בדיקות וניתוח ביוטריבולוגי של סחוס ארטיקולר מחליק נגד מתכת עבור שתלים
Summary
פרוטוקול זה מתאר את ההכנה, בדיקות ביוטריבולוגיות, וניתוח של צילינדרים אוסטאוכונדרליים הזזה נגד חומר שתל מתכת. אמצעי התוצאה הכלולים בפרוטוקול זה הם פעילות מטבולית, ביטוי גנים והישטולוגיה.
Abstract
פגמים אוסטאוכונדריים בחולים בגיל העמידה עשויים להיות מטופלים עם שתלים מתכתיים מוקד. פותח לראשונה עבור פגמים במפרק הברך, שתלים זמינים כעת עבור הכתף, הירך, הקרסול ואת מפרק כף הרגל הראשון. בעוד מתן הפחתת כאב ושיפור קליני, שינויים ניווניות מתקדמים של הסחוס היריב נצפו בחולים רבים. המנגנונים המובילים לנזק זה אינם מובנים במלואם. פרוטוקול זה מתאר ניסוי טריבולוגי כדי לדמות זיווג מתכת על סחוס וניתוח מקיף של סחוס מתוך המוח. חומר שתל מתכת נבדק נגד צילינדרים אוסטאוכונדרליים של בקר ים ותודל לסחוס מפרקים אנושי. על ידי החלת עומסים שונים ומהירויות הזזה שונות, ניתן לחקות תנאי טעינה פיזיולוגיים. כדי לספק ניתוח מקיף של ההשפעות על סחוס מבעת המוח, הישטולוגיה, פעילות מטבולית וניתוח ביטוי גנים מתוארים בפרוטוקול זה. היתרון העיקרי של בדיקות טריבולוגיות הוא כי פרמטרים טעינה ניתן להתאים בחופשיות כדי לדמות בתנאי vivo. יתר על כן, פתרונות בדיקה שונים עשויים לשמש כדי לחקור את ההשפעה של שימון או סוכנים פרו דלקתיים. באמצעות ניתוח ביטוי גנים עבור גנים ספציפיים סחוס וגנים קטבוליים, שינויים מוקדמים בחילוף החומרים של כולתוציטים מבעבעים בתגובה לטעינה מכנית עשויים להתגלות.
Introduction
הטיפול בפגמים אוסטאוכונדרליים הוא תובעני ודורש ניתוח במקרים רבים. עבור נגעים osteochondral מוקד בחולים בגיל העמידה, שתלים מתכתיים מוקד הם אופציה בת קיימא, במיוחד לאחר כישלון של טיפול ראשוני, כמו גירוי מח עצם (BMS) או השתלת chondrocyte אוטולוגי (ACI)1. החלפת משטח חלקית יכולה להיחשב הליכי הצלה שיכולים להפחית את הכאב ולשפר את טווח התנועה2. שתלים אלה מורכבים בדרך כלל מסגסוגת CoCrMo והם זמינים בגדלים שונים ותצורות היסט כדי להתאים את האנטומיה הרגילה3. בעוד שפותחה בתחילה עבור פגמים על condyle הירך המדלה בברך, שתלים כאלה זמינים כעת בשימוש עבור הירך, הקרסול, הכתף, ואתהמרפק 4,5,6. לתוצאה משביעת רצון, חיוני להעריך את היישור המפרק המכני ואת מצב הסחוס הנגדי. יתר על כן, השתלה נכונה ללא בהלת השתל הוכח להיות בסיסי7.
מחקרים קליניים הראו תוצאות מצוינות לטווח קצר במונחים של הפחתת כאב ושיפור התפקוד בחולים בגיל העמידה במקומותשונים 5,6,8. בהשוואה להשתלת אלוגרפט, שתלי מתכת מוקד מאפשרים מיסב משקל מוקדם. עם זאת, הסחוס המנוגד לדלקת פרקים הראה בלאי מואץ במספר ניכר שלחולים 9,10. לפיכך, גם עם מיקום נכון, במקרים רבים ניוון של הסחוס היליד נראה בלתי נמנע, בעוד המנגנונים הבסיסיים נשארים לא ברורים. שינויים ניווניים דומים נצפו לאחר hemiarthroplasty דו קוטבי שלהירך 11 וגדלו עם פעילותוטעינה 12.
ניסויים טריבולוגיים מספקים את האפשרות ללמוד זיווגים כאלה במבחנה ולמדמה מצבי טעינה שונים המתרחשים בתנאים פיזיולוגיים13. השימוש סיכות אוסטאוכונדרלי מציע מודל גיאומטריה פשוט לחקור את הטריבולוגיה של סחוס מפרקים הזזה נגד סחוס מקורי או כל חומרשתל 14, עשוי לשמש עוד במודלים סימולציה משותפתשלמה 15. זיווגים מתכת על סחוס להראות בלאי סחוס מואץ, שיבוש מטריצה חוץ תאית, וכדאיות תאים מופחתת באזור שטחי לעומת סחוס על סחוסזיווג 16. נזק לסחוס נגרם בעיקר בצורת התבססות בין האזורים שטחיים ואמצעיים17. עם זאת, המנגנונים המובילים ניוון סחוס אינם מובנים במלואם. פרוטוקול זה מספק ניתוח מקיף של הפעילות הביוסינתטית של סחוס מבעית. על ידי קביעת פעילות מטבולית ורמות ביטוי גנים של גנים קטבוליים, אינדיקציות מוקדמות להתמוטטות סחוס עשוי להיות מזוהה. היתרון של ניסויים במבחנה tribological הוא כי פרמטרים טעינה ניתן להתאים לחקות תנאי טעינה שונים.
לפיכך, הפרוטוקול הבא מתאים לדמות זיווג מתכת על סחוס, המייצג מודל hemiarthroplasty ניסיוני.
Protocol
Representative Results
Discussion
שתלים מתכתיים מוקד מייצגים הליך הצלה עבור פגמים osteochondral, במיוחד בחולים בגיל העמידה ולאחר טיפול ראשוני נכשל. למרות מחקרים קליניים הראו תוצאות מבטיחות לטווח קצר, סיבוך שנצפה אחד הוא נזק לסחוס היריב, יליד10. מחקרים ביומכניים וגווייה מראים ראיות ברורות לכך שהשתלה נכונה עם מיקום שט…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי NÖ Forschungs- ו Bildungsges.m.b.H. והממשלה המחוזית של אוסטריה התחתונה באמצעות שיחות מדעי החיים (מזהה פרויקט: LSC15-019) ועל ידי תוכנית שביט האוסטרית (פרויקט K2 XTribology, גרנט מס’ 849109).
Materials
| Amphotericin B | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | A-2942-100ML | |
| buffered formaldehyde solution 4% | VWR | 97131000 | |
| Cell Proliferation Kit II (XTT) | Roche Diagnostics | 11465015001 | XTT-based ex vivo toxicology assay |
| CoCrMo raw material | Acnis International | CoCrMo rods 6mm in diameter | |
| CryoStar NX70 Cryostat | Thermo Fischer Scientific | cryosectioning device | |
| dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sidma-Aldrich Chemie | D 2438-10ML | |
| Dulbecco’s modified Eagle’s medium | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | medium | |
| fetal bovine serum | Gibco | ||
| Hyaluronic acid | Anika Therapeutics Inc. | component of lubricating solution | |
| iCycler | BioRad | thermal cycler | |
| Leica microscope DM‐1000 | Leica | microscope for histology | |
| LightCycler 480 Sealing Foil | Roche Diagnostics | ||
| LightCycler 96 | Roche Diagnostics | thermal cycler for PCR | |
| MagNA Lyser Green Beads | Roche Diagnostics | 3358941001 | |
| Osteochondral Autograft Transfer System (OATS) | Arthrex Inc. | cutting tube for harvesting osteochondral cylinders | |
| osteosoft | Merck | 1017279010 | decalcifier-solution |
| Penicillin /Streptomycin | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | P4333-100ML | |
| phosphate‐buffered saline | Sigma‐Aldrich Chemie GmbH | PBS | |
| Prescale Low Pressure | Fujifilm | pressure indicating film | |
| RNeasy Fibrous Tissue Kit | QIAGEN | 74404 | |
| Synergy 2 | BioTek Instruments | plate reader | |
| Tetra‐Falex MUST | Falex Tribology | Tribometer | |
| Tissue‐ Tek O.C.T. | SAKURA | 4583 | embedding formulation |
| Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit | Roche Diagnostics | 40897030001 | |
| β-mercaptoethanol | Sidma-Aldrich Chemie | M3148 |
Referências
- Zengerink, M., Struijs, P. A. A. A., Tol, J. L., van Dijk, C. N. Treatment of osteochondral lesions of the talus: a systematic review. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 18 (2), 238-246 (2009).
- Aurich, M., et al. Behandlung osteochondraler Läsionen des Sprunggelenks: Empfehlungen der Arbeitsgemeinschaft Klinische Geweberegeneration der DGOU. Zeitschrift fur Orthopadie und Unfallchirurgie. 155 (1), 92-99 (2017).
- Van Bergen, C. J. A., Zengerink, M., Blankevoort, L., Van Sterkenburg, M. N., Van Oldenrijk, J., Van Dijk, C. N. Novel metallic implantation technique for osteochondral defects of the medial talar dome. Acta Orthopaedica. 81 (4), 495-502 (2010).
- Sweet, S. J., Takara, T., Ho, L., Tibone, J. E. Primary Partial Humeral Head Resurfacing. The American Journal of Sports Medicine. 43 (3), 579-587 (2015).
- Becher, C., et al. Minimum 5-year results of focal articular prosthetic resurfacing for the treatment of full-thickness articular cartilage defects in the knee. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 131 (8), 1135-1143 (2011).
- Lea, M. A., Barkatali, B., Porter, M. L., Board, T. N. Osteochondral Lesion of the Hip Treated with Partial Femoral Head Resurfacing. Case Report and Six-Year Follow-up. HIP International. 24 (4), 417-420 (2018).
- Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Paessler, H. H., Skrbensky, G. Effects of a contoured articular prosthetic device on tibiofemoral peak contact pressure: a biomechanical study. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 16 (1), 56-63 (2007).
- Malahias, M. -. A., Chytas, D., Thorey, F. The clinical outcome of the different HemiCAP and UniCAP knee implants: A systematic and comprehensive review. Orthopedic Reviews. 10 (2), (2018).
- Dhollander, A. A. M., et al. The use of a prosthetic inlay resurfacing as a salvage procedure for a failed cartilage repair. Knee Surgery, Sports Traumatology. 23 (8), 2208-2212 (2014).
- Van Bergen, C. J. A. A., van Eekeren, I. C. M. M., Reilingh, M. L., Sierevelt, I. N., van Dijk, C. N. Treatment of osteochondral defects of the talus with a metal resurfacing inlay implant after failed previous surgery. Bone and Joint Journal. 95 (12), 1650-1655 (2013).
- Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Kim, Y. S. Y. -. H. H. Y. -. S., Hwang, K. -. T. T., Choi, I. -. Y. Y. The cartilage degeneration and joint motion of bipolar hemiarthroplasty. International Orthopaedics. 36 (10), 2015-2020 (2012).
- Moon, K. H., et al. Degeneration of Acetabular Articular Cartilage to Bipolar Hemiarthroplasty. Yonsei Medical Journal. 49 (5), 716-719 (2008).
- Wimmer, M. A., Pacione, C., Laurent, M. P., Chubinskaya, S. In vitro wear testing of living cartilage articulating against alumina. Journal of Orthopaedic Research. , (2016).
- Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. Simple geometry tribological study of osteochondral graft implantation in the knee. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 232 (3), 249-256 (2018).
- Bowland, P., Ingham, E., Fisher, J., Jennings, L. M. Development of a preclinical natural porcine knee simulation model for the tribological assessment of osteochondral grafts in vitro. Journal of Biomechanics. 77, 91-98 (2018).
- Trevino, R. L., et al. Establishing a live cartilage-on-cartilage interface for tribological testing. Biotribology. 9, 1-11 (2017).
- Oungoulian, S. R., et al. Wear and damage of articular cartilage with friction against orthopedic implant materials. Journal of Biomechanics. 48 (10), 1957-1964 (2015).
- Stotter, C., et al. Effects of Loading Conditions on Articular Cartilage in a Metal-on-Cartilage Pairing. Journal of Orthopaedic Research. 37 (12), 2531-2539 (2019).
- Becher, C., Huber, R., Thermann, H., Tibesku, C. O., von Skrbensky, G. Tibiofemoral contact mechanics with a femoral resurfacing prosthesis and a non-functional meniscus. Clinical biomechanics. 24 (8), 648-654 (2009).
- Temple, D. K., Cederlund, A. A., Lawless, B. M., Aspden, R. M., Espino, D. M. Viscoelastic properties of human and bovine articular cartilage: a comparison of frequency-dependent trends. BMC Musculoskeletal Disorders. , 1-8 (2016).
- Caligaris, M., Ateshian, G. A. Effects of sustained interstitial fluid pressurization under migrating contact area, and boundary lubrication by synovial fluid, on cartilage friction. Osteoarthritis and Cartilage. 16 (10), 1220-1227 (2008).
- Burris, D. L., Ramsey, L., Graham, B. T., Price, C., Moore, A. C. How Sliding and Hydrodynamics Contribute to Articular Cartilage Fluid and Lubrication Recovery. Tribology Letters. 67 (2), 1-10 (2019).
- Mamat, N., Nor, M. Numerical measurement of contact pressure in the tibiofemoral joint during gait. International Conference on Biomedical Engineering (ICoBE). , 27-28 (2012).
- Manda, K., Ryd, L., Eriksson, A. Finite element simulations of a focal knee resurfacing implant applied to localized cartilage defects in a sheep model. Journal of Biomechanics. 44 (5), 794-801 (2011).
