نظام اختبار انثناء ظهر الكاحل السلبي لنموذج في الجسم الحي لاعتلال الأوتار الناجم عن الإفراط في الاستخدام

نظرا لأن الأوتار تربط العضلات بالعظام وتعاني من حركات متكررة يومية طوال حياتها ، فهي معرضة بشدة لإصابات الإفراط في الاستخدام المؤلمة والمحدودة وتؤدي إلى ضعف الوظيفة الميكانيكية ، مما يؤثر على 30-50٪ من السكان¹. اعتلال الأوتار هي حالات مزمنة تعتبر إصابات الإفراط في الاستخدام بسبب حركات التعب المتكررة وعدم كفاية الشفاء لمستويات ما قبل الإصابة. يتأثر كل من الأطراف العلوية والسفلية بشكل شائع ، بما في ذلك الكفة المدورة والكوع ووتر العرقوب والوتر الرضفي^2،3،4،5. اعتلال وتر العرقوب شائع في الأنشطة التي تنطوي على الجري والقفز ، وخاصة الرياضيين المشاركين في سباقات المضمار والميدان ، والجري لمسافات متوسطة وطويلة ، والتنس ، ورياضات الكرة الأخرى ، مما يؤثر على 7-9٪ من العدائين ^6,7. قد تتسبب الإصابات الناتجة عن الجري والقفز أيضا في انثناء ظهر الكاحل المحدود ، وهو عامل خطر لاعتلال العرقوب واعتلال الأوتار الرضفي^8،9،10. وبالتالي ، هناك حاجة إلى تقييم وتوصيف أفضل لاعتلال الأوتار ، والذي يمكن أن توفره هذه الدراسة كنموذج للفئران من الانثناء الظهري السلبي للكاحل للإفراط في إصابات وتر العرقوب.

كان العمل السابق باستخدام نماذج الصغيرة يهدف إلى دراسة تطور وعلامات اعتلال الأوتار. وتشمل هذه التمارين جهاز المشي ، والوصول المتكرر ، وتحميل الأوتار المباشر ، وحقن الكولاجيناز ، والجراحة ، والدراسات في المختبر ^{11،12،13،14،15،16}. على الرغم من أن الأدبيات قد استفادت من تحديد علامات الضرر من استخدام نماذج اعتلال الأوتار هذه ، إلا أن القيود تشمل تحميل الوتر في حركات مشتركة غير ذات صلة من الناحية الفسيولوجية ، كما في حالة التحميل المباشر للوتر ، وليس قياس الأحمال المطبقة مباشرة ، مثل دراسات جهاز المشي ، وعدم استخدام الإفراط الفسيولوجي ، كما هو الحال بالنسبة لحقن الكولاجيناز ، من بين أمور أخرى. تحقيقا لهذه الغاية ، تهدف هذه الدراسة إلى تطوير نظام يطبق الأحمال الكمية غير الغازية على وتر العرقوب مع تطبيق دراسات اعتلال الأوتار الناجم عن الإفراط في الاستخدام لسد الفجوات في النماذج الحيوانية الصغيرة المطورة سابقا لاعتلال الأوتار. أجرينا دراسة تجريبية لإثبات أن النظام يحفز تغييرات قابلة للتكرار في الخواص الميكانيكية على مدى مجموعة من دورات التحميل. يتيح هذا النظام الحركة والتحميل المناسبين من الناحية الفسيولوجية للحث على الإفراط في الاستخدام مع تحديد وقياس القوى المطبقة على الوتر وتجربتها أثناء نظام التحميل في نفس الوقت.

أجريت هذه الدراسة وفقا لموافقة اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام (IACUC) في مركز بيث إسرائيل ديكونيس الطبي. تم تخدير باستخدام 5٪ إيزوفلوران للتحريض و 2.5٪ للصيانة ، وتم توخي الحذر لتجنب انخفاض حرارة الجسم.

1. إعداد نظام الاختبار

1. تحكم في دوران الكاحل السلبي بواسطة محرك متدرج لتطبيق دوران وعزم دوران متسقين. السيطرة على محرك السائر مع متحكم دقيق. استخدم المدخلات من موضع 3D ونظام التوجيه لتحديد درجات الدوران. استخدم المخرجات من مستشعر عزم الدوران لتوفير التحكم في التغذية المرتدة لزيادة زاوية الانثناء الظهري إذا لم يتم الوصول إلى الحد الأقصى للعتبة.
2. للبدء ، قم بتوصيل المتحكم الدقيق ، ومستشعر عزم الدوران ، وتحديد المواقع الكهرومغناطيسية 3D ، ونظام التوجيه بجهاز كمبيوتر ومصدر طاقة. تحكم في النظام المصمم خصيصا باستخدام رمز MATLAB المطور داخليا (الشكل 1). قم بتنزيل ملفات التعليمات البرمجية ل MATLAB من GitHub واتبع إرشادات محددة حول تشغيل التعليمات البرمجية من إرشادات صفحة GitHub (https://github.com/Nazarian-Lab/PassiveAnkleDorsiflexionSystem).
3. افتح MATLAB مع ملفات التعليمات البرمجية. افتح برنامج PDImfc لتوصيل نظام تحديد المواقع والتوجيه الكهرومغناطيسي 3D ببرنامج MATLAB. انقر فوق اتصال | P&O المستمر | ستارت سوك إكسبورت (). أبق التطبيق مفتوحا في الخلفية.

2. خارج الجسم الحي وبعد الوفاة

1. القتل الرحيم لستة فئران Sprague-Dawley البالغة من العمر 13 أسبوعا عن طريق استنشاق CO₂ وطريقة ثانوية للقتل الرحيم عن طريق بضع الصدر. تشريح وتر العرقوب الأيمن مع العقبي والوصلة العضلية سليمة. تجمد عند -20 درجة مئوية لإجراء الاختبارات الميكانيكية في وقت لاحق. بعد إذابة الوتر ، وتشريحه بدقة ، وإعداده للاختبار الميكانيكي ، قم بإجراء تحميل الشد إلى الفشل في الحصول على قوة الشد القصوى (UTS) للوتر (التحميل المسبق إلى 0.1 نيوتن ، التكييف المسبق لمدة 10 دورات من 0.1 - 1 نيوتن ، المنحدر إلى الفشل عند إزاحة ثابتة تبلغ 0.1 مم / ثانية). استخدم 15٪ من UTS كمدخل للنظام لإجراء التهيئة المسبقة لخطوة لاحقة، كما هو موضح في الخطوة 3.4.
2. القتل الرحيم لمجموعة أخرى من خمسة بنفس الإجراء لقياسات الذراع والإجهاد اللحظي. قم بإجراء أشعة سينية للساق اليسرى مع الكاحل في انثناء ظهري 90 درجة بجوار المسطرة كمرجع. افتح صورة الأشعة السينية في فيجي ، باستخدام المسطرة في الصورة كمرجع ، وقم بقياس ذراع لحظة الوتر من مركز دوران مفصل الكاحل إلى الجزء الخلفي من الكاحل لاستخدامه كمدخل في كود MATLAB لتحويل قوة الإدخال للتكييف المسبق الموضح في الخطوة 2.1 إلى قيمة عزم الدوران المقابلة وكذلك التحويل بين عزم الدوران الناتج والقوة لتحليل البيانات.
3. شل حركة الطرف الخلفي الأيسر عن طريق لصق جبيرتين لوضع الركبة في التمديد الكامل. قم بثني الكاحل برفق عن طريق الضغط على أصابع القدم للتأكد من أن دوران الكاحل يحدث بسبب الوتر المعزول بدلا من إشراك الأنسجة الرخوة المحيطة والتوتر. إذا لم يكن في حالة توتر أو إذا كانت هناك حركة في الركبة ، فأعد لصق الجبيرة.
4. كشف الوتر عن طريق إزالة الجلد حول وتر العرقوب. ضع الغراء على حبة ألومنيوم مقاس 1/32 بوصة ، وضعها على الوتر الحر الأقرب إلى الوصلة العضلية لوتر العرقوب ، واستخدم قطعة قطن بمحلول ملحي لإزالة الغراء الزائد. ضع محلول ملحي بشكل متكرر على وتر العرقوب طوال الإجراء المتبقي لضمان رطوبة الأنسجة.
5. قم بقياس مساحة المقطع العرضي للوتر باستخدام الفرجار الرقمي قبل تطبيق أي حمل. افترض أن الوتر عبارة عن قطع ناقص وقم بقياس العرض والسمك في ثلاث نسخ.
6. ضع الجرذ على منصة الجسم بالكامل في وضعية الانبطاح. ثبت الكاحل على مشغل المفصل برباط بسحاب حول الكاحل وآخر حول أصابع القدم ، وقم بتثبيت تقسيم الركبة برباطين بسحاب. قم بتدوير المحور بحيث يكون الكاحل في حالة انثناء أخمصي كامل.
7. قم بتوصيل قلم الرقمنة للموضع الكهرومغناطيسي 3D ونظام التوجيه بالكمبيوتر وقم بتشغيل مصدر الطاقة.
8. قم بتشغيل رمز النظام (الموضح بمزيد من التفصيل في الخطوة 3) لعدد محدد من الدورات (في هذه الدراسة ، تلقت ستة فئران قتل رحيم 7200 دورة).
9. عند 0 و 500 و 1000 و 2000 و 3600 و 7200 دورة لقياسات الإجهاد خارج الجسم الحي ، قم بإيقاف نظام التحميل الدوري مؤقتا وقياس طول الوتر من العقبي إلى حبة الألومنيوم بزيادات قدرها 5 درجات من 0 إلى 40 درجة من الانثناء الظهري (حد التشغيل بسبب القيود المادية للنظام) باستخدام قلم رقمنة ثلاثي الأبعاد في ثلاث نسخ بطريقة متناوبة.
10. احسب إجهاد الوتر بزوايا مختلفة باستخدام الأطوال التي تم الحصول عليها من الخطوة 2.9 ، حيث يكون الطول الأولي عند 0 درجة انثناء ظهري لكل رقم دورة. قم بإجراء ملاءمة خطية للحصول على العلاقة بين زاوية الانثناء الظهري والإجهاد عند كل رقم دورة. استخدم هذه العلاقة لتحويل بيانات الزاوية الأولية إلى إجهاد لتحليل البيانات.
11. احسب مساحة المقطع العرضي للوتر باستخدام الفرجار الرقمي عند انثناء الظهر 40 درجة بافتراض عدم الانضغاط (حجم ثابت) مع قياسات طول الوتر عند 0 درجة و 40 درجة ومنطقة المقطع العرضي المقاسة عند 0 درجة. استخدم مساحة المقطع العرضي هذه في كل عدد من الدورات لتحويل القوة إلى إجهاد لتحليل البيانات (الإجهاد = القوة / مساحة المقطع العرضي).

3. بروتوكول التحميل الميكانيكي

1. في هذا القسم من الدراسة ، استخدمنا 25 أنثى فأر Sprague-Dawley البالغة من العمر 11 أسبوعا ، مع تخصيص 5 فئران بشكل عشوائي لتلقي 500 أو 1,000 أو 2,000 أو 3,600 أو 7,200 دورة من تحميل التعب.
   ملاحظة: يستغرق التكييف المسبق والمعايرة الأولية والقياس المسبق واللاحق حوالي 15 دقيقة للتشغيل ، ويستغرق نظام تحميل التعب الدوري ثانية واحدة لكل دورة. وبالتالي ، فإن أطول وقت يكون فيه الجرذ تحت التخدير هو حوالي 2 ساعة ، والذي تم إجراؤه بموجب البروتوكولات المعتمدة من IACUC.
2. قم بتوصيل المتحكم الدقيق ومستشعر عزم الدوران وتحديد المواقع الكهرومغناطيسية 3D ونظام التوجيه بجهاز كمبيوتر ومصدر طاقة. تحكم في النظام المصمم خصيصا باستخدام كود MATLAB المطور داخليا (الشكل 1).
3. قم بتشغيل الكمبيوتر وافتح MATLAB باستخدام ملفات التعليمات البرمجية. افتح برنامج PDImfc لتوصيل نظام تحديد المواقع والتوجيه الكهرومغناطيسي 3D ببرنامج MATLAB. انقر فوق اتصال | P&O المستمر | ستارت سوك إكسبورت (). أبق التطبيق مفتوحا في الخلفية.
4. حث التخدير مع 5 ٪ إيزوفلوران من خلال الاستنشاق في غرفة التعريفي. بعد الحث ، قم بتثبيت على منصة الجسم بالكامل باستخدام عنصر تسخين مائي متصل للحفاظ على درجة الحرارة والحفاظ على التخدير بنسبة 2.5٪ إيزوفلوران عبر ملحق مخروطي للأنف. استخدم مرهما رطبا على العينين لمنع الجفاف أثناء التخدير.
5. ضع الجرذ على منصة الجسم بالكامل في وضعية الانبطاح. ثبت الكاحل على مشغل المفصل برباط بسحاب حول الكاحل وآخر حول أصابع القدم ، وقم بتثبيت تقسيم الركبة برباطين بسحاب. قم بتدوير المحور بحيث يكون الكاحل في حالة انثناء أخمصي كامل.
   ملاحظة: تأكد من أن أربطة السحاب لا تسبب انقباضا أو آفات ، واحرص على شدها ، وإذا لزم الأمر ، ضع الشاش بين ربطة العنق والجلد للحصول على طبقة من الحماية.
6. بالنسبة للخطوات التالية التي تتضمن تشغيل التعليمات البرمجية للنظام ، انقر فوق تشغيل على MATLAB لكل قسم من التعليمات البرمجية المقابلة لاختبار التحميل المحدد.
7. قم بتدوير الكاحل 50 مرة إلى 15٪ من إجهاد الشد النهائي بناء على قيمة إجهاد الشد النهائي لوتر العرقوب من اختبارات السحب خارج الجسم الحي إلى اختبارات الفشل كما تم قياسها بناء على الخطوة 2.1.
8. قم بإجراء معايرة أولية للوتر عن طريق ثنيه ظهريا ثلاث مرات إلى 12 درجة. استخدم ميل المنطقة الخطية لمنطقة التحميل لمنحنى التباطؤ لحساب المنطقة الأسية للمنحنى.
9. قم بثني الكاحل بشكل تدريجي بزوايا متزايدة حتى يتم الحصول على المنطقة الأسية من المنحنى عن طريق حساب ميل ذروة منطقة التحميل للمنحنى (محسوبة باستخدام كود MATLAB المطور داخليا) أو حتى يتم تدويره إلى 40 درجة ، أيهما يحدث أولا.
10. في الزاوية النهائية التي تم الحصول عليها ، قم بإجراء خمسة قياسات ميكانيكية دورية كخط أساس للتحميل المسبق.
11. أداء نظام تحميل التعب الدوري لعدد محدد من الدورات (في هذه الدراسة ، إما ل 500 أو 1000 أو 2000 أو 3600 أو 7200 دورة).
12. كل 50 دورة ، احسب ميل جزء التحميل من منحنى التباطؤ (محسوبا من خلال كود MATLAB المطور داخليا) للتأكد من أنه لا يزال في المنطقة الأسية. قم بزيادة زاوية الانثناء الظهري بمقدار 1 درجة ما لم تكن بالفعل عند 40 درجة حتى يتم تحقيق هذه المنطقة الأسية.
13. بعد اكتمال نظام التحميل الدوري ، قم بإجراء خمسة قياسات ميكانيكية دورية كقياسات ما بعد التحميل بالزاوية المختارة في البداية لقياس الخواص الميكانيكية للوتر.
14. قم بإزالة الأربطة المضغوطة والجبيرة. أعد إلى غرفة الإنعاش. لا يترك دون مراقبة حتى يستعيد وعيه الكافي ، ثم يعاد إلى قفصه. يجب مراقبة يوميا بحثا عن أي علامات سريرية ضارة، وفي حال وجودها، يجب تطبيق البوبرينورفين بجرعة 1.2 ملغ/كغ تحت الجلد مرة كل 72 ساعة أو إجراء القتل الرحيم المبكر. القتل الرحيم للحيوانات بعد 7 أيام من نشاط القفص عن طريق استنشاق CO₂ ووسيلة ثانوية للقتل الرحيم عن طريق بضع الصدر.
    ملاحظة: تم الحصول على تطبيق التحميل الدوري والقياسات الميكانيكية من خلال رقصة مصنوعة خصيصا تتكون من مستشعر عزم الدوران ، ومشغل مفصل الكاحل المطبوع 3D وسرير الحيوان ، ونظام التوجيه والوضع الكهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد ، ومحرك متدرج يدور عمودا لتحقيق الانثناء الظهري ، كما ذكرت سابقا مجموعتنا¹⁷. يتم التحكم في هذا النظام بواسطة برنامج نصي MATLAB مذكور في الخطوة 1.2. يلتقط مستشعر عزم الدوران ونظام الموضع والتوجيه بيانات عزم الدوران والموضع عبر بروتوكول تحميل النظام.

4. تحليل البيانات

1. قم بتحميل بيانات القياس المسبق واللاحق بشكل منفصل في MATLAB.
2. حول عزم الدوران إلى إجهاد بناء على ذراع العزم المقاس من الخطوة 2.2 ومنطقة المقطع العرضي المقاسة بالعدد المحدد من الأحمال المطبقة التي تم الحصول عليها من الخطوة 2.11 باستخدام المعادلتين (1) و (2):
   (1)
   (2)
3. قم بتحويل الزاوية إلى إجهاد بناء على التحويل الذي تم الحصول عليه من الخطوة 2.10.
4. احسب متوسط التباطؤ (المنطقة الواقعة بين منحنيات التحميل والتفريغ) ، وإجهاد الذروة (قيمة الإجهاد القصوى للدورة) ووحدات التحميل والتفريغ (الملاءمة الخطية لآخر 50٪ من التحميل وأول 60٪ من منحنيات التفريغ) لدورات القياس قبل وبعد القياس.
5. احسب النسبة المئوية للتغير في الخواص الميكانيكية من الخطوة 4.4 بين دورات القياس القبلية والبعدية.

مع زيادة عدد الدورات المطبقة ، كان هناك انخفاض أكبر في الخواص الميكانيكية للوتر في الجسم الحي . كان هناك انخفاض أقل بكثير في التباطؤ ووحدات التحميل والتفريغ لمجموعة 500 دورة مقارنة بمجموعات الدورة 3600 و 7200 (p < 0.05) (الشكل 2). في حين كان هناك انخفاض كبير في ذروة الإجهاد لكل دورة من دورة 500 إلى مجموعة دورة 3,600 ، لم يكن هناك انخفاض كبير بين مجموعات الدورة 500 و 7,200. كان هناك انخفاض ثابت في النسبة المئوية في التباطؤ ، وإجهاد الذروة ، ووحدات التحميل والتفريغ لمجموعات الدورة 3,600 و 7,200. تحققت صور الهيماتوكسيلين وإيزين وماسون الملطخة بثلاثية الألوان لعينات الأوتار من مستويات أعلى من الضرر الهيكلي المجهري مع دورات أعلى من الانثناء الظهري مع خلايا أكثر استدارة ، وفرط الخلية ، واضطراب الألياف ، وعقص الألياف (الشكل 3). تظهر النتائج في هذه الورقة أن الدورات العالية من الانثناء الظهري تسبب مستويات متزايدة من الضرر في وتر العرقوب.

الشكل 1: نظام اختبار الانثناء الظهري السلبي للكاحل. (أ) مزود الطاقة ، (ب) متحكم دقيق ، (ج) محرك متدرج ، (د) مستشعر عزم الدوران ، (ه) مستشعر تحديد المواقع الكهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد والتوجيه ، (F) حامل الكاحل المطبوع ثلاثي الأبعاد ، (G) سرير مطبوع ثلاثي الأبعاد ، (H) حامل مخروط الأنف المطبوع ثلاثي الأبعاد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: منحنيات إجهاد التحميل الدوري التمثيلي. منحنيات التباطؤ عند 0 و 500 و 1000 و 2000 و 3600 و 7200 دورة. يشير السهم إلى انخفاض إجهاد الذروة مع زيادة عدد الدورات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: صور تمثيلية ملطخة نسيجيا لعينات الأوتار. أظهرت صور الهيماتوكسيلين و Eosin (يسار) و Trichrome لماسون (يمين) للأوتار ل 500 و 1000 و 2000 و 3600 و 7200 مجموعة دورة لهذه الدراسة أن زيادة عدد الدورات المطبقة تؤدي إلى خلايا أكثر تقريبا ، وفرط الخلية (النجوم) ، واضطراب الألياف ، وعقص الألياف (الأسهم). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عنه.