Name: 실험적 및 유한 요소 의정서는 관절 연골에서 중립 및 충전 용질의 운송을 조사하기 위해 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: 학습하세요 관절 연골에서 중성 및 음이온 용질의 확산을 실험 및 유한 요소 모델링으로 분석하는 방법을. 미세컴퓨터 단층촬영과 FEBio 소프트웨어를 활용하여 확산 계수와 고정 전하 밀도를 정량화할 수 있습니다.

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저자는 골 연골 플러그의 과정을 포장에있는 그들의 도움을 UMC 위트레흐트에서 개발 역학 그룹에서 씨 제론 반 덴 베르그 씨 Matthijs Wassink 그들의 감사의 말씀을드립니다. 이 작품은 네덜란드 관절염 재단에서 부여에 의해 지원되었다.

참고 : 여기에 제시된 프로토콜은 최근의 연구 논문 6, 8, 9의 실험과 계산 과정에서 채택된다. 이 프로토콜은도 1에 도시되어있다. 사체 자료는 위트레흐트 대학의 수의학 교수의 허가를 수집 하였다. 1. 시료와 욕제 <ol><li> 차가운 인산 완충 식염수 (PBS)를 분사하면서 과열 이후 연골의 손상을 방지하기 위해 맞춤 제작 드릴 비트 (도 1)를 이용하여 사후 말 대퇴골로부터 원통 골 연골 플러그 (8.5 mm의 직경) 밖으로 드릴. </li><li> 오버레이 욕의 측면 확산을 최소화하기 위해 슬리브를 수축 플라스틱으로 골 연골 플러그 열 수축. <ol><li> 일에서 연골과 골 연골 플러그를 장착E는 플라스틱 슬리브 내부 수축 초기 상단과 열풍을 불어 따른다. 열 관련 손상을 방지하기 위해 연골의 표면에 젖은면 조각을 추가합니다. </li></ol></li><li> 별도 부과 (예를 들어, 650 μL, 420 mm의 ioxaglate, 분자량 (Mw) = 1,269 다 충전 = -1) 및 중성 (650 μL, 420 mm의 iodixanol, MW = 1,550 다) 용질 유한 화장실을 준비한다. </li><li> 주사기를 사용하여 연골의 표면에 제조 유한 화장실로드 및 RT (도 2A)에서 실험 동안에 증발을 방지하기 위해, 랩 샘플에 코르크 마개를 배치했다. 중립 용질 수송을 연구하기 위해, iodixanol 목욕을 배치하고 연골 표면에 음전하를 띤 용질 수송 장소 ioxaglate 목욕을 연구. </li></ol> 2. 이미징 및 이미지 처리 <ol><li> 마이크로 CT의 모터 구동 스테이지에 장착 주문품 홀더에 코르크 마개로 감싸 절연 샘플을 놓는다. 장소 t그 때문에 조영제 용액 위를 향하고 덮여 그 연골 표면을 샘플링. </li><li> 마이크로 CT (40 × 40 × 40 μm의 3 복셀의 크기가 2 분의 주사 시간을 90 kV로의 관전압 180 μA의 관전류) 연골 연골 판 구성된 시야를 사용하여 검색하고,의 유한 평형 상태 (48 시간)까지 여러 시점에서의 조를 (도 2A)에 도달한다. 농도 값이 시간에 따라 변화하지 않는 경우에 평형 상태가 달성된다. </li><li> 제조업체의 소프트웨어를 사용하여 관심 (ROI)의 지역의 위치를 용이하게하기 위해 초기 이미지에 따라 서로 다른 시점에서 3D 이미지를 등록합니다 (예를 들어, 분석). </li><li> 변환 3 차원 제조 업체의 소프트웨어를 사용하여 처리하기 전에 2D 태그가 지정된 이미지 파일 형식 (TIFF) 스택에 마이크로 CT 영상을 재구성. </li><li> 글로벌 세그먼트 (ImageJ에&gt; 조정&gt; 임계치) 연골 하골 이상에서 연골소프트웨어에서 목욕을 거짓말. </li><li> 상이한 시점에서 연골의 평균 그레이 값을 구하는 이전 단계에서 생성 된 연골 마스크를 사용하여 (은 ImageJ에&gt;&gt; 측정 분석). </li><li> 연골의 초기 욕 농도 및 초기 조영제 농도 주어 용질의 실제 농도 평균 그레이 값을 변환하는 선형 보정 곡선을 사용한다. 이전의 데이터는 그레이 값 조영제의 농도를 갖는 선형 관계를 유지한다는 사실을지지한다. </li><li> 실험 시점에 비해 용질 농도를 플롯. </li></ol> 3. 전산 모델링 주 :이 문제의 확산은 실험 경계 조건을 준수 (Z 축을 따라) (1D)에서 일어나는 것으로한다. 따라서, 형상 임의로 생성 할 수 있습니다. <ol><li> 유한 목욕을 기반으로 연골 멀티 존 모델을 구축 : 1) 연골 표면 영역으로 구성 (전체 연골 두께의 20 %), 중간 영역 (전체 연골 두께의 50 %)과 깊은 영역 (전체 연골 두께의 30 %) 12 FEBio 13, 14 (도 2b 2) 유한 욕). </li><li> FEBio에서 연골 및 목욕의 서로 다른 영역의 기계적 및 물리적 특성을 할당합니다. 영률 (MPa의 10)이 상부로 조 작용 삼투압 레지스트 따라서 과도한 변형에서 연골을 보호하기에 충분히 높은 것으로 가정 하였다. <ol><li> 10-3 mm의 유압 투과도를 사용 4 / Ns를 상기 시뮬레이션 8 욕 0 실제 사용 용질 확산 계수의 포아송 비, 9. </li></ol></li><li> 메쉬 (8 노드 삼선 육면체 요소)를 생성하고, 경계 근처를 세분화 (도 2B)클래스 = "외부 참조"&gt; 8, 9. </li><li> 바이 페이 - 용질 모델 <ol><li> 이것에 대응하는 욕조 유효 압력에서 용질의 초기 농도를 적용한다. 15 9에서 유효 압력의 설명을보십시오. </li><li> 다른 연골 영역에 소정의 확산 계수에 따른 시간 곡선 대 용질의 농도를 얻기 위해 과도 모드 모델을 실행. </li></ol></li><li> 다상 모델 참고 : 욕조와 조직 사이의 전기 변동은 욕조와 조직 모두에 두 가의 반대 이온을 추가하여 우회 할 수 있습니다. <ol><li> 정상 상태 모델 : 소기 FCD 값을 증가시키면서 연골 상부 욕 동일한 유효 유체 압력 및 농도를 사용한다. </li><li> 과도 모델 : 충분히 높은 욕 중에서의 용질 확산 계수를 유지하여 잘 교반 유한 조를 만든다. 주입목욕 욕조에 공기 인터페이스에서 용질의 농도 소정의 값에 도달한다. </li><li> 과도 : 이전 단계에서 소정의 용질 농도 경계 조건을 제거하고 그것의 실제 확산 계수로 유한 욕의 확산 계수를 되돌릴. </li><li> 연골 다른 영역에 적용 FCDs 및 확산 계수에 기초하여 용질 농도 - 시간 곡선을 획득하기 위해 모델을 실행. </li></ol></li><li> FEBio - MATLAB 인터페이스 <ol><li> 자동 FEBio 플롯 농도 - 시간 곡선 (FEBio-MATLAB 인터페이스) (8, 9)에서의 시뮬레이션을 수행하는 MATLAB 코드를 개발한다. </li><li> FEBio - MATLAB 인터페이스를 사용하여 연골 영역에서 확산 계수와 FCDs을 변경합니다. FEBio에서 모델을 실행하고, 용질의 농도 - 시간 곡선 9 8 압축을 풉니 다. </li><li> 실험적으로 얻어진 용질 농도 - 시간 곡선을 비교최소 루트에 따라 다른 연골 영역의 데이터 획득 확산 계수들의 세트 FCDs 제곱 오차 (RMSE) (8, 9)를 의미한다. </li></ol></li></ol><img alt="그림 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg"> 그림 1 : 실험 설정. A) 사용자 정의 만든 드릴 비트를 사용하여 샘플 추출 과정. B) 마이크로 CT 이미징 절차 확산 프로세스를 모니터링한다. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg"> 그림 2 : 도식.A) 실험 설계. 유한 목욕, 연골 및 관련 메쉬의 표면, 중간과 깊은 영역으로 구성된 B) 다중 영역 계산 모델. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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저자가 공개하는 게 없다.

우리는 관절 연골에서 중립 및 충전 용질의 확산을 연구하기 위해 유한 요소 모델링 절차와 결합 된 실험 프로토콜을 제시 하였다. 우리의 최근 연구에 따르면, 제안 된 모델은 정확하게 관절 연골 8, 9의 서로 다른 영역에서 중립 (이상성 - 용질) 모두의 전송 및 음전하 (다상) 용질을 설명 할 수있다. 널리 관절 연골이 기능적으로 같은 OA 진행 21, 22, 23, 24 중 음전하를 띤 GAG의 거대 분자뿐만 아니라 콜라겐 원 섬유로의 중요한 구성 요소의 손익으로 제한된다 것으로 생각된다. 본 연구에서 제안 된 기술을 사용하여, 하나는 잠재적으로 관절 연골의 건강 함을 검사 할 수 있습니다. ...

<html> 분자 수송 관절 형 조인트의 항상성에 중요한 역할을하는 관절 치료제의 전달 연골 및 연골 조영 증강 영상 1, 2, 3. 이러한 연골 통합 intactness, 용질의 전하 및 크기뿐만 아니라 삼투압 및 전송 레이트 4, 5, 6에 영향을 미칠 수있는 연골 접촉 욕의 농도 요소. 각 영역은 다른 농도의 주요 세포 외 매트릭스 분자의 배향으로 구성되어 있기 때문에 중성 또는 충전 중 용질의 수송은, 관절 연골 영역과 상이 할 수있다, 즉, 프로테오글리칸 (PG를) 콜라겐 타입 II (1), 7, 8, 9,아가씨 = &quot;외부 참조&quot;&gt; 10, 11. 더 중요한 것은, 충전 용질의 수송은 관절 연골 (8, 9)에 걸쳐 증가 외 매트릭스 내에 고정 된 네거티브 전하를 포함 프로테오글리칸의 농도에 크게 의존 할 수있다. 골관절염 (OA)가되어 연골 걸쳐 확산 연구의 중요성을 나타내는, 진행됨에 따라 이러한 매개 변수, 특히 고정 된 전하 밀도 (FCD)는 콜라겐 원 섬유 연골 전체 수분 함량의 변화의 방향은 변화를 거칠 수있다. 현재의 연구에서, 프로토콜은 6, 8, 9, 정확하게 확산의 유한 목욕 모델에서 중립 및 충전 용질을 사용하여 다양한 경계 조건에서 확산을 조사하기 위해 제안 이전에 설정된 실험 및 전산 연구를 기반으로. 티그 방법은 연골 및 고급 이상성-용질 다상 유한 요소 모델에 의해지지되는 유한 욕조를 포함하는 시스템의 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 영상 (마이크로 CT)으로 구성되어 제안. 이러한 모델은 관절 연골의 다양한 영역에 걸쳐 중성 및 하전 분자뿐만 아니라 FCDs의 확산 계수를 취득 할 수 있습니다. 이 모델을 사용하여, 하나는 연골 및 오버레이 유한 화장실 사이의 상호 작용을 조사하는 데 사용할 수 있습니다 확산 중립 및 충전 분자의 행동의 더 나은 이해를 얻을 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>음전하를 띤 조영제</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE 헬스케어</td><td>12570511</td><td>Nuetral 조영제</td></tr><tr><td>PBS(인산염 완충 식염수)</td><td>Life Technologies</td><td>10010023</td><td>Medium</td></tr><tr><td>micro-CT</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>모니터링 확산</td></tr><tr><td>빙점 삼투압 분석기</td><td>고급 기기</td><td></td><td>: 측정 용액 삼투압</td></tr></tbody></table>

실험적 및 유한 요소 의정서는 관절 연골에서 중립 및 충전 용질의 운송을 조사하기 위해

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

<html> 골관절염 (OA)은 관절 연골과 연골 하골의 변성과 연관된 쇠약하게하는 질병이다. 그것은 상당한 화학적 열화, 즉 손실 프로테오글리칸 및 콜라겐 브릴 중단을 경험으로 관절 연골의 변성이 실질적으로 그 하중 기능을 손상시킨다. OA에서 화학적 손상 메커니즘을 조사하는 한 유망한 방법은 외부 용질에 연골 표본을 노출하고, 분자의 확산을 모니터하는 것입니다. 건강한 연골에 비해 상이한 확산 특성을 생성 관절 연골을 가로 질러 이동하는 동안 연골 손상 (즉, 농도 및 고분자 필수 구성)의 정도는 외부 용질 충돌하는 에너지 손실과 관련된다. 이 연구에서 우리는 몇 가지 단계로 구성되어 있으며 이전에 개발 된 실험 마이크로-C를 기반으로하는 프로토콜을 소개14px; &quot;&gt; omputed T omography (마이크로 CT) 및 유한 요소 모델링 제 이상성-용질 확산 계수를 얻기 다상 유한 요소 모델에 적용함으로써 뒤에 마이크로 CT를 사용하여 기록되어 충전 및 비 대전 요오드 분자의 수송. 연골 영역에 걸쳐 전하 밀도를 고정.

여기에 제공된 대표적인 결과는 이전의 연구 논문 6, 8, 9, 16에서 채택된다. OA에서 관절 연골은 큰 변화 가장 중요한 GAG 손실 및 콜라겐 원 섬유 손상 17, 18, 19을 겪는다. 이러한 변화는 관절 연골 (20), (21)를 통해 용질의 확산 행동에...

우리는 최근에 개발 된 실험 및 수치 방법의 도움으로 관절 연골에서 충전 및 충전되지 않은 분자의 이동을 조사하기위한 프로토콜을 제안한다.

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

이 절차의 전반적인 목표는 실험적 및 수치적 방법의 도움으로 관절 연골을 가로지르는 전하를 띤 분자와 전하를 띠지 않은 분자의 수송을 조사하는 것입니다. 이 방법은 관절 연골의 물리적 특성과 관련된 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다., 예를 들어 다른 영역에서의 확산 계수 및 고정 전하 밀도와 같은. 이 기술의 주요 장점은 방사선 불투과성 분자 수송의 마이크로컴퓨터 단층 촬영을 기반으로 한 유한 경로, 실험 모델을 채택한다는 것입니다.시료 준비를 시작하려면 8.5mm 직경의 원통형 골연골 플러그를 드릴링하면서 실온 인산염 완충 식염수(PBS)를 시추 영역에 분사합니다. 뼈층이 끝과 같은 높이가 되도록 약 2.5cm 길이의 열수축 튜브에 플러그를 삽입한 다음 젖은 면으로 연골 표면을 덮습니다. 그런 다음 뜨거운 공기총을 사용하여 플러그 측면 주위의 튜브를 축소합니다.유한한 부피의 420 밀리몰 ioxaglate 또는 iodixanol 용액을 튜브 내부의 연골 표면에 로드하여 각각 음전하 또는 중성 용질 수조를 준비합니다. 튜브의 열린 끝을 코르크로 밀봉합니다. 코르크 끝이 위로 향하게 하여 micro-CT의 전동 스테이지에 장착된 샘플 홀더에 샘플을 놓습니다.연골, 연골하판 및 유한 수조를 포함하는 시야를 스캔합니다. 다음 48시간 동안 또는 연골의 조영제 농도가 시간이 지남에 따라 변하지 않을 때까지 주기적으로 스캔을 반복합니다. 기기 소프트웨어에서 초기 이미지를 기준으로 서로 다른 시점의 3차원 이미지를 정합하고 재구성된 이미지를 2차원 TIFF 파일 스택으로 변환합니다.이미지를 이미지 처리 프로그램으로 가져와서 복제하여 bath와 subchondral bone을 별도로 분할합니다. 다음으로, 연골하 뼈의 구멍을 채우고 수조의 중복 픽셀을 수동으로 제거합니다. 그 결과 분절된 수조 및 연골하 뼈 이미지가 수학적으로 추가됩니다.그리고 지팡이 도구를 사용하여 연골 마스크의 윤곽을 정의하고 관심 영역 관리자에 추가합니다. 연골의 평균 회색 값을 측정합니다. 수조와 연골의 초기 농도를 기반으로 선형 보정 곡선을 사용하여 수조와 연골의 평균 회색 값을 용질 농도로 변환합니다.시간 경과에 따른 용질 농도를 그래프로 표시합니다. FEBio 소프트웨어를 사용하여 확산의 계산 모델링을 시작하려면 표면 영역이 연골 두께의 20%를 구성하고, 중간 영역이 50%를 나타내고, 깊은 영역이 30%를 나타내는 유한 수조

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

생명공학

활액 액체 높은 수준의 culturing 인간의 관절 chondrocytes의 3D 시스템이 설명되어 있습니다. 활액 액체는 관절 연골의 가장 자연 microenvironment을 반영하고, 쉽게 얻은하고 저장할 수 있습니다. 이 시스템은 따라서 연골 재생을 공부 및 관절염 치료를위한 심사 치료제 사용할 수 있습니다.

활액 유체에 Culturing 인간 관절 Chondrocytes을위한 3D 시스템

연골 복구는 충족되지 않은 의학적 도전을 나타내며 인간의 관절 연골을 엔지니어링하기 위한 세포 기반 접근 방식은 유망한 솔루션입니다. 여기에서는 3차원(3D) 생체 모방 하이드로겔을 인간 관절 연골 세포의 확장 및 성숙을 위한 이상적인 도구로 설명합니다.

관절 연골 세포 문화와 연골 생성을위한 3D 하이드로 겔 공사장 공중 발판

우리는 응용 프로그램 제어 기계 부하 또는 영향의 후 그대로 murine 관절의 관절 표면에 세포 상해/죽음의 공간 범위를 평가 하는 방법을 제시. 관절염, 유전 요인 및 다른 로드 regimens 영향 chondrocytes 제자리에서 의 취약점을 조사 하기 위해이 메서드를 사용할 수 있습니다.

실시간 시각화 및 Chondrocyte 부상 때문에 완전히 그대로 Murine 연골 Explants 기계적 부하의 분석

관절 경 수술 중 검사는 일반적으로 연조직의 상태를 평가하기 위해 수행되지만,이 방법은 항상 주관적이고 질적이었습니다. 이 보고서는 관절 경 동안 삼액력 센서를 통해 연조직의 저항을 정량적으로 측정할 수 있는 프로빙 장치를 설명합니다.

관절 경 동안 연조직의 기계적 특성을 정량적으로 측정하기 위한 프로빙 장치

이 프로토콜은 금속 임플란트 물질에 대해 슬라이딩 하는 골연드랄 실린더의 준비, 생체 교정 테스트 및 분석을 설명합니다. 이 프로토콜에 포함된 결과 측정은 대사 활동, 유전자 발현 및 히스토로지입니다.

임플란트용 금속에 대한 관절 연골 슬라이딩의 생체 립학 테스트 및 분석

이 프로토콜은 연골에서 양이온 펩티드 캐리어에 대한 평형 섭취량, 침투 깊이 및 비 평형 확산 속도를 결정합니다. 운송 특성의 특성화는 효과적인 생물학적 반응을 보장하는 데 중요합니다. 이러한 방법은 음전하 조직을 대상으로 최적의 충전 약물 운반사업자를 설계하는 데 적용될 수 있다.

양이온 펩타이드 캐리어의 인트라-연골 수송 특성의 특성화

여기에서는 20N 이상의 60 순환 압박에 의해 생성 된 쥐 무릎의 순환 로딩 유도 관절 내 연골 병변 모델을 제시하여 쥐의 대퇴 과두 연골에 손상을 입 힙니다.

래트 무릎의 순환 로딩 유도 관절내 연골 병변 모델을 생성하기 위한 비침습적 방법

여기에서, 우리는 골관절염을 위한 모형으로 이용된 연골 이병 에서 그들의 이동 그리고 upup를 감시하기 위하여 혈소판 lysate 유래 세포외 소포를 레이블을 붙이는 프로토콜을 제시합니다.

연골 내의 마이그레이션 및 섭취 모니터링을 위한 세포외 소포 라벨링

본 프로토콜은 두 개의 접촉하는 생물학적 카운터페이스에 동시 상호 슬라이딩 및 정상 하중을 적용하는 마찰 시험 장치를 기술한다.

마찰 테스트 - 활막 관절 생물 역학, Mechanobiology 및 물리적 조절 연구를위한 생물 반응기 장치

우리는 인간 무릎 관절의 연골, 뼈, 지방 패드 및 활막을 재현하는 데 사용되는 인간 중간엽 줄기 세포에서 4가지 유형의 조직을 생성하는 자세한 방법을 제공합니다. 이 4 개의 조직은 맞춤형 생물 반응기에 통합되고 미세 유체를 통해 연결되어 무릎 관절 온 칩을 생성합니다.

관절 질환 모델링 및 약물 테스트를 위한 무릎 관절 칩 생성

원자력 현미경 미세 압입과 관련된 가장 일반적인 문제를 식별하고 해결하기 위한 단계별 접근 방식을 제시합니다. 우리는 다양한 정도의 골관절염 유발 퇴행을 특징으로 하는 토착 인간 관절 연골 외식에 대한 새로운 문제를 예시합니다.

인간 관절 연골 외식물에 대한 원자력 현미경 기반 미세 압입의 실제 문제 해결

학습하세요 관절 연골에서 중성 및 음이온 용질의 확산을 실험 및 유한 요소 모델링으로 분석하는 방법을. 미세컴퓨터 단층촬영과 FEBio 소프트웨어를 활용하여 확산 계수와 고정 전하 밀도를 정량화할 수 있습니다.

실험적 및 유한 요소 의정서는 관절 연골에서 중립 및 충전 용질의 운송을 조사하기 위해

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