Para comprender mejor la respuesta de la lesión condrocita a una sobrecarga mecánica del cartílago, el protocolo describe el desarrollo de un modelo de impacto de cartílago ex vivo que fue subletal durante 24 h.
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Artículo de método
Para comprender mejor la respuesta de la lesión condrocita a una sobrecarga mecánica del cartílago, el protocolo describe el desarrollo de un modelo de impacto de cartílago ex vivo que fue subletal durante 24 h.
La osteoartritis postraumática (PTOA) es una enfermedad articular progresiva prevalente, degenerativa y dolorosa que generalmente surge después de un traumatismo articular significativo y afecta a más de 6 millones de estadounidenses. El traumatismo del cartílago inducido por el impacto da lugar a una respuesta a la lesión de los condrocitos que culmina en el PTOA. Es necesario comprender los eventos moleculares asociados con la lesión de los condrocitos para desarrollar terapias que prevengan el PTOA o retrasen su progresión. Para facilitar esto, se desarrolló un modelo de impacto de cartílago ex vivo que fue subletal durante 24 h. Los explantes osteocondrales se cosecharon de articulaciones metacarpofalángicas bovinas, y se utilizó una torre de caída para entregar cargas de impacto a los explantes. Para garantizar que la tensión y el impacto se aplicaran de manera relativamente uniforme al cartílago articular, los explantes se colocaron con la superficie ósea hacia arriba y el hueso se impactó desde arriba. Se aplicaron diferentes cargas a los explantes desde alturas de carro de 4.0 cm, 4.5 cm y 5.0 cm, resultando en tensiones máximas promedio de 10.87 ± 1.84 MPa, 11.69 ± 0.67 MPa y 12.98 ± 0.75 MPa, respectivamente. El estudio analizó el papel de la presencia de hueso subcondral en el cartílago durante el cultivo posterior al impacto y el efecto del uso de un soporte ajustado o suelto durante el impacto, evaluando la viabilidad celular y la apoptosis. El cartílago articular impactado desde 4,5 cm, combinado con un soporte ajustado y la extracción ósea inmediata, proporcionó el modelo óptimo para inducir la lesión del cartílago con una muerte celular mínima a las 24 h después del impacto.
La osteoartritis postraumática (PTOA, por sus siglas en inglés) es una enfermedad debilitante que afecta a más de 5 millones de adultos enlos Estados Unidos. Un solo impacto traumático en el cartílago puede desencadenar una respuesta a la lesión de los condrocitos, lo que provoca síntomas de aparición temprana y una lucha de por vida contra el dolor y la disfunción articular. El cartílago tiene poca o ninguna capacidad de reparación intrínseca y, por lo tanto, existe una necesidad insatisfecha de desarrollar terapias para modificar la progresión de la enfermedad3. Debido a que el PTOA se correlaciona con un solo evento traumático claramente definido, existe la oportunidad de intervenir antes de que la enfermedad progrese. Sin embargo, el desarrollo de estos tratamientos se ve obstaculizado por la falta de conocimiento sobre la señalización molecular que regula la respuesta a la lesión condrocitosa y conduce a la artrosis postraumática 2,3,4. Una mejor comprensión de los eventos moleculares después de la lesión de condrocitos podría ayudar a diseñar nuevos tratamientos terapéuticos que rescaten la respuesta de la lesión de condrocitos y prevengan o retrasen el desarrollo de PTOA 2,5,6.
Para comprender mejor la señalización molecular de la lesión de los condrocitos, investigaciones anteriores han utilizado torres de caída o dispositivos similares que impactan mecánicamente los explantes de cartílago para que se inicie una respuesta a la lesión. Estos estudios han tratado de caracterizar muchos aspectos de esta respuesta, incluyendo cambios en las propiedades mecánicas y la estructura 7,8, daño de la matriz y síntesis 6,9,10,11, disfunción mitocondrial 12,13,14,15, vías de transporte de iones 16,17,18,19, y expresión génica 9,11,20,21,22,23. Sin embargo, en muchos de estos estudios, la viabilidad celular no fue reportada o estaba comprometida, con un 50% o menos de viabilidad celular en algunos estudios 24,25,26. Los efectos de confusión de la baja viabilidad celular pueden dificultar el estudio de la respuesta a la lesión. La muerte de los condrocitos que sigue inmediatamente a un traumatismo articular es irreversible, pero las terapias que tratan la lesión de los condrocitos mitigan el PTOA27 posterior. Con el fin de identificar los cambios moleculares que están asociados con la lesión de los condrocitos y no con una pérdida de células viables, es necesario un modelo de impacto del cartílago que mantenga la viabilidad de los condrocitos durante un período de tiempo. Además, un impacto de cartílago que genere una respuesta a la lesión de los condrocitos que sea relativamente uniforme en todo el tejido del cartílago proporcionaría los resultados más consistentes en el análisis del comportamiento celular.
El objetivo del estudio fue desarrollar y caracterizar un modelo de lesión por impacto ex vivo rentable para el cartílago articular que conserve la capacidad de estudiar las vías de señalización inherentes a la respuesta a la lesión aguda del cartílago. Además, este modelo podría utilizarse para evaluar posibles tratamientos para rescatar la respuesta a la lesión. Para lograr esto, primero desarrollamos una técnica estéril para recolectar explantes de cartílago de articulaciones metacarpofalángicas bovinas de animales esqueléticamente maduros utilizando una broca de perforación con punta de diamante montada en una taladradora. Las articulaciones metacarpofalángicas son descartadas por el matadero cuando los animales se procesan para el consumo alimentario, lo que hace que esta articulación sea una fuente de tejido fácilmente accesible y económica. A continuación, establecimos un modelo de lesión por impacto en el que la muestra osteocondral se colocó en un soporte debajo de un dispositivo de torre de caída. En este modelo, los especímenes osteocondrales se colocaron con la superficie articular hacia abajo sobre una superficie de acero inoxidable pulido a espejo # 8, y el hueso se sometió a un impacto desde arriba, entregando una carga relativamente uniforme al tejido cartilaginoso. Se determinaron los parámetros de impacto que mantienen la viabilidad de los condrocitos durante 24 h después del impacto, mientras que aún desencadenan una respuesta de lesión molecular apoptótica. Se evaluaron los soportes que permitían diferentes cantidades de movimiento lateral de la muestra durante el impacto por su efecto sobre la viabilidad celular y la apoptosis; Finalmente, se evaluó el efecto de la remoción de cartílago del hueso subcondral después del impacto.
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El uso de extremidades bovinas obtenidas de un matadero local no requería aprobación ética, ya que los tejidos se recolectaban post mortem de animales procesados para el consumo alimentario.
1. Cosecha de explantes osteocondrales
2. Impacto del explante osteocondral
3. Caracterización de la viabilidad celular en muestras de cartílago
4. Caracterización de la apoptosis en muestras de cartílago
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La carga de impacto mecánico a los explantes osteocondrales se aplicó utilizando una torre de caída con alturas de carro de 4,0 cm, 4,5 cm y 5,0 cm por encima del tejido (n = 3 o 4). El aumento de la altura del carro antes de que se liberara dio como resultado mayores fuerzas de impacto, tensiones máximas promedio, tasas de carga y energías de impacto (Tabla 1).
Buscamos desarrollar un modelo de lesión de cartílago ex vivo que fuera subletal durante 24 h después del i...
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El objetivo de este estudio fue caracterizar y optimizar un modelo de impacto del cartílago que no comprometa la viabilidad celular para el estudio de eventos moleculares después de una lesión de condrocitos, con el objetivo final de desarrollar un tratamiento que rescate las células lesionadas para prevenir la progresión del PTOA. Para lograr este objetivo, se administró una carga mecánica a la porción ósea de los núcleos osteocondrales, transfiriendo la carga al tejido cartilaginoso. A...
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Los autores no tienen nada que revelar.
Este estudio fue apoyado por la subvención R21 de los NIH NIAMS AR080255. Los autores desean agradecer a Kevin Carr por aportar su experiencia en mecanizado y fabricación a este proyecto. Los autores agradecen a la carnicería de Mooresville (Mooresville, IN) por proporcionar tejido para este estudio. Los autores agradecen al personal del Centro de Microscopía Biológica de Indiana por su ayuda con la microscopía confocal.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| #11 hoja de bisturí estéril | Thermo Fisher Scientific | 10-001-823 | Retire el cartílago del hueso |
| #22 hoja de bisturí estéril | Thermo Fisher Scientific | 10-001-833 | Retire la piel de los tejidos bovinos y abra la articulación cortando los ligamentos |
| 10-1000 ul puntas de pipeta | Thermo Fisher Scientific | 02-707-411 | Medir y transferir PBS, medios de cultivo y otras soluciones |
| Etanol de 200 grados | Thermo Fisher Scientific | 03-007-647 | Se utiliza para preparar etanol al 70% como agente esterilizante para desinfectar herramientas quirúrgicas y mantener un ambiente estéril durante la preparación y el procesamiento de tejidos. |
| Tubo de centrífuga de 50 ml (estéril) | Thermo Fisher Scientific | 339652 | Se utiliza para almacenar medios y muestras |
| Garrafón de 5 galones | Thermo Fisher Scientific | 04-355-233 | Recipiente PBS estéril que se conecta al adaptador giratorio mediante una manguera. |
| Placa de 6 pocillos (estéril) | Thermo Fisher Scientific | 140685 | Se utiliza para almacenar temporalmente núcleos osteocondrales en un entorno estéril con medios precalentados durante la recolección, la incubación antes de los estudios de impacto y la obtención de imágenes |
| Acelerómetro | Kistler | 8743A5 | Se utiliza para medir la aceleración producida durante un |
| impacto Kit de tinción de apoptosis (CellEvent) | Thermo Fisher Scientific | C10423 | Se utiliza para detectar y visualizar células apoptóticas |
| Frascos de lavado esterilizables en autoclave | Nalgene | 2405-0500 | Llene con PBS estéril para hidratar el cartílago durante la recolección de tejidos. |
| Sierra de autopsia | Mopec | BD 810 | Elimine cualquier exceso de hueso después de abrir la articulación o extraer el núcleo osteocondral |
| Hoja de sierra de autopsia | Mopec | BD 101 | Se utiliza para cortar hueso para aislar y liberar explantes osteocondrales. |
| Betadine | Avrio Health L.P. | n/a | Se utiliza para la desinfección del exterior de las muestras bovinas antes de trasladarlas a la campana y se diluye para desinfectar las muestras osteocondrales finales. |
| Manguera transparente de 4 pies | n/a | n/a Se | utiliza para conectar la garrafa de 5 litros que contiene PBS al adaptador giratorio de la taladradora para transportar PBS. |
| Broca de perforación de núcleos | Herramientas Superhard industriales UKAM | 3EDCD7160 | Utilizado para extraer explantes osteocondrales del hueso perforando el cartílago articular y el hueso subcondral.- diámetro de la broca: 7/16" (Taladros de núcleo de diamante galvanizado) |
| Llave de media luna | McMaster Carr | 5362A1 | Utilizada para apretar la abrazadera (que mantiene la articulación en su lugar) y apretar la broca de extracción de núcleos |
| Pipetas serológicas desechables | Thermo Fisher Scientific | 13-678-11 | Medición y transferencia de PBS y medios de cultivo |
| Almohadilla inferior desechable | Thermo Fisher Scientific | 23-666-062 | Se utiliza para cubrir el espacio del mostrador para absorber agua y líquidos durante la cosecha para mayor comodidad e higiene |
| Unidades de filtro de vacío desechables | Thermo Fisher Scientific | SCGP00525 | Filter PBS y otras soluciones |
| Taladro de prensa | WEN | 433TV 3.25-Inch | Aplique fuerza para perforar muestras osteocondrales- WEN 433TV 3.25-Inch Industrial Strength Drill Press |
| inclinando ángulo de inclinación Vise | WEN | TV434 | Asegura muestras osteocondrales en una posición fija en el ángulo deseado durante el proceso de extracción de núcleos. |
| Torre de caída | hecha a medida | n/a | Se utiliza para impactar las muestras |
| FIJI (ImageJ Extension) | n/a | n/a | Software utilizado para procesar y analizar imágenes de microscopía, incluida la viabilidad celular y la cuantificación de la apoptosis |
| Pinzas | Fisherbrand | 12-000-163 | Se utiliza para cortar tejido en la campana, abrir la articulación y transferir las muestras |
| Gasa (estéril) | Dukal | 6412 | Se utiliza para hidratar el cartílago articular después de abrir la cápsula articular |
| Botella de vidrio de 1 litro de medios | Sigma Aldrich | CLS13951LHTC | Se utiliza para almacenar PBS estériles |
| Guantes | Thermo Fisher Scientific | 19-130-1597D | Se utilizan para proteger al equipo de recolección |
| Insulina-Transferrina-Selenio (ITS) | Gibco | 41400-045 | Suplemento de medios |
| Software de adquisición de datos LabVIEW National | Instruments | n/a | Captura datos de la celda de carga y el acelerómetro durante las pruebas de impacto para su posterior análisis. |
| Ácido L-ascórbico | Merck | A4403 | Suplemento de medios |
| Microscopio de barrido confocal láser | Olympus | FV1000D | Se utiliza para capturar imágenes tridimensionales de alta resolución de muestras de tejido teñidas. |
| Kit de tinción de ensayo vivo y muerto | Thermo Fisher Scientific | L3224 | Se utiliza para diferenciar entre células vivas y muertas en muestras de tejido para evaluar la viabilidad celular |
| Celda de carga | Kistler | 9712B5000 | Se utiliza para medir la fuerza aplicada durante un impacto. |
| MATLAB | El programa MathWorks Inc. | n/a | |
| Sierra de cinta para carne | Skymsen | MSKLE | Quitar la pezuña del carpo de muestras bovinas |
| Micropipeta 10-100 uL | Thermo Fisher Scientific | FBE00100 | Medición y transferencia PBS y medios de cultivo |
| Medio esencial mínimo (MEM) solución de aminoácidos no esenciales | Gibco | 11140-050 | Suplemento de medios |
| Águila modificada' s Medio (DMEM) | Gibco | 10566-016 | Cultivo de explantes osteocondrales. |
| Penicilina-Estreptomicina | Thermo Fisher Scientific | 15-140-148 | Suplemento de medios |
| salina tamponada con fosfato | Thermo Fischer Scientific | BP399-20 | Utilizado para enjuagar, hidratar y enfriar tejidos para mantener condiciones fisiológicas, prevenir la deshidratación y preparar soluciones de tinción |
| Soporte de muestras en torre de caída | hecho a medida | n/a | Asegura el núcleo osteocondral durante el impacto. |
| Mango de bisturí | Thermo Fisher Scientific | 16-100-107 | Se utiliza para cortes precisos, disección de tejidos y apertura de la articulación. |
| Tornillos (añadir a cad) | Rosca 6-32 Tamaño-18-8 Tornillos de cabeza hueca de acero inoxidable | ||
| Piruvato de sodio | Gibco | 11360-070 | Suplemento de medios |
| Cabeza de impactador esférico | McMaster Carr | 9292K52 | Autoclave antes del procedimiento de impacto |
| Mascarillas quirúrgicas | Máscara de filtro | 375101 | Utilizado para proteger al equipo de recolección |
| Adaptador de giro de agua | Herramientas superduras industriales UKAM | 7035812 | Se conecta a la broca de perforación para proporcionar un flujo continuo de PBS para enfriar durante el proceso de perforación. |
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