Een passief testsysteem voor dorsaalflexie van de enkel voor een in vivo model van door overbelasting geïnduceerde tendinopathie
Summary
Dit protocol presenteert een testsysteem dat wordt gebruikt om kwantificeerbare en gecontroleerde vermoeidheidsblessures in een achillespees van een rat te induceren voor een in-vivo model van door overbelasting geïnduceerde tendinopathie. De procedure bestaat uit het vastzetten van de enkel van de rat aan een gewrichtsactuator die passieve enkeldorsaalflexie uitvoert met een op maat geschreven MATLAB-script.
Abstract
Tendinopathie is een chronische peesaandoening die leidt tot pijn en functieverlies en wordt veroorzaakt door herhaalde overbelasting van de pees en een beperkte hersteltijd. Dit protocol beschrijft een testsysteem dat cyclisch mechanische belastingen toepast via passieve dorsaalflexie op de achillespees van de rat. De op maat geschreven code bestaat uit pre- en postcyclische belastingsmetingen om de effecten van het belastingsprotocol te beoordelen, samen met het op feedbackcontrole gebaseerde cyclische vermoeiingsbelastingsregime.
We gebruikten 25 Sprague-Dawley-ratten voor deze studie, waarbij 5 ratten per groep 500, 1.000, 2.000, 3.600 of 7.200 cycli vermoeidheidsbelastingen kregen. De procentuele verschillen tussen de pre- en postcyclische belastingsmetingen van de hysterese, piekspanning en laad- en ontlaadmoduli werden berekend. De resultaten tonen aan dat het systeem verschillende gradaties van schade aan de achillespees kan veroorzaken op basis van het aantal uitgeoefende belastingen. Dit systeem biedt een innovatieve benadering om gekwantificeerde en fysiologische variërende gradaties van cyclische belastingen op de achillespees toe te passen voor een in vivo model van door vermoeidheid veroorzaakte overbelastingspeesblessures.
Introduction
Omdat pezen spieren met botten verbinden en gedurende hun hele leven dagelijks repetitieve bewegingen ervaren, zijn ze zeer vatbaar voor overbelastingsblessures die pijnlijk en beperkend zijn en resulteren in een verminderde mechanische functie, die 30-50% van de bevolkingtreft1. Tendinopathieën zijn chronische aandoeningen die worden beschouwd als overbelastingsblessures als gevolg van repetitieve vermoeidheidsbewegingen en onvoldoende genezing tot het niveau van vóór de blessure. Zowel de bovenste als de onderste ledematen worden vaak aangetast, waaronder de rotator cuff, elleboog, achillespees en patellapees 2,3,4,5. Achillespeesontsteking komt vaak voor bij activiteiten met rennen en springen, vooral atleten die betrokken zijn bij atletiek, hardlopen op middellange en lange afstanden, tennis en andere balsporten, en treft 7-9% van de hardlopers 6,7. Blessures door rennen en springen kunnen ook een beperkte dorsaalflexie van de enkel veroorzaken, wat een risicofactor is voor achillespees- en patellapeesontstekingen 8,9,10. Er is dus behoefte aan een betere beoordeling en karakterisering van tendinopathie, die deze studie kan bieden als een rattenmodel van passieve dorsaalflexie van de enkel voor overbelasting van achillespeesblessures.
Eerder werk met kleine diermodellen was gericht op het bestuderen van de ontwikkeling en markers van tendinopathie. Deze omvatten loopbandoefeningen, herhaaldelijk reiken, directe peesbelasting, collagenase-injecties, chirurgie en in vitro onderzoeken 11,12,13,14,15,16. Hoewel de literatuur baat heeft gehad bij de identificatie van schademarkers door het gebruik van deze tendinopathiemodellen, zijn de beperkingen onder meer het belasten van de pees in niet-fysiologisch relevante gewrichtsbewegingen, zoals in het geval van directe belasting van de pees, het niet rechtstreeks meten van toegepaste belastingen, zoals voor loopbandonderzoeken, en het niet gebruiken van fysiologisch overmatig gebruik, zoals in het geval van collagenase-injecties, onder andere. Daartoe had deze studie tot doel een systeem te ontwikkelen dat niet-invasief gekwantificeerde belastingen toepast op de achillespees met de toepassing van door overbelasting geïnduceerde tendinopathiestudies om de hiaten in eerder ontwikkelde kleine diermodellen voor tendinopathie op te vullen. We hebben een pilotstudie uitgevoerd om aan te tonen dat het systeem reproduceerbare veranderingen in mechanische eigenschappen induceert over een reeks belastingscycli. Dit systeem maakt het mogelijk om fysiologisch relevante beweging en belasting overmatig gebruik te induceren en tegelijkertijd de krachten te kwantificeren en te meten die op de pees worden uitgeoefend en erdoor worden ervaren tijdens het belastingsregime.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie presenteert een methode om de achillespees van de rat cyclisch te belasten met een passief dorsaalflexiesysteem van de enkel voor een in-vivo overbelasting-geïnduceerd tendinopathiemodel. Het belang van het systeem ligt in het vermogen om de achillespees te isoleren, kwantificeerbare belastingen toe te passen zonder chirurgisch toegang te krijgen tot de pees en in-vivo peeseigenschappen te meten.
In 2010 presenteerden Fung et al. een model voor patellapeesvermoe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen graag onze financiële steun erkennen: het Joe Fallon Research Fund, het Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund en een intramurale subsidie (AN), allemaal van BIDMC Orthopaedics, samen met steun van de 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).
