Name: Un experimental y el Protocolo de elementos finitos para investigar el transporte de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Aprende a investigar el transporte de moléculas neutras y cargadas a través del cartílago articular utilizando métodos experimentales y numéricos. Este protocolo permite determinar coeficientes de difusión y densidad de carga fija en diferentes zonas del tejido.

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Los autores desean expresar su agradecimiento al Sr. Jeroen van den Berg y el Sr. Matthijs Wassink del grupo de desarrollo de la mecánica en UMC Utrecht por su ayuda en el proceso de los tapones osteocondrales de envolver. Este trabajo fue apoyado por una beca de la Fundación holandesa artritis.

NOTA: El protocolo que aquí se presenta se adoptó a partir de los procedimientos experimentales y computacionales de los últimos trabajos de investigación 6, 8, 9. El protocolo se ilustra en la Figura 1. Los materiales de cadáveres fueron recogidos con el permiso de la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Utrecht. 1. La muestra y Bath Preparación <ol><li> Taladrar tapones osteocondrales cilíndricos (diámetro de 8,5 mm) de cóndilos femorales equino de cadáver utilizando broca a medida (Figura 1) durante la pulverización tamponada con fosfato fría Saline (PBS) para evitar el sobrecalentamiento y el subsiguiente daño del cartílago. </li><li> De termocontracción los tapones osteocondrales con un plástico contracción de la manga para reducir al mínimo la difusión lateral de la bañera superposición. <ol><li> Montar el tapón osteocondral de cartílago en el the superior inicialmente dentro del manguito de contracción plástica y seguir soplando aire caliente a la misma. Agregar los trozos de algodón húmedo en la superficie del cartílago para evitar daños relacionados con el calor. </li></ol></li><li> Preparar finitos-baños de (por ejemplo, 650 ml, 420 mM, el ioxaglato de peso molecular (MW) = 1.269 Da, carga = -1) solutos cargados y neutral (650! L, 420 mM, iodixanol, MW = 1550 Da) por separado. </li><li> Cargar las finitos-baños preparados en la superficie del cartílago usando una jeringa y colocar un tapón de corcho en la muestra envuelta para evitar la evaporación durante los experimentos a temperatura ambiente (Figura 2A). Para estudiar el transporte de solutos neutra, colocar el baño de iodixanol y estudiar el lugar el transporte de solutos cargados negativamente baño ioxaglato sobre la superficie del cartílago. </li></ol> 2. Imágenes y Procesamiento de Imágenes <ol><li> Colocar las muestras envueltos aislados con el tapón de corcho en un soporte hecho a medida unido a la platina motorizada de un micro-CT. lugar tque muestra de manera que la superficie de cartílago cubierto con una solución de agente de contraste se enfrenta hacia arriba. </li><li> Escanear con el micro-CT (tamaño de vóxel de 40 × 40 × 40 m 3, tiempo de exploración de 2 min, voltaje del tubo de 90 kV y la corriente del tubo de 180 μA) un campo de visión que consta de cartílago, la placa subcondral, y finita baño en varios puntos de tiempo hasta el estado de equilibrio (48 h) se alcanza (Figura 2A). El estado de equilibrio se alcanza cuando los valores de concentración no cambian con el tiempo. </li><li> Registrar las imágenes en 3D en diferentes puntos de tiempo sobre la base de la imagen inicial para facilitar el posicionamiento de la región de interés (ROI) utilizando el software del fabricante (por ejemplo, analizar). </li><li> Convertir el 3D reconstruido imágenes de micro-CT en 2D Tagged Image File Format (TIFF) pila antes de procesarlos utilizando el software del fabricante. </li><li> Globalmente segmento (ImageJ&gt; Ajustar&gt; Umbral) el cartílago del hueso subcondral y más dementira baño en el software. </li><li> Obtener el valor medio gris del cartílago en diferentes puntos temporales (ImageJ&gt; Análisis&gt; Medida) usando la máscara de cartílago generado en el paso anterior. </li><li> Dada la concentración del baño inicial y la concentración inicial de agente de contraste en el cartílago, utilizar una curva de calibración lineal para convertir los valores de gris promedio de la concentración real de solutos. Los datos anteriores apoyan el hecho de que los valores de gris mantienen una relación lineal con la concentración de agentes de contraste. </li><li> Trazar las concentraciones de soluto en comparación con los puntos de tiempo de experimentación. </li></ol> 3. Modelización Computacional NOTA: La difusión en este problema se supone que tendrá lugar en 1D (a lo largo del eje z), que cumple con la condición de contorno experimental. Por lo tanto, la geometría se podría crear de forma arbitraria. <ol><li> Construir modelos cartílago multizona basados ​​finito-Bath: 1) el cartílago que consiste en zona superficial (20% del espesor total del cartílago), zona media (50% del espesor total del cartílago) y zona profunda (30% del espesor total del cartílago) 12 y 2) finita baño en Febio 13, 14 (Figura 2B). </li><li> Asignar las propiedades mecánicas y físicas de las diferentes zonas del cartílago y baño en Febio. el módulo de Young (10 MPa) se supone que es lo suficientemente alta para resistir la presión osmótica ejercida por el baño de suprayacente y por lo tanto proteger el cartílago de deformaciones excesivas. <ol><li> Utilice una permeabilidad hidráulica de 10 -3 mm 4 / Ns y la relación de Poisson de 0. Uso coeficiente de soluto difusión real del baño en las simulaciones 8, 9. </li></ol></li><li> Generar malla (elementos 8-nodo trilineal hexaedros) y refinarlo cerca de los límites (Figura 2B)class = "xref"&gt; 8, 9. </li><li> modelo bifásico-soluto <ol><li> Aplicar concentración inicial de soluto en el baño y eficaz de presión correspondiente a la misma. Mira la descripción de presión efectiva en 9, 15. </li><li> Ejecutar el modelo en modo transitorio para obtener la concentración de soluto frente a curvas de tiempo de acuerdo con los coeficientes de difusión prescritos en diferentes zonas del cartílago. </li></ol></li><li> modelo multifásico NOTA: La fluctuación eléctrica entre el baño y el tejido se puede evitar mediante la adición de dos monovalentes contra-iones tanto para el baño y el tejido. <ol><li> Para los modelos de estado estacionario: utilizar las mismas presiones de fluido eficaces y las concentraciones en el cartílago y baño suprayacente al tiempo que aumenta FCD a su valor deseado. </li><li> Para los modelos transitorios: crear un finito baño bien agitada, manteniendo el coeficiente de difusión de solutos en el baño suficientemente alta. inyectar elsoluto desde la interfaz de aire del baño en el baño para alcanzar su valor de concentración deseado. </li><li> Transient: eliminar la condición de contorno concentración de soluto prescrito en el paso anterior y revertir el coeficiente de difusión de la finita baño a su coeficiente de difusión real. </li><li> Ejecutar el modelo para obtener soluto curvas de concentración-tiempo basado en DME aplicadas y los coeficientes de difusión en diferentes zonas del cartílago. </li></ol></li><li> Interfaz Febio-MATLAB <ol><li> Desarrollar un código MATLAB para realizar automáticamente la simulación en Febio y la trama curvas de concentración-tiempo (interfaz Febio-MATLAB) 8, 9. </li><li> Cambiar los coeficientes de difusión y los DME en las zonas de cartílago utilizando la interfaz Febio-MATLAB. Ejecutar modelos en Febio y extraer curvas de soluto de concentración-tiempo 8, 9. </li><li> Comparar el soluto obtenido las curvas de concentración-tiempo con el experimentaldatos y obtener conjuntos de coeficientes de difusión y los DME en diferentes zonas del cartílago basado en la raíz error cuadrático medio mínimo (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg"> Figura 1: Configuración Experimental. A) procedimiento de extracción de la muestra usando una broca de taladro a medida. B) procedimiento de imágenes micro-CT para supervisar el proceso de difusión. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg"> Figura 2: Representación esquemática.A) Diseño experimental. B) modelo computacional multizona que consiste en el baño finita, las zonas superficiales, medias y profundas de cartílago y de malla asociado. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Nosotros presentamos un protocolo experimental combinado con un procedimiento de modelado de elementos finitos para estudiar la difusión de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular. De acuerdo con nuestros estudios recientes, los modelos propuestos podrían describir con precisión el transporte de ambos neutral (bifásica-soluto) y solutos (multifásicos) cargados negativamente a través de diferentes zonas de cartílago articular 8, 9. Se cree ampl...

<html> Transporte molecular juega un papel vital en la homeostasis de juntas de articulación, la entrega de la terapéutica para el cartílago articular y el cartílago de formación de imágenes de contraste mejorado 1, 2, 3. Factores tales como la integración del cartílago y integridad, la carga de soluto y tamaño, así como la osmolalidad y la concentración de baño en contacto con el cartílago puede influir en la velocidad de transporte 4, 5, 6. El transporte de solutos, ya sea neutros o con carga, puede ser diferente entre las zonas de cartílago articular, debido a que cada zona se compone de diferentes concentraciones y orientaciones de las principales moléculas de la matriz extracelular, es decir, los proteoglicanos (PGs) y colágeno de tipo II 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Más importante aún, el transporte de solutos cargados puede ser dependiente de la concentración de proteoglicanos que comprenden cargas fijas negativas dentro de la matriz extracelular que aumenta a través de cartílago articular 8, 9 altamente. Esos parámetros densidad de carga particularmente fija (FCD), orientación de las fibrillas de colágeno y variación del contenido de agua a través de cartílago pueden sufrir alteraciones como osteoartritis (OA) progresa, significando con ello la importancia de estudiar la difusión a través del cartílago. En el estudio actual, un protocolo basado en estudios experimentales y computacionales previamente establecidos 6, 8, 9 se propone investigar con precisión de difusión en diversas condiciones de contorno utilizando solutos neutros y cargados en un modelo finito baño de difusión. Tpropuso métodos están compuestos de formación de imágenes micro-tomografía computarizada (micro-CT) de una sistema incluyendo el cartílago y una finito baño de apoyo de avanzada modelos de elementos finitos multifásicas bifásica-soluto y. Estos modelos permiten la obtención de los coeficientes de difusión de las moléculas neutras y cargadas, así como DME a través de varias zonas de cartílago articular. El uso de estos modelos, se puede obtener una mejor comprensión del comportamiento de las moléculas neutras y cargadas de difusión que podrían ser utilizados para investigar las interacciones entre cartílago y superponiendo finita baño.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Agente de contraste con carga negativa</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE Healthcare</td><td>12570511</td><td>Nuetral</td></tr><tr><td>Agente de contraste PBS (solución salina tamponada con fosfato)</td><td>Life technologies</td><td>10010023</td><td>Medio</td></tr><tr><td>micro-CT</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Monitoreo de difusión</td></tr><tr><td>Osmómetro de punto de congelación</td><td>Avanzado instrumentos</td><td></td><td>Solución de medición de osmolalidad</td></tr></tbody></table>

un experimental y el protocolo de elementos finitos para investigar el transporte de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

<html> La osteoartritis (OA) es una enfermedad debilitante que está asociada con la degeneración del cartílago articular y el hueso subcondral. Degeneración del cartílago articular deteriora su función de soporte de carga sustancialmente como se experimenta tremenda degradación química, es decir, proteoglicanos y colágeno pérdida de fibrillas de interrupción. Una forma prometedora para investigar mecanismos de daño químico durante OA es exponer los especímenes de cartílago a un soluto externo y controlar la difusión de las moléculas. El grado de daño del cartílago (es decir, la concentración y la configuración de las macromoléculas esenciales) se asocia con la pérdida de energía de colisión de solutos externos mientras se mueve a través de cartílago articular crea diferentes características de difusión en comparación con el cartílago sano. En este estudio, se introduce un protocolo, que consta de varios pasos y se basa en desarrollado previamente experimental micro-C14px; &quot;&gt; omputed T omography (micro-CT) y la modelización de elementos finitos el transporte de moléculas yodadas cargadas y no cargadas se registra primero utilizando micro-CT, que es seguido por la aplicación de modelos de elementos finitos multifásicas para obtener coeficientes de difusión bifásica-soluto y. y fija densidades de carga a través de zonas de cartílago.

Los resultados representativos que aquí se adoptan a partir de los trabajos de investigación anteriores 6, 8, 9, 16. En la OA, el cartílago articular sufre cambios significativos más importante la pérdida de la mordaza, y fibrillas de colágeno daño 17, <sup class="x...

Proponemos un protocolo para investigar el transporte de moléculas cargadas y descargadas a través del cartílago articular con la ayuda de métodos numéricos y experimentales desarrollados recientemente.

Un experimental y el Protocolo de elementos finitos para investigar el transporte de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

El objetivo general de este procedimiento es investigar el transporte de moléculas cargadas y no cargadas a través del cartílago articular con la ayuda de métodos experimentales y numéricos. Este método puede ayudar a responder preguntas clave relacionadas con las propiedades físicas del cartílago articular, como el coeficiente de difusión y la densidad de carga fija en diferentes zonas. La principal ventaja de esta técnica es que adopta un modelo experimental de camino finito basado en la tomografía microcomputarizada de transporte de moléculas radiopacas.Para comenzar la preparación de la muestra, perfore un tapón osteocondral cilíndrico de 8,5 milímetros de diámetro mientras rocía solución salina tamponada con fosfato a temperatura ambiente, PBS, en el área de perforación. Inserte el tapón en un tubo termorretráctil de aproximadamente 2,5 centímetros de longitud para que la capa ósea quede al ras con el extremo y luego cubra la superficie del cartílago con algodón húmedo. Luego, use una pistola de aire caliente para encoger el tubo alrededor de los lados del tapón.Cargue un volumen finito de una solución de ioxaglato o iodixanol de 420 milimolares sobre la superficie del cartílago dentro del tubo para preparar un baño de soluto neutro o cargado negativamente, respectivamente. Sella el extremo abierto del tubo con un corcho. Coloque la muestra con el extremo taponado hacia arriba en un portamuestras montado en la platina motorizada de un micro-CT.Exploración de un campo de visión que contiene el cartílago, la placa subcondral y el baño finito. Repita la exploración periódicamente durante las próximas 48 horas o hasta que la concentración del agente de contraste en el cartílago no cambie con el tiempo. En el software del instrumento, registre las imágenes 3D en diferentes puntos de tiempo en relación con la imagen inicial y convierta las imágenes reconstruidas en una pila de archivos TIFF 2D.Importe las imágenes en un programa de procesamiento de imágenes y duplíquelas para segmentar el baño y el hueso subcondral por separado. A continuación, se rellenan los agujeros en el hueso subcondral y se eliminan manualmente los píxeles redundantes del baño. A continuación, se añaden matemáticamente las imágenes segmentadas de baño y hueso subcondral resultantes.Y usando la herramienta de varita, el contorno de la máscara de cartílago se define y se agrega al Administrador de región de interés. Mide el valor medio de gris del cartílago. En función de las concentraciones iniciales en el baño y el cartílago, convierta los valores medios de gris en el baño y el cartílago en concentración de soluto mediante una curva de calibración lineal.Traza las concentraciones de soluto a lo largo del tiempo. Para comenzar el modelado computacional de la difusión utilizando el software FEBio, construya modelos multizona de cartílago basados en baño finito donde la zona superficial comprende el 20% del grosor del cartílago, la zona media representa el 50% y la zona profunda representa el 30%Se crea una tabla que contiene la información de un soluto neutro para un modelo de soluto bifásico. Y se crea una tabla que contiene la información de los solutos cargados para un modelo multifásico.Para modelar la difusión de solutos cargados con el modelo multifásico, se deben agregar dos contraiones monovalentes tanto al baño como al cartílago para evitar los efectos de la fluctuación eléctrica entre el baño y el tejido. Una vez que se han modelado las zonas de cartílago y baño finito, asigne las propiedades mecánicas y físicas correspondientes, a saber, el módulo de Young, la permeabilidad, la difusividad libre y la difusividad a cada zona para el modelo de soluto bifásico. Asigne propiedades mecánicas y físicas, a saber, módulo de Young, permeabilidad, difusividad libre y difusividad, así como densidad de carga fija a cada zona para el modelo multifásico.A continuación, genere una malla de elementos hexaédricos trilineales de ocho nodos y refínela cerca de los límites. Para modelar la difusión de solutos neutros con el modelo de soluto bifásico, aplique la concentración inicial de soluto y la presión efectiva al modelo de baño finito. Ejecute el modelo de soluto bifásico en modo transitorio para producir curvas de concentración de soluto en función del tiempo basadas en los coeficientes de difusión para cada zona de cartílago.Para el modelo multifásico en un paso de estado estacionario, establezca las mismas presiones efectivas de fluido y concentraciones de soluto para el cartílago y el baño finito mientras aumenta la densidad de carga fija a su valor deseado. En un paso transitorio, cree un baño finito bien agitado manteniendo el coeficiente de difusión en el baño lo suficientemente alto. Inyecte el soluto de la interfaz de aire del baño en el baño para alcanzar el valor de concentración.Luego, elimine la condición límite de concentración de soluto prescrita del paso anterior y revierta el coeficiente de difusión del baño finito a su coeficiente de difusión real. Ejecute el modelo multifásico utilizando una interfaz de FEBio MATLAB para obtener curvas de concentración de soluto en función del tiempo en función de las densidades de carga fija aplicadas y los coeficientes de difusión para cada zona de cartílago. Utilizando este método, los procesos de difusión de los agentes de contraste neutros y aniónicos a través del cartílago articular se modelaron con soluto bifásico y multifásico respectivamente.Ambos modelos encajan bien con los datos experimentales. Los coeficientes de difusión del agente de contraste neutro, iodixanol, en diferentes zonas de cartílago se determinaron a partir del modelo Biphasic Solute, y los coeficientes de difusión del agente de contraste aniónico, ioxaláto, en diferentes zonas se determinaron a partir del modelo Multifásico. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la biomecánica de tejidos exploraran las propiedades difusivas de los tejidos blandos utilizando una combinación de enfoques experimentales y computacionales.Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo diseñar plataformas experimentales y computacionales con respecto a la difusión a través del cartílago articular.

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Bioingeniería

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Un experimental y el Protocolo de elementos finitos para investigar el transporte de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular (Video) | JoVE Journal

Un experimental y el Protocolo de elementos finitos para investigar el transporte de solutos neutros y cargadas a través de cartílago articular

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