اختبار وتحليل الغضاريف المفصلية ضد المعادن للزرع
Summary
يصف هذا البروتوكول إعداد واختبارات الكائنات الحيوية وتحليل اسطوانات الـ osteochondral التي تنزلق ضد مواد الزرع المعدنية. والتدابير الناتجة المدرجة في هذا البروتوكول هي النشاط الأيضي والتعبير الجيني وعلم الأنسجة.
Abstract
قد يتم علاج عيوب Osteochondral في المرضى في منتصف العمر مع زرع معدنية التركيز. وضعت لأول مرة لعيوب في مفصل الركبة، يزرع متاحة الآن للكتف والورك والكاحل وأول مفصل مشط القدم. في حين توفير الحد من الألم وتحسين السريرية, ويلاحظ التغيرات التنكسية التدريجي للغضروف معارضة في كثير من المرضى. والآليات المؤدية إلى هذا الضرر غير مفهومة تماما. يصف هذا البروتوكول تجربة مائية لمحاكاة الاقتران معدن على الغضاريف وتحليل شامل للغضاريف المفصلية. يتم اختبار مواد زرع المعادن ضد اسطوانات أوستيوكوندرال البقرية كنموذج للغضاريف المفصلية البشرية. من خلال تطبيق الأحمال المختلفة وسرعات الانزلاق ، يمكن تقليد ظروف التحميل الفسيولوجية. لتقديم تحليل شامل للآثار على الغضروف المفصلي ، علم الأنسجة ، والنشاط الأيضي وتحليل التعبير الجيني ويرد في هذا البروتوكول. الميزة الرئيسية للاختبار tribological هو أن المعلمات التحميل يمكن تعديلها بحرية لمحاكاة في ظروف الجسم الحي. وعلاوة على ذلك، قد تستخدم حلول اختبار مختلفة للتحقيق في تأثير تزييت أو العوامل الموالية للالتهابات. باستخدام تحليل التعبير الجيني للجينات الخاصة بالغضاريف والجينات تقويضية، قد يتم الكشف عن التغيرات المبكرة في عملية التمثيل الغذائي للتشندردروسيات المفصلية استجابة للتحميل الميكانيكي.
Introduction
علاج عيوب العظام يتطلب يتطلب جراحة في كثير من الحالات. للآفات osteochondral البؤري في المرضى في منتصف العمر، يزرع المعدنية البؤري خيار قابل للتطبيق، وخاصة بعد فشل العلاج الأولي، مثل تحفيز نخاع العظام (BMS) أو زرع كثرومسيات ذاتية (ACI)1. يمكن اعتبار الاستبدال الجزئي للسطح إجراءات الإنقاذ التي يمكن أن تقلل من الألم وتحسين نطاق الحركة2. وعادة ما تتكون هذه يزرع من سبائك CoCrMo وتتوفر في مختلف الأحجام وتكوينات الإزاحة لتتناسب مع التشريح العادي3. في حين وضعت في البداية لعيوب على مُوسَّع الفخذ في الركبة، هذه الغرسات متاحة الآن وفي الاستخدام للورك والكاحل والكتف والمرفق4،5،6. للحصول على نتيجة مرضية، من المهم تقييم محاذاة المفاصل الميكانيكية وحالة الغضروف المنافس. وعلاوة على ذلك، وقد ثبت زرع الصحيح دون نتوء من الزرع لتكون أساسية7.
أظهرت الدراسات السريرية نتائج ممتازة على المدى القصير من حيث الحد من الألم وتحسين وظيفة في المرضى في منتصف العمر لمختلف المواقع5,6,8. مقارنة مع زرع allograft، زرع المعادن البؤري تسمح تحمل الوزن المبكر. ومع ذلك، أظهر الغضروف المفصلي المتقابل تآكل متسارع في عدد كبير من المرضى9،10. وبالتالي، حتى مع وضع السليم، في كثير من الحالات انحطاط الغضروف الأصلي يبدو لا مفر منه، في حين أن الآليات الأساسية لا تزال غير واضحة. وقد لوحظت تغيرات تنكسية مماثلة بعد رأب الهرمل ثنائي القطب من الورك11 ويتم زيادتها مع النشاط والتحميل12.
التجارب تريبولوجي توفر إمكانية لدراسة مثل هذه الاقترانات في المختبر ومحاكاة حالات التحميل المختلفة التي تحدث في ظل الظروف الفسيولوجية13. استخدام دبابيس osteochondral يقدم نموذجا هندسيا بسيطة للتحقيق في tribology من الغضاريف المفصلية الانزلاق ضد الغضروف الأصلي أو أي مادة زرع14 ويمكن استخدامها كذلك في نماذج المحاكاة المشتركة15كله . الاقترانات معدنية على الغضاريف تظهر تآكل الغضاريف المتسارعة ، اضطراب المصفوفة خارج الخلية ، وانخفاض صلاحية الخلية في المنطقة السطحية مقارنة مع غضروف على الغضاريف الاقتران16. الأضرار التي لحقت الغضروف وقعت أساسا في شكل delamination بين المناطق السطحية والوسطى17. ومع ذلك، فإن الآليات المؤدية إلى انحطاط الغضروف غير مفهومة تماما. يوفر هذا البروتوكول تحليلا شاملا للنشاط البيولوجي للغضاريف المفصلية. من خلال تحديد النشاط الأيضي ومستويات التعبير الجيني للجينات تقويضي, يمكن تحديد المؤشرات المبكرة لتحلل الغضاريف. وميزة التجارب في المختبر tribological هو أن المعلمات التحميل يمكن تعديلها لتقليد مختلف ظروف التحميل.
ومن ثم، فإن البروتوكول التالي مناسب لمحاكاة الاقتران معدن على الغضاريف، وهو ما يمثل نموذجاً تجريبياً لرأب الهرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تمثل الغرسات المعدنية البؤرية إجراء إنقاذ لعيوب العظام، خاصة في المرضى في منتصف العمر وبعد فشل العلاج الأولي. على الرغم من أن الدراسات السريرية أظهرت نتائج واعدة على المدى القصير، واحدة لاحظت مضاعفات هو الضرر الذي لحق بالغضروف، الأصليمعارضة 10. تشير الدراسات التشريحية والمي?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا البحث من قبل NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. وحكومة مقاطعة النمسا السفلى من خلال استدعاءات علوم الحياة (معرف المشروع: LSC15-019) وبرنامج المذنب النمساوي (مشروع K2 XTribology، المنحة رقم 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 |
References
- 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).
