Et passivt ankeldorsiflexion-testsystem til en in vivo-model af overforbrugsinduceret tendinopati
Summary
Denne protokol præsenterer et testsystem, der anvendes til at fremkalde kvantificerbare og kontrollerede træthedsskader i en rotteakillessene for en in vivo-model af overforbrugsinduceret tendinopati. Proceduren består i at fastgøre rottens ankel til en fælles aktuator, der udfører passiv ankeldorsiflexion med et specialskrevet MATLAB-script.
Abstract
Tendinopati er en kronisk senetilstand, der resulterer i smerter og tab af funktion og skyldes gentagen overbelastning af senen og begrænset restitutionstid. Denne protokol beskriver et testsystem, der cyklisk påfører mekaniske belastninger via passiv dorsiflexion på rottens akillessene. Den specialskrevne kode består af præ- og postcykliske belastningsmålinger for at vurdere virkningerne af belastningsprotokollen sammen med feedback-kontrolbaseret cyklisk træthedsbelastningsregime.
Vi brugte 25 Sprague-Dawley-rotter til denne undersøgelse, hvor 5 rotter pr. Gruppe modtog enten 500, 1.000, 2.000, 3.600 eller 7.200 cyklusser med træthedsbelastninger. De procentvise forskelle mellem de præ- og postcykliske belastningsmålinger af hysteresen, spidsbelastningen og belastnings- og losningsmodulerne blev beregnet. Resultaterne viser, at systemet kan forårsage varierende grader af skade på akillessenen baseret på antallet af påførte belastninger. Dette system tilbyder en innovativ tilgang til at anvende kvantificerede og fysiologisk varierende grader af cykliske belastninger på akillessenen til en in vivo-model af træthedsinduceret overforbrugsseneskade.
Introduction
Da sener forbinder muskler til knogler og oplever daglige gentagne bevægelser gennem hele deres levetid, er de meget tilbøjelige til overbelastningsskader, der er smertefulde og begrænsende og resulterer i nedsat mekanisk funktion, der påvirker 30-50% af befolkningen1. Tendinopatier er kroniske tilstande, der betragtes som overbelastningsskader på grund af gentagne træthedsbevægelser og utilstrækkelig heling til niveauet før skaden. Både øvre og nedre ekstremiteter er almindeligt påvirket, herunder rotator manchet, albue, akillessene, og patellar senen 2,3,4,5. Akillessenopati er almindelig i aktiviteter, der involverer løb og spring, især atleter involveret i atletik, mellem- og langdistanceløb, tennis og andre boldsport, der påvirker 7-9% af løberne 6,7. Skader fra løb og spring kan også forårsage begrænset ankeldorsiflexion, hvilket er en risikofaktor for Achilles og patellar tendinopathies 8,9,10. Der er således behov for en bedre vurdering og karakterisering af tendinopati, som denne undersøgelse kan give som en rottemodel af passiv ankeldorsiflexion til overforbrug af akillesseneskader.
Tidligere arbejde med små dyremodeller har været rettet mod at studere udviklingen og markørerne for tendinopati. Disse omfatter løbebånd øvelse, gentagne rækkevidde, direkte sene belastning, kollagenaseinjektioner, kirurgi, og in vitro undersøgelser 11,12,13,14,15,16. Selvom litteraturen har draget fordel af identifikationen af skademarkører ved at anvende disse tendinopatimodeller, omfatter begrænsninger belastning af senen i ikke-fysiologisk relevante ledbevægelser, som i tilfælde af direkte belastning af senen, ikke direkte måling af påførte belastninger, såsom til løbebåndsundersøgelser, og ikke anvendelse af fysiologisk overforbrug, som i tilfældet med kollagenaseinjektioner, blandt andre. Til dette formål havde denne undersøgelse til formål at udvikle et system, der noninvasivt anvender kvantificerede belastninger på akillessenen med anvendelse af overforbrugsinducerede tendinopatiundersøgelser for at udfylde hullerne i tidligere udviklede smådyrsmodeller for tendinopati. Vi udførte en pilotundersøgelse for at demonstrere, at systemet inducerer reproducerbare ændringer i mekaniske egenskaber over en række belastningscyklusser. Dette system gør det muligt for fysiologisk relevant bevægelse og belastning at fremkalde overforbrug, samtidig med at det kvantificerer og måler de kræfter, der påføres og opleves af senen under belastningsregimet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne undersøgelse præsenterer en metode til cyklisk belastning af rottens akillessene med et passivt ankeldorsiflexionsystem til en in vivo overforbrugsinduceret tendinopati-model. Systemets betydning ligger i dets evne til at isolere akillessenen, anvende kvantificerbare belastninger uden kirurgisk adgang til senen og måle in vivo seneegenskaber.
I 2010 præsenterede Fung et al. en rottepatellar senetræthedsmodel med et specialbygget testsystem14</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne anerkende vores finansieringsstøtte: Joe Fallon Research Fund, Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund og et intramuralt tilskud (AN), alle fra BIDMC Ortopædi, sammen med støtte fra National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).
Materials
| 1/32'' Aluminum beads | |||
| 2.5% isoflurane | |||
| 3D digitizing pen | Polhemus, Vermont, NH, USA | ||
| 3D electromagnetic positioning and orientation sensor | Polhemus, Vermont, NH, USA | ||
| 5% isoflurane | |||
| Customized device: 1) Assembly, sensors, 3D printed animal bed and ankle mount actuator | Assembled as described in manuscript | ||
| MATLAB code | MATLAB, Natick, MA, USA | ||
| Microcontroller | Ivrea, Italy | Arduino UNO, Rev3 | |
| Nose cone | |||
| Scalpel and scalpel holder | No. 11 scalpel | ||
| Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories, Wilmington, MA, USA | 11-13 weeks old | |
| Stepper driver | SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503 | DM542T | |
| Stepper motor | SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503 | 23HE30-2804S | |
| Straight forceps | |||
| Torque sensor assembly | Futek Inc., Irvine, CA, USA | FSH03985, FSH04473, FSH03927 | |
| Water heating pad |
References
- Kaux, J. F., Forthomme, B., Goff, C. L., Crielaard, J. M., Croisier, J. L. Current opinions on tendinopathy. J Sports Sci Med. 10 (2), 238-253 (2011).
- Maffulli, N., Longo, U. G., Kadakia, A., Spiezia, F. Achilles tendinopathy. Foot Ankle Surg. 26 (3), 240-249 (2020).
- Teunis, T., Lubberts, B., Reilly, B. T., Ring, D. A systematic review and pooled analysis of the prevalence of rotator cuff disease with increasing age. J Shoulder Elbow Surg. 23 (12), 1913-1921 (2014).
- von Rickenbach, K. J., Borgstrom, H., Tenforde, A., Borg-Stein, J., McInnis, K. C. Achilles tendinopathy: evaluation, rehabilitation, and prevention. Curr Sports Med Rep. 20 (6), 327-334 (2021).
- Aicale, R., Oliviero, A., Maffulli, N. Management of Achilles and patellar tendinopathy: what we know, what we can do. J Foot Ankle Res. 13 (1), 59 (2020).
- Jarvinen, T. A., et al. Achilles tendon injuries. Curr Opin Rheumatol. 13 (2), 150-155 (2001).
- Silbernagel, K. G., Hanlon, S., Sprague, A. Current clinical concepts: conservative management of Achilles tendinopathy. J Athl Train. 55 (5), 438-447 (2020).
- Tayfur, A., et al. Are landing patterns in jumping athletes associated with patellar tendinopathy? A systematic review with evidence gap map and meta-analysis. Sports Med. 52 (1), 123-137 (2022).
- Malliaras, P., Cook, J. L., Kent, P. Reduced ankle dorsiflexion range may increase the risk of patellar tendon injury among volleyball players. J Sci Med Sport. 9 (4), 304-309 (2006).
- Backman, L. J., Danielson, P. Low range of ankle dorsiflexion predisposes for patellar tendinopathy in junior elite basketball players: a 1-year prospective study. Am J Sports Med. 39 (12), 2626-2633 (2011).
- Glazebrook, M. A., Wright, J. R., Langman, M., Stanish, W. D., Lee, J. M. Histological analysis of achilles tendons in an overuse rat model. J Orthop Res. 26 (6), 840-846 (2008).
- Carpenter, J. E., Flanagan, C. L., Thomopoulos, S., Yian, E. H., Soslowsky, L. J. The effects of overuse combined with intrinsic or extrinsic alterations in an animal model of rotator cuff tendinosis. Am J Sports Med. 26 (6), 801-807 (1998).
- Gao, H. G., et al. Increased serum and musculotendinous fibrogenic proteins following persistent low-grade inflammation in a rat model of long-term upper extremity overuse. PLoS One. 8 (8), e71875 (2013).
- Fung, D., et al. Early response to tendon fatigue damage accumulation in a novel in vivo model. J Biomech. 43 (2), 274-279 (2010).
- Ueda, Y., et al. Molecular changes to tendons after collagenase-induced acute tendon injury in a senescence-accelerated mouse model. BMC Musculoskelet Disord. 20 (1), 120 (2019).
- Bloom, E., et al. Overload in a rat in vivo model of synergist ablation induces tendon multi-scale structural and functional degeneration. J Biomech Eng. 145 (8), 081003 (2023).
- Williamson, P. M., et al. A passive ankle dorsiflexion testing system to assess mechanobiological and structural response to cyclic loading in rat Achilles tendon. J Biomech. 156, 111664 (2023).
- Oliveira, L. F., Peixinho, C. C., Silva, G. A., Menegaldo, L. L. In vivo passive mechanical properties estimation of Achilles tendon using ultrasound. J Biomech. 49 (4), 507-513 (2016).
