Ett passivt fotledsdorsalflexionstestsystem för en in vivo-modell av överanvändningsinducerad tendinopati
Summary
Detta protokoll presenterar ett testsystem som används för att inducera kvantifierbara och kontrollerade utmattningsskador i en akillessena hos råtta för en in vivo-modell av överbelastningsinducerad tendinopati. Ingreppet består i att fästa råttans fotled vid ett ledställdon som utför passiv fotledsdorsalflexion med ett specialskrivet MATLAB-skript.
Abstract
Tendinopati är ett kroniskt sentillstånd som resulterar i smärta och funktionsförlust och orsakas av upprepad överbelastning av senan och begränsad återhämtningstid. Detta protokoll beskriver ett testsystem som cykliskt applicerar mekaniska belastningar via passiv dorsalflexion på råttans akillessena. Den specialskrivna koden består av pre- och postcykliska belastningsmätningar för att bedöma effekterna av belastningsprotokollet tillsammans med den återkopplingskontrollbaserade cykliska utmattningsbelastningsregimen.
Vi använde 25 Sprague-Dawley-råttor för denna studie, med 5 råttor per grupp som fick antingen 500, 1 000, 2 000, 3 600 eller 7 200 cykler av utmattningsbelastningar. De procentuella skillnaderna mellan de pre- och postcykliska belastningsmätningarna av hysteres, toppspänning och belastnings- och avlastningsmoduler beräknades. Resultaten visar att systemet kan inducera olika grader av skador på hälsenan baserat på antalet belastningar som appliceras. Detta system erbjuder ett innovativt tillvägagångssätt för att tillämpa kvantifierade och fysiologiska varierande grader av cykliska belastningar på akillessenan för en in vivo-modell av trötthetsinducerad överbelastningsskada på senan.
Introduction
Eftersom senor förbinder muskler med ben och upplever dagliga repetitiva rörelser under hela sin livstid, är de mycket benägna att drabbas av överbelastningsskador som är smärtsamma och begränsande och resulterar i försämrad mekanisk funktion, vilket påverkar 30-50 % av befolkningen1. Tendinopatier är kroniska tillstånd som anses vara överbelastningsskador på grund av repetitiva trötthetsrörelser och otillräcklig läkning till nivåerna före skadan. Både övre och nedre extremiteter är vanligt drabbade, inklusive rotatorkuffen, armbågen, akillessenan och patellarsenan 2,3,4,5. Akillestendinopati är vanligt vid aktiviteter som involverar löpning och hoppning, särskilt idrottare som är involverade i friidrott, medel- och långdistanslöpning, tennis och andra bollsporter, och drabbar 7-9 % av löparna 6,7. Skador från löpning och hopp kan också orsaka begränsad dorsalflexion i fotleden, vilket är en riskfaktor för akilles och patellar tendinopatier 8,9,10. Således finns det ett behov av en bättre bedömning och karakterisering av tendinopati, vilket denna studie kan ge som en råttmodell av passiv fotledsdorsalflexion för överanvändning av akillessenskador.
Tidigare arbete med smådjursmodeller har syftat till att studera utveckling och markörer för tendinopati. Dessa inkluderar löpbandsträning, repetitiv sträckning, direkt senbelastning, kollagenasinjektioner, kirurgi och in vitro-studier 11,12,13,14,15,16. Även om litteraturen har gynnats av identifieringen av skademarkörer genom att använda dessa tendinopatimodeller, inkluderar begränsningarna att belasta senan i icke-fysiologiskt relevanta ledrörelser, som i fallet med direkt belastning av senan, att inte direkt mäta applicerade belastningar, såsom för löpbandsstudier, och att inte använda fysiologisk överanvändning, som i fallet med kollagenasinjektioner, bland annat. För detta ändamål syftade denna studie till att utveckla ett system som icke-invasivt applicerar kvantifierade belastningar på akillessenan med tillämpning för överanvändningsinducerade tendinopatistudier för att fylla luckorna i tidigare utvecklade smådjursmodeller för tendinopati. Vi utförde en pilotstudie för att visa att systemet inducerar reproducerbara förändringar i mekaniska egenskaper över en rad belastningscykler. Detta system gör det möjligt för fysiologiskt relevant rörelse och belastning att inducera överanvändning samtidigt som det kvantifierar och mäter de krafter som appliceras på och upplevs av senan under belastningsregimen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie presenterar en metod för att cykliskt belasta råttans akillessena med ett passivt fotledsdorsalflexionssystem för en in-vivo överanvändningsinducerad tendinopatimodell. Systemets betydelse ligger i dess förmåga att isolera hälsenan, applicera kvantifierbara belastningar utan att kirurgiskt komma åt senan och mäta senans egenskaper in vivo .
År 2010 presenterade Fung et al. en modell för utmattning av patellarsenan hos råttor med ett specialbyggt tes…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka för vårt finansieringsstöd: Joe Fallon Research Fund, Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund och ett intramuralt bidrag (AN), alla från BIDMC Orthopaedics, tillsammans med stöd från National Institutes of Health (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).
