Summary

Een wrijvingstest-bioreactorapparaat voor de studie van synoviale gewrichtsbiomechanica, mechanobiologie en fysische regulatie

Published: June 02, 2022
doi:

Summary

Het huidige protocol beschrijft een wrijvingstestapparaat dat gelijktijdige wederzijdse glij- en normale belasting toepast op twee contacterende biologische tegenfronten.

Abstract

Bij primaire artrose (OA) remt normale ‘slijtage’ geassocieerd met veroudering het vermogen van kraakbeen om zijn dragende en smerende functies te behouden, waardoor een schadelijke fysieke omgeving wordt bevorderd. De wrijvingsinteracties van gewrichtskraakbeen en synovium kunnen de cohomeostase beïnvloeden door slijtage op weefselniveau en cellulaire mechanotransductie. Om deze mechanische en mechanobiologische processen te bestuderen, wordt een apparaat beschreven dat in staat is om de beweging van het gewricht te repliceren. Het wrijvingstestapparaat regelt de levering van wederzijdse translatiebeweging en normale belasting naar twee contacterende biologische tegenvlakken. Deze studie hanteert een synovium-op-kraakbeenconfiguratie en wrijvingscoëfficiëntmetingen worden gepresenteerd voor tests die worden uitgevoerd in een fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS) of synoviale vloeistof (SF) bad. De tests werden uitgevoerd voor een reeks contactspanningen, waarbij de smerende eigenschappen van SF onder hoge belastingen werden benadrukt. Dit wrijvingstestapparaat kan worden gebruikt als een biomimetische bioreactor voor het bestuderen van de fysieke regulatie van levende gewrichtsweefsels als reactie op toegepaste fysiologische belasting geassocieerd met diarthrodiale gewrichtsarticulatie.

Introduction

Artrose (OA) is een slopende, degeneratieve gewrichtsziekte die meer dan 32 miljoen Amerikaanse volwassenen treft, met een gezondheidszorg en sociaaleconomische kosten van meer dan $ 16,5 miljard1. De ziekte is klassiek gekenmerkt door de afbraak van gewrichtskraakbeen en subchondraal bot; veranderingen in het synovium hebben echter onlangs waardering gekregen omdat synovitis is gekoppeld aan OA-symptomen en progressie 2,3,4. Bij primaire (idiopathische) artrose remt normale ‘slijtage’ geassocieerd met veroudering het vermogen van kraakbeen om zijn dragende en smeerfuncties te behouden. Het is aangetoond dat de spanningen die worden gegenereerd door langdurig glijdend contact van gewrichtskraakbeenlagen of glijdend contact van kraakbeen tegen implantaatmaterialen delaminatieslijtage door ondergronds vermoeiingsfalen vergemakkelijken 5,6. Aangezien er een dynamische mechanische omgeving bestaat binnen het gewricht 7,8, kunnen de wrijvingsinteracties van gewrichtskraakbeen en synovium de gewrichtshomeostase beïnvloeden door slijtage op weefselniveau en cellulaire mechanotransductie. Om deze mechanische en mechanobiologische processen te bestuderen, is een apparaat ontworpen om de beweging van het gewricht te repliceren met strakke controle over druk- en wrijvingsbelasting 5,6,9,10,11,12,13.

Het huidige protocol beschrijft een wrijvingstestapparaat dat wederzijdse, translatie- en drukbelasting levert naar contactoppervlakken van levende weefselexplantaten. Het computergestuurde apparaat maakt het mogelijk om de gebruiker de duur van elke test, de toegepaste belasting, het bewegingsbereik van de vertaalfase en de vertaalsnelheid te regelen. Het apparaat is modulair, waardoor verschillende tegenfronten kunnen worden getest, zoals weefsel-op-weefsel (kraakbeen-op-kraakbeen en synovium-op-kraakbeen) en weefsel-op-glas. Naast de functionele metingen die door de tester worden verkregen, kunnen weefsel- en smeerbadcomponenten voor en na het testen worden beoordeeld om de biologische veranderingen te evalueren die door een bepaald experimenteel regime worden aangebracht.

Studies van kraakbeentribologie worden al tientallen jaren uitgevoerd en er zijn verschillende technieken ontwikkeld om wrijvingscoëfficiënten tussen kraakbeen en glas en kraakbeen op kraakbeen te meten 14,15. De verschillende benaderingen worden gemotiveerd door het gewricht en/of het smeermechanisme van belang. Er is vaak een afweging tussen de controle van experimentele variabelen en de recapitulatie van fysiologische parameters. Slingerachtige apparaten gebruiken intacte gewrichten als het steunpunt van een eenvoudige slinger waarbij één gewrichtsoppervlak zich vrij vertaalt over het tweede oppervlak 14,16,17,18. In plaats van intacte verbindingen te gebruiken, kunnen wrijvingsmetingen worden verkregen door kraakbeenexplantaten over de gewenste oppervlakken 14,19,20,21,22,23,24,25 te schuiven. De gerapporteerde wrijvingscoëfficiënten van gewrichtskraakbeen varieerden over een breed bereik (van 0,002 tot 0,5), afhankelijk van de bedrijfsomstandigheden 14,26. Er zijn apparaten gemaakt om roterende beweging 23,27,28 te repliceren. Gleghorn et al.26 ontwikkelden een multi-well aangepaste tribometer om kraakbeensmeerprofielen te observeren met behulp van Stribeck-curveanalyse, en een lineaire oscillerende glijbeweging werd toegepast tussen kraakbeen tegen een vlak glazen tegenvlak.

Dit apparaat is bedoeld om wrijvingsreacties te isoleren en de mechanobiologie van levende weefsels onder verschillende belastingsomstandigheden te onderzoeken. Het apparaat maakt gebruik van een vereenvoudigde testopstelling die gewrichtssticulatie simuleert door middel van drukbewegingen, die zowel de rol- als de glijdende beweging kan benaderen, met dien verstande dat de weerstand bij zuivere rollende beweging verwaarloosbaar is ten opzichte van de gemeten wrijvingscoëfficiënt van gewrichtskraakbeen29. Oorspronkelijk gebouwd om de effecten van interstitiële vloeistofdruk op de wrijvingsrespons van gewrichtskraakbeen9 te bestuderen, is de tester sindsdien gebruikt om onderwerpen te onderzoeken zoals wrijvingseffecten van het verwijderen van de oppervlakkige zone van kraakbeen10, smeereffecten van synoviale vloeistof11, kraakbeenslijtagehypothesen 5,6,30 en synovium-op-weefsel wrijvingsmetingen13 . De wrijvingstestbioreactor kan wrijvingsexperimenten uitvoeren onder steriele omstandigheden en biedt een nieuw mechanisme om te onderzoeken hoe wrijvingskrachten de mechanobiologische reacties van levend kraakbeen en synovium beïnvloeden. Dit ontwerp kan worden gebruikt als een biomimetische bioreactor om de fysieke regulatie van levende gewrichtsweefsels te bestuderen als reactie op de toegepaste fysiologische belasting geassocieerd met diarthrodiale gewrichts articulatie.

Deze studie presenteert een configuratie voor synovium-op-kraakbeen wrijvingstesten over een reeks contactspanningen en in verschillende smeerbaden. Het scharnierende oppervlak van de meeste gewrichten is voor een groot deel synoviaal weefsel31. Hoewel synovium-op-kraakbeenglijden niet optreedt op primaire dragende oppervlakken, kunnen de wrijvingsinteracties tussen de twee weefsels nog steeds belangrijke implicaties hebben voor herstel op weefselniveau en celmechanotransductie. Eerder is aangetoond dat fibroblastachtige synoviocyten (FLS) die zich op de intimale laag van het synovium bevinden, mechanosensitief zijn en reageren op door vloeistof geïnduceerde schuifspanning32. Het is ook aangetoond dat stretch33,34 en vloeistof-geïnduceerde schuifspanning35 de fls-smeermiddelproductie moduleren. Als zodanig kan direct glijdend contact tussen synovium en kraakbeen een andere mechanische stimulus geven aan residente cellen in het synovium.

Slechts enkele rapporten over synoviumfrictiecoëfficiënten zijn gepubliceerd 31,36. Estell et al.13 probeerden de eerdere karakterisering uit te breiden door gebruik te maken van biologisch relevante tegenwoorden. Met het vermogen van het wrijvingstestapparaat om levende weefsels te testen, is het mogelijk om fysiologische weefselinteracties na te bootsen tijdens gewrichts articulatie om de rol van contactschuifspanning op de synoviocytenfunctie en de bijdrage ervan aan de kruisverwijzing tussen synovium en kraakbeen op te helderen. De laatste is betrokken bij het bemiddelen van synoviale gewrichtsontsteking bij artritis en post-letsel. Vanwege de fysieke nabijheid van kraakbeen tot synovium en synoviale vloeistof, die synoviocyten bevatten die multipotente capaciteit vertonen, waaronder chondrogenese, wordt gepostuleerd dat synoviocyten een rol spelen bij kraakbeenhomeostase en -reparatie door enten op het gewrichtsoppervlak. In deze context kan fysiek contact en wederkerig scheren van kraakbeen-synovium en synovium-synovium de toegankelijkheid van synoviocyten tot regio’s met kraakbeenschade vergroten 37,38,39,40. Studies met behulp van synovium-op-kraakbeenconfiguraties zullen niet alleen inzicht geven in de mechanica en tribologie van gewrichtsweefsel, maar ze kunnen ook leiden tot nieuwe strategieën voor het behoud van de gezondheid van de gewrichten.

Protocol

Voor dit onderzoek werden juveniele runderkniegewrichten, verkregen uit een lokaal slachthuis, gebruikt. Studies met dergelijke monsters van rundermonsters zijn vrijgesteld van Columbia Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). 1. Het ontwerpen van het wrijvingstestapparaat OPMERKING: Een schematische weergave van de wrijvingstestinrichting is weergegeven in figuur 1. Het apparaat is gebouwd op een stijve basis…

Representative Results

Een synovium-op-kraakbeenconfiguratie werd gebruikt om juveniele runderexplantaten te wrijvingstesten. Het synovium werd gemonteerd op een acryllaadplaat met een diameter van 10 mm, zodat de intimale laag in contact zou komen met het onderliggende kraakbeen. Een tibiale strip werd gebruikt als kraakbeen tegengezicht (figuur 6A). Tibiale stroken werden gesneden met een diepte van ongeveer 1,4 mm en een afmeting van 10 mm x 30 mm. De monsters werden gedurende 1 uur bij 37 °C getest in een fos…

Discussion

Er bestaat een dynamische mechanische omgeving in het gewricht, aangezien kraakbeen wordt blootgesteld aan druk-, trek- en schuifkrachten en hydrostatische en osmotische drukken44,45. Hoewel kraakbeen het belangrijkste dragende weefsel van het gewricht is, ondergaat het synovium ook wrijvingsinteracties met het kraakbeenoppervlak en met zichzelf in regio’s waar het weefsel vouwt. De fysieke interacties tussen kraakbeen en synovium zijn waarschijnlijk verantwoorde…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de Orthopaedic Scientific Research Foundation, NIH 5R01 AR068133, NIH TERC 5P41EB027062 en NIGMS R01 692 GM083925 (Funder ID: 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

References

  1. 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)
  2. 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).
  3. Berenbaum, F. Osteoarthritis as an inflammatory disease (osteoarthritis is not osteoarthrosis). Osteoarthritis and Cartilage. 21 (1), 16-21 (2013).
  4. Sellam, J., Berenbaum, F. The role of synovitis in pathophysiology and clinical symptoms of osteoarthritis. Nature Reviews Rheumatology. 6 (11), 625-635 (2010).
  5. Durney, K. M., et al. Immature bovine cartilage wear by fatigue failure and delamination. Journal of Biomechanics. 107, 109852 (2020).
  6. 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).
  7. Ateshian, G. A. The role of interstitial fluid pressurization in articular cartilage lubrication. Journal of Biomechanics. 42 (9), 1163-1176 (2009).
  8. Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The basic science of articular cartilage. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Estell, E. G., et al. Attachment of cartilage wear particles to the synovium negatively impacts friction properties. Journal of Biomechanics. 127, 110668 (2021).
  14. 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).
  15. Bonnevie, E. D., Bonassar, L. J. A century of cartilage tribology research is informing lubrication therapies. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (3), 031004 (2020).
  16. Unsworth, A., Dowson, D., Wright, V. Some new evidence on human joint lubrication. Annals of the Rheumatic Diseases. 34 (4), 277-285 (1975).
  17. 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).
  18. Shirley Jones, E. Joint Lubrication. The Lancet. 227 (5879), 1043-1045 (1936).
  19. 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).
  20. 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).
  21. McCutchen, C. W. The frictional properties of animal joints. Wear. 5 (1), 1-17 (1962).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Gleghorn, J. P., Bonassar, L. J. Lubrication mode analysis of articular cartilage using Stribeck surfaces. Journal of Biomechanics. 41 (9), 1910-1918 (2008).
  27. Malcom, L. . An experimental investigation of the frictional and deformational responses of articular cartilage interfaces to static and dynamic loading. , (1976).
  28. Schmidt, T. A., Sah, R. L. Effect of synovial fluid on boundary lubrication of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 15 (1), 35-47 (2007).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Estell, E. G., et al. Fibroblast-like synoviocyte mechanosensitivity to fluid shear is modulated by Interleukin-1α. Journal of Biomechanics. 60, 91-99 (2017).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Cooke, A. F., Dowson, D., Wright, V. Lubrication of synovial membrane. Annals of the Rheumatic Diseases. 35 (1), 56-59 (1976).
  37. Goldring, M. B., Berenbaum, F. Emerging targets in osteoarthritis therapy. Current Opinion in Pharmacology. 22, 51-63 (2015).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).
check_url/63880?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Gangi, L. R., Petersen, C. A., Oungoulian, S. R., Estell, E. G., Durney, K. M., Suh, J. T., Ateshian, G. A., Hung, C. T. A Friction Testing-Bioreactor Device for Study of Synovial Joint Biomechanics, Mechanobiology, and Physical Regulation. J. Vis. Exp. (184), e63880, doi:10.3791/63880 (2022).

View Video