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 cartíla

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Un sistema 3D de los condrocitos articulares humanos en cultivo de altos niveles de líquido sinovial se describe. El líquido sinovial refleja el microambiente más naturales para el cartílago articular, y puede ser fácilmente obtenido y almacenado. Así, este sistema puede ser utilizado para el estudio de la regeneración del cartílago y de terapias de detección para el tratamiento de la artritis.

Un sistema 3D para los condrocitos articulares humanos cultivo de líquido sinovial

La reparación del cartílago representa un desafío médico no resuelto y los enfoques basados en células para diseñar el cartílago articular humano son una solución prometedora. Aquí, describimos los hidrogeles biomiméticos tridimensionales (3D) como una herramienta ideal para la expansión y maduración de los condrocitos articulares humanos.

3D hidrogel andamios para articular condrocitos cultura y cartílago Generación

Se presenta un método para evaluar la extensión espacial de las lesiones o la muerte de la célula en la superficie articular de articulaciones murinas intactas después de la aplicación de cargas mecánicas controladas o impactos. Este método puede utilizarse para investigar cómo osteoartritis, factores genéticos o los regímenes de carga diferentes afectan la vulnerabilidad de los condrocitos en situ .

Visualización en tiempo real y análisis de la lesión de condrocitos debido a cargas mecánicas en explantes de cartílago murino intacta

El sondeo durante la cirugía de artroscopia se realiza normalmente para evaluar el estado del tejido blando, pero este enfoque siempre ha sido subjetivo y cualitativo. Este informe describe un dispositivo de sondeo que puede medir la resistencia del tejido blando cuantitativamente con un sensor de fuerza triaxial durante la artroscopia.

Un dispositivo de sondeo para medir cuantitativamente las propiedades mecánicas de los tejidos blandos durante la artroscopia

Este protocolo describe la preparación, las pruebas biotribológicas y el análisis de cilindros osteocondrales que se deslizan contra el material del implante metálico. Las medidas de resultados incluidas en este protocolo son la actividad metabólica, la expresión génica y la histología.

Pruebas biotribológicas y análisis de cartílago articular que se desliza contra el metal para implantes

Este protocolo determina la absorción de equilibrio, la profundidad de penetración y la tasa de difusión sin equilibrio para los portadores de péptidos catiónicos en el cartílago. La caracterización de las propiedades de transporte es fundamental para garantizar una respuesta biológica eficaz. Estos métodos se pueden aplicar para diseñar un portador de medicamentos con carga óptima para apuntar a los tejidos cargados negativamente.

Caracterización de las propiedades de transporte intracartílago de los portadores de péptidos catiónicos

Aquí, presentamos el modelo de lesión de cartílago intraarticular inducida por carga cíclica de la rodilla de rata, generada por 60 compresiones cíclicas sobre 20 N, lo que resulta en daño al cartílago condilar femoral en ratas.

Un método no invasivo para generar el modelo de lesión de cartílago intraarticular inducida por carga cíclica de la rodilla de rata

Aquí, presentamos un protocolo para etiquetar las vesículas extracelulares derivadas del lisado plaquetario para monitorear su migración y absorción en los explantes de cartílago utilizados como modelo para la osteoartritis.

Etiquetado de vesículas extracelulares para monitorear la migración y absorción en explantes de cartílago

El presente protocolo describe un dispositivo de prueba de fricción que aplica deslizamiento recíproco simultáneo y carga normal a dos contrafaces biológicas en contacto.

Un dispositivo de prueba de fricción-biorreactor para el estudio de la biomecánica de la articulación sinovial, la mecanobiología y la regulación física

Proporcionamos métodos detallados para generar cuatro tipos de tejidos a partir de células madre mesenquimales humanas, que se utilizan para recapitular el cartílago, el hueso, la almohadilla de grasa y la membrana sinovial en la articulación de la rodilla humana. Estos cuatro tejidos se integran en un biorreactor personalizado y se conectan a través de microfluídica, generando así una articulación de rodilla en un chip.

Creación de una articulación de rodilla en un chip para modelar enfermedades articulares y probar medicamentos

Presentamos un enfoque paso a paso para identificar y abordar los problemas más comunes asociados con las microindentaciones de microscopía de fuerza atómica. Ejemplificamos los problemas emergentes en los explantes nativos de cartílago articular humano caracterizados por varios grados de degeneración impulsada por la osteoartritis.

Abordaje de cuestiones prácticas en la microindentación basada en microscopía de fuerza atómica en explantes de cartílago articular humano

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.

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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