Un sistema pasivo de prueba de dorsiflexión de tobillo para un modelo in vivo de tendinopatía inducida por uso excesivo
Summary
Este protocolo presenta un sistema de pruebas utilizado para inducir lesiones por fatiga cuantificables y controladas en el tendón de Aquiles de una rata para un modelo in vivo de tendinopatía inducida por uso excesivo. El procedimiento consiste en asegurar el tobillo de la rata a un actuador articular que realiza la dorsiflexión pasiva del tobillo con un script de MATLAB escrito a medida.
Abstract
La tendinopatía es una afección crónica del tendón que provoca dolor y pérdida de función y es causada por la sobrecarga repetida del tendón y el tiempo de recuperación limitado. Este protocolo describe un sistema de pruebas que aplica cíclicamente cargas mecánicas a través de la dorsiflexión pasiva al tendón de Aquiles de la rata. El código escrito a medida consiste en mediciones de carga pre y postcíclicas para evaluar los efectos del protocolo de carga junto con el régimen de carga de fatiga cíclica basado en el control de retroalimentación.
Utilizamos 25 ratas Sprague-Dawley para este estudio, con 5 ratas por grupo que recibieron 500, 1.000, 2.000, 3.600 o 7.200 ciclos de cargas de fatiga. Se calcularon las diferencias porcentuales entre las medidas de carga pre y postcíclica de la histéresis, el estrés máximo y los módulos de carga y descarga. Los resultados demuestran que el sistema puede inducir diversos grados de daño al tendón de Aquiles en función del número de cargas aplicadas. Este sistema ofrece un enfoque innovador para aplicar diferentes grados cuantificados y fisiológicos de cargas cíclicas al tendón de Aquiles para un modelo in vivo de lesión del tendón por uso excesivo inducida por fatiga.
Introduction
Como los tendones conectan el músculo con el hueso y experimentan movimientos repetitivos diarios a lo largo de su vida, son muy propensos a sufrir lesiones por uso excesivo que son dolorosas y limitantes y dan lugar a un deterioro de la función mecánica, que afecta al 30-50% dela población. Las tendinopatías son afecciones crónicas consideradas lesiones por uso excesivo debido a movimientos repetitivos de fatiga y una cicatrización inadecuada a los niveles previos a la lesión. Tanto las extremidades superiores como las inferiores se ven comúnmente afectadas, incluyendo el manguito rotador, el codo, el tendón de Aquiles y el tendón rotuliano 2,3,4,5. La tendinopatía de Aquiles es común en actividades que involucran correr y saltar, especialmente en atletas involucrados en atletismo, carreras de media y larga distancia, tenis y otros deportes de pelota, afectando al 7-9% de los corredores 6,7. Las lesiones por correr y saltar también pueden causar una dorsiflexión limitada del tobillo, que es un factor de riesgo para las tendinopatías de Aquiles y rotuliana 8,9,10. Por lo tanto, existe la necesidad de una mejor evaluación y caracterización de la tendinopatía, que este estudio puede proporcionar como un modelo de rata de dorsiflexión pasiva del tobillo para lesiones del tendón de Aquiles por uso excesivo.
Trabajos anteriores con modelos de animales pequeños han estado dirigidos a estudiar el desarrollo y los marcadores de la tendinopatía. Estos incluyen el ejercicio en cinta rodante, el alcance repetitivo, la carga directa del tendón, las inyecciones de colagenasa, la cirugía y los estudios in vitro 11,12,13,14,15,16. Aunque la literatura se ha beneficiado de la identificación de marcadores de daño mediante el empleo de estos modelos de tendinopatía, las limitaciones incluyen la carga del tendón en movimientos articulares no fisiológicamente relevantes, como en el caso de la carga directa del tendón, la no medición directa de las cargas aplicadas, como en el caso de los estudios en cinta rodante, y la no utilización fisiológica excesiva, como en el caso de las inyecciones de colagenasa. entre otros. Con ese fin, este estudio tuvo como objetivo desarrollar un sistema que aplique cargas cuantificadas de forma no invasiva al tendón de Aquiles con la aplicación de estudios de tendinopatía inducida por uso excesivo para llenar los vacíos en modelos de tendinopatía de animales pequeños desarrollados anteriormente. Realizamos un estudio piloto para demostrar que el sistema induce cambios reproducibles en las propiedades mecánicas a lo largo de un rango de ciclos de carga. Este sistema permite que el movimiento y la carga fisiológicamente relevantes induzcan el uso excesivo y, al mismo tiempo, cuantifiquen y midan las fuerzas aplicadas y experimentadas por el tendón durante el régimen de carga.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudio presenta un método para cargar cíclicamente el tendón de Aquiles de la rata con un sistema pasivo de dorsiflexión del tobillo para un modelo de tendinopatía inducida por uso excesivo in vivo . La importancia del sistema radica en su capacidad para aislar el tendón de Aquiles, aplicar cargas cuantificables sin acceder quirúrgicamente al tendón y medir las propiedades del tendón in vivo .
En 2010, Fung et al. presentaron un modelo de fatiga del tendón ro…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría agradecer nuestros apoyos financieros: el Fondo de Investigación Joe Fallon, el Fondo de Investigación de Aprendices de Medicina Deportiva Dr. Louis Meeks BIDMC y una subvención intramuros (AN), todos de BIDMC Orthopaedics, junto con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud (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).
