Un experimental y el Protocolo de elementos finitos para investigar el transporte de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular
Summary
Proponemos un protocolo para investigar el transporte de moléculas cargadas y descargadas a través del cartílago articular con la ayuda de métodos numéricos y experimentales desarrollados recientemente.
Abstract
La osteoartritis (OA) es una enfermedad debilitante que está asociada con la degeneración del cartílago articular y el hueso subcondral. Degeneración del cartílago articular deteriora su función de soporte de carga sustancialmente como se experimenta tremenda degradación química, es decir, proteoglicanos y colágeno pérdida de fibrillas de interrupción. Una forma prometedora para investigar mecanismos de daño químico durante OA es exponer los especímenes de cartílago a un soluto externo y controlar la difusión de las moléculas. El grado de daño del cartílago (es decir, la concentración y la configuración de las macromoléculas esenciales) se asocia con la pérdida de energía de colisión de solutos externos mientras se mueve a través de cartílago articular crea diferentes características de difusión en comparación con el cartílago sano. En este estudio, se introduce un protocolo, que consta de varios pasos y se basa en desarrollado previamente experimental micro-C14px; "> omputed T omography (micro-CT) y la modelización de elementos finitos el transporte de moléculas yodadas cargadas y no cargadas se registra primero utilizando micro-CT, que es seguido por la aplicación de modelos de elementos finitos multifásicas para obtener coeficientes de difusión bifásica-soluto y. y fija densidades de carga a través de zonas de cartílago.
Introduction
Transporte molecular juega un papel vital en la homeostasis de juntas de articulación, la entrega de la terapéutica para el cartílago articular y el cartílago de formación de imágenes de contraste mejorado 1, 2, 3. Factores tales como la integración del cartílago y integridad, la carga de soluto y tamaño, así como la osmolalidad y la concentración de baño en contacto con el cartílago puede influir en la velocidad de transporte 4, 5, 6. El transporte de solutos, ya sea neutros o con carga, puede ser diferente entre las zonas de cartílago articular, debido a que cada zona se compone de diferentes concentraciones y orientaciones de las principales moléculas de la matriz extracelular, es decir, los proteoglicanos (PGs) y colágeno de tipo II 1, 7, 8, 9,lass = "xref"> 10, 11. Más importante aún, el transporte de solutos cargados puede ser dependiente de la concentración de proteoglicanos que comprenden cargas fijas negativas dentro de la matriz extracelular que aumenta a través de cartílago articular 8, 9 altamente. Esos parámetros densidad de carga particularmente fija (FCD), orientación de las fibrillas de colágeno y variación del contenido de agua a través de cartílago pueden sufrir alteraciones como osteoartritis (OA) progresa, significando con ello la importancia de estudiar la difusión a través del cartílago.
En el estudio actual, un protocolo basado en estudios experimentales y computacionales previamente establecidos 6, 8, 9 se propone investigar con precisión de difusión en diversas condiciones de contorno utilizando solutos neutros y cargados en un modelo finito baño de difusión. Tpropuso métodos están compuestos de formación de imágenes micro-tomografía computarizada (micro-CT) de una sistema incluyendo el cartílago y una finito baño de apoyo de avanzada modelos de elementos finitos multifásicas bifásica-soluto y. Estos modelos permiten la obtención de los coeficientes de difusión de las moléculas neutras y cargadas, así como DME a través de varias zonas de cartílago articular. El uso de estos modelos, se puede obtener una mejor comprensión del comportamiento de las moléculas neutras y cargadas de difusión que podrían ser utilizados para investigar las interacciones entre cartílago y superponiendo finita baño.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nosotros presentamos un protocolo experimental combinado con un procedimiento de modelado de elementos finitos para estudiar la difusión de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular. De acuerdo con nuestros estudios recientes, los modelos propuestos podrían describir con precisión el transporte de ambos neutral (bifásica-soluto) y solutos (multifásicos) cargados negativamente a través de diferentes zonas de cartílago articular 8, 9. Se …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean expresar su agradecimiento al Sr. Jeroen van den Berg y el Sr. Matthijs Wassink del grupo de desarrollo de la mecánica en UMC Utrecht por su ayuda en el proceso de los tapones osteocondrales de envolver. Este trabajo fue apoyado por una beca de la Fundación holandesa artritis.
Materials
| Hexabrix | Guerbet | 15HX005D | Negatively charged contrast agent |
| Visipaque | GE healthcare | 12570511 | Nuetral contrast agent |
| PBS | Life technologies | 10010023 | Medium |
| micro-CT | Perkin Elmer | Monitoring diffusion | |
| Freezing-point osmometer | Advanced instruments | Measuring solution osmolality |
References
- Arkill, K. P., Winlove, C. P. Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage. Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).
- Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. Solute transport across the articular surface of injured cartilage. Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).
- Leddy, H. A., Guilak, F. Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage. Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).
- Leddy, H. A., Guilak, F. Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching. Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).
- Gu, W. Y., Yao, H. Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues. Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).
- Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage. Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).
- Kulmala, K. A. M., et al. Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents. Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model. J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. , (2016).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models. Journal of Biomechanics. , (2016).
- Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
- Ateshian, G., Weiss, J., Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. Computer Models in Biomechanics. , 231-249 (2013).
- Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. , (2016).
- Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage. Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).
- Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).
- Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage. Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).
- Felson, D. T., et al. Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors. Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).
- Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography. Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).
- Raya, J. G., et al. Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage. Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).
- Tavakoli Nia, H., et al. Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties. ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).
- Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. , (2014).
- Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks. Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).
- Kokkonen, H. T., et al. Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).
- Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage. Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).
- Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro. Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).
- Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage – associations to matrix composition and integrity. Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).
- Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent’s transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. , (2015).
- Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. , (2016).
