ניסויי ו אלמנטים סופיים פרוטוקול לחקר התחבורה של מומסים ניטראליים והואשמו ברחבי Articular סחוס
Summary
אנו מציעים פרוטוקול לחקור את התחבורה של מולקולות טעונות uncharged פני סחוס במפרק בעזרת שיטות ניסיוניות שפותחו לאחרונה מספריות.
Abstract
אוסטיאוארתריטיס (OA) היא מחלה מתישה המשויך ניוון של הסחוס במפרק ואת עצם subchondral. ניוון של סחוס במפרק פוגע בתפקוד לטעון הנושאות שלה באופן משמעותי כפי שהוא חווה השפלה כימית עצומה, שיבוש הפיברילות אובדן וקולגן proteoglycan כלומר. אחת הדרכים המבטיחות לחקור מנגנונים נזק כימי במהלך OA היא לחשוף את דגימות סחוס אל המומס חיצוניים ולפקח הדיפוזיה של מולקולות. מידת הנזק בסחוס (ריכוז כלומר ותצורה של מקרומולקולות חיוניים) קשורה לאובדן אנרגיה collisional של מומסים חיצוניים תוך כדי תנועה על פני הסחוס במפרק יוצר המאפיינים דיפוזיה שונים לעומת סחוס בריא. במחקר זה, אנו מציגים פרוטוקול, אשר מורכב מכמה שלבים, והוא מבוסס על ניסיוני שפותחו בעבר מיקרו-C14px; "> omputed T omography (מיקרו-CT) ו דוגמנות אלמנטים סופיים הובלת מולקולות יוד טעונה uncharged נרשם לראשונה באמצעות מיקרו-CT, אשר מלווה החלים-המומס פאזי ומודלים אלמנטים סופיים מרובה מצבים לקבל מקדמי דיפוזיה. וקבוע צפיפויות מטען על פני אזורי סחוס.
Introduction
תחבורה מולקולרית ממלא תפקיד חיוני הומאוסטזיס של המפרקים לבטא, משלוח של תרופות כדי במפרק סחוס ודימות סחוס משופר ניגודיות 1, 2, 3. גורמים כגון אינטגרצית סחוס תקינות, המומס תשלום וגודל וכן osmolality וריכוז האמבטיה במגע עם סחוס עשוי להשפיע על שיעור התחבורה 4, 5, 6. ההובלה מומסת, ניטראלי או טעון, יכולה להיות שונה בין אזורי סחוס במפרק, כי כל אזור מורכב ריכוזי אורינטציות שונים של מולקולות תא מטריקס גדולה, כלומר proteoglycans (PGS) וקולגן סוג II 1, 7, 8, 9,נַעֲרָה = "Xref"> 10, 11. וחשוב יותר, התחבורה של מומסים טעונים יכולה להיות תלויה במידה רבה את הריכוז של proteoglycans הכולל שעבודים קבועים שליליים בתוך מטריקס אשר מגביר פני סחוס במפרק 8, 9. פרמטרים אלה צפיפות שעבוד קבוע במיוחד (FCD), האוריינטציה של סיבי קולגן וריאציה תכולת מים על פני הסחוס עשוי לעבור שינויים כמו דלקת מפרקים ניוונית (OA) מתקדמת, אשר סימנה באמצעותם את החשיבות של לימוד דיפוזיה פני הסחוס.
במחקר הנוכחי, פרוטוקול המבוסס על מחקרי ניסויים הקימו בעבר חישובית 6, 8, 9 מוצע לחקור דיפוזיה במדויק בתנאי גבול שונים באמצעות מומסים ניטראליים והואשמו ב מודל סופי-אמבטיה של דיפוזיה. Tהוא הציע שיטות מורכבות הדמית טומוגרפיה ממוחשבת מייקרו (micro-CT) של מערכת כולל סחוס ואמבט סופי הנתמך על ידי-המומס פאזי מתקדם ומודלי אלמנטים סופיים מרובים מצבים. מודלים אלה מאפשרים קבלת מקדמי דיפוזיה של מולקולות ניטראליות וטעונות כמו גם FCDs פני אזורים שונים של סחוס במפרק. שימוש במודלים אלה, אפשר לקבל הבנה טובה יותר של ההתנהגות של מולקולות ניטראליות והואשמו לשדר שיכול לשמש כדי לחקור את יחסי הגומלין בין הסחוס שכיסה-אמבטיה סופית.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצגנו פרוטוקול ניסוי בשילוב עם הליך דוגמנות אלמנטים סופי ללמוד את הדיפוזיה של מומסים ניטראליים והואשמו פני סחוס במפרק. על פי המחקרים האחרונים שלנו, הדגמים המוצעים יכולים לתאר במדויק את ההובלה של שניהם ניטראלי (-המומס פאזי) טעון שלילי (מרובה מצבים) מומס פני אזורים שונ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להביע את תודתם ואן דן ברג מר Jeroen ומר מתאייס Wassink מקבוצת מכניקה פיתוח ב UMC אוטרכט על עזרתם גלישת תהליך של אטמי osteochondral. עבודה זו נתמכה על ידי מענק מטעם קרן דלקת פרקים הולנדית.
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 |
Referências
- 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).
