インプラント用金属に対する関節軟骨滑走の生物化学検査と分析
Summary
このプロトコルは、金属インプラント材料に対して滑る骨軟骨シリンダーの調製、生物的検査、および分析について説明する。このプロトコルに含まれる結果対策は、代謝活性、遺伝子発現および占地である。
Abstract
中年患者の骨軟骨欠損は、焦点金属インプラントで治療される可能性がある。膝関節の欠陥のために最初に開発されたインプラントは、肩、股関節、足首および最初の中足アルファランジアル関節のために利用可能になりました。疼痛の軽減および臨床的改善を提供する一方で、多くの患者において、対向する軟骨の進行性変性変化が観察される。この損傷につながるメカニズムは完全には理解されていません。このプロトコルは、関節軟骨の金属対軟骨の組み合わせと包括的な分析をシミュレートするためのトライボロジー実験を記述します。金属インプラント材料は、ヒト関節軟骨のモデルとして牛骨軟骨シリンダーに対して試験される。異なる負荷と滑り速度を適用することにより、生理学的な負荷条件を模倣することができます。関節軟骨に及ぼす影響の包括的な分析を提供するために、本プロトコルに記載されているヒストロジー、代謝活性および遺伝子発現解析。トライボロジーテストの主な利点は、負荷パラメータを自由に調整してin vivo条件をシミュレートできることです。さらに、潤滑剤や炎症促進剤の影響を調べるには、異なる試験溶液を用いることができる。軟骨特異的遺伝子や異化遺伝子に対する遺伝子発現解析を用いることで、機械的負荷に応じた関節軟骨細胞の代謝の初期変化が検出される可能性がある。
Introduction
骨軟骨欠損の治療は厳しく、多くの場合手術が必要です。中年患者における焦点骨軟骨病変の場合、焦点金属インプラントは、特に骨髄刺激(BMS)または自家軟骨細胞移植(ACI)のような一次治療の失敗後に実行可能な選択肢である。部分的な表面置換は、痛みを軽減し、運動2の範囲を改善することができるサルベージ手順と考えることができます。これらのインプラントは、通常、CoCrMo合金で構成され、通常の解剖学3に一致するように異なるサイズとオフセット構成で利用可能です。最初は膝の内側大腿骨顆の欠陥のために開発されましたが、そのようなインプラントは現在利用可能であり、股関節、足首、肩、肘4、5、6に使用されています。満足のいく結果を得るためには、対向する軟骨の機械的な関節の位置合わせと状態を評価することが重要です。さらに、インプラントの突起のない正しい移植は、基本的な7であることが示されている。
臨床研究は、様々な場所5、6、8の中年患者における疼痛軽減および機能の改善の点で優れた短期的な結果を実証した。同種移植と比較して、焦点金属インプラントは早期の重量の負担を可能にする。しかし、対向する関節軟骨は、患者数9,10で加速摩耗を示した。したがって、適切な配置であっても、多くの場合、ネイティブ軟骨の変性は避けられないようですが、根本的なメカニズムは不明のままです。同様の変性変化は、股関節11の双極性関節形成術後に観察され、活性およびローディング12と共に増加する。
トライボロジー実験は、このような組み合わせをインビトロで研究し、生理学的条件13の下で起こる異なる負荷状況をシミュレートする可能性を提供する。骨軟骨ピンの使用は、在来の軟骨または任意のインプラント材料14 に対して滑る関節軟骨のトライボロジーを調査するための単純な幾何学モデルを提供し、さらに関節シミュレーションモデル15全体で使用されるかもしれない。金属上軟骨の組み合わせは、軟骨上の組み合わせと比較して、軟骨摩耗の加速、細胞外マトリックス破壊、および表面領域における細胞生存率の低下を示す。軟骨の損傷は主に表面領域と中間ゾーン17の間の剥離の形で発生した。しかし、軟骨変性につながるメカニズムは完全には理解されていません。このプロトコルは、関節軟骨の生合成活性の包括的な分析を提供します。異化遺伝子の代謝活性と遺伝子発現レベルの決定により、軟骨破壊の初期の適応症が同定される可能性がある。in vitroトライボロジー実験の利点は、負荷パラメータを調整して様々な負荷条件を模倣できることです。
したがって、以下のプロトコルは、実験的なヘミアルスロプラスティモデルを表す金属対軟骨の組み合わせをシミュレートするのに適しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
焦点金属インプラントは、骨軟骨欠損のサルベージ手順を表し、特に中年患者および一次治療に失敗した後である。臨床研究は有望な短期的な結果を示したが、1つの観察された合併症は、反対の、ネイティブ軟骨10への損傷である。死体および生物機械学的研究は、平坦またはわずかに凹んだ位置付けによる適切な移植が自然な接触圧力19を維持するとい?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、NÖフォルシュングス-ウントビルドゥングスゲス.m.b.Hによって資金提供されました。ライフサイエンスコール(プロジェクトID:LSC15-019)とオーストリアのCOMETプログラム(プロジェクトK2 XTology、グラントNo.849109)による、下オーストリアの州政府。
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).
