testsystem som syklisk påfører mekaniske belastninger via passiv dorsifleksjon på akillessenen hos rotter. Den skreddersydde koden består av før- og ettersykliske lastmålinger for å vurdere effekten av lastprotokollen sammen med det tilbakekoblingskontrollbaserte sykliske utmattingsbelastningsregimet.

Vi brukte 25 Sprague-Dawley-rotter for denne studien, med 5 rotter per gruppe som mottok enten 500, 1,000, 2,000, 3,600 eller 7,200 sykluser av tretthetsbelastninger. De prosentvise forskjellene mellom pre- og postsykliske belastningsmålinger av hysterese, toppspenning og laste- og lossemoduli ble beregnet. Resultatene viser at systemet kan forårsake varierende grad av skade på akillessenen basert på antall påførte belastninger. Dette systemet tilbyr en innovativ tilnærming for å anvende kvantifiserte og fysiologiske varierende grader av sykliske belastninger på akillessenen for en in vivo-modell av tretthetsindusert overbelastningsseneskade.

Introduction

Ettersom sener forbinder muskler til bein og opplever daglige repeterende bevegelser gjennom hele livet, er de svært utsatt for overbelastningsskader som er smertefulle og begrensende og resulterer i nedsatt mekanisk funksjon, som påvirker 30-50% av befolkningen¹. Tendinopatier er kroniske tilstander som anses som overbelastningsskader på grunn av repeterende tretthetsbevegelser og utilstrekkelig helbredelse til pre-skadenivåer. Både øvre og nedre ekstremiteter er ofte påvirket, inkludert rotator mansjett, albue, akillessene og patellar sene 2,3,4,5. Achilles tendinopati er vanlig i aktiviteter som involverer løping og hopping, spesielt idrettsutøvere involvert i friidrett, mellom- og langdistanseløping, tennis og andre ballsporter, noe som påvirker 7-9% av løperne ^6,7. Skader fra løping og hopping kan også forårsake begrenset ankeldorsifleksjon, som er en risikofaktor for akilles- og patellartendinopatier ^8,9,10. Det er derfor behov for en bedre utredning og karakterisering av tendinopati, noe denne studien kan gi som rottemodell av passiv ankeldorsifleksjon ved overforbruk av akillesseneskader.

Tidligere arbeid med smådyrmodeller har vært rettet mot å studere utviklingen og markørene for tendinopati. Disse inkluderer tredemølletrening, repeterende rekkevidde, direkte senebelastning, kollagenaseinjeksjoner, kirurgi og in vitro-studier 11,12,13,14,15,16. Selv om litteraturen har hatt nytte av identifisering av skademarkører ved bruk av disse tendinopatimodellene, inkluderer begrensninger belastning av senen i ikke-fysiologisk relevante leddbevegelser, som i tilfelle direkte belastning av senen, ikke direkte måling av påførte belastninger, som for tredemøllestudier, og ikke bruk av fysiologisk overforbruk, som i tilfelle for kollagenaseinjeksjoner, blant andre. For dette formål hadde denne studien som mål å utvikle et system som ikke-invasivt bruker kvantifiserte belastninger på akillessenen med søknad om overforbruksinduserte tendinopatistudier for å fylle hullene i tidligere utviklede smådyrmodeller for tendinopati. Vi utførte en pilotstudie for å demonstrere at systemet induserer reproduserbare endringer i mekaniske egenskaper over en rekke lastesykluser. Dette systemet muliggjør fysiologisk relevant bevegelse og belastning for å indusere overforbruk samtidig som det kvantifiserer og måler kreftene som påføres og oppleves av senen under lasteregimet.

Protocol

Denne studien ble utført per Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) godkjenning ved Beth Israel Deaconess Medical Center. Dyrene ble bedøvet med 5 % isofluran til induksjon og 2,5 % til vedlikehold, og det ble tatt hensyn til å unngå hypotermi. 1. Sette opp testsystemet Kontroller passiv ankelrotasjon med en trinnmotor for å bruke konsekvent rotasjon og dreiemoment. Kontroller steppermotoren med en mikrokontroller. Bruk inndataene fra 3D-posisjons- …

Representative Results

Med det økende antallet påførte sykluser var det en større reduksjon i in vivo senemekaniske egenskaper. Det var signifikant lavere reduksjon i hysterese og laste- og lossemoduler for 500-syklusgruppen sammenlignet med syklusgruppene på 3 600 og 7 200 (p < 0,05) (figur 2). Mens det var en signifikant reduksjon i toppspenning per syklus fra 500-syklusen til 3,600-syklusgruppen, var det ingen signifikant reduksjon mellom 500- og 7,200-syklusgruppene. Det var en konsistent prosent…

Discussion

Denne studien presenterer en metode for syklisk belastning av akillessenen hos rotter med et passivt ankeldorsifleksjonssystem for en in vivo overforbruksindusert tendinopatimodell. Betydningen av systemet ligger i dets evne til å isolere akillessenen, påføre kvantifiserbare belastninger uten kirurgisk tilgang til senen, og måle in vivo seneegenskaper.

I 2010 presenterte Fung et al. en utmattingsmodell for rottepatellarsene med et spesialbygd testsystem^…

Materials

1/32'' Aluminum beads
2.5% isoflurane
3D digitizing pen	Polhemus, Vermont, NH, USA
3D electromagnetic positioning and orientation sensor	Polhemus, Vermont, NH, USA
5% isoflurane
Customized device: 1) Assembly, sensors, 3D printed animal bed and ankle mount actuator			Assembled as described in manuscript
MATLAB code	MATLAB, Natick, MA, USA
Microcontroller	Ivrea, Italy	Arduino UNO, Rev3
Nose cone
Scalpel and scalpel holder			No. 11 scalpel
Sprague-Dawley rats	Charles River Laboratories, Wilmington, MA, USA		11-13 weeks old
Stepper driver	SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503	DM542T
Stepper motor	SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503	23HE30-2804S
Straight forceps
Torque sensor assembly	Futek Inc., Irvine, CA, USA	FSH03985, FSH04473, FSH03927
Water heating pad