En Experimental och Finite Element protokoll för att undersöka transport av neutrala och laddade Lösta ämnen över Ledbrosk
Summary
Vi föreslår ett protokoll för att undersöka transport av laddade och oladdade molekyler över ledbrosk med hjälp av nyutvecklade experimentella och numeriska metoder.
Abstract
Osteoartrit (OA) är en försvagande sjukdom som är associerad med degeneration av ledbrosk och subkondralt ben. Degeneration av ledbrosk försämrar dess bärande funktion väsentligen som den erfar enorm kemisk nedbrytning, dvs proteoglykan förlust och kollagen-fibrill störningar. Ett lovande sätt att undersöka kemiska skademekanismer under OA är att exponera de broskprover till en extern löst ämne och övervaka diffusionen av molekylerna. Graden av broskskada (dvs. koncentration och konfigurationen av väsentliga makromolekyler) är associerad med kollisionsenergiförlust av externa lösta ämnen medan den rör sig över ledbrosket skapar olika diffusionsegenskaper jämfört med friskt brosk. I denna studie, introducerar vi ett protokoll, som består av flera steg och är baserat på tidigare utvecklad experimentell mikro-C14px; "> omputed T omography (mikro-CT) och finita elementmodellering Transporten av laddade och oladdade joderade molekyler först registreras med användning av mikro-CT, vilket följs av applicering av bifasisk-lösta ämnet och flerfasiga finita elementmodeller för att erhålla diffusionskoefficienter. och fast avgift tätheter över brosk zoner.
Introduction
Molekylär transport spelar en viktig roll i homeostasen av ledade fogar, avgivning av terapeutika till ledbrosk och kontrastförstärkt brosk avbildning 1, 2, 3. Faktorer såsom brosk integration och intakthet, lösta ämnet laddning och storlek samt osmolalitet och koncentration av badet i kontakt med brosk kan påverka transporthastigheten 4, 5, 6. Transport av lösta ämnen, antingen neutrala eller laddade, kan vara olika mellan artikulära broskzoner, eftersom varje zon består av olika koncentrationer och orienteringar av stora extracellulära matrismolekyler, nämligen proteoglykaner (PG) och kollagen typ II 1, 7, 8, 9,lass = "xref"> 10, 11. Ännu viktigare, kan transporten av laddade lösta ämnen vara mycket beroende på koncentrationen av proteoglykaner innefattande negativa fasta laddningar inom den extracellulära matrisen som ökar över ledbrosk 8, 9. Dessa parametrar särskilt fast laddningstäthet (FCD), kan orienteringen av kollagenfibriller och vattenhalt variation i hela brosk genomgå förändringar som osteoartrit (OA) fortskrider, och därmed ge uttryck vikten av att studera diffusion genom brosk.
I den aktuella studien, ett protokoll baserat på tidigare etablerade experimentella och beräknings studier 6, 8, 9 är föreslagna för att noggrant undersöka diffusionen under olika randvillkor som använder neutrala och laddade upplösta ämnen i en ändlig-bad modell av diffusion. Than föreslog metoder består av mikro-datortomografi bildåtergivning (mikro-CT) hos ett system innefattande brosk och en ändlig-bad som stöds av avancerad bifasisk-lösta ämnet och flerfasiga finita elementmodeller. Dessa modeller gör det möjligt att erhålla de diffusionskoefficienter av neutrala och laddade molekyler såväl som FCDs över olika zoner av ledbrosk. Med hjälp av dessa modeller kan man få bättre förståelse för beteendet hos de diffunderande neutrala och laddade molekyler som kan användas för att undersöka samspelet mellan brosk och överliggande ändlig-bad.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presenterade en försöksprotokoll i kombination med en finit elementmodelleringsförfarande för att studera spridningen av neutrala och laddade lösta ämnen över ledbrosk. Enligt våra nya studier, kan de föreslagna modellerna korrekt beskriver transporten av både neutral (bifasisk-löst ämne) och negativt laddade (flerfasiga) lösta ämnen i olika zoner av ledbrosk 8, 9. Det anses allmänt att ledbrosk blir funktionellt begränsad genom förlust av de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill uttrycka sin tacksamhet till Mr Jeroen van den Berg och Mr Matthijs Wassink från utvecklings mekanik gruppen på UMC Utrecht för deras hjälp med att linda process av osteokondrala pluggar. Detta arbete stöddes av ett bidrag från holländska Arthritis Foundation.
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 |
References
- 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).
