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Bioengineering

大きな腱欠損を修復する組織設計されたコラーゲン移植片を用いた新規テノルラフィー縫合技術

Published: December 10, 2021
doi:
10.3791/57696
, ,
1Division of Surgery and Interventional Science,University College London, 2Blond McIndoe Laboratories, Division of Cell Matrix and Regenerative Medicine, MAHSC,University of Manchester, 3Department of Surgical Research, Northwick Park Institute for Medical Research,Northwick Park Hospital

Summary

本論文では、工学的コラーゲン移植片で満たすことにより、最大1.5cmの腱ギャップを修復するための in vitro および in in in これは、移植片が宿主組織に成熟するまで機械的負荷を取る改変縫合技術を開発することによって行われた。

Abstract

ドナーを容易に同定して使用できる部位は有限数であるため、腱移植片を有する大きな腱欠損の外科的管理は困難である。現在、このギャップは腱自動、アロ、ゼノ、または人工移植片で満たされていますが、それらを確保するための臨床的方法は、スケールのために動物に翻訳可能であるとは限りません。新しい生体材料を評価したり、コラーゲン1で構成される腱移植片を研究するために、腱端に合わせて操作された腱を維持するのに役立つ改変縫合技術を開発しました。これらの移植片の機械的特性は、天然腱より劣る。操作された腱を装填された修復の臨床的に関連するモデルに組み込むために、組織で設計された腱移植片をオフロードし、機械的に健全なネオ腱が形成されるまで 、生体内で の操作された腱の成熟と統合を可能にする戦略が採用されました。この手法は、コラーゲン1型組織を組み込んで腱構築物を作製した方法を用いて説明する。

Introduction

腱断裂は、外傷性裂傷や腱の過度の負荷などの外因性要因のために起こることがある。腱修復に置かれた外部引張力のために、ほとんどの腱修復技術で必然的にギャップが形成されます。現在、腱欠損/ギャップは、オート、アロ、ゼノ、または人工移植片で満たされていますが、その可用性は有限であり、ドナー部位は罹患率の源です。

コラーゲンなどの天然ポリマーから腱移植片を作製する組織工学的アプローチは、生体適合性であるという独特の利点を有し、細胞統合を容易にする重要な細胞外マトリックス(ECM)成分を提供することができる。しかし、フィブリラアライメントの欠如のために、工学的腱(ET)の機械的特性は、ネイティブ腱に劣っています。弱いコラーゲンの機械的特性を高めるために、真空下での物理的架橋、紫外線照射、および脱熱熱処理1などの多くの方法が用いられている。また、リボフラビンとの化学的架橋を通じて、酵素的および非酵素的な方法は、インビトロ2,3におけるコラーゲン密度およびヤング率を増加させた。しかしながら、架橋剤を添加することにより、コラーゲンの生体適合性が損なわれ、研究により、細胞生存率3、4、5の33%の変化および40%の細胞生存率の損失が示されている。線形と機械的強度の漸進的な発生は、環状負荷6を介して得ることができる。しかし、これは効率的に取得することができます in vivo7.

ETが 生体内で 統合し、化学改変を必要とせずに強度を獲得するためには、安定化縫合技術を使用して弱い構造を所定の位置に保持する方法があります。ほとんどの腱の修復は、腱の端を一緒に保持するために縫合線の設計に依存しています。したがって、これらの既存の手法を変更すると、論理的なソリューション8,9を提供できます。

1980年代までは、2本鎖の修復が広く使用されていましたが、最近の外科文献では、修復10、11で4本のストランド、6本のストランド、あるいは8本のストランドの使用について記述されています。1985年、サベージは6つのアンカーポイントを持つ6本鎖縫合糸技術を説明し、4本のストランド12を使用するバネル縫合技術よりも有意に強かった。また、8本鎖の修理は、死体や車体の他のストランドよりも43%強いが、修理を正確に13、14、15、16に再現することが技術的に困難になるため、これらの修理は広く行われていない。したがって、より多くのコア縫合糸鎖は、修復された腱の生体力学的特性の比例的増加に関連する。しかし、縫合点の周囲に細胞生存率の喪失があり、過度の縫合による外傷は腱の障害にすることができ、腱治癒17を損なう可能性がある。縫合技術は、修復後の腱のパッピングを最小限に抑えるために、バランスがとれて比較的非弾性な強力な幾何学的修復を提供する必要があります。また、縫合糸の位置及び結び目の位置は、十分な強度の発生が得られるまで、滑空、血液供給および治癒を妨げないように戦略的に配置されなければならない。

破裂した腱の間に弱いET移植片または他の移植材料を確保するための実現可能性を確立するために、我々はそれが成熟し、徐々に生体内の宿主組織に統合できるように移植片をオフロードすることができる新しい縫合技術を開発した。

Protocol

注:実験設計と倫理的承認は、UCL機関審査委員会(IRB)から得られました。すべての実験は、欧州指令2010/63/EU(2013)の改正法を用いて、1986年の内務省の規制と動物のガイドライン(科学的手続き)法に従って行われました。ウサギは、名前の付いた獣医(NVS)によって定期的に、そして名前付き動物福祉官(NACWO)によって1日に2回検査されました(内務省のガイドラインと規制に従って)。彼らは安楽死す?…

Representative Results

これは腱に見られる主要なタンパク質であるため、I型コラーゲンから作られたコラーゲン移植片を使用しました。これは、腱の総コラーゲンのほぼ95%を構成します;したがって、コラーゲンは、生体内腱を模倣するための理想的な特性をすべて示した21,22. 本研究では、使?…

Discussion

本研究では、コラーゲンが天然ポリマーであるため、組織工学的I型コラーゲン移植片が腱移植片として選ばれ、様々な組織工学用途27,28の生体材料として使用された。また、コラーゲンは、腱の乾燥質量の60%を構成し、そのうち95%が1型コラーゲン21、29、30、31、32</su…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者たちは、このプロジェクトに資金を提供したUCLを認めたいと考えています。

Materials

Rat tail type 1 Collagen  First Link, Birmingham, UK 60-30-810
prolene sutures 6-0 Ethicon Ltd, Edinburgh, U.K. EP8726H
prolene sutures 3-0 Ethicon Ltd, Edinburgh, U.K. D8911
Whatman filter paper SIGMA-ALDRICH  WHA10010155
Gibco DMEM, high glucose Thermo Fisher Scientific  11574486
Nylon mesh  Plastok (Meshes and Filtration) Ltd. NA
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References

  1. Wollensak, G., Spoerl, E., Seiler, T. Riboflavin/ultraviolet-a-induced collagen crosslinking for the treatment of keratoconus. American Journal of Ophthalmology. 135, 620-627 (2003).
  2. Tanzer, M. L. Cross-Linking of Collagen. Science. 180, 561-566 (1973).
  3. Reiser, K., McCormick, R. J., Rucker, R. B. Enzymatic and nonenzymatic cross-linking of collagen and elastin. FASEB Journal. 6, 2439-2449 (1992).
  4. Kanungo, B. P., Gibson, L. J. Density-property relationships in collagen-glycosaminoglycan scaffolds. Acta Biomaterialia. 6, 344-353 (2010).
  5. Weadock, K. S., Miller, E. J., Bellincampi, L. D., Zawadsky, J. P., Dunn, M. G. Physical crosslinking of collagen fibers: comparison of ultraviolet irradiation and dehydrothermal treatment. Journal of Biomedical Materials Research. 29, 1373-1379 (1995).
  6. Kalson, N. S., et al. Slow Stretching That Mimics Embryonic Growth Rate Stimulates Structural and Mechanical Development of Tendon-Like Tissue In Vitro. Developmental Dynamics. 240, 2520-2528 (2011).
  7. Torigoe, K., et al. Mechanisms of collagen fibril alignment in tendon injury: from tendon regeneration to artificial tendon. Journal of Orthopaedic Research. 29, 1944-1950 (2011).
  8. Ketchum, L. D. Suture materials and suture techniques used in tendon repair. Hand Clinics. 1, 43-53 (1985).
  9. Lawrence, T. M., Davis, T. R. A biomechanical analysis of suture materials and their influence on a four-strand flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 30, 836-841 (2005).
  10. Strickland, J. W. Development of flexor tendon surgery: Twenty-five years of progress. The Journal of Hand Surgery. 25, 214-235 (2000).
  11. Moriya, K., et al. Clinical outcomes of early active mobilization following flexor tendon repair using the six-strand technique: short- and long-term evaluations. The Journal of Hand Surgery, European volume. , (2014).
  12. Savage, R. In vitro studies of a new method of flexor tendon repair. Journal of Hand Surgery. 10, 135-141 (1985).
  13. Uslu, M., et al. Flexor tendons repair: effect of core sutures caliber with increased number of suture strands and peripheral sutures. A sheep model. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research : OTSR. 100, 611-616 (2014).
  14. Osei, D. A., et al. The Effect of Suture Caliber and Number of Core Suture Strands on Zone II Flexor Tendon Repair: A Study in Human Cadavers. Journal of Hand Surgery. 39, 262-268 (2013).
  15. Dovan, T. T., Ditsios, K. T., Boyer, M. I. Eight-strand core suture technique for repair of intrasynovial flexor tendon lacerations. Techniques in Hand & Upper Extremity Surgery. 7, 70-74 (2003).
  16. Silva, M. J., et al. The effects of multiple-strand suture techniques on the tensile properties of repair of the flexor digitorum profundus tendon to bone. The Journal of Bone and Joint surgery. 80, 1507-1514 (1998).
  17. Wong, J. K., Alyouha, S., Kadler, K. E., Ferguson, M. W., McGrouther, D. A. The cell biology of suturing tendons. Matrix Biology. 29, 525-536 (2010).
  18. Strickland, J. W. Flexor Tendon Injuries: II. Operative Technique. The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons. 3, 55-62 (1995).
  19. Brown, R. A., Wiseman, M., Chuo, C. B., Cheema, U., Nazhat, S. N. Ultrarapid Engineering of Biomimetic Materials and Tissues: Fabrication of Nano- and Microstructures by Plastic Compression. Advanced Functional Materials. 15, 1762-1770 (2005).
  20. Sawadkar, P., Alexander, S., Mudera, V. Tissue-engineered collagen grafts to treat large tendon defects. Regenerative Medicine. 9, 249-251 (2014).
  21. Evans, J. H., Barbenel, J. C. Structural and mechanical properties of tendon related to function. Equine veterinary journal. 7, 1-8 (1975).
  22. Riley, G. P., et al. Glycosaminoglycans of human rotator cuff tendons: changes with age and in chronic rotator cuff tendinitis. Annals of the Rheumatic Diseases. 53, 367-376 (1994).
  23. Bell, E., Ivarsson, B., Merrill, C. Production of a tissue-like structure by contraction of collagen lattices by human fibroblasts of different proliferative potential in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 76, 1274-1278 (1979).
  24. Kim, H. M., et al. Technical and biological modifications for enhanced flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 35, 1031-1038 (2010).
  25. Kim, J. B., de Wit, T., Hovius, S. E., McGrouther, D. A., Walbeehm, E. T. What is the significance of tendon suture purchase. The Journal of Hand Surgery, European Volume. 34, 497-502 (2009).
  26. Sawadkar, P., et al. Development of a surgically optimized graft insertion suture technique to accommodate a tissue-engineered tendon in vivo. BioResearch Open Access. 2, 327-335 (2013).
  27. Hadjipanayi, E., et al. Mechanisms of structure generation during plastic compression of nanofibrillar collagen hydrogel scaffolds: towards engineering of collagen. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 5, 505-519 (2011).
  28. Micol, L. A., et al. High-density collagen gel tubes as a matrix for primary human bladder smooth muscle cells. Biomaterials. 32, 1543-1548 (2011).
  29. Lian Cen, L., Liu, W., Cui, L., Zhang, W., Cao, Y. Collagen Tissue Engineering: Development of Novel Biomaterials and applications. Pediatric Research. 63, 492-496 (2008).
  30. Harris, M. T., et al. Mesenchymal stem cells used for rabbit tendon repair can form ectopic bone and express alkaline phosphatase activity in constructs. Journal of Orthopaedic Research. 22, 998-1003 (2004).
  31. Butler, D. L., et al. The use of mesenchymal stem cells in collagen-based scaffolds for tissue-engineered repair of tendons. Nature Protocols. 5, 849-863 (2010).
  32. Cen, L., Liu, W., Cui, L., Zhang, W., Cao, Y. Collagen Tissue Engineering: Development of Novel Biomaterials and Applications. Pediatric Research. 63, 492-496 (2008).
  33. Yamaguchi, H., Suenaga, N., Oizumi, N., Hosokawa, Y., Kanaya, F. Will Preoperative Atrophy and Fatty Degeneration of the Shoulder Muscles Improve after Rotator Cuff Repair in Patients with Massive Rotator Cuff Tears. Advances in Orthopedics. 2012, 195876 (2012).
  34. Silver, F. H., Freeman, J. W., Seehra, G. P. Collagen self-assembly and the development of tendon mechanical properties. Journal of Biomechanics. 36, 1529-1553 (2003).
  35. Schneppendahl, J., et al. Initial stability of two different adhesives compared to suture repair for acute Achilles tendon rupture–a biomechanical evaluation. International Orthopaedics. 36, 627-632 (2012).
  36. Herbort, M., et al. Biomechanical comparison of the primary stability of suturing Achilles tendon rupture: a cadaver study of Bunnell and Kessler techniques under cyclic loading conditions. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery. 128, 1273-1277 (2008).
  37. Piskin, A., et al. Tendon repair with the strengthened modified Kessler, modified Kessler, and Savage suture techniques: a biomechanical comparison. Acta Orthopaedica et Traumatologica Turcica. 41, 238-243 (2007).
  38. de Wit, T., Walbeehm, E. T., Hovius, S. E., McGrouther, D. A. The mechanical interaction between three geometric types of nylon core suture and a running epitenon suture in repair of porcine flexor tendons. The Journal of Hand Surgery, European Volume. 38, 788-794 (2013).
  39. Trail, I. A., Powell, E. S., Noble, J. The mechanical strength of various suture techniques. Journal of Hand Surgery. 17, 89-91 (1992).
  40. Wong, J. K., Peck, F. Improving results of flexor tendon repair and rehabilitation. Plastic and Reconstructive Surgery. 134, 913-925 (2014).
  41. Amis, A. A. Absorbable sutures in tendon repair. Journal of Hand Surgery. 21, 286 (1996).
  42. Faggioni, R., de Courten, C. Short and long-term advantages and disadvantages of prolene monofilament sutures in penetrating keratoplasty. Klinische Monatsblatter fur Augenheilkunde. 200, 395-397 (1992).
  43. Wong, J. K., Cerovac, S., Ferguson, M. W., McGrouther, D. A. The cellular effect of a single interrupted suture on tendon. Journal of Hand Surgery. 31, 358-367 (2006).
  44. Savage, R., Risitano, G. Flexor tendon repair using a “six strand” method of repair and early active mobilisation. Journal of Hand Surgery. 14, 396-399 (1989).
  45. Okubo, H., Kusano, N., Kinjo, M., Kanaya, F. Influence of different length of core suture purchase among suture row on the strength of 6-strand tendon repairs. Hand Surgery. 20, 19-24 (2015).
  46. Noguchi, M., Seiler, J. G., Gelberman, R. H., Sofranko, R. A., Woo, S. L. In vitro biomechanical analysis of suture methods for flexor tendon repair. Journal of Orthopaedic Research. 11, 603-611 (1993).
  47. Aoki, M., Pruitt, D. L., Kubota, H., Manske, P. R. Effect of suture knots on tensile strength of repaired canine flexor tendons. Journal of Hand Surgery. 20, 72-75 (1995).
  48. Pruitt, D. L., Aoki, M., Manske, P. R. Effect of suture knot location on tensile strength after flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 21, 969-973 (1996).
  49. Khor, W. S., et al. Improving Outcomes in Tendon Repair: A Critical Look at the Evidence for Flexor Tendon Repair and Rehabilitation. Plastic and Reconstructive Surgery. 138, 1045-1058 (2016).
  50. Strickland, J. W. Flexor Tendon Injuries: I. Foundations of Treatment. The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons. 3, 44-54 (1995).
  51. Mashadi, Z. B., Amis, A. A. Strength of the suture in the epitenon and within the tendon fibres: development of stronger peripheral suture technique. Journal of Hand Surgery. 17, 172-175 (1992).
  52. Wade, P. J., Muir, I. F., Hutcheon, L. L. Primary flexor tendon repair: the mechanical limitations of the modified Kessler technique. Journal of Hand Surgery. 11, 71-76 (1986).
  53. Wade, P. J., Wetherell, R. G., Amis, A. A. Flexor tendon repair: significant gain in strength from the Halsted peripheral suture technique. Journal of Hand Surgery. 14, 232-235 (1989).
  54. Silfverskiold, K. L., May, E. J. Gap formation after flexor tendon repair in zone II. Results with a new controlled motion programme. Scandinavian Journal of Plastic and Reconstructive Surgery and Hand Surgery / Nordisk Plastikkirurgisk forening [and] Nordisk Klubb for Handkirurgi. 27, 263-268 (1993).
  55. Silfverskiold, K. L., May, E. J., Tornvall, A. H. Gap formation during controlled motion after flexor tendon repair in zone II: a prospective clinical study. The Journal of Hand Surgery. 17, 539-546 (1992).
  56. Silfverskiold, K. L., May, E. J. Flexor tendon repair in zone II with a new suture technique and an early mobilization program combining passive and active flexion. The Journal of Hand Surgery. 19, 53-60 (1994).
  57. Pennington, D. G. Atraumatic retrieval of the proximal end of a severed digital flexor tendon. Plastic and Reconstructive Surgery. 60, 468-469 (1977).
  58. Lin, G. T., An, K. N., Amadio, P. C., Cooney, W. P. Biomechanical studies of running suture for flexor tendon repair in dogs. The Journal of Hand Surgery. 13, 553-558 (1988).
  59. Papandrea, R., Seitz, W. H., Shapiro, P., Borden, B. Biomechanical and clinical evaluation of the epitenon-first technique of flexor tendon repair. The Journal of Hand Surgery. 20, 261-266 (1995).

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Sawadkar, P., Wong, J., Mudera, V. A Novel Tenorrhaphy Suture Technique with Tissue Engineered Collagen Graft to Repair Large Tendon Defects. J. Vis. Exp. (178), e57696, doi:10.3791/57696 (2021).
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