Name: Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Découvrez un protocole expérimental et par éléments finis pour étudier le transport des solutés dans le cartilage articulaire. Cette méthode combine micro-tomographie et modélisation numérique pour mesurer les coefficients de diffusion et la densité de charge fixe.

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Les auteurs tiennent à exprimer leur gratitude à M. Jeroen van den Berg et M. Matthijs Wassink du groupe mécanique de développement à UMC Utrecht pour leur aide dans le processus d&#39;emballage des bouchons ostéochondrales. Ce travail a été soutenu par une subvention de la Fondation néerlandaise de l&#39;arthrite.

NOTE: Le protocole présenté ici est adopté des procédures expérimentales et de calcul des travaux de recherche récents 6, 8, 9. Le protocole est illustré sur la figure 1. Les matériaux cadavériques ont été recueillies avec la permission de faculté de médecine vétérinaire de l'Université d'Utrecht. 1. Préparation d'échantillon et Bain <ol><li> Percer des bouchons cylindriques ostéochondrales (diamètre de 8,5 mm) à partir de condyles fémoraux équins cadavériques à l' aide du foret sur mesure (figure 1) pendant la pulvérisation fraîche salée tamponnée au phosphate (PBS) afin d' empêcher une surchauffe et des lésions du cartilage ultérieur. </li><li> Thermorétractables les bouchons ostéochondrales avec un manchon en matière plastique pour réduire au minimum le rétrécissement de la diffusion latérale du bain de superposition. <ol><li> Monter le bouchon ostéochondrale avec cartilage à ee initialement supérieure à l'intérieur du manchon en matière plastique et le rétrécissement suivi par soufflage d'air chaud à elle. Ajouter les morceaux de coton humide sur la surface du cartilage pour prévenir les dommages liés à la chaleur. </li></ol></li><li> Préparer des bains finies de charge (par exemple, 650 ul, 420 mM, ioxaglate, poids moléculaire (MW) = 1269 Da, la charge = -1) et de neutre (650 ul, 420 mM, iodixanol, MW = 1550 Da) solutés séparément. </li><li> Charger le fini des bains préparés sur la surface du cartilage en utilisant une seringue et placer un bouchon de liège sur l'échantillon enveloppé pour empêcher l' évaporation au cours d' expériences à la température ambiante (Figure 2A). Pour étudier le transport de soluté neutre, placez le bain de iodixanol et d'étudier le bain de lieu de transport de soluté ioxaglate chargé négativement sur la surface du cartilage. </li></ol> 2. Imagerie et traitement d'image <ol><li> Placer les échantillons enveloppés isolé avec bouchon de liège sur un support sur mesure fixée à la platine motorisée d'un micro-CT. lieu til échantillon de telle sorte que la surface couverte de cartilage avec une solution d'agent de contraste est tourné vers le haut. </li><li> Numériser à l' aide du micro-CT (taille de voxel de 40 x 40 x 40 pm 3, temps de cycle de 2 min, la tension de tube de 90 kV et un courant de tube de 180 uA) un champ de vision constitué de cartilage, la plaque sous - chondrale, et finie bain dans plusieurs points de temps jusqu'à ce que l' état d'équilibre (48 h) est atteinte (figure 2A). L'état d'équilibre est atteint lorsque les valeurs de concentration ne changent pas au fil du temps. </li><li> Enregistrez les images 3D dans différents points de temps en fonction de l'image initiale pour faciliter le positionnement de la région d'intérêt (ROI) en utilisant le logiciel du fabricant (par exemple, Analyser). </li><li> Convertir la 3D reconstruit des images micro-CT en 2D Tagged Image pile Format de fichier (TIFF) avant de les traiter en utilisant le logiciel du fabricant. </li><li> Globalement segment (ImageJ&gt; Régler&gt; Threshold) le cartilage de l'os sous-chondral et plusbain couché dans le logiciel. </li><li> Obtenir la valeur de gris moyenne de cartilage à différents points dans le temps (ImageJ&gt; Analyse&gt; Mesure) en utilisant le masque de cartilage généré à l'étape précédente. </li><li> Compte tenu de la concentration du bain initial et la concentration initiale d'agent de contraste dans le cartilage, en utilisant une courbe d'étalonnage linéaire pour convertir les valeurs de gris moyennes de la concentration réelle de solutés. Des données antérieures soutiennent le fait que les valeurs de gris de maintenir une relation linéaire avec la concentration des agents de contraste. </li><li> Tracer les concentrations de soluté par rapport à des points de temps expérimentaux. </li></ol> 3. Modélisation informatique REMARQUE: La diffusion de ce problème est supposée avoir lieu en 1D (le long de l'axe z), qui est conforme à la condition de limite expérimentale. Par conséquent, la géométrie peut être arbitrairement créé. <ol><li> Construire le cartilage à base de bain fini modèles multi-zones: 1) le cartilage consistant zone superficielle (20% de l'épaisseur du cartilage totale), d'une zone médiane (50% de l'épaisseur du cartilage total) et zone profonde (30% de l'épaisseur du cartilage totale) 12 et 2) la baignoire finie dans Febio 13, 14 (figure 2B). </li><li> Affecter les propriétés mécaniques et physiques des différentes zones du cartilage et bain Febio. le module de Young (10 MPa) a été supposée être suffisamment élevée pour résister à la pression osmotique exercée par le bain de recouvrement et donc de protéger le cartilage de déformations excessives. <ol><li> Utiliser une perméabilité hydraulique de 10 -3 mm 4 / Ns et le coefficient de Poisson de 0. Utilisation coefficient de diffusion du soluté réelle du bain dans les simulations 8, 9. </li></ol></li><li> Générer un maillage (éléments hexaédriques trilinéaire 8-node) et l' affiner près des limites (figure 2B)class = "xref"&gt; 8, 9. </li><li> modèle biphasé-soluté <ol><li> Appliquer la concentration initiale du soluté dans le bain et une pression efficace qui lui correspond. Regardez la description de la pression effective dans 9, 15. </li><li> Exécuter le modèle en mode transitoire pour obtenir la concentration du soluté en fonction des courbes de temps en fonction des coefficients de diffusion prescrites dans les différentes zones du cartilage. </li></ol></li><li> modèle multiphasique REMARQUE: La fluctuation électrique entre le bain et le tissu peut être contourné en ajoutant deux contre-ions monovalents à la fois le bain et le tissu. <ol><li> Pour les modèles de régime permanent: utiliser les mêmes pressions et concentrations efficaces de fluide dans le cartilage et le bain sus-jacente tout en augmentant la FCD à sa valeur souhaitée. </li><li> Pour les modèles transitoires: créer un bien agité bain fini en gardant le coefficient de diffusion du soluté dans le bain suffisamment élevé. injecter lasoluté à partir de l'interface bain-air dans le bain d'atteindre sa valeur de concentration souhaitée. </li><li> Transient: supprimer la condition aux limites de concentration de soluté prescrite à l'étape précédente et rétablir le coefficient de diffusion du bain-fini à son coefficient de diffusion effective. </li><li> Exécuter le modèle pour obtenir des courbes concentration-temps soluté à base de DCP appliqués et des coefficients de diffusion dans les différentes zones du cartilage. </li></ol></li><li> Interface Febio-Matlab <ol><li> Élaborer un code MATLAB pour effectuer automatiquement la simulation dans les courbes concentration-temps Febio et terrain (interface Febio-Matlab) 8, 9. </li><li> Modifier les coefficients de diffusion et dans les zones de FCD cartilage en utilisant l'interface Febio-Matlab. Exécuter des modèles en Febio et extraire des courbes concentration-temps de soluté 8, 9. </li><li> Comparer les courbes concentration-temps soluté obtenu à l'approche expérimentaledonnées et obtenir des ensembles de coefficients de diffusion et DCP dans différentes zones de cartilage à base de racine erreur quadratique moyenne minimale (RMSE) 8, 9. </li></ol></li></ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg"> Figure 1: Configuration expérimentale. A) la procédure d'extraction de l' échantillon à l' aide d' un foret sur mesure. B) procédure d'imagerie Micro-CT pour surveiller processus de diffusion. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a> <img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg"> Figure 2: Schéma.A) La conception expérimentale. B) modèle informatique multi-zone constituée du bain fini, les zones superficielles, moyennes et profondes du cartilage et maillage associé. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

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</ol>

Les auteurs n&#39;ont rien à dévoiler.

Nous avons présenté un protocole expérimental associé à une procédure de modélisation par éléments finis pour étudier la diffusion de solutés neutres et chargés à travers le cartilage articulaire. Selon nos études récentes, les modèles proposés pourraient décrire avec précision le transport des deux solutés neutres (biphasé-soluté) et chargés négativement (multiphasique) dans les différentes zones du cartilage articulaire 8, 9. Il est largement admis que le cart...

<html> Le transport moléculaire joue un rôle essentiel dans l&#39;homéostasie des joints d&#39; articulation, la livraison d&#39;agents thérapeutiques pour le cartilage articulaire et de l&#39; imagerie du cartilage contraste amélioré 1, 2, 3. Des facteurs tels que l&#39; intégration du cartilage et intact, la charge du soluté et la taille ainsi que l&#39; osmolalité et la concentration du bain en contact avec le cartilage peut influencer le taux de transport 4, 5, 6. Le transport de solutés, soit neutres ou chargés, peut être différente entre les zones de cartilage articulaire, parce que chaque zone est constituée de différentes concentrations et les orientations de grandes molécules de la matrice extracellulaire, à savoir les protéoglycanes (PG) et le collagène de type II 1, 7, 8, 9,lass = &quot;xref&quot;&gt; 10, 11. Plus important encore , le transport des solutés charge peut être fortement dépendante de la concentration de protéoglycanes comportant des charges négatives fixes au sein de la matrice extracellulaire qui augmente à travers le cartilage articulaire 8, 9. Ces paramètres particulièrement la densité de charge fixe (FCD), l&#39;orientation des fibrilles de collagène et de la variation de la teneur en eau dans le cartilage peuvent subir des altérations de l&#39;arthrose (OA) progresse, signifiant ainsi l&#39;importance d&#39;étudier la diffusion à travers le cartilage. Dans la présente étude, un protocole basé sur une enquête préalable des études expérimentales et informatiques établis 6, 8, 9 est proposé de précision diffusion dans différentes conditions aux limites en utilisant des solutés neutres et chargés dans un modèle bain fini de diffusion. Til a proposé des procédés de formation d&#39;image sont composées de micro-tomographie par ordinateur (micro-CT) d&#39;un système comprenant le cartilage et un bain-fini supporté par biphasique-soluté avancée et multiphasiques modèles d&#39;éléments finis. Ces modèles permettent d&#39;obtenir les coefficients de diffusion des molécules neutres et chargées, ainsi que dans diverses zones FCD du cartilage articulaire. L&#39;utilisation de ces modèles, on peut acquérir une meilleure compréhension du comportement des molécules diffusantes neutres et chargées qui pourraient être utilisés pour étudier les interactions entre le cartilage et superposant bain fini.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Produit de contraste chargé négativement</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE healthcare</td><td>12570511</td><td>Agent de contraste Nuetral</td></tr><tr><td>PBS (Phosphate-buffered Saline)</td><td>Life technologies</td><td>10010023</td><td></td></tr><tr><td>Micro-CT</td> moyen <td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Monitoring</td></tr><tr><td>diffusion Osmomètre à point de congélation</td><td>Advanced instruments</td><td></td><td>Mesure de l’osmolalité de la solution</td></tr></tbody></table>

un expérimental et finite element protocole pour enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans cartilage articulaire

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

<html> L&#39;arthrose (OA) est une maladie débilitante qui est associée à la dégénérescence du cartilage articulaire et de l&#39;os sous-chondral. La dégénérescence du cartilage articulaire altère sa fonction de support de charge sensiblement comme il subit une dégradation chimique considérable, à savoir la perte et la perturbation de fibrilles de collagène protéoglycane. Un bon moyen d&#39;enquêter sur les mécanismes d&#39;endommagement chimique au cours de l&#39;arthrose est d&#39;exposer les échantillons de cartilage à un soluté externe et contrôler la diffusion des molécules. Le degré de dégradation du cartilage ( à savoir la concentration et la configuration des macromolécules essentielles) est associée à la perte d&#39;énergie de collision de solutés externes tout en se déplaçant à travers le cartilage articulaire crée différentes caractéristiques de diffusion par rapport à un cartilage sain. Dans cette étude, nous présentons un protocole, qui se compose de plusieurs étapes et est basée sur les micro-C expérimental développé précédemment14px; &quot;&gt; omputed T omography (micro-CT) et la modélisation par éléments finis Le transport des molécules iodées chargées et non chargées est d&#39; abord enregistrée à l&#39; aide de micro-CT, qui est suivie par l&#39; application de modèles d&#39;éléments biphasique-soluté et multiphasiques finis pour obtenir des coefficients de diffusion. et des densités de charge fixe à travers des zones de cartilage.

Les résultats représentatifs fournis ici sont adoptés de documents de recherche précédents 6, 8, 9, 16. Dans l' arthrose, le cartilage articulaire subit des changements importants surtout la perte GAG, et les dommages fibrillaire de collagène 17, <...

Nous vous proposons un protocole d&#39;enquêter sur le transport des molécules chargées et non chargées dans le cartilage articulaire à l&#39;aide de méthodes expérimentales et numériques récemment mis au point.

Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire

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

L’objectif général de cette procédure est d’étudier le transport de molécules chargées et non chargées à travers le cartilage articulaire à l’aide de méthodes expérimentales et numériques. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés liées aux propriétés physiques du cartilage articulaire, telles que le coefficient de diffusion et la densité de charge fixe dans différentes zones. Le principal avantage de cette technique est qu’elle adopte un modèle expérimental à chemin fini basé sur la tomographie par micro-ordinateur du transport des molécules radio-opaques.Pour commencer la préparation de l’échantillon, percez un bouchon ostéochondral cylindrique de 8,5 millimètres de diamètre tout en pulvérisant une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) à température ambiante sur la zone de forage. Insérez le bouchon dans une gaine thermorétractable d’environ 2,5 centimètres de long de manière à ce que la couche osseuse affleure l’extrémité, puis couvrez la surface du cartilage avec du coton humide. Ensuite, utilisez un pistolet à air chaud pour rétrécir le tube sur les côtés du bouchon.Chargez un volume fini d’une solution d’ioxaglate ou d’iodixanol de 420 millimolaires sur

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Un système 3D de chondrocytes articulaires humains en culture dans les niveaux élevés du liquide synovial est décrite. Le liquide synovial reflète le microenvironnement plus naturelle pour le cartilage articulaire, et peut être facilement obtenu et stocké. Ce système peut donc être utilisée pour étudier la régénération du cartilage et de dépistage pour les thérapies pour traiter l'arthrite.

Un système 3D pour les chondrocytes articulaires humains Culture dans le liquide synovial

La réparation du cartilage représente un défi médical non relevé et les approches cellulaires pour concevoir le cartilage articulaire humain sont une solution prometteuse. Ici, nous décrivons les hydrogels biomimétiques tridimensionnels (3D) comme un outil idéal pour l’expansion et la maturation des chondrocytes articulaires humains.

3D hydrogel échafaudages pour articulaire chondrocytes Culture and Cartilage Generation

Nous présentons une méthode pour évaluer l’étendue spatiale de blessure/mort cellulaire sur la surface articulaire des articulations murines intactes après l’application de contraintes mécaniques contrôlées ou les impacts. Cette méthode peut être utilisée pour déterminer comment l’arthrose, les facteurs génétiques et/ou chargement différents schémas thérapeutiques affectent la vulnérabilité des chondrocytes de in situ .

Visualisation en temps réel et l’analyse des chondrocytes blessures résultant d’un chargement mécanique des explants de Cartilage Murine Intact

Sonder pendant la chirurgie d’arthroscopie est normalement fait pour évaluer l’état du tissu mou, mais cette approche a toujours été subjective et qualitative. Ce rapport décrit un dispositif de sondage qui peut mesurer la résistance du tissu mou quantitativement avec un capteur de force tri-axial pendant l’arthroscopie.

Un dispositif de sondage pour mesurer quantitativement les propriétés mécaniques des tissus mous pendant l’arthroscopie

Ce protocole décrit la préparation, les essais biotribologiques et l’analyse des cylindres ostéochondral glissant contre le matériel d’implant métallique. Les mesures des résultats incluses dans ce protocole sont l’activité métabolique, l’expression des gènes et l’histologie.

Essais et analyse biotribologiques du cartilage articulaire glissant contre le métal pour les implants

Ce protocole détermine l’absorption d’équilibre, la profondeur de pénétration et le taux de diffusion non-équilibre pour les porteurs de peptide cationique dans le cartilage. La caractérisation des propriétés du transport est essentielle pour assurer une réponse biologique efficace. Ces méthodes peuvent être appliquées pour la conception d’un transporteur de drogue chargé de façon optimale pour cibler les tissus chargés négativement.

Caractérisation des propriétés de transport intra-cartilage des porteurs de peptides cationiques

Ici, nous présentons le modèle de lésion cartilagineuse intra-articulaire induite par la charge cyclique du genou du rat, générée par 60 compressions cycliques sur 20 N, entraînant des dommages au cartilage condylien fémoral chez le rat.

Méthode non invasive pour générer le modèle de lésion cartilagineuse intra-articulaire induite par la charge cyclique du genou du rat

Ici, nous présentons un protocole pour marquer les vésicules extracellulaires dérivées du lysat plaquettaire afin de surveiller leur migration et leur absorption dans les explants cartilagineux utilisés comme modèle pour l’arthrose.

Marquage des vésicules extracellulaires pour surveiller la migration et l’absorption dans les explants cartilagineux

Le présent protocole décrit un dispositif d’essai de frottement qui applique simultanément un glissement réciproque et une charge normale à deux contre-faces biologiques en contact.

Un dispositif de bioréacteur d’essai de friction pour l’étude de la biomécanique des articulations synoviales, de la mécanobiologie et de la régulation physique

Nous fournissons des méthodes détaillées pour générer quatre types de tissus à partir de cellules souches mésenchymateuses humaines, qui sont utilisées pour récapituler le cartilage, l’os, le coussinet adipeux et la synoviale dans l’articulation du genou humain. Ces quatre tissus sont intégrés dans un bioréacteur personnalisé et connectés par microfluidique, générant ainsi une articulation du genou sur puce.

Création d’une articulation du genou sur puce pour modéliser les maladies articulaires et tester des médicaments

Nous présentons une approche étape par étape pour identifier et résoudre les problèmes les plus courants associés aux micro-indentations de la microscopie à force atomique. Nous illustrons les problèmes émergents sur les explants de cartilage articulaire humain natif caractérisés par divers degrés de dégénérescence induite par l’arthrose.

Résolution de problèmes pratiques liés à la micro-indentation basée sur la microscopie à force atomique sur des explants de cartilage articulaire humain

Découvrez un protocole expérimental et par éléments finis pour étudier le transport des solutés dans le cartilage articulaire. Cette méthode combine micro-tomographie et modélisation numérique pour mesurer les coefficients de diffusion et la densité de charge fixe.

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Un expérimental et Finite Element Protocole pour Enquêter sur la transport des solutés neutres et chargés dans Cartilage Articulaire

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