نظام اختبار انثناء ظهر الكاحل السلبي لنموذج في الجسم الحي لاعتلال الأوتار الناجم عن الإفراط في الاستخدام
Summary
يقدم هذا البروتوكول نظام اختبار يستخدم للحث على إصابات التعب القابلة للقياس الكمي والخاضعة للرقابة في وتر أخيل الفئران لنموذج في الجسم الحي لاعتلال الأوتار الناجم عن الإفراط في الاستخدام. يتكون الإجراء من تثبيت كاحل الجرذ بمشغل مفصل يقوم بثني ظهر الكاحل السلبي باستخدام برنامج MATLAB مكتوب خصيصا.
Abstract
اعتلال الأوتار هو حالة وترية مزمنة تؤدي إلى الألم وفقدان الوظيفة وتنتج عن الحمل الزائد المتكرر للوتر ووقت الشفاء المحدود. يصف هذا البروتوكول نظام اختبار يطبق دوريا الأحمال الميكانيكية عبر الانثناء الظهري السلبي على وتر أخيل الفئران. يتكون الكود المكتوب خصيصا من قياسات التحميل قبل وبعد التحميل الدوري لتقييم تأثيرات بروتوكول التحميل جنبا إلى جنب مع نظام تحميل التعب الدوري القائم على التحكم في التغذية المرتدة.
استخدمنا 25 فأرا من Sprague-Dawley لهذه الدراسة ، مع 5 فئران لكل مجموعة تتلقى إما 500 أو 1,000 أو 2,000 أو 3,600 أو 7,200 دورة من أحمال التعب. تم حساب النسبة المئوية للفروق بين قياسات التحميل قبل وبعد الدورة الدورية للتباطؤ ، وإجهاد الذروة ، ووحدات التحميل والتفريغ. توضح النتائج أن النظام يمكن أن يحدث درجات متفاوتة من الضرر لوتر العرقوب بناء على عدد الأحمال المطبقة. يقدم هذا النظام نهجا مبتكرا لتطبيق درجات متفاوتة من الأحمال الدورية الكمية والفسيولوجية على وتر العرقوب للحصول على نموذج في الجسم الحي لإصابة وتر الإفراط في الاستخدام الناجم عن التعب.
Introduction
نظرا لأن الأوتار تربط العضلات بالعظام وتعاني من حركات متكررة يومية طوال حياتها ، فهي معرضة بشدة لإصابات الإفراط في الاستخدام المؤلمة والمحدودة وتؤدي إلى ضعف الوظيفة الميكانيكية ، مما يؤثر على 30-50٪ من السكان1. اعتلال الأوتار هي حالات مزمنة تعتبر إصابات الإفراط في الاستخدام بسبب حركات التعب المتكررة وعدم كفاية الشفاء لمستويات ما قبل الإصابة. يتأثر كل من الأطراف العلوية والسفلية بشكل شائع ، بما في ذلك الكفة المدورة والكوع ووتر العرقوب والوتر الرضفي2،3،4،5. اعتلال وتر العرقوب شائع في الأنشطة التي تنطوي على الجري والقفز ، وخاصة الرياضيين المشاركين في سباقات المضمار والميدان ، والجري لمسافات متوسطة وطويلة ، والتنس ، ورياضات الكرة الأخرى ، مما يؤثر على 7-9٪ من العدائين 6,7. قد تتسبب الإصابات الناتجة عن الجري والقفز أيضا في انثناء ظهر الكاحل المحدود ، وهو عامل خطر لاعتلال العرقوب واعتلال الأوتار الرضفي8،9،10. وبالتالي ، هناك حاجة إلى تقييم وتوصيف أفضل لاعتلال الأوتار ، والذي يمكن أن توفره هذه الدراسة كنموذج للفئران من الانثناء الظهري السلبي للكاحل للإفراط في إصابات وتر العرقوب.
كان العمل السابق باستخدام نماذج الصغيرة يهدف إلى دراسة تطور وعلامات اعتلال الأوتار. وتشمل هذه التمارين جهاز المشي ، والوصول المتكرر ، وتحميل الأوتار المباشر ، وحقن الكولاجيناز ، والجراحة ، والدراسات في المختبر 11،12،13،14،15،16. على الرغم من أن الأدبيات قد استفادت من تحديد علامات الضرر من استخدام نماذج اعتلال الأوتار هذه ، إلا أن القيود تشمل تحميل الوتر في حركات مشتركة غير ذات صلة من الناحية الفسيولوجية ، كما في حالة التحميل المباشر للوتر ، وليس قياس الأحمال المطبقة مباشرة ، مثل دراسات جهاز المشي ، وعدم استخدام الإفراط الفسيولوجي ، كما هو الحال بالنسبة لحقن الكولاجيناز ، من بين أمور أخرى. تحقيقا لهذه الغاية ، تهدف هذه الدراسة إلى تطوير نظام يطبق الأحمال الكمية غير الغازية على وتر العرقوب مع تطبيق دراسات اعتلال الأوتار الناجم عن الإفراط في الاستخدام لسد الفجوات في النماذج الحيوانية الصغيرة المطورة سابقا لاعتلال الأوتار. أجرينا دراسة تجريبية لإثبات أن النظام يحفز تغييرات قابلة للتكرار في الخواص الميكانيكية على مدى مجموعة من دورات التحميل. يتيح هذا النظام الحركة والتحميل المناسبين من الناحية الفسيولوجية للحث على الإفراط في الاستخدام مع تحديد وقياس القوى المطبقة على الوتر وتجربتها أثناء نظام التحميل في نفس الوقت.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم هذه الدراسة طريقة لتحميل وتر أخيل الفئران دوريا بنظام انثناء ظهر الكاحل السلبي لنموذج اعتلال الأوتار الناجم عن الإفراط في الاستخدام في الجسم الحي . تكمن أهمية النظام في قدرته على عزل وتر العرقوب ، وتطبيق أحمال قابلة للقياس الكمي دون الوصول جراحيا إلى الوتر ، وقياس خصائص الوتر …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نعترف بدعمنا التمويلي: صندوق أبحاث جو فالون ، وصندوق أبحاث الدكتور لويس ميكس BIDMC للطب الرياضي ، ومنحة داخلية (AN) ، وكلها من BIDMC Orthopaedics ، إلى جانب دعم من المعاهد الوطنية للصحة (2T32AR055885 (PMW)).
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 |
References
- Kaux, J. F., Forthomme, B., Goff, C. L., Crielaard, J. M., Croisier, J. L. Current opinions on tendinopathy. J Sports Sci Med. 10 (2), 238-253 (2011).
- Maffulli, N., Longo, U. G., Kadakia, A., Spiezia, F. Achilles tendinopathy. Foot Ankle Surg. 26 (3), 240-249 (2020).
- Teunis, T., Lubberts, B., Reilly, B. T., Ring, D. A systematic review and pooled analysis of the prevalence of rotator cuff disease with increasing age. J Shoulder Elbow Surg. 23 (12), 1913-1921 (2014).
- von Rickenbach, K. J., Borgstrom, H., Tenforde, A., Borg-Stein, J., McInnis, K. C. Achilles tendinopathy: evaluation, rehabilitation, and prevention. Curr Sports Med Rep. 20 (6), 327-334 (2021).
- Aicale, R., Oliviero, A., Maffulli, N. Management of Achilles and patellar tendinopathy: what we know, what we can do. J Foot Ankle Res. 13 (1), 59 (2020).
- Jarvinen, T. A., et al. Achilles tendon injuries. Curr Opin Rheumatol. 13 (2), 150-155 (2001).
- Silbernagel, K. G., Hanlon, S., Sprague, A. Current clinical concepts: conservative management of Achilles tendinopathy. J Athl Train. 55 (5), 438-447 (2020).
- Tayfur, A., et al. Are landing patterns in jumping athletes associated with patellar tendinopathy? A systematic review with evidence gap map and meta-analysis. Sports Med. 52 (1), 123-137 (2022).
- Malliaras, P., Cook, J. L., Kent, P. Reduced ankle dorsiflexion range may increase the risk of patellar tendon injury among volleyball players. J Sci Med Sport. 9 (4), 304-309 (2006).
- Backman, L. J., Danielson, P. Low range of ankle dorsiflexion predisposes for patellar tendinopathy in junior elite basketball players: a 1-year prospective study. Am J Sports Med. 39 (12), 2626-2633 (2011).
- Glazebrook, M. A., Wright, J. R., Langman, M., Stanish, W. D., Lee, J. M. Histological analysis of achilles tendons in an overuse rat model. J Orthop Res. 26 (6), 840-846 (2008).
- Carpenter, J. E., Flanagan, C. L., Thomopoulos, S., Yian, E. H., Soslowsky, L. J. The effects of overuse combined with intrinsic or extrinsic alterations in an animal model of rotator cuff tendinosis. Am J Sports Med. 26 (6), 801-807 (1998).
- Gao, H. G., et al. Increased serum and musculotendinous fibrogenic proteins following persistent low-grade inflammation in a rat model of long-term upper extremity overuse. PLoS One. 8 (8), e71875 (2013).
- Fung, D., et al. Early response to tendon fatigue damage accumulation in a novel in vivo model. J Biomech. 43 (2), 274-279 (2010).
- Ueda, Y., et al. Molecular changes to tendons after collagenase-induced acute tendon injury in a senescence-accelerated mouse model. BMC Musculoskelet Disord. 20 (1), 120 (2019).
- Bloom, E., et al. Overload in a rat in vivo model of synergist ablation induces tendon multi-scale structural and functional degeneration. J Biomech Eng. 145 (8), 081003 (2023).
- Williamson, P. M., et al. A passive ankle dorsiflexion testing system to assess mechanobiological and structural response to cyclic loading in rat Achilles tendon. J Biomech. 156, 111664 (2023).
- Oliveira, L. F., Peixinho, C. C., Silva, G. A., Menegaldo, L. L. In vivo passive mechanical properties estimation of Achilles tendon using ultrasound. J Biomech. 49 (4), 507-513 (2016).
