يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

والتجريبية وبروتوكول العناصر المحددة للتحقيق في نقل المواد المذابة المحايدة، واتهم في الغضروف المفصلي

5.7K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/54984

⸱

أبريل 23, 2017

 ,  ,  , 
1Department of Biomechanical Engineering, Faculty of Mechanical, Maritime, and Materials Engineering, Delft University of Technology (TU Delft), 2Department of Orthopedics, UMC Utrecht, 3Department of Rheumatology, UMC Utrecht

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

نقترح على بروتوكول للتحقيق في نقل الجزيئات المشحونة وغير المشحونة عبر الغضروف المفصلي مع المعونة من الطرق التجريبية والعددية وضعت مؤخرا.

الملخص

هشاشة العظام (OA) هو المرض الموهن مقترن تدهور الغضاريف والعظم تحت الغضروف. تنكس الغضروف المفصلي يضعف وظيفة الحاملة لها إلى حد كبير كما كان يواجه تدهور الكيميائية الهائل، أي بروتيوغليكان الخسارة والكولاجين ليفية التعطيل. طريقة واحدة واعدة لتحقيق آليات الأضرار الكيميائية خلال OA هي لفضح العينات الغضروف إلى المذاب الخارجي ورصد انتشار الجزيئات. ويرتبط درجة الضرر الغضروف (أي تركيز وتكوين الجزيئات الأساسية) مع فقدان طاقة الصدم من المواد المذابة الخارجية بينما تتحرك عبر الغضروف المفصلي يخلق خصائص انتشار مختلفة مقارنة الغضروف السليم. في هذه الدراسة، ونحن نقدم بروتوكول، والذي يتكون من عدة خطوات، ويستند سبق وضعها التجريبي الصغير-C14px؛ "> omputed T omography (الدقيقة CT) ونمذجة العناصر المحدودة ونقل جزيئات يودي المشحونة وغير المشحونة يتم تسجيلها لأول مرة باستخدام الصغرى CT، والذي يليه من خلال تطبيق ثنائي الطور-المذاب ونماذج العناصر المحدودة المتعدد المراحل للحصول على معاملات نشر. والكثافة الرسم الثابت عبر المناطق الغضروف.

المقدمة

النقل الجزيئي يلعب دورا حيويا في التوازن المفاصل التعبير، وتقديم العلاجات لغضروف مفصلي وعلى النقيض محسنة الغضروف التصوير 1، 2، 3. العوامل مثل التكامل الغضروف وintactness، تهمة المذاب وحجم وكذلك الأسمولية وتركيز حمام في اتصال مع الغضروف قد تؤثر على معدل النقل 4 و 5 و 6. نقل المواد المذابة، إما محايدة أو تهمة، يمكن أن تكون مختلفة بين المناطق الغضاريف المفصلية، لأن كل منطقة تتكون من تركيزات وتوجهات جزيئات المصفوفة خارج الخلية الرئيسية المختلفة، وهي البروتيوغليكان (PGS) والكولاجين النوع الثاني 1، 7، 8، 9،معشوقة = "XREF"> 10 و 11. الأهم من ذلك، نقل المواد المذابة اتهم يمكن أن تعتمد إلى حد كبير على تركيز البروتيوغليكان تضم رسوم ثابتة السلبية داخل المصفوفة خارج الخلية مما يزيد في غضروف مفصلي 8 و 9. تلك المعايير كثافة الشحنة ثابتة خاصة (FCD)، والتوجه من الألياف الكولاجين والاختلاف محتوى الماء في الغضروف قد تخضع التعديلات كما هشاشة العظام (OA) تقدم، وبالتالي يدل على أهمية دراسة نشرها عبر الغضروف.

في الدراسة الحالية، وبروتوكول بناء على الدراسات التجريبية والحسابية المحددة سابقا 6، 8، يقترح 9 إلى التحقيق بدقة نشرها تحت شروط الحدود باستخدام مختلف المواد المذابة محايدة واتهم في نموذج محدود، حمام من نشرها. تياقترح وتتكون الأساليب الصغرى بين التصوير المقطعي والتصوير (الدقيقة CT) من نظام بما في ذلك الغضروف وعلى حمام محدود تدعمها متقدمة ثنائي الطور-المذاب ونماذج العناصر المحدودة المتعدد المراحل. وتمكن هذه النماذج الحصول على معاملات نشر جزيئات محايدة واتهم كذلك FCDs عبر مناطق مختلفة من الغضروف المفصلي. باستخدام هذه النماذج، يمكن للمرء الحصول على فهم أفضل لسلوك نشرها الجزيئات المحايدة ووجهت إليه تهمة التي يمكن استخدامها لتحقيق التفاعل بين الغضروف وتتراكب محدود، حمام.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

ملاحظة: تم اعتماد بروتوكول المعروضة هنا من الإجراءات التجريبية والحسابية من الأوراق البحثية الأخيرة 6 و 8 و 9. ويتضح البروتوكول في الشكل 1.

وقد تم جمع المواد جثي بإذن من كلية الطب البيطري من جامعة أوتريخت.

1. عينة وإعداد حمام

  1. حفر من المقابس عظمي غضروفي أسطواني (قطر 8.5 مم) من اللقم الفخذ الفروسية جثي باستخدام حسب الطلب مثقاب (الشكل 1)، في حين الرش مخزنة الفوسفات بارد المالحة (PBS) لمنع ارتفاع درجة الحرارة وتلف غضروف لاحق.
  2. انكماش المقابس عظمي غضروفي مع البلاستيك تقلص كم للحد من الانتشار الأفقي للحمام تغشية.
    1. تركيب المكونات عظمي غضروفي مع الغضروف في الالبريد أعلى في البداية داخل البلاستيك تقلص كم ومتابعة من قبل تهب الهواء الساخن لذلك. تضاف قطع قطن مبللة على سطح الغضروف لمنع الضرر المرتبطة بارتفاع درجات الحرارة.
  3. إعداد-الحمامات محدود من تهمة (على سبيل المثال، 650 ميكرولتر، 420 ملم، ioxaglate، الوزن الجزيئي (MW) = 1269 دا، تهمة = -1) ومحايد (650 ميكرولتر، 420 ملم، iodixanol، MW = 1550 دا) المذابة بشكل منفصل.
  4. تحميل مستعدين حمامات محدودة على سطح الغضروف باستخدام حقنة ووضع المكونات الفلين على عينة ملفوفة لمنع التبخر خلال التجارب في RT (الشكل 2A). لدراسة النقل المذاب محايد، ضع حمام iodixanol ودراسة حمام ioxaglate مكان النقل المذاب سالبة الشحنة على سطح الغضروف.

2. التصوير ومعالجة الصور

  1. وضع العينات ملفوفة معزولة مع المكونات الفلين على حامل مصنوعة خصيصا تعلق على مرحلة الآلية ل-CT الجزئي. مكان رانه أخذ عينات بحيث سطح الغضروف مغطاة تواجه حل عامل تباين أعلى.
  2. مسح باستخدام الصغير-CT (حجم فوكسل 40 × 40 × 40 ميكرون 3، وقت الفحص من 2 دقيقة، أنبوب الجهد 90 كيلو فولت وأنبوب تيار 180 أمبير) مجال الرؤية تتكون من الغضاريف، لوحة تحت الغضروف، وfinite- يتم التوصل إلى الحمام في الوقت عدة نقاط حتى حالة التوازن (48 ساعة) (الشكل 2A). ويتم تحقيق حالة التوازن عندما لا تتغير القيم التركيز على مر الزمن.
  3. تسجيل الصور 3D في نقاط زمنية مختلفة استنادا إلى صورة أولية لتسهيل تحديد المواقع لمنطقة الفائدة (ROI) باستخدام برنامج الشركة المصنعة (على سبيل المثال، تحليل).
  4. أعيد تحويل 3D الصور الصغيرة CT في 2D معلم تنسيق ملف صورة (TIFF) المكدس قبل معالجتها باستخدام برنامج الشركة المصنعة.
  5. وعلى الصعيد العالمي شريحة (يماغيج> ضبط> العتبة) الغضروف من العظام تحت الغضروف وأكثرالكذب حمام في البرنامج.
  6. الحصول على متوسط ​​قيمة الرمادي الغضروف في نقاط زمنية مختلفة (يماغيج> تحليل> قياس) باستخدام قناع الغضروف ولدت في الخطوة السابقة.
  7. ونظرا لتركيز حمام الأولي وتركيز عامل تباين الأولي في الغضروف، واستخدام منحنى معايرة خطي لتحويل متوسط ​​القيم الرمادية إلى التركيز الفعلي المواد المذابة. تدعم البيانات السابقة حقيقة أن القيم الرمادية الحفاظ على علاقة خطية مع تركيز عوامل التباين.
  8. رسم تركيز المذاب مقابل نقاط الوقت التجريبية.

3. النمذجة الحسابية

ملاحظة: نشر في هذه المشكلة يفترض أن يعقد في 1D (على طول المحور Z)، والذي يتوافق مع الشرط الحدود التجريبية. لذلك، يمكن إنشاء هندسة تعسفية.

  1. بناء على أساس نماذج الغضروف متعدد المنطقة محدود، حمام: 1) الغضاريف يتألف من منطقة سطحية (20٪ من مجموع سمك الغضروف)، المنطقة الوسطى (50٪ من مجموع سمك الغضروف) ومنطقة عميقة (30٪ من مجموع سمك الغضروف) 12 و 2) محدود في حمام FEBio 13، 14 (الشكل 2B).
  2. تعيين الخواص الميكانيكية والفيزيائية مناطق مختلفة من الغضروف وحمام في FEBio. وكان من المفترض معامل يونغ (10 ميجا باسكال) أن تكون مرتفعة بما يكفي لمقاومة الضغط الاسموزي من حمام المغطي المبذولة وبالتالي حماية الغضروف من التشوهات المفرطة.
    1. استخدام نفاذية الهيدروليكية من 10 -3 مم 4 / NS و نسبة بواسون من 0. استخدام الفعلي المذاب نشر معامل للحمام في المحاكاة 8 و 9.
  3. توليد شبكة (عناصر 8 عقدة ثلاثي الخطوط مسدس الأضلاع) وتحسينها بالقرب من الحدود (الشكل 2B)الطبقة = "XREF"> 8 و 9.
  4. نموذج ثنائي الطور-المذاب
    1. تطبيق تركيز المذاب الأولي في الحمام وفعال الضغط المقابلة لها. انظر في وصف الضغط الفعال في 9 و 15.
    2. تشغيل نموذج في وضع عابرة للحصول على تركيز المذاب مقابل منحنيات وقت وفقا لمعاملات نشر المنصوص عليها في مناطق مختلفة الغضروف.
  5. نموذج متعدد الأطوار
    ملاحظة: تذبذب الكهربائي بين الحمام والأنسجة يمكن التحايل من قبل مشيرا الى ان اثنين أحادي التكافؤ مضاد الأيونات إلى كل من حمام والأنسجة.
    1. لنماذج ثابتة للدولة: استخدام نفس الضغوط وتركيزات السائل فعالة في الغضروف المغطي وحمام مع زيادة FCD إلى القيمة المطلوبة لها.
    2. لنماذج عابرة: إنشاء أثار جيدا محدود، حمام عن طريق الحفاظ على معامل الانتشار المذاب في الحمام عالية بما فيه الكفاية. حقنالمذاب من واجهة حمام الهواء في الحمام لتصل إلى قيمة تركيز المرجوة.
    3. عابر: إزالة حالة الحدود تركيز المذاب المنصوص عليها في الخطوة السابقة والعودة معامل الانتشار للمحدود، حمام للمعامل في نشر الفعلي.
    4. تشغيل نموذج للحصول المذاب منحنيات الوقت تركيز على أساس FCDs التطبيقية ومعاملات نشر في مناطق مختلفة الغضروف.
  6. واجهة FEBio-MATLAB
    1. وضع مدونة MATLAB لأداء المحاكاة تلقائيا في FEBio والحبكة منحنيات مرة وتركيز (واجهة FEBio-MATLAB) 8، 9.
    2. تغيير معاملات نشر وFCDs في مناطق الغضروف باستخدام واجهة FEBio-MATLAB. تشغيل النماذج في FEBio واستخراج منحنيات المذاب التركيز في الوقت 8 و 9.
    3. مقارنة المذاب الحصول على منحنيات الوقت، مع تركيز التجريبيةالبيانات والحصول على مجموعات من معاملات نشر وFCDs في مناطق الغضروف مختلفة على أساس الحد الأدنى جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) 8، 9.

figure-protocol-1
الشكل 1: إعداد التجريبية. أ) إجراءات استخراج عينة باستخدام مثقاب حسب الطلب. B) إجراء مايكرو-CT التصوير لمراقبة عملية نشر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-protocol-2
الشكل 2: التخطيطي.أ) التصميم التجريبي. B) متعدد منطقة النموذج الحسابي تتألف من الحمام محدود، ومناطق سطحية ومتوسطة وعميقة من غضروف وشبكات المرتبطة بها. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

واعتمدت نتائج ممثل المقدمة هنا من الأبحاث السابقة 6 و 8 و 9 و 16.

في OA، الغضروف المفصلي يخضع لتغيرات كبيرة الأهم فقدان الكمامة، والكولاجين الضرر 17 و 18 و

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

قدمنا ​​بروتوكول تجريبي جنبا إلى جنب مع إجراء نمذجة العناصر المحددة لدراسة نشر المواد المذابة محايدة، واتهم في الغضروف المفصلي. وفقا لدراساتنا الأخيرة، يمكن أن النماذج المقترحة تصف بدقة نقل كلا محايد (ثنائي الطور-المذاب) وسالبة الشحنة (متعدد الأطوار) المذابة في مناطق مختلفة من غضروف مفصلي 8 و 9. ويعتقد على نطاق واسع أن الغضروف المفصلي تصبح محدودة وظيفيا من خلال فقدان العناصر الحيوية مثل الجزيئات GAG سالبة الشحنة وكذلك الأل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

شكر وتقدير

فإن الكتاب أود أن أعرب عن امتناني لالسيد جيرون فان دن بيرغ، والسيد ماتيس Wassink من مجموعة ميكانيكا التنمية على UMC أوتريخت لمساعدتهم في عملية المقابس عظمي غضروفي التفاف. وأيد هذا العمل من خلال منحة من مؤسسة التهاب المفاصل الهولندية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
HexabrixGuerbet15HX005Dعامل تباين سالب الشحنة
VisipaqueGE للرعاية الصحية12570511عامل تباين Nuetral
PBS (محلول ملحي مخزن بالفوسفات)تقنيات الحياة10010023متوسط
التصوير المقطعي المحوسبالصغير Perkin Elmerمراقبة الانتشار
مقياس التناضح نقطة التجميدالمتقدم أدواتقياس الأسمولية

المراجع

  1. Arkill, K. P., Winlove, C. P. Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage. Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).
  2. Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. Solute transport across the articular surface of injured cartilage. Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).
  3. Leddy, H. A., Guilak, F. Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage. Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).
  4. Leddy, H. A., Guilak, F. Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching. Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).
  5. Gu, W. Y., Yao, H. Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues. Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).
  6. Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage. Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).
  7. Kulmala, K. A. M., et al. Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents. Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).
  8. Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities. Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).
  9. Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model. J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).
  10. Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).
  11. Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models. Journal of Biomechanics. , (2016).
  12. Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function. Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).
  13. Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. Computer Models in Biomechanics. , Springer. Netherlands. 231-249 (2013).
  14. Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes. Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).
  15. Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).
  16. Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage. Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).
  17. Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).
  18. Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage. Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).
  19. Felson, D. T., et al. Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors. Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).
  20. Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography. Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).
  21. Raya, J. G., et al. Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage. Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).
  22. Tavakoli Nia, H., et al. Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties. ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).
  23. Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. 11th World Congress on Computational Mechanics & 5th European Conference on Computational Mechanics, Barcelona, Spain, , (2014).
  24. Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks. Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).
  25. Kokkonen, H. T., et al. Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage. Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).
  26. Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage. Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).
  27. Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro. Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).
  28. Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage - associations to matrix composition and integrity. Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).
  29. Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent's transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. Orthopaedic Research Society Annual Meeting, Las Vegas, Nevada, , (2015).
  30. Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. International Workshop on Osteoarthritis Imaging (IWOAI), Oulo, Finland, , (2016).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

والتجريبية وبروتوكول العناصر المحددة للتحقيق في نقل المواد المذابة المحايدة، واتهم في الغضروف المفصلي
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.