Używanie artrometru kolana do oceny specyficznego dla tkanki wkładu w przykurcz zgięcia kolana u szczura

Podsumowanie

Celem protokołu jest zmierzenie zakresu ruchu kolana szczura. Skutki różnych chorób, które zwiększają sztywność stawu kolanowego i skuteczność leczenia, można określić ilościowo.

Streszczenie

Normalny zakres ruchu kolan (ROM) jest krytyczny dla dobrego samopoczucia i pozwala wykonywać podstawowe czynności, takie jak chodzenie, wchodzenie po schodach i siedzenie. Utracony ROM nazywany jest przykurczem stawów i powoduje zwiększoną zachorowalność. Ze względu na trudność w odwróceniu powstałych przykurczów stawu kolanowego ważne jest wczesne wykrycie, a co za tym idzie, niezbędna jest znajomość czynników ryzyka ich rozwoju. Szczur stanowi dobry model, za pomocą którego można badać efekt interwencji ze względu na podobieństwo anatomii kolana szczura do anatomii kolana człowieka, zdolność szczura do tolerowania długiego czasu unieruchomienia kolana w zgięciu, a także dlatego, że dane mechaniczne można skorelować z analizą histologiczną i biochemiczną tkanki kolana.

Korzystając z automatycznego artrometru, demonstrujemy sprawdzoną, precyzyjną, powtarzalną, niezależną od użytkownika metodę pomiaru przedłużenia ROM stawu kolanowego szczura przy określonych momentach obrotowych. Ten stawomierz może być używany do określania wpływu interwencji na ROM stawu kolanowego u szczura.

Wprowadzenie

Posiadanie pełnego zakresu ruchu (ROM) stawów jest kluczowe dla zdrowia i dobrego samopoczucia¹. Utrata wspólnej pasywnej pamięci ROM nazywana jest przykurczem². Przykurcze stawów mogą wynikać z wielu schorzeń, w tym długotrwałego leżenia w łóżku, paraliżu, endoprotezoplastyki stawów, oparzeń, infekcji i schorzeń neurologicznych^1,3,4,5. Przykurcz kolana może być powodujący niepełnosprawność, ponieważ przyspiesza zwyrodnienie stawów, zwiększa ryzyko upadków i szkodliwie wpływa na zdolność osoby do wykonywania podstawowych zadań funkcjonalnych, w tym chodzenia, siedzenia i wchodzenia po schodach^6,7.

Po ustaleniu, przykurcze kolana są trudne do wyleczenia, dlatego ustalenie, którzy pacjenci są najbardziej narażeni na rozwój tego schorzenia, jest niezbędne do zapobiegania i unikania zachorowalności związanej z przykurczami⁸. Eksperymenty mają na celu ocenę 1) warunków powodujących lub wpływających na przykurcze stawu kolanowego, 2) nasilenia przykurczów, 3) ich postępu czasowego, 4) tkanek zaangażowanych w przykurcz, 5) ich odwracalności, a także 6) przydatności różnych interwencji profilaktycznych i leczniczych w zakresie ROM stawu kolanowego. We wszystkich tych eksperymentach kluczowe znaczenie ma ważna, obiektywna, precyzyjna i odtwarzalna metoda pomiaru pamięci ROM. Inne miary pomocnicze (wydatek energetyczny, histomorfometria, ekspresja genów i zawartość białka) są użytecznymi markerami do zrozumienia patofizjologii przykurczów stawów, ale ograniczenie mechaniczne jest tym, co ogranicza pacjenta i prowadzi do niepełnosprawności. Niektóre z wyzwań w tym obszarze badań obejmują niejednorodne metody, za pomocą których ROM kolana może być testowany eksperymentalnie, a także brak danych ilościowych⁹. Stosowanie wielu różnych metod eksperymentalnych prowadzi do wyników, które nie są porównywalne w różnych laboratoriach. Doprowadziło to do kontrowersji dotyczących warunków (takich jak unieruchomienie lub endoprotezoplastyka stawów), które powodują przykurcze stawów¹⁰. W związku z tym potrzebna jest zautomatyzowana metoda eksperymentalnego pomiaru wspólnej pamięci ROM po interwencji.

Tutaj opisujemy niezależny od użytkownika, ważny, precyzyjny i powtarzalny protokół oceny ROM kolana szczura za pomocą specjalnie zbudowanego artrometru połączonego z kamerą cyfrową do precyzyjnego pomiaru ROM kolana w wyprostu. Zbadaliśmy wpływ różnych okresów unieruchomienia na ROM kolana. Następnie opisujemy metody pomiaru pamięci ROM przy określonych momentach obrotowych na wynikowych obrazach cyfrowych przy użyciu stałych kostnych punktów orientacyjnych. Ogólnie rzecz biorąc, metody te niezawodnie mierzą ROM kolana szczura i dostarczają danych ilościowych.

Protokół

Zastosowany model unieruchomienia kolana szczura został zatwierdzony przez Służbę Opieki nad Zwierzętami i Weterynaryjną Uniwersytetu w Ottawie oraz lokalną komisję etyki.

1. Przygotowanie zwierząt

1. Pod koniec ustalonego okresu unieruchomienia szczury należy poddać eutanazji poprzez podanie dwutlenku węgla.
   UWAGA: Tutaj użyliśmy modelu unieruchomienia z płytką i 2 (jedna umieszczona w bliższej części kości udowej, a druga w dystalnej kości piszczelowej), który pozwala uniknąć naruszenia jakichkolwiek struktur stawu kolanowego i utrzymuje pozycję zgiętą w kolanie pod kątem 135°, jak opisano wcześniej⁶. Z biegiem czasu powoduje to przykurcz zgięciowy kolana¹¹.
2. Przykryj obszar zarówno na powierzchni, na której zostanie umieszczony stawomierz, jak i wokół niego, chłonnymi, wodoodpornymi podkładkami ochronnymi. Podczas wykonywania eksperymentu noś rękawice, fartuch laboratoryjny i okulary ochronne.
3. Za pomocą skalpela podziel skórę, aby odsłonić płytkę i (patrz uwaga po kroku 1.1); włóż bardziej proksymalną do bliższej kości udowej i włóż bardziej dystalną do dystalnej kości piszczelowej. Badanie palpacyjne, aby zlokalizować. Gdy są dostępne, wykręć za pomocą śrubokręta.
   UWAGA: W okresie unieruchomienia mogą zostać pokryte tkanką miękką. W takim przypadku użyj skalpela, aby delikatnie usunąć tkankę i odsłonić.
4. Po wykręceniu usuń płytkę ręcznie lub za pomocą kleszczy z zestawu do preparacji.
5. Za pomocą nożyczek i kleszczy osusz kończynę dolną, aby usunąć skórę z leżącej pod nią powięzi.

2. Pozycjonowanie zwierząt na motoryzowanym artrometrze

UWAGA: Wszystkie testy powinny być wykonywane w temperaturze pokojowej. Tutaj artrometr jest zasilany ze standardowego wejścia North American 120 V. Wyjście adaptera to 12 V i 500 mA.

1. Ustaw badane zwierzę na boku z nogą doświadczalną (nogą, która ma być badana) skierowaną do góry (Rysunek 2).
   1. Zabezpiecz kość udową w rowkowanym metalowym zacisku, który jest zintegrowany ze stopniem montażowym stawomierza. Przebij w mięśniu za pomocą precyzyjnego śrubokręta, aby umieścić zacisk dystalnie do krętarza większego i zabezpieczyć kość udową. Wyreguluj boczny kłykieć kości udowej nad środkiem obrotu stawomierza (Rysunek 1, 2).
   2. Ustaw ruchome ramię z dwoma pionowymi słupkami za nogą, tuż nad kością piętową, aby popchnąć kolano do pasywnego wyprostu po aktywacji silnika elektrycznego.
   3. Dokręć kość udową clamp u podstawy za pomocą klucza imbusowego, aż zostanie zabezpieczony.
2. Upewnij się, że kamera jest prawidłowo zamontowana na artrometrze za pomocą śrubokręta i jest w trybie ręcznego ustawiania ostrości. Ustaw ostrość aparat na kłykciu kości udowej.
3. Wybierz ustawienie kierunku na artrometrze (zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) w zależności od kierunku badanego kolana ROM i pozycji szczura.
4. Aktywuj silnik artrometru, naciskając jednocześnie przycisk Power i Start.
   UWAGA: Konieczność jednoczesnego wciśnięcia przycisku zasilania i startu jest zabezpieczeniem urządzenia, które zapobiega przypadkowemu uruchomieniu.
   1. Zwróć uwagę, że silnik artrometru będzie poruszał się z prędkością 6.6 obr./min, a następnie zatrzyma się na 2.1 s po osiągnięciu pierwszego ustawionego momentu obrotowego.
   2. UWAGA: po osiągnięciu pierwszego momentu obrotowego zaświeci się odpowiednia dioda LED, a aparat cyfrowy automatycznie zrobi zdjęcie kolana.
      UWAGA: Po zrobieniu zdjęcia stawromierz przejdzie do następnego, wyższego ustawionego momentu obrotowego. Po przyłożeniu czterech momentów obrotowych artrometr zatrzyma się. Po umieszczeniu szczura na stawometrze i rozpoczęciu badania, całkowity czas badania jednego kolana wynosi około 18,8 s. Czas może się nieznacznie różnić w zależności od stanu przykurczu stawu. Wykonane obrazy służą do pomiaru wysuwu przy każdym momencie obrotowym.

3. Rejestrowanie kąta wyprostu kolana za pomocą motoryzowanego artrometru

UWAGA: Gdy silnik zatrzyma się przy każdym przyłożonym momencie obrotowym, uruchamiana jest kamera cyfrowa, która robi zdjęcie. Kamera jest umieszczona na kadrze w taki sposób, że znajduje się bezpośrednio nad badanym stawem kolanowym i skupia się na kłykciu kości udowej.

1. Kontynuować badanie z tym samym kolanem od tego samego zwierzęcia, ale w innej sytuacji, np. po wykonaniu miotomii tylnych mięśni stawowych w celu wyizolowania artrogennego (niemięśniowego) składnika przykurczu lub z kolanem od innego zwierzęcia.
   1. Po zakończeniu miotomii należy wypreparować mięsień proksymalny na tyle blisko stawu kolanowego, aby upewnić się, że torebka nie zostanie przecięta.
      UWAGA: Najłatwiej jest wykonać miotomię, gdy noga jest w wyprostu, po zastosowaniu ustawienia momentu obrotowego 4 (17,53 N-cm). Następnie powtórz kroki od 2.1 do 3.1.
2. Po przetestowaniu obu nóg we wszystkich warunkach (np. przed i po miotomii) należy usunąć tuszę zwierzęcą i wszystkie materiały niebezpieczne biologicznie zgodnie z protokołem instytucjonalnym i wyczyścić stawrometr.

4. Analiza pomiaru ROM kolana

1. Analizowanie pamięci ROM za pomocą ImageJ.
   UWAGA: Tutaj użyto wersji 1.45s.
2. Otwórz plik zawierający obraz cyfrowy wykonany przez kamerę zamontowaną na artrometrze szczurów.
   UWAGA: Osoba przeprowadzająca analizę powinna być ślepa na eksperymentalne grupowanie zwierzęcia (np. unieruchomione kontra kontrolne).
3. Wybierz narzędzie Kąt z głównego paska narzędzi i prześledź kąt kości udowo-piszczelowej, rysując linię udową od środka zacisku kości udowej do kłykcia bocznego (wyrównaną z trzonem kości udowej, Rysunek 2) oraz linię piszczelową od bocznego kłykcia kości udowej do kostki bocznej (Rysunek 2).
   UWAGA: Kąt udowo-piszczelowy odpowiada maksymalnemu kątowi wyprostu kolana osiąganemu przy każdym ustawionym momencie obrotowym.
4. Użyj narzędzia pomiarowego, klikając Analizuj | Zmierz, aby pokazać obliczony kąt wytworzony przez 2 linie narysowane powyżej. Użyj konwencji 0°, aby oznaczać pełne rozciągnięcie.

Wyniki

Ilość wyprostu kolana określona dla różnych okresów bezruchu jest sumowana dla wydłużających się okresów bezruchu i pokazuje, że poważniejsze przykurcze powstawały po zwiększeniu długości unieruchomienia. Reprezentatywne wyniki przy użyciu ImageJ są pokazane w Rysunek 3.

Możliwość pomiaru maksymalnego wyprostowania kolan szczurów w ważny, precyzyjny i powtarzalny, niezależny od użytkownika sposób, k...

Dyskusja

Artrometr kolana szczura został opracowany w celu powtarzalnego i niezawodnego określenia maksymalnego wyprostu kolana szczura po interwencji. Do zalet tego urządzenia należy stałe generowanie momentu obrotowego w poprzek stawu kolanowego przy stałej długości ramienia i sile wyprostu. Kolejną zaletą jest możliwość ustawienia momentu obrotowego na poziomie, który pozwala na powtarzalne testowanie na tym samym stawie w celu oceny wpływu różnych struktur stawowych na ROM kolana, takich jak mięsień, torebka lub więzadło. Na ...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Arthrometer	Centrum Rehabilitacji Szpitala w Ottawie - Inżynieria Rehabilitacji	Nie dotyczy
aparatu		Canon EOS-500D	Powszechnie znany jako EOS Rebel T1i
ImageJ	National Institutes of Health	Wersja 1.45s Podkładki
absotbent	VWR	820202-845
Zestaw preparacyjny	Fisher	08-855	Zestaw zawiera:  Kleszcze: średniopunktowe, niklowane   Nożyczki: 1,5 cala Ostrza (40 mm), stal nierdzewna   Rękojeść noża preparacyjnego: niklowana   Ostrza noża: stal nierdzewna, opakowanie 3   Pigaz upuszczający: szkło   Wygięta igła preparacyjna: stal nierdzewna z plastikową rękojeścią   Prosta igła preparacyjna: stal nierdzewna z plastikową rękojeścią Linijka winylowa 6 cali. (15 cm)
Precyzyjny śrubokręt	Mastercraft	057-3505-8
Ostrza skalpela - #10	Fine Science Tools	10010-00
Śrubokręt	Stanley	057-3558-2
Klucze imbusowe	Mastercraft	058-9684-2
Uniwersalny adapter proszkowy AC na DC	RCA	108004951