Name: 体外机械装载肌腱 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-05-28T00:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 36 s
Description: 了解体外肌腱机械加载系统，用于同时加载四根肌腱并测量其横截面积与力学特性。该方法有助于深入理解腕部和肘部肌腱疾病的发病机制，为生物工程与康复医学研究提供可重复实验平台。

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<ol>
<li>补充材料 &nbsp;培养基 CO2-不含血清的培养基，添加胎牛血清、L-谷氨酰胺、抗生素和抗坏血酸</li>
<li>将40 ml分装至50 ml离心管中（每根肌腱1管）</li>
<li>将10 ml分装至15 ml离心管中（每根肌腱1管）</li>
<li>对手术器械、灭菌布巾、镊子和扭矩扳手进行高压灭菌处理</li>
<li>将钳子和测力微米计的探针浸泡于70%乙醇中过夜以灭菌</li>
<li>从兔子的后肢足部采集肌腱。兔子应在安乐死后不超过2小时之内进行取材。</li>
<li>将肌腱置于装有培养基的15 ml离心管中</li>
<li>铺开已灭菌的高压灭菌布，建立无菌区域</li>
<li>测量肌腱横截面积 <ol style="margin-top: 0in">
<li>将千分尺测头安装到千分尺上，正确对齐</li>
<li>用两端握住肌腱</li>
<li>将最薄的肌腱切片放入凹槽中</li>
<li>让助手放置50 g砝码</li>
<li>等待30秒，读取厚度（CSA = 厚度 × 1.3）</li>
</ol></li>
<li>将肌腱放回15 ml离心管中</li>
<li>对每个待加载的肌腱重复上述步骤</li>
<li>从底座上拆下执行器</li>
<li>为每条肌腱从无菌纱布上裁剪两条 15 mm × 40 mm 的条状纱布和一块 3 mm × 5 mm 的小片纱布</li>
<li>将每条带子紧密卷起，置于远端夹具的凹槽之间</li>
<li>将肌腱从离心管中取出并固定于夹具上，肌腱远端置于远端夹具，肌腱纤维软骨区置于近端夹具</li>
<li>在肌腱远端放置一块 3×5 纱布，然后固定钳子</li>
<li>固定近端夹具，确保肌腱位于夹具之间并保持对齐，且留有足够松弛度，使夹具拧紧时肌腱不受张力。将夹具拧紧至1 N·m</li>
<li>将装有培养基的50 ml离心管置于底座中</li>
<li>将执行器放入底座</li>
<li>对每个待加载的肌腱重复上述步骤</li>
<li>将底座置于水浴上方</li>
<li>上样程序 <ol style="margin-top: 0in">
<li>预处理肌腱</li>
<li>施加 0.5 N 载荷，测量肌腱长度（即标距长度）</li>
<li>施加循环载荷</li>
</ol></li>
<li>从底座上拆下执行器</li>
<li>松开肌腱上的钳子</li>
<li>处理肌腱</li>
</ol>

<ol><li>Asundi, K., Kursa, K., Lotz, J. C., Rempel, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+system+for+applying+cyclic+loads+to+connective+tissues+under+displacement+or+force+control%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">In vitro system for applying cyclic loads to connective tissues under displacement or force control.</a> Ann Biomed Eng. 35, 1188-1195 (2007).</li>
<li>Asundi, K. R., Rempel, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cyclic+loading+inhibits+expression+of+MMP-3+but+not+MMP-1+in+an+in+vitro+rabbit+flexor+tendon+model%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Biomech%22%5BJournal%5D)">Cyclic loading inhibits expression of MMP-3 but not MMP-1 in an in vitro rabbit flexor tendon model.</a> Clin Biomech. , In Press Forthcoming.</li>
<li>Asundi, K. R., Rempel, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MMP-1%2C+IL-1%CE%B2+and+COX-2+mRNA+Expression+is+Modulated+by+Static+Load+in+Rabbit+Flexor+Tendon%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">MMP-1, IL-1β and COX-2 mRNA Expression is Modulated by Static Load in Rabbit Flexor Tendon.</a> Ann Biomed Eng. , In Press Forthcoming.</li>
</ol>

该视频介绍了一种可在组织培养中同时加载最多四根活体肌腱的新系统。典型的加载持续时间为2至48小时。加载结束后，取出肌腱并进行基因表达分析。该系统可用于研究加载模式对与肌腱退行性变相关基因变化的影响。这些实验有助于揭示与重复加载相关的损伤机制，也可阐明可导致组织损伤的负荷条件。最终，这些结果可能被用于预防和治疗肌腱与韧带的过度使用性损伤。

离体肌腱的机械加载

Ex vivo Mechanical Loading of Tendon

由于过度使用导致的肌腱损伤（例如腕部肌腱炎、上髁炎）在体育活动和工作场所中十分常见，大多数损伤与重复性的高强度手部活动有关。目前对周期性负荷所引起的细胞和结构损伤机制尚不明确。本视频旨在介绍一种可在组织培养中同时对四条肌腱施加负荷的新系统。视频描述了无菌组织取材的方法，以及如何将肌腱安装到夹持系统上，随后将其浸入培养基中并在37°C条件下维持培养。夹持系统一端固定，另一端通过线性驱动器移动。肌腱的张力通过与移动夹具串联的载荷传感器进行监测。驱动器由LabView程序控制。该系统可对四条肌腱施加不同负荷模式、重复频率、加载速率和持续时间的重复性加载。加载时间可从几分钟到48小时不等。加载结束后，取出肌腱并提取其中段组织用于生化分析。该系统可用于研究不同加载模式对肌腱基因表达和结构变化的影响。最终，可通过这些研究结果探讨过度使用导致损伤的机制，并将其应用于治疗与预防策略的制定。

本文介绍了一种新的体外培养系统，可同时对四条肌腱进行加载培养。

由于过度使用导致的肌腱损伤（例如，腕肌腱炎、上髁炎）在体育活动和工作场所中较为常见。大多数损伤与……相关。

我叫David Rempel，是加州大学伯克利分校生物工程系的教职人员。你将看到的实验涉及对肌腱进行拉伸，其真正目的是试图阐明腕部和肘部肌腱疾病背后的潜在机制。这些肌腱疾病在运动员以及需要用手重复劳作的工人中较为常见。我们实验室的一名博士生 Krish Sundi 将演示该系统的若干功能，特别是肌腱横截面积的测量。他将把肌腱装入作动器中。他将演示该系统在24小时内对肌腱进行循环加载，然后将肌腱从系统中取出。好的，这就是我们设计并搭建的加载系统。如您所见，它由六个执行器组成。这些是高精度驱动器，能够施加一微米的位移，驱动器串联有一个负荷传感器，用于记录施加在肌腱上的载荷。负荷传感器进一步串联连接的是这些夹具，夹具延伸足够远，可浸入培养基中，以保持肌腱的活性。整个系统随后将置于水浴中，以维持培养基温度在37摄氏度。我现在要向您展示的是如何将肌腱装入该系统。我们需要做的第一步是测量肌腱的横截面积，以便施加适当的应力。您能把装有肌腱的管子递给我吗？现在，这些肌腱取自一只新西兰白兔。它们刚刚被取下，因此仍然新鲜，从兔子被实施安乐死后不到两小时内完成获取。我所测量横截面积的肌腱部分位于肌腱最细的区域。这是因为此处的横截面积最小，因而应力最大。现在可以将砝码放在活塞上方了吗？接下来我们需要等待30秒，以读取厚度值，读数为1.3。能否抬起活塞并将肌腱重新放回培养基中？接下来，我将卸下执行器，以便装入肌腱。现在，我将把肌腱安装到夹具中。此处可以观察驱动器的特写。您可以看到驱动器本身、负荷传感器以及夹具，夹具向外延伸。这些垫片。我会将其切成大约半英寸至四分之三英寸宽，长约一英寸半的片段。然后取这些纱布垫，浸入培养基中使其湿润，这样可以使卷绕过程更顺利。将卷好的纱布条放入这些蛇形夹具的凹槽中。现在我将把肌腱从培养基中取出。此端为屈肌腱在兔趾末端的附着点。此处区域为纤维软骨区。肌腱应放置于适当位置，使纤维软骨区被夹持在近端夹具内。然后将肌腱夹紧，再次将螺钉拧紧至一牛顿米。接着剪除多余的肌腱，此时驱动器已固定在支具上，整个肌腱和夹具均浸入改良的培养基中。对于后续的驱动器，同样采用相同的方法安装肌腱。如您所见，我们共有六组，因此可以用六条独立的肌腱进行实验。随后将整个系统提起并放入水浴中，以维持培养环境温度为37摄氏度。接下来，我们将对肌腱施加0.5至5兆帕之间的循环载荷。我们使用的软件是定制编写的 LabVIEW。首先，我们需要对肌腱进行预处理，施加 20 次在 0.5 兆帕至 2 兆帕之间的循环载荷。对于测得的厚度，使用提供的四个千分尺进行测量并输入。程序将自动计算横截面积。随后，程序将指示执行器增加位移，直至跟腱承受 2 兆帕的载荷。此处我们跟踪的是紫色轨迹。当对肌腱施加2兆帕的负载后，程序将对肌腱施加0.5兆帕的负载。一旦达到这两个负载值，程序将在两者之间循环加载，并持续更新位置，以在这两个目标负载之间不断调节。该加载过程以每秒10兆帕的速率、0.5赫兹的频率进行。在对肌腱进行预加载处理后，我们随后施加0.5牛顿的载荷。我们将肌腱在0.5牛顿载荷下的长度定义为其标距长度。当程序找到该载荷后，我们读取作动器的位置，当前读数为六八二五，此位置即为肌腱的标距长度。记录下肌腱的标距长度后，我们返回到循环加载程序，输入目标值5 MPa和0.5 MPa，输入希望加载的总循环次数，然后再次运行相同的程序，以在0.5 MPa至5 MPa之间对肌腱进行循环加载。同样，该加载速率为10 MPa/s，频率为0.5 Hz。因此，在进行循环加载约24小时后，将执行器从系统中取出，随后可根据需要对肌腱进行切割和处理。刚才您看到的是我们从兔子中无菌采集的肌腱。您所看到的操作过程属于半无菌操作，但实现了肌腱在24小时内的循环加载。随后使用R-T-P-C-R分析肌腱的基因表达。我们还对肌腱的其他变化进行分析，包括结构变化和其他组织学标志物。本实验的最终目的是确定不同的负荷模式对肌腱损伤潜在机制的影响，这些机制可能与肌腱病和肌腱炎相关。

Research

科研

JoVE Journal

Biology

生物学

体外机械装载肌腱

本文介绍了用于制备大鼠尾腱以进行生物力学和力生物学研究的实验步骤。演示了制备过程中主要步骤的多个关键环节，包括组织提取、横截面积测量、冲洗以及装入生物反应器腔室。...

大鼠尾腱的制备用于生物力学与力生物学研究

介绍了一种损伤的体内动物模型。该方法利用了腓神经的皮下位置。通过商用软件预先设定并同步运动速度、肌肉激活时机和运动弧度。损伤后的变化通过磁共振成像/波谱分析在体内进行监测。...

一个 在体内 啮齿类动物模型中的收缩性损伤及恢复过程的无创监测

我们设计了一种新型机械负荷生物反应器，可在将软骨生物复合材料移植到关节软骨缺损部位之前，对其施加单轴或双轴机械应变。...

用于组织工程的双轴机械加载生物反应器设计

本研究开发了一种新型成像方案，采用定制的电机驱动机械执行器，可实现对活细胞在机械应变下的实时响应进行测量。该系统适用于力学生物学研究，能够施加高达20%的应变，同时支持使用共聚焦显微镜或原子力显微镜进行近实时成像。...

活细胞成像在机械拉伸过程中的应用

我们描述一种 体内 测量坐骨神经腓肠支刺激后大鼠后肢胫前肌群收缩所引发的足背屈的实验方案。此类测量是评估骨骼肌病理及肌肉修复与再生组织工程技术的不可或缺的转化研究工具。...

应用 在体 内 用于评估组织工程骨骼肌修复的大鼠胫骨前肌功能测试

本方案描述了利用定制的3D打印夹具对小鼠肌腱进行高效且可重复的拉伸生物力学测试方法。...

小鼠肌腱的生物力学测试

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应用三维单轴机械刺激生物反应器系统诱导肌腱来源干细胞的肌腱向分化

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用于研究跟腱撞击力学生物学的小鼠后肢离体模型

本方案介绍了一种用于在大鼠跟腱中诱导可量化且可控的疲劳性损伤的测试系统，以建立一种由过度使用引起的跟腱病的体内模型。该操作包括将大鼠踝关节固定于一个关节驱动装置上，通过自行编写的MATLAB脚本控制装置对踝关节进行被动背屈运动。...

一种用于过劳诱导肌腱病体内模型的被动踝关节背屈测试系统

本文介绍了一种类组装体模型系统，用于模拟承重肌腱核心组织与含有在疾病和损伤中被激活的细胞群体的外部区室之间的肌腱细胞间相互作用。作为一个重要的应用实例，我们展示了如何利用该系统探究与疾病相关的外部内皮细胞的激活过程。...

构建肌腱类组装体以研究疾病与修复中的细胞间串扰

了解体外肌腱机械加载系统，用于同时加载四根肌腱并测量其横截面积与力学特性。该方法有助于深入理解腕部和肘部肌腱疾病的发病机制，为生物工程与康复医学研究提供可重复实验平台。

离体肌腱的机械加载

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