Het huidige protocol beschrijft een wrijvingstestapparaat dat gelijktijdige wederzijdse glij- en normale belasting toepast op twee contacterende biologische tegenfronten.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
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).
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 |