Ten protokół opisuje przygotowanie, badania biotribologiczne i analizę cylindrów kostno-chrzęstnych ślizgających się po metalowym materiale implantu. Miarami wyników zawartymi w tym protokole są aktywność metaboliczna, ekspresja genów i histologia.
Artykuł metodologiczny
Ten protokół opisuje przygotowanie, badania biotribologiczne i analizę cylindrów kostno-chrzęstnych ślizgających się po metalowym materiale implantu. Miarami wyników zawartymi w tym protokole są aktywność metaboliczna, ekspresja genów i histologia.
Wady kostno-chrzęstne u pacjentów w średnim wieku mogą być leczone za pomocą ogniskowych implantów metalowych. Implanty, które po raz pierwszy zostały opracowane z myślą o wadach stawu kolanowego, są obecnie dostępne dla barku, biodra, stawu skokowego i pierwszego stawu śródstopia-kości krzyżowej. Zapewniając zmniejszenie bólu i poprawę kliniczną, u wielu pacjentów obserwuje się postępujące zmiany zwyrodnieniowe przeciwstawnej chrząstki. Mechanizmy prowadzące do tego uszkodzenia nie są w pełni poznane. Protokół ten opisuje eksperyment trybologiczny mający na celu symulację parowania metalu na chrząstce i kompleksową analizę chrząstki stawowej. Metalowy materiał implantu jest testowany w porównaniu z bydlęcymi cylindrami kostno-chrzęstnymi jako model ludzkiej chrząstki stawowej. Stosując różne obciążenia i prędkości poślizgu, można naśladować fizjologiczne warunki obciążenia. Aby zapewnić kompleksową analizę wpływu na chrząstkę stawową, w niniejszym protokole opisano histologię, aktywność metaboliczną i analizę ekspresji genów. Główną zaletą badań tribologicznych jest to, że parametry obciążenia można dowolnie dostosowywać w celu symulacji warunków in vivo. Ponadto można zastosować różne rozwiązania testowe w celu zbadania wpływu środków smarnych lub prozapalnych. Za pomocą analizy ekspresji genów specyficznych dla chrząstki i genów katabolicznych można wykryć wczesne zmiany w metabolizmie chondrocytów stawowych w odpowiedzi na obciążenie mechaniczne.
Leczenie wad kostno-chrzęstnych jest wymagające i w wielu przypadkach wymaga operacji. W przypadku ogniskowych zmian kostno-chrzęstnych u pacjentów w średnim wieku ogniskowe implanty metalowe są realną opcją, zwłaszcza po niepowodzeniu podstawowego leczenia, takiego jak stymulacja szpiku kostnego (BMS) lub autologiczna implantacja chondrocytów (ACI)1. Częściowa wymiana powierzchni może być uważana za procedury ratunkowe, które mogą zmniejszyć ból i poprawić zakres ruchu2. Implanty te są zazwyczaj wykonane ze stopu CoCrMo i są dostępne w różnych rozmiarach i konfiguracjach offsetowych, aby dopasować się do normalnej anatomii3. Chociaż początkowo opracowano je z myślą o wadach przyśrodkowego kłykcia kości udowej w kolanie, takie implanty są obecnie dostępne i stosowane w biodrze, kostce, barku i łokciu4,5,6. Aby uzyskać zadowalający wynik, kluczowa jest ocena mechanicznego ustawienia stawu i stanu przeciwstawnej chrząstki. Ponadto wykazano, że prawidłowa implantacja bez wystającego implantu ma fundamentalne znaczenie7.
Badania kliniczne wykazały doskonałe krótkoterminowe wyniki w zakresie redukcji bólu i poprawy funkcji u pacjentów w średnim wieku w różnych lokalizacjach5,6,8. W porównaniu z implantacją przeszczepu allogenicznego, ogniskowe implanty metalowe umożliwiają wczesne przenoszenie ciężaru. Jednak przeciwległa chrząstka stawowa wykazywała przyspieszone zużycie u znacznej liczby pacjentów9,10. W związku z tym, nawet przy prawidłowym umieszczeniu, w wielu przypadkach zwyrodnienie rodzimej chrząstki wydaje się nieuniknione, podczas gdy mechanizmy leżące u podstaw pozostają niejasne. Podobne zmiany zwyrodnieniowe zaobserwowano po dwubiegunowej hemiartroplastyce stawu biodrowego11 i nasilają się wraz z aktywnością i obciążeniem12.
Eksperymenty trybologiczne dają możliwość badania takich par in vitro i symulowania różnych sytuacji obciążenia występujących w warunkach fizjologicznych13. Zastosowanie szpilek kostno-chrzęstnych oferuje prosty model geometryczny do zbadania trybologii ślizgania się chrząstki stawowej po chrząstce natywnej lub dowolnym materiale implantu14 i może być dalej stosowany w całych modelach symulacyjnych stawów15. Pary metal-chrząstka wykazują przyspieszone zużycie chrząstki, rozerwanie macierzy zewnątrzkomórkowej i zmniejszoną żywotność komórek w strefie powierzchownej w porównaniu z parowaniem chrząstka-chrząstka16. Uszkodzenie chrząstki występowało głównie w postaci rozwarstwienia między strefą powierzchowną a środkową17. Jednak mechanizmy prowadzące do zwyrodnienia chrząstki nie są do końca poznane. Protokół ten zapewnia kompleksową analizę aktywności biosyntetycznej chrząstki stawowej. Poprzez określenie aktywności metabolicznej i poziomów ekspresji genów katabolicznych można zidentyfikować wczesne oznaki rozpadu chrząstki. Zaletą eksperymentów tribologicznych in vitro jest to, że parametry obciążenia można dostosować tak, aby imitowały różne warunki obciążenia.
Stąd, poniższy protokół jest odpowiedni do symulacji pary metal-chrząstka, reprezentując eksperymentalny model hemiartroplastyki.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie metalowych cylindrów
2. Pobieranie cylindrów kostno-chrzęstnych
3. Badania trybologiczne
4. Analiza
UWAGA: Cylinder kostno-chrzęstny jest analizowany pod kątem aktywności metabolicznej i ekspresji genów w celu zbadania aktywności biologicznej; histologia jest wykonywana w celu zbadania integralności powierzchni chrząstki i leżącej pod nią matrycy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Obszar kontaktu i nacisk musi być potwierdzony za pomocą filmu do pomiaru ciśnienia (Rysunek 1). Fizjologiczny stan obciążenia można potwierdzić poprzez porównanie z odciskami referencyjnymi dla zdefiniowanych nacisków kontaktowych. Podczas testów współczynnik tarcia jest stale monitorowany. Przy migrującym obszarze styku niski współczynnik tarcia może być utrzymany przez co najmniej 1 godzinę (Rysunek 2). Za pomocą barwienia Safraniną O można określić skład i strukturę macierzy ze...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ogniskowe implanty metalowe stanowią procedurę ratunkową w przypadku wad kostno-chrzęstnych, zwłaszcza u pacjentów w średnim wieku i po nieudanym leczeniu podstawowym. Chociaż badania kliniczne wykazały obiecujące wyniki krótkoterminowe, jednym z zaobserwowanych powikłań jest uszkodzenie przeciwstawnej, rodzimej chrząstki10. Badania zwłok i badania biomechaniczne pokazują wyraźne dowody na to, że prawidłowa implantacja z płaskim lub lekko wklęsłym ustawieniem utrzymuje naturalne naciski kontaktowe...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają sprzecznych interesów.
Badania zostały sfinansowane przez NÖ Forschungs- und Bildungsges.m.b.H. oraz rząd kraju związkowego Dolnej Austrii w ramach programu Life Science (ID projektu: LSC15-019) oraz przez austriacki program COMET (Projekt K2 XTribology, grant nr 849109).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Amfoterycyna B | Sigma? Aldrich Chemie GmbH | A-2942-100ML | |
| buforowany roztwór formaldehydu 4% | VWR | 97131000 | |
| II (XTT) | Roche Diagnostics | 11465015001 | Test toksykologiczny ex vivo oparty na XTT |
| Surowiec CoCrMo | Acnis International | Pręty CoCrMo o średnicy 6 mm | |
| CryoStar NX70 Cryostat | Thermo Fischer Scientific | urządzenie do kriosekcji | |
| dimetylosulfotlenek (DMSO) | Sidma-Aldrich Chemie | D 2438-10ML | |
| Dulbecco' s zmodyfikowany Orzeł" s średnia | Sigma? Aldrich Chemie GmbH | średnia | |
| płodowa surowica bydlęca | Gibco | ||
| Kwas hialuronowy | Anika Therapeutics Inc. | składnik roztworu smarującego | |
| iCycler | BioRad | termocykler | |
| Mikroskop Leica DM?1000 | Leica | do histologii | |
| Folia uszczelniająca LightCycler 480 | Diagnostics Termocykler | ||
| LightCycler 96 | Roche Diagnostics | do PCR | |
| MagNA Lyser Zielone Koraliki | Roche Diagnostics | ||
| System transferu autoprzeszczepu kostno-chrzęstnego (OATS) | Arthrex Inc. | Rura tnąca do zbioru cylindrów kostno-chrzęstnych | |
| osteosoft | Merck | 1017279010 | roztwór odkamieniający |
| Penicylina / Streptomycyna | Sigma? Aldrich Chemie GmbH | P4333-100ML | |
| sól fizjologiczna buforowana | Sigma? Aldrich Chemie GmbH | PBS | |
| Prescale Niskociśnieniowa | folia wskazująca ciśnienie | Fujifilm | |
| Zestaw tkanek włóknistych RNeasy | QIAGEN | 74404 | |
| Synergy 2 | Czytnik płytek | BioTek Instruments | |
| Tetra? Falex MUST | Falex Tribology | Tribometer | |
| Tissue? Tek O.C.T. | SAKURA | 4583 | preparat do zatapiania |
| Transkryptor Zestaw do syntezy pierwszej nici cDNA Roche | Diagnostics | 40897030001 | |
| β-merkaptoetanol | Sidma-Aldrich Chemie | M3148 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie