מערכת בדיקת דורסיפלקסיה פסיבית בקרסול למודל In Vivo של טנדינופתיה הנגרמת על ידי שימוש יתר
Summary
פרוטוקול זה מציג מערכת בדיקה המשמשת לגרימת פציעות עייפות ניתנות לכימות ומבוקרות בגיד אכילס של חולדה עבור מודל in-vivo של טנדינופתיה הנגרמת על ידי שימוש יתר. ההליך מורכב מהצמדת קרסול החולדה למפעיל מפרק המבצע דורסיפלקסיה פסיבית של הקרסול עם סקריפט MATLAB בהתאמה אישית.
Abstract
טנדינופתיה היא מצב גידים כרוני הגורם לכאבים ולאובדן תפקוד ונגרם כתוצאה מעומס יתר חוזר ונשנה של הגיד וזמן החלמה מוגבל. פרוטוקול זה מתאר מערכת בדיקה המפעילה באופן מחזורי עומסים מכניים באמצעות דורסיפלקסיה פסיבית על גיד אכילס של החולדה. הקוד הכתוב בהתאמה אישית מורכב ממדידות טעינה לפני ואחרי מחזוריות כדי להעריך את ההשפעות של פרוטוקול הטעינה יחד עם משטר העמסת עייפות מחזורית מבוסס בקרת משוב.
במחקר הזה השתמשנו ב-25 חולדות של ספראג-דולי, כאשר 5 חולדות בכל קבוצה קיבלו 500, 1,000, 2,000, 3,600 או 7,200 מחזורים של עומסי עייפות. חושבו ההבדלים באחוזים בין מדידות ההעמסה לפני ואחרי ההעמסה המחזורית של ההיסטרזיס, שיא הלחץ ומודולי ההעמסה והפריקה. התוצאות מראות כי המערכת יכולה לגרום דרגות שונות של נזק לגיד אכילס בהתבסס על מספר העומסים המופעלים. מערכת זו מציעה גישה חדשנית להפעלת דרגות שונות ופיזיולוגיות של עומסים מחזוריים על גיד אכילס עבור מודל in vivo של פגיעה בגיד כתוצאה מעייפות.
Introduction
מכיוון שגידים מחברים שריר לעצם וחווים תנועות חוזרות ונשנות מדי יום במהלך חייהם, הם נוטים מאוד לפציעות שימוש יתר שהן כואבות ומגבילות וגורמות לתפקוד מכני לקוי, המשפיעות על 30-50% מהאוכלוסייה1. טנדינופתיות הן מצבים כרוניים הנחשבים לפציעות שימוש יתר עקב תנועות עייפות חוזרות ונשנות וריפוי לקוי לרמות שלפני הפציעה. הן הגפיים העליונות והן התחתונות מושפעות בדרך כלל, כולל השרוול המסובב, המרפק, גיד אכילס וגיד הפטלר 2,3,4,5. טנדינופתיה אכילס נפוצה בפעילויות הכוללות ריצה וקפיצה, במיוחד ספורטאים המעורבים באתלטיקה קלה, ריצה למרחקים בינוניים וארוכים, טניס וענפי ספורט כדור אחרים, ומשפיעה על 7-9% מהרצים 6,7. פציעות מריצה וקפיצה עלולות לגרום גם לדורסיפלקסיה מוגבלת בקרסול, המהווה גורם סיכון לאכילס וגידי פטלר 8,9,10. לפיכך, יש צורך בהערכה ואפיון טובים יותר של גידים, אשר מחקר זה יכול לספק כמודל חולדה של דורסיפלקסיה פסיבית בקרסול עבור שימוש יתר בגיד אכילס.
עבודה קודמת באמצעות מודלים של בעלי חיים קטנים נועדה לחקור את התפתחות וסמנים של טנדינופתיה. אלה כוללים פעילות גופנית על הליכון, הגעה חוזרת, העמסת גיד ישירה, זריקות collagenase, ניתוח, ומחקרי מבחנה 11,12,13,14,15,16. למרות שהספרות נהנתה מזיהוי סמני נזק משימוש במודלים אלה של טנדינופתיה, המגבלות כוללות העמסת הגיד בתנועות מפרקים שאינן רלוונטיות פיזיולוגית, כמו במקרה של העמסה ישירה של הגיד, אי מדידה ישירה של עומסים מופעלים, כגון במחקרי הליכון, ולא שימוש בשימוש יתר פיזיולוגי, כמו במקרה של זריקות קולגנאז, בין היתר. לשם כך, מחקר זה ביקש לפתח מערכת המפעילה עומסים מכומתים באופן לא פולשני על גיד אכילס עם יישום למחקרי טנדינופתיה הנגרמים על ידי שימוש יתר כדי למלא את הפערים במודלים של בעלי חיים קטנים שפותחו בעבר עבור טנדינופתיה. ביצענו מחקר פיילוט כדי להדגים שהמערכת גורמת לשינויים הניתנים לשחזור בתכונות מכניות על פני טווח של מחזורי טעינה. מערכת זו מאפשרת לתנועה ולהעמסה רלוונטיות מבחינה פיזיולוגית לגרום לשימוש יתר ובו זמנית לכמת ולמדוד את הכוחות המופעלים והנחווים על ידי הגיד במהלך משטר ההעמסה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה מציג שיטה להעמסה מחזורית של גיד אכילס של חולדה עם מערכת דורסיפלקסיה פסיבית של הקרסול עבור מודל in-vivo המושרה על ידי שימוש יתר בגידים. חשיבותה של המערכת טמונה ביכולתה לבודד את גיד אכילס, להפעיל עומסים הניתנים לכימות ללא גישה כירורגית לגיד ולמדוד תכונות של גיד in-vivo .
<p class="jov…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות על תמיכת המימון שלנו: קרן המחקר של ג’ו פאלון, קרן המחקר למתמחים ברפואת ספורט של ד”ר לואיס מיקס BIDMC, ומענק פנימי (AN), כולם מ- BIDMC Orthopaedics, יחד עם תמיכה מהמכונים הלאומיים לבריאות (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).
