בדיקת חיכוך- התקן ביוריאקטור לחקר ביומכניקה של מפרקים סינוביאליים, מכניוביולוגיה וויסות פיזיקלי
Summary
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מכשיר לבדיקת חיכוך המחיל החלקה הדדית בו-זמנית ועומס רגיל על שני גופנים ביולוגיים שבאים במגע.
Abstract
בדלקת מפרקים ניוונית ראשונית (OA), ‘בלאי’ תקין הקשור להזדקנות מעכב את יכולתו של הסחוס לקיים את תפקודי נושא העומס והשימון שלו, ומטפח סביבה פיזית מזיקה. האינטראקציות החיכוכיות של סחוס מפרקי וסינוביום עשויות להשפיע על הומאוסטזיס משותף באמצעות שחיקה ברמת הרקמה ומכנוטרנסדוקציה תאית. כדי לחקור את התהליכים המכניים והמכנוביולוגיים האלה, מתואר מכשיר המסוגל לשכפל את תנועת המפרק. מכשיר בדיקת החיכוך שולט בהעברת תנועת תרגום הדדית ועומס רגיל לשני פני נגד ביולוגיים מגע. מחקר זה מאמץ תצורת סינוביום-על-סחוס, ומדידות מקדמי חיכוך מוצגות לבדיקות המבוצעות באמבט מי מלח עם אגירת פוספט (PBS) או בנוזל סינוביאלי (SF). הבדיקה בוצעה עבור מגוון של לחצים במגע, תוך הדגשת תכונות הסיכה של SF תחת עומסים גבוהים. מכשיר בדיקת חיכוך זה יכול לשמש כביוריאקטור ביומימטי לחקר הוויסות הפיזי של רקמות מפרקים חיות בתגובה להעמסה פיזיולוגית יישומית הקשורה לביטוי מפרק היומן.
Introduction
דלקת מפרקים ניוונית (באנגלית: Osteoarthritis או OA) היא מחלת מפרקים ניוונית מתישה הפוגעת ביותר מ-32 מיליון מבוגרים אמריקאים, עם עלות בריאותית וסוציו-אקונומית של יותר מ-16.5מיליארד דולר. המחלה התאפיינה באופן קלאסי בהתדרדרות של סחוס מפרקי ועצם תת-כונדרלית; עם זאת, שינויים בסינוביום זכו לאחרונה להערכה מכיוון שסינוביטיס נקשרה לתסמיני OA ולהתקדמות 2,3,4. ב-OA ראשוני (אידיופטי), ‘בלאי’ תקין הקשור להזדקנות מעכב את יכולתו של הסחוס לקיים את תפקודי נושא העומס והשימון שלו. הלחצים הנוצרים על ידי מגע החלקה ממושך של שכבות סחוס מפרקיות או מגע מחליק של סחוס כנגד חומרי שתל הוכחו כמקלים על שחיקת דלמינציה באמצעות כשל עייפות תת-קרקעי 5,6. מכיוון שקיימת סביבה מכנית דינמית בתוך המפרק 7,8, האינטראקציות החיכוך של סחוס מפרקי וסינוביום עשויות להשפיע על הומאוסטזיס משותף באמצעות שחיקת רמת הרקמה ומכנוטרנסדוקציה תאית. כדי לחקור תהליכים מכניים ומכנוביולוגיים אלה, תוכנן מכשיר לשכפל את תנועת המפרק עם שליטה הדוקה על העמסה דחיסה וחיכוך 5,6,9,10,11,12,13.
הפרוטוקול הנוכחי מתאר מכשיר לבדיקת חיכוך המספק חומר גומלין, המתרגם תנועה ועומס דחיסה למשטחי מגע של רקמות חיות. המכשיר הנשלט על ידי מחשב מאפשר למשתמש לשלוט במשך כל בדיקה, בעומס המופעל, בטווח התנועה של שלב התרגום ובמהירות התרגום. המכשיר הוא מודולרי, ומאפשר בדיקה של גופנים נגדיים שונים, כגון רקמה על רקמה (סחוס על סחוס וסינוביום-על-סחוס) ורקמות על זכוכית. בנוסף למדידות הפונקציונליות המתקבלות על ידי הבודק, ניתן להעריך רכיבי אמבט רקמות ושימון לפני ואחרי הבדיקה כדי להעריך את השינויים הביולוגיים המועברים על ידי משטר ניסוי נתון.
מחקרים על טריבולוגיה של סחוס נעשו במשך עשרות שנים, וכמה טכניקות פותחו כדי למדוד מקדמי חיכוך בין סחוס לזכוכית וסחוס על סחוס14,15. הגישות השונות מונעות על ידי המפרק ו/או מנגנון הסיכה המעניין. לעתים קרובות יש פשרה בין שליטה על משתנים ניסיוניים לבין סיכום של פרמטרים פיזיולוגיים. התקנים בסגנון מטוטלת משתמשים במפרקים שלמים כ-fulcrum של מטוטלת פשוטה שבה משטח משותף אחד מתורגם בחופשיות על פני המשטח השני 14,16,17,18. במקום להשתמש במפרקים שלמים, ניתן לקבל מדידות חיכוך על ידי החלקת חומרי סחוס על פני משטחים רצויים 14,19,20,21,22,23,24,25. מקדמי החיכוך המדווחים של הסחוס המפרקי השתנו על פני טווח רחב (מ-0.002 ל-0.5) בהתאם לתנאי ההפעלה14,26. התקנים נוצרו כדי לשכפל תנועה סיבובית 23,27,28. Gleghorn et al.26 פיתחו טריבומטר מותאם אישית רב-באר כדי לצפות בפרופילי שימון סחוס באמצעות ניתוח עקומת סטריבק, ותנועת הזזה מתנדת ליניארית הופעלה בין סחוס כנגד פני נגד זכוכית שטוחים.
מכשיר זה נועד לבודד תגובות חיכוך ולחקור את המכנוביולוגיה של רקמות חיות בתנאי טעינה שונים. המכשיר משתמש במערך בדיקה פשוט המדמה את ביטוי המפרק באמצעות החלקה דחיסה, אשר יכול להעריך הן את תנועת הגלגול והן את תנועת ההחלקה מתוך הבנה שההתנגדות בתנועת גלגול טהורה היא זניחה ביחס למקדם החיכוך הנמדד של סחוס מפרקי29. הבודק, שנבנה במקור כדי לחקור את ההשפעות של לחץ נוזל אינטרסטיציאלי על תגובת החיכוך של סחוס מפרקי9, שימש מאז כדי לחקור נושאים כגון השפעות חיכוך של הסרת האזור השטחי של סחוס10, השפעות סיכה של נוזל סינוביאלי11, השערות שחיקת סחוס 5,6,30, ומדידות חיכוך סינוביום עלרקמה 13 . הביוריאקטור לבדיקת חיכוך יכול לערוך ניסויי חיכוך בתנאים סטריליים, ולספק מנגנון חדשני לחקור כיצד כוחות החיכוך משפיעים על התגובות המכנוביולוגיות של סחוס חי וסינוביום. תכנון זה יכול לשמש כביוריאקטור ביומימטי כדי לחקור את הוויסות הפיזי של רקמות מפרקים חיות בתגובה להעמסה פיזיולוגית יישומית הקשורה לביטוי מפרקים של יומן.
מחקר זה מציג תצורה לבדיקת חיכוך סינוביום על סחוס על פני מגוון של עקות מגע ובאמבטיות סיכה שונות. שטח הפנים המפרקי של רוב המפרקים הוא, במידה רבה, רקמה סינוביאלית31. בעוד שהחלקה של סינוביום על סחוס אינה מתרחשת במשטחים נושאי עומס ראשוניים, לאינטראקציות החיכוך בין שתי הרקמות עדיין עשויות להיות השלכות חשובות על תיקון רמת הרקמה ועל מכניוטרנסדוקציה של תאים. בעבר הוכח כי סינוביוציטים דמויי פיברובלסטים (FLS) השוכנים על השכבה האינטימית של הסינוביום הם מכניזנסיטיביים, ומגיבים ללחץ גזירה המושרה בנוזל32. כמו כן, הוכח כי מתיחהשל 33,34 ולחץ גזירה המושרה בנוזל35 מווסתים את ייצור חומרי הסיכה של FLS. לפיכך, מגע החלקה ישיר בין סינוביום לסחוס עשוי לספק גירוי מכני נוסף לתאים המתגוררים בסינוביום.
רק דיווחים מעטים על מקדמי חיכוך סינוביום פורסמו31,36. Estell et al.13 ביקשו להרחיב על האפיון הקודם על ידי שימוש בגופי נגד רלוונטיים מבחינה ביולוגית. עם יכולתו של מכשיר בדיקת החיכוך לבחון רקמות חיות, ניתן לחקות אינטראקציות של רקמות פיזיולוגיות במהלך ביטוי המפרקים כדי להבהיר את תפקידו של לחץ גזירה במגע על תפקוד הסינוביוציטים ואת תרומתו להצלבה בין סינוביום לסחוס. זה האחרון היה מעורב בתיווך דלקת מפרקים סינוביאלית בדלקת פרקים ולאחר פציעה. בשל הקרבה הפיזית של סחוס לסינוביום ונוזל סינוביאלי, המכילים סינוביוציטים המציגים יכולת מולטיפוטנטית, כולל כונדרוגנזה, ההנחה היא כי סינוביוציטים ממלאים תפקיד בהומאוסטזיס של סחוס ותיקון על ידי השתלה למשטח המפרקי. בהקשר זה, מגע פיזי וגזירה הדדית של סחוס-סינוביום וסינוביום-סינוביום עשויים להגביר את הנגישות של סינוביוציטים לאזורים של נזקי סחוס 37,38,39,40. מחקרים המשתמשים בתצורות של סינוביום על סחוס לא רק יספקו תובנות על מכניקת הרקמות הגסות והטריבולוגיה של המפרקים, אלא גם יובילו לאסטרטגיות חדשות לשמירה על בריאות המפרקים.
Protocol
Representative Results
Discussion
סביבה מכנית דינמית קיימת בתוך המפרק כאשר הסחוס נתון לכוחות דחיסה, מתיחה וגזירה, וללחצים הידרוסטטיים ואוסמוטיים44,45. למרות שהסחוס הוא הרקמה נושאת העומס העיקרית של המפרק, הסינוביום עובר גם אינטראקציות חיכוך עם משטח הסחוס ועם עצמו באזורים שבהם הרקמה מתקפלת. הא…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן למחקר מדעי אורתופדי, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062, ו- NIGMS R01 692 GM083925 (מזהה מממן: 10.13039/100000057).
Materials
| Aluminum foil | Reynolds Group Holdings | Reynolds Wrap | Sterile tissue harvest |
| Aluminum-framed acrylic enclosure | Custom made | Friction tester component | |
| Autoclavable instant sealing sterilization pouches | Fisherbrand | 01-812-54 | Sterilization of tools |
| Autoclave | Buxton | Sterilization of tools | |
| Beaker (250 mL) | Pyrex Vista | 70000 | Tissue harvest |
| Betadine (Povidone Iodine Prep Solution) | Medline Industries, LP | MDS093906 | Sterile tissue harvest |
| Biological safety cabinet | Labconco | Purifier Logic+ Class II, Type A2 BSC | Sterile tissue harvest |
| Biospy punch | Steritool Inc. | 50162 | Tissue harvest |
| Box cutter | American Safety Razor Company | 94-120-71 | Tissue harvest |
| Circular acrylic-sillicone post (synovium) | Custom made | Tissue mounting | |
| Culture media | Custom made | DMEM (Cat No. 11-965-118; Gibco) supplemented with 50 μg/mL L-proline (Cat. No. P5607; Sigma), 100 μg/mL sodium pyruvate (Cat. No. S8636; Sigma), 1% ITS (Cat. No. 354350; Corning), and 1% antibiotic–antimycotic (Cat. No. 15-240-062, Gibco) | |
| Cyanoacrylate (Loctite 420 Clear) | Henkel | 135455 | Tissue mounting |
| Dead weights | OHAUS | Normal load | |
| Ethanol 200 proof | Decon Labs, Inc. | 2701 | Dilute to 70 % |
| Fixed base | ThorLabs, Inc. | SB1T | Friction tester component |
| Forceps (synovium harvest) | Fine Science Tools | 11019-12 | Tissue harvest |
| Forceps (synovium mounting) | Excelta | 3C-S-PI | Tissue mounting |
| Horizontal linear encoder (for translating stage) | RSF Electronics, Inc. | MSA 670.63 | Friction tester component; system resolution of 1 µm |
| Hot glue gun and glue | FPC Corporation | Surebonder Pro 4000A | Tissue mounting |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | LabVIEW 2010 | Friction testing program |
| Load cell | JR3 Inc. | 20E12A-M25B | Friction tester component; 0.0019 lbs resolution in x&y, 0.0038 lbs resolution in z |
| Loading platen | Custom made | Tissue mounting | |
| O-ring | Parker | S1138AS568-009 | Tissue mounting |
| Petri dish (60 mm) | Falcon | 351007 | Tissue mounting |
| PivotLok Work Positioner (tibia holder) | Industry Depot, Pivot Lok | PL325 | Tissue harvest |
| Removable base | ThorLabs, Inc. | SB1B | Friction tester component |
| Ring stand | Tissue harvest | ||
| Scalpel blades | Havel's Inc. | FSC22 | Tissue harvest |
| Scalpel handle | FEATHER Safety Razor Co., Ltd. | No. 4 | Tissue harvest |
| Screwdriver | Wera | 3334 | Tissue harvest |
| Stage | JMAR | Friction tester component | |
| Stepper motor | Oriental Motor Co., Ltd. | PK266-03B | Friction tester component |
| Suction tool | Virtual Industries, Inc. | PEN-VAC Vacuum Pen | Tissue mounting |
| Support rod | Custom made | Tissue mounting | |
| Surgical scissors | Fine Science Tools | 14061-09 | Tissue mounting |
| Synovial fluid (bovine) | Animal Technologies, Inc. | Friction testing bath | |
| Testing bath | Custom made | Phosphate-Buffered Saline (PBS) with protease inhibitors: 0.04% isothiazolone-base biocide (Proclin 950 Cat. No. 46878-U; Sigma) and 0.1% protease inhibitor – 0.05 M ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA (Cat. No. 0369; Sigma) | |
| Tissue culture incubator | Fisher Scientific | Isotemp | Sterile culture |
| Vertical linear encoder (for loading stage) | Renishaw | T1031-30A | Friction tester component; 20 nm resolution |
| Voice coil actuator | H2W Technologies | NCC20-15-027-1RC | Friction tester component |
Referências
- The Cost of Arthritis in US Adults. Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/arthritis/data_statistics/cost.htm (2020)
- Buckwalter, J. A., Mankin, H. J. Instructional course lectures, the American academy of orthopaedic surgeons – articular cartilage. Part II: degeneration and osteoarthrosis, repair, regeneration, and transplantation. JBJS. 79 (4), 612-632 (1997).
- Berenbaum, F. Osteoarthritis as an inflammatory disease (osteoarthritis is not osteoarthrosis). Osteoarthritis and Cartilage. 21 (1), 16-21 (2013).
- Sellam, J., Berenbaum, F. The role of synovitis in pathophysiology and clinical symptoms of osteoarthritis. Nature Reviews Rheumatology. 6 (11), 625-635 (2010).
- Durney, K. M., et al. Immature bovine cartilage wear by fatigue failure and delamination. Journal of Biomechanics. 107, 109852 (2020).
- 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).
- Ateshian, G. A. The role of interstitial fluid pressurization in articular cartilage lubrication. Journal of Biomechanics. 42 (9), 1163-1176 (2009).
- Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The basic science of articular cartilage. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
- Krishnan, R., Kopacz, M., Ateshian, G. A. Experimental verification of the role of interstitial fluid pressurization in cartilage lubrication. Journal of Orthopaedic Research. 22 (3), 565-570 (2004).
- Krishnan, R., et al. Removal of the superficial zone of bovine articular cartilage does not increase its frictional coefficient. Osteoarthritis and Cartilage. 12 (12), 947-955 (2004).
- 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).
- Caligaris, M., Canal, C. E., Ahmad, C. S., Gardner, T. R., Ateshian, G. A. Investigation of the frictional response of osteoarthritic human tibiofemoral joints and the potential beneficial tribological effect of healthy synovial fluid. Osteoarthritis and Cartilage. 17 (10), 1327-1332 (2009).
- Estell, E. G., et al. Attachment of cartilage wear particles to the synovium negatively impacts friction properties. Journal of Biomechanics. 127, 110668 (2021).
- Ateshian, G. A., Mow, V. C. Friction, lubrication, and wear of articular cartilage and diarthrodial joints. Basic Orthopaedic Biomechanics and Mechano-Biology. 3, 447-494 (2005).
- Bonnevie, E. D., Bonassar, L. J. A century of cartilage tribology research is informing lubrication therapies. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (3), 031004 (2020).
- Unsworth, A., Dowson, D., Wright, V. Some new evidence on human joint lubrication. Annals of the Rheumatic Diseases. 34 (4), 277-285 (1975).
- Unsworth, A., Dowson, D., Wright, V. The frictional behavior of human synovial joints-part I: natural joints. Journal of Lubrication Technology. 97 (3), 369-376 (1975).
- Shirley Jones, E. Joint Lubrication. The Lancet. 227 (5879), 1043-1045 (1936).
- Ateshian, G. A., et al. The role of osmotic pressure and tension-compression nonlinearity in the frictional response of articular cartilage. Transport in Porous Media. 50 (1), 5-33 (2003).
- Forster, H., Fisher, J. The influence of loading time and lubricant on the friction of articular cartilage. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 210 (2), 109-119 (1996).
- McCutchen, C. W. The frictional properties of animal joints. Wear. 5 (1), 1-17 (1962).
- Pickard, J., Ingham, E., Egan, J., Fisher, J. Investigation into the effect of proteoglycan molecules on the tribological properties of cartilage joint tissues. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 212 (3), 177-182 (1998).
- Wang, H., Ateshian, G. A. The normal stress effect and equilibrium friction coefficient of articular cartilage under steady frictional shear. Journal of Biomechanics. 30 (8), 771-776 (1997).
- Walker, P. S., Dowson, D., Longfield, M. D., Wright, V. Boosted lubrication in synovial joints by fluid entrapment and enrichment. Annals of the Rheumatic Diseases. 27 (6), 512-520 (1968).
- Walker, P. S., Unsworth, A., Dowson, D., Sikorski, J., Wright, V. Mode of aggregation of hyaluronic acid protein complex on the surface of articular cartilage. Annals of the Rheumatic Diseases. 29 (6), 591-602 (1970).
- Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J. Lubrication mode analysis of articular cartilage using Stribeck surfaces. Journal of Biomechanics. 41 (9), 1910-1918 (2008).
- Malcom, L. . An experimental investigation of the frictional and deformational responses of articular cartilage interfaces to static and dynamic loading. , (1976).
- Schmidt, T. A., Sah, R. L. Effect of synovial fluid on boundary lubrication of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 15 (1), 35-47 (2007).
- Ateshian, G. A., Wang, H. Rolling resistance of articular cartilage due to interstitial fluid flow. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 211 (5), 419-424 (1997).
- Oungoulian, S. R., et al. Articular cartilage wear characterization with a particle sizing and counting analyzer. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (2), 0245011-0245014 (2013).
- Radin, E. L., Paul, I. L., Swann, D. A., Schottstaedt, E. S. Lubrication of synovial membrane. Annals of the Rheumatic Diseases. 30 (3), 322-325 (1971).
- Estell, E. G., et al. Fibroblast-like synoviocyte mechanosensitivity to fluid shear is modulated by Interleukin-1α. Journal of Biomechanics. 60, 91-99 (2017).
- Momberger, T. S., Levick, J. R., Mason, R. M. Hyaluronan secretion by synoviocytes is mechanosensitive. Matrix Biology: Journal of the International Society for Matrix Biology. 24 (8), 510-519 (2005).
- Momberger, T. S., Levick, J. R., Mason, R. M. Mechanosensitive synoviocytes: A Ca2+-PKCα-MAP kinase pathway contributes to stretch-induced hyaluronan synthesis in vitro. Matrix Biology. 25 (5), 306-316 (2006).
- Yanagida-Suekawa, T., et al. Synthesis of hyaluronan and superficial zone protein in synovial membrane cells modulated by fluid flow. European Journal of Oral Sciences. 121 (6), 566-572 (2013).
- Cooke, A. F., Dowson, D., Wright, V. Lubrication of synovial membrane. Annals of the Rheumatic Diseases. 35 (1), 56-59 (1976).
- Goldring, M. B., Berenbaum, F. Emerging targets in osteoarthritis therapy. Current Opinion in Pharmacology. 22, 51-63 (2015).
- Jones, E. A., et al. Synovial fluid mesenchymal stem cells in health and early osteoarthritis: Detection and functional evaluation at the single-cell level. Arthritis and Rheumatism. 58 (6), 1731-1740 (2008).
- Sampat, S. R., et al. Growth factor priming of synovium-derived stem cells for cartilage tissue engineering. Tissue Engineering. Part A. 17 (17-18), 2259-2265 (2011).
- Kurth, T. B., et al. Functional mesenchymal stem cell niches in adult mouse knee joint synovium in vivo. Arthritis and Rheumatism. 63 (5), 1289-1300 (2011).
- Krishnan, R., Mariner, E. N., Ateshian, G. A. Effect of dynamic loading on the frictional response of bovine articular cartilage. Journal of Biomechanics. 38 (8), 1665-1673 (2005).
- Bonnevie, E. D., Baro, V., Wang, L., Burris, D. L. In-situ studies of cartilage microtribology: roles of speed and contact area. Tribology Letters. 41 (1), 83-95 (2011).
- Bian, L., et al. Dynamic mechanical loading enhances functional properties of tissue-engineered cartilage using mature canine chondrocytes. Tissue Engineering. Part A. 16 (5), 1781-1790 (2010).
- Mow, V. C., Wang, C. C., Hung, C. T. The extracellular matrix, interstitial fluid and ions as a mechanical signal transducer in articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 7 (1), 41-58 (1999).
- Wang, C. C. -. B., et al. The functional environment of chondrocytes within cartilage subjected to compressive loading: a theoretical and experimental approach. Biorheology. 39 (1-2), 11-25 (2002).
- Carter, M. J., Basalo, I. M., Ateshian, G. A. The temporal response of the friction coefficient of articular cartilage depends on the contact area. Journal of Biomechanics. 40 (14), 3257-3260 (2007).
- Jones, B. K., Durney, K. M., Hung, C. T., Ateshian, G. A. The friction coefficient of shoulder joints remains remarkably low over 24 h of loading. Journal of Biomechanics. 48 (14), 3945-3949 (2015).
