腱の生体外で機械的負荷

私の名前はデビッド・レンペルです。カリフォルニア大学バークレー校のバイオエンジニアリング学科の教員を務めています。これからご覧いただく実験では腱の伸展を行い、手首や肘における腱疾患の根底にあるメカニズムを解明することを目的としています。

これらの腱疾患は、アスリートや手で反復作業を行う労働者の間で一般的です。当研究室の博士課程学生の一人であるKrish Sundiが、本システムのいくつかの機能、特に腱の断面積の測定について実演します。彼が腱をアクチュエータに装着します。

腱に24時間にわたって周期的に負荷をかけ、その後、腱をシステムから取り出す手順を実演します。それでは、こちらが設計・製作した負荷システムです。ご覧の通り、6つのアクチュエータで構成されています。

これらは高精度アクチュエータであり、1 µm単位での変位付加が可能です。アクチュエータと直列には、腱に負荷される荷重を記録するためのロードセルが配置されています。ロードセルと直列に接続されているのはこれらのクランプで、腱の生存性を維持するために培地中に浸漬できるよう、十分な長さまで延長されています。このシステム全体をウォーターバスに入れ、培地を37 °Cに維持します。

これから、このシステムに腱をロードする方法について説明します。まず最初に行う必要があるのは、適切な応力を負荷できるように、腱の断面積を測定することです。腱が入ったチューブを渡していただけますか？

これらの腱はニュージーランドホワイトラビットから採取したものです。採取直後に運ばれてきたため、ラビットの安楽死から2時間以内の新鮮な状態です。腱の断面積を測定する箇所は、腱の最も細い部分に沿った領域です。

これは、断面積が最小（最小限）であるため、この箇所に最大の応力が生じるためです。では、ピストンの上に重りを置いてください。ここから、厚さの読み取り値が1.3になるまで30秒間待ちます。

ピストンを持ち上げて、腱を培地に戻していただけますか？次に、腱をロードするためのアクチュエータを取り外します。それでは、クランプに腱を取り付けます。

ここではアクチュエータの接写を確認できます。アクチュエータ本体、ロードセル、そして外側に伸びるクランプが見えます。これらのパッドは、幅約0.5〜0.75インチ、長さ約1.5インチに切断して使用します。

次に、これらのガーゼパッドを培地に入れ、湿らせます。これにより、巻き付ける工程が容易になります。そして、巻き付けたガーゼストリップを、これらのサーペンタインクランプの溝に配置します。これから、腱を培地から取り出します。

この末端は、ウサギの指の末端への屈筋腱の挿入部位です。この領域は線維軟骨領域です。線維軟骨領域が近位クランプ内で固定されるように、腱を配置します。

次にテンションをクランプし、再度、ネジを1 newton meterまで締め付けます。その後、余剰なテンドンを切断します。これにより、アクチュエータがブレースに固定され、テンドンとクランプ全体が浸漬されます。修正メディアにおいて、後続のアクチュエータにテンドンを装着する場合も、同様の手順を用います。

ご覧のように、計6本の腱があるため、6本の個別の腱を用いてこの操作を行うことができます。その後、このシステム全体を持ち上げてウォーターバスに入れ、培地を37°Cに維持します。ここで、腱に対して0.5から5 MPaの範囲で周期的な負荷を印加します。

使用するソフトウェアはLabVIEWであり、カスタム作成されたものです。まず最初に行うのは、腱のプレコンディショニングです。0.5 megapascalsから2 megapascalsの間で、20サイクルの周期荷重を加えます。

測定した厚さは、提供された4つのマイクロメーターを使用して入力してください。これにより、断面積が自動的に算出されます。その後、プログラムがアクチュエータに指示を出し、腱に 2 MPa の負荷がかかるまで変位を増加させます。

ここでは紫色のトレースを追跡しています。腱に2 megapascalの負荷が印加されると、次にプログラムが腱に0.5 megapascalの負荷を印加します。これら2つの負荷が設定されると、プログラムはこれら2つの負荷の間でサイクルを繰り返し、目的の2つの負荷の間で位置を継続的に更新します。

この負荷は、周波数 0.5 hertz、負荷速度 10 megapascals per second で行われます。腱のプリコンディショニングが完了した後、0.5 newton の負荷をかけます。0.5 Newton の負荷がかかった状態の腱の長さを、腱の標点距離（ゲージ長）と定義します。

プログラムがこの荷重を検出すると、アクチュエータの位置を読み取ります。現在6825と読み取られているこの位置が、腱の標点距離となります。腱の標点距離を記録した後、サイクリック負荷プログラムに戻り、希望する値である5 MPaおよび0.5 MPaを入力し、負荷したい総サイクル数を入力します。そして、再び同じプログラムを実行し、腱に0.5 MPaから5 MPaの間でサイクリック負荷をかけます。なお、この負荷は、周波数0.5 Hz、負荷速度10 MPa/sで実施します。

通常24時間の周期的な負荷をかけた後、アクチュエータをシステムから取り外し、腱を切り出して必要に応じて処理します。さて、ウサギから無菌的に採取した腱をご覧いただきました。ここまでに示した工程は準無菌的なプロセスでしたが、これにより腱に対して24時間にわたる周期的な負荷を与えることができました。

その後、R-T-P-C-Rを用いて腱の遺伝子発現を解析します。また、構造的変化やその他の組織学的マーカーなど、腱に生じたその他の変化についても解析を行っています。最終的に、本実験の目的は、異なる負荷パターンが、腱障害や腱炎に関連し得る腱損傷の根本的なメカニズムにどのような影響を及ぼすかを明らかにすることです。