Artykuł metodologiczny

Pasywny system do testowania zgięcia grzbietowego stawu skokowego dla modelu in vivo tendinopatii wywołanej przeciążeniem

1.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/65803

⸱

1 marca 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Musculoskeletal Translational Innovation Initiative, Carl J. Shapiro Department of Orthopaedic Surgery, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School, 2Mechanical Engineering Department, Boston University, 3Carl J. Shapiro Department of Orthopaedic Surgery, Beth Israel Deaconess Medical Center, Harvard Medical School, 4Department of Orthopaedic Surgery, Yerevan State Medical University

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół przedstawia system testowy używany do wywoływania mierzalnych i kontrolowanych urazów zmęczeniowych u ścięgna Achillesa u szczura dla modelu in vivo tendinopatii wywołanej nadużywaniem. Procedura polega na przymocowaniu kostki szczura do siłownika stawu, który wykonuje pasywne zgięcie grzbietowe kostki za pomocą specjalnie napisanego skryptu MATLAB.

Streszczenie

Tendinopatia to przewlekła choroba ścięgna, która powoduje ból i utratę funkcji i jest spowodowana powtarzającym się przeciążeniem ścięgna i ograniczonym czasem regeneracji. Protokół ten opisuje system testowy, który cyklicznie przykłada obciążenia mechaniczne poprzez bierne zgięcie grzbietowe do ścięgna Achillesa szczura. Napisany na zamówienie kod składa się z pomiarów obciążenia przed i po cyklicznym obciążeniu w celu oceny skutków protokołu obciążenia wraz ze schematem cyklicznego obciążenia zmęczeniowego opartym na kontroli sprzężenia zwrotnego.

Użyliśmy 25 szczurów Sprague-Dawley do tego badania, przy czym 5 szczurów na grupę otrzymało 500, 1000, 2000, 3600 lub 7200 cykli obciążeń zmęczeniowych. Obliczono procentowe różnice między wstępnymi i pocyklicznymi pomiarami obciążenia histerezy, naprężeń szczytowych oraz modułów obciążenia i odciążenia. Wyniki pokazują, że system może indukować uszkodzenia ścięgna Achillesa w różnym stopniu w zależności od liczby przyłożonych obciążeń. System ten oferuje innowacyjne podejście do stosowania ilościowych i fizjologicznych różnych stopni cyklicznych obciążeń ścięgna Achillesa w modelu in vivo uszkodzenia ścięgna spowodowanego przeciążeniem spowodowanym zmęczeniem.

Wprowadzenie

Ponieważ ścięgna łączą mięśnie z kośćmi i doświadczają codziennych powtarzających się ruchów przez całe swoje życie, są bardzo podatne na urazy związane z nadużywaniem, które są bolesne i ograniczające oraz powodują upośledzenie funkcji mechanicznych, dotykając 30-50% populacji1. Tendinopatie są przewlekłymi stanami uważanymi za urazy związane z przeciążeniem spowodowane powtarzającymi się ruchami zmęczenia i nieodpowiednim gojeniem do poziomu sprzed urazu. Często dotyczy to zarówno kończyn górnych, jak i dolnych, w tym stożka rotatorów, łokcia, ścięgna Achillesa i ścięgna rzepki2,3,4,5. Tendinopatia Achillesa jest powszechna w czynnościach związanych z bieganiem i skakaniem, zwłaszcza sportowców uprawiających lekkoatletykę, biegi średnio- i długodystansowe, tenis i inne sporty z piłką, dotykając 7-9% biegaczy6,7. Urazy spowodowane bieganiem i skakaniem mogą również powodować ograniczone zgięcie grzbietowe kostki, co jest czynnikiem ryzyka tendinopatii ścięgna Achillesa i rzepki8,9,10. W związku z tym istnieje potrzeba lepszej oceny i charakterystyki tendinopatii, którą to badanie może dostarczyć jako szczurzy model pasywnego zgięcia grzbietowego kostki w przypadku nadmiernych urazów ścięgna Achillesa.

Poprzednia praca z wykorzystaniem małych modeli zwierzęcych miała na celu zbadanie rozwoju i markerów tendinopatii. Należą do nich ćwiczenia na bieżni, powtarzalne sięganie, bezpośrednie obciążanie ścięgien, zastrzyki z kolagenazy, chirurgia i badania in vitro11,12,13,14,15,16. Chociaż literatura skorzystała na identyfikacji markerów uszkodzeń dzięki zastosowaniu tych modeli tendinopatii, ograniczenia obejmują obciążenie ścięgna w niefizjologicznie istotnych ruchach stawów, jak w przypadku bezpośredniego obciążenia ścięgna, brak bezpośredniego pomiaru przyłożonych obciążeń, takich jak w przypadku badań na bieżni, oraz niestosowanie fizjologicznego nadużywania, jak w przypadku zastrzyków kolagenazy, między innymi. W tym celu badanie to miało na celu opracowanie systemu, który nieinwazyjnie przykłada ilościowe obciążenia ścięgna Achillesa z zastosowaniem do badań tendinopatii wywołanych przeciążeniem, aby wypełnić luki we wcześniej opracowanych małych modelach zwierzęcych tendinopatii. Przeprowadziliśmy badanie pilotażowe, aby wykazać, że system wywołuje powtarzalne zmiany właściwości mechanicznych w całym zakresie cykli obciążenia. System ten umożliwia fizjologicznie istotny ruch i obciążenie w celu wywołania przeciążenia, jednocześnie określając ilościowo i mierząc siły przyłożone do ścięgna i doświadczane przez nie podczas schematu obciążenia.

Protokół

Badanie to zostało przeprowadzone zgodnie z zatwierdzeniem Instytucjonalnego Komitetu ds. Opieki i Korzystania ze Zwierząt (IACUC) w Beth Israel Deaconess Medical Center. Zwierzęta znieczulono przy użyciu 5% isofluranu do indukcji oraz 2,5% do podtrzymania znieczulenia, a ponadto zadbano o uniknięcie hipotermii.

1. Konfiguracja systemu testowego

  1. Steruj pasywną rotacją stawu skokowego za pomocą silnika krokowego, aby zapewnić stałe obroty i moment obrotowy. Steruj silnikiem krokowym za pomocą mikrokontrolera. Wykorzystaj dane wejściowe z systemu pozycjonowania i orientacji 3D do wyznaczenia stopni rotacji. Wykorzystaj sygnały wyjściowe z czujnika momentu obrotowego do sterowania zwrotnego w celu zwiększenia kąta zgięcia grzbietowego, jeśli nie zostanie osiągnięty próg limitny.
  2. W pierwszej kolejności należy podłączyć mikrokontroler, czujnik momentu obrotowego oraz trójwymiarowy system pozycjonowania elektromagnetycznego i orientacji do komputera oraz zasilacza. Sterowanie systemem wykonanym na zamówienie odbywa się za pomocą autorskiego kodu MATLAB (Rysunek 1). Pobierz pliki z kodem MATLAB z serwisu GitHub i postępuj zgodnie ze szczegółowymi instrukcjami uruchamiania kodu zamieszczonymi na stronie GitHub (https://github.com/Nazarian-Lab/PassiveAnkleDorsiflexionSystem).
  3. Otwórz program MATLAB wraz z plikami kodu. Uruchom oprogramowanie PDImfc, aby połączyć trójwymiarowy system pozycjonowania i orientacji elektromagnetycznej z programem MATLAB. Kliknij Połącz | Ciągły P&O | StartSockExport()Pozostaw aplikację otwartą w tle.

2. Ex-vivo i pośmiertnie

  1. Uśmierć sześć 13-tygodniowych szczurów Sprague-Dawley poprzez inhalację CO2 oraz wtórną metodę eutanazji poprzez torakotomię. Wypreparuj prawy ścięgno Achillesa wraz z nienaruszoną kością piętową i połączeniem mięśniowo-ścięgnistym. Zamroź w temperaturze -20° C, aby przeprowadzić testy mechaniczne w późniejszym terminie. Po rozmrożeniu, precyzyjnym wypreparowaniu i przygotowaniu ścięgna do testów mechanicznych, przeprowadź próbę rozciągania do zerwania, aby uzyskać maksymalną wytrzymałość na rozciąganie (UTS) ścięgna (obciążenie wstępne do 0,1 N, kondycjonowanie przez 10 cykli w zakresie 0,1 - 1 N, obciążanie do zerwania przy stałym przemieszczeniu 0,1 mm/s). Wykorzystaj 15% wartości UTS jako parametr wejściowy dla systemu w celu przeprowadzenia kondycjonowania w późniejszym etapie, zgodnie z opisem w kroku 3.4.
  2. Uśmierć kolejną grupę pięciu zwierząt tą samą procedurą w celu pomiaru ramienia momentu siły i odkształcenia. Wykonaj zdjęcie rentgenowskie lewej kończyny ze stawem skokowym w 90° zgięcia grzbietowego obok linijki służącej jako punkt odniesienia. Otwórz obraz rentgenowski w programie Fiji i, używając linijki na zdjęciu jako odniesienia, zmierz ramię momentu ścięgna od centrum rotacji stawu skokowego do tylnej części kostki; wartość ta zostanie użyta jako parametr wejściowy w kodzie MATLAB do przeliczenia siły wejściowej dla kondycjonowania opisanego w kroku 2.1 na odpowiadającą jej wartość momentu obrotowego, a także do konwersji między wynikowym momentem obrotowym a siłą podczas analizy danych.
  3. Unieruchom lewą kończynę tylną, mocując taśmą dwie szyny, aby ustawić kolano w pełnym wyproście. Delikatnie zgnij staw skokowy grzbietowo, naciskając na palce, aby upewnić się, że rotacja stawu skokowego wynika z izolowanego działania ścięgna, a nie z udziału otaczających tkanek miękkich, i że ścięgno jest napięte. Jeśli nie jest napięte lub występuje ruch w kolanie, ponownie zamocuj szynę.
  4. Odsłoń ścięgno, usuwając skórę wokół ścięgna Achillesa. Nałóż klej na aluminiową kuleczkę o średnicy 1/32 cala, umieść ją na wolnym odcinku ścięgna najbliżej połączenia mięśniowo-ścięgnistego ścięgna Achillesa i użyj patyczka higienicznego z solą fizjologiczną, aby usunąć nadmiar kleju. Przez cały czas trwania pozostałej procedury wielokrotnie aplikuj sól fizjologiczną na ścięgno Achillesa, aby zapewnić wilgotność tkanki.
  5. Przed przyłożeniem jakiegokolwiek obciążenia zmierz pole przekroju poprzecznego ścięgna za pomocą suwmiarki cyfrowej. Przyjmij, że ścięgno ma kształt elipsy i zmierz szerokość oraz grubość w trzech powtórzeniach.
  6. Umieść szczura na platformie całego ciała w pozycji brzusznej. Zabezpiecz staw skokowy na siłowniku stawowym za pomocą opaski zaciskowej wokół kostki i drugiej wokół palców, a szynę kolanową przymocuj dwiema opaskami zaciskowymi. Obróć oś tak, aby staw skokowy znajdował się w pełnym zgięciu podeszwowym.
  7. Podłącz pióro digitalizujące 3D elektromagnetycznego systemu pozycjonowania i orientacji do komputera i włącz zasilacz.
  8. Uruchom kod systemu (opisany bardziej szczegółowo w Kroku 3) na określoną liczbę cykli (w niniejszym badaniu sześć uśmierconych szczurów poddano 7 200 cyklom).
  9. W cyklach 0, 500, 1 000, 2 000, 3 600 i 7 200 dla pomiarów odkształcenia ex vivo, przerwij schemat obciążania cyklicznego i zmierz długość ścięgna od kości piętowej do aluminiowej kuleczki w odstępach 5° od 0 do 40° zgięcia grzbietowego (limit ruchu wynikający z ograniczeń fizycznych systemu), używając 3D pióra digitalizującego w trzech powtórzeniach w sposób naprzemienny.
  10. Oblicz odkształcenie ścięgna przy różnych kątach, korzystając z długości uzyskanych w kroku 2.9, gdzie długość początkowa jest mierzona przy 0° zgięcia grzbietowego dla każdego numeru cyklu. Przeprowadź dopasowanie liniowe, aby uzyskać zależność między kątem zgięcia grzbietowego a odkształceniem dla każdego numeru cyklu. Wykorzystaj tę zależność do przeliczenia surowych danych kątowych na odkształcenie podczas analizy danych.
  11. Oblicz pole przekroju poprzecznego ścięgna za pomocą suwmiarki cyfrowej przy 40° zgięcia grzbietowego, zakładając nieściśliwość (stałą objętość), na podstawie pomiarów długości ścięgna przy 0° i 40° oraz zmierzonego pola przekroju poprzecznego przy 0°. Wykorzystaj to pole przekroju poprzecznego dla każdej liczby cykli, aby przeliczyć siłę na naprężenie podczas analizy danych (naprężenie = siła / pole przekroju poprzecznego).

3. Protokół obciążenia mechanicznego

  1. W tej części badania wykorzystano 25 samic szczurów Sprague-Dawley w wieku 11 tygodni, z których po 5 zwierząt losowo przydzielono do grup otrzymujących odpowiednio 500, 1 000, 2 000, 3 600 lub 7 200 cykli obciążenia zmęczeniowego.
    UWAGA: Prekondycjonowanie, wstępna kalibracja oraz pomiary przed i po obciążeniu trwają około 15 min, a schemat cyklicznego obciążenia zmęczeniowego zajmuje 1 sekundę na cykl. Zatem maksymalny czas przebywania szczura pod narkozą wynosi około 2 h; procedura została przeprowadzona zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez IACUC.
  2. Podłączyć mikrokontroler, czujnik momentu obrotowego oraz trójwymiarowy system pozycjonowania i orientacji elektromagnetycznej do komputera i zasilacza. Sterować systemem zbudowanym według własnego projektu za pomocą opracowanego wewnętrznie kodu MATLAB (Rysunek 1).
  3. Włączyć komputer i uruchomić program MATLAB z plikami kodu. Otworzyć oprogramowanie PDImfc, aby połączyć trójwymiarowy system pozycjonowania i orientacji elektromagnetycznej z programem MATLAB. Kliknąć Connect | Continuous P&O | StartSockExport(). Pozostawić aplikację uruchomioną w tle.
  4. Wprowadzić w narkozę za pomocą 5% izofluranu drogą wziewną w komorze indukcyjnej. Po indukcji unieruchomić zwierzę na platformie całociałowej z dołączonym elementem grzewczym na bazie wody w celu utrzymania temperatury oraz podtrzymać narkozę za pomocą 2,5% izofluranu poprzez maskę nosową. Nałożyć na oczy wilgotną maść, aby zapobiec ich wysychaniu podczas znieczulenia.
  5. Umieścić szczura na platformie całociałowej w pozycji brzusznej. Unieruchomić kostkę na siłowniku stawowym za pomocą opaski zaciskowej wokół kostki i drugiej wokół palców, a szynę kolanową przymocować dwiema opaskami zaciskowymi. Obrócić oś tak, aby kostka znajdowała się w pełnym zgięciu podeszwowym.
    UWAGA: Należy upewnić się, że opaski zaciskowe nie powodują ucisku ani obrażeń; należy zachować ostrożność podczas ich zacieśniania, a w razie potrzeby umieścić gazę między opaską a skórą w celu zapewnienia warstwy ochronnej.
  6. W przypadku kolejnych kroków obejmujących uruchamianie kodu systemu, w programie MATLAB należy kliknąć Run dla każdej sekcji kodu odpowiadającej konkretnemu testowi obciążeniowemu.
  7. Poddać kostkę 50 cyklom zgięcia do poziomu 15% maksymalnego naprężenia rozciągającego, w oparciu o wartość maksymalnego naprężenia rozciągającego ścięgna Achillesa uzyskaną z testów rozciągania do zerwania ex vivo przeprowadzonych zgodnie z krokiem 2.1.
  8. Przeprowadzić wstępną kalibrację ścięgna poprzez trzykrotne zgięcie grzbietowe do kąta 12°. Wykorzystać nachylenie liniowego obszaru fazy obciążania krzywej histerezy do obliczenia obszaru wykładniczego krzywej.
  9. Stopniowo zwiększać kąt zgięcia grzbietowego kostki, aż do uzyskania obszaru wykładniczego krzywej poprzez obliczenie nachylenia szczytu fazy obciążania krzywej (obliczone za pomocą opracowanego wewnętrznie kodu MATLAB) lub do osiągnięcia kąta 40°, w zależności od tego, co nastąpi wcześniej.
  10. Przy uzyskanym końcowym kącie przeprowadzić pięć cyklicznych pomiarów mechanicznych jako bazowe obciążenie wstępne.
  11. Przeprowadzić schemat cyklicznego obciążenia zmęczeniowego dla określonej liczby cykli (w niniejszym badaniu odpowiednio dla 500, 1 000, 2 000, 3 600 lub 7 200 cykli).
  12. Co 50 cykli obliczać nachylenie fazy obciążania krzywej histerezy (obliczone za pomocą opracowanego wewnętrznie kodu MATLAB), aby upewnić się, że nadal znajduje się ona w obszarze wykładniczym. Zwiększać kąt zgięcia grzbietowego o 1°, o ile nie osiągnięto już 40°, aż do uzyskania wspomnianego obszaru wykładniczego.
  13. Po zakończeniu schematu obciążenia cyklicznego przeprowadzić pięć cyklicznych pomiarów mechanicznych jako pomiary po obciążeniu przy początkowo wybranym kącie, aby zmierzyć właściwości mechaniczne ścięgna.
  14. Usunąć opaski zaciskowe i szynę. Przenieść zwierzę do komory rekonwalescencji. Nie pozostawiać zwierzęcia bez nadzoru, dopóki nie odzyska wystarczającej świadomości, po czym należy je przenieść do klatki. Monitorować zwierzęta codziennie pod kątem wystąpienia niepożądanych objawów klinicznych; w przypadku ich wystąpienia podawać buprenorfinę w dawce 1,2 mg/kg podskórnie raz na 72 h lub przeprowadzić przedwczesną eutanazję. Eutanazję zwierząt przeprowadzić po 7 dniach aktywności w klatce poprzez inhalację CO2 oraz pomocniczą metodę eutanazji w postaci torakotomii.
    ​UWAGA: Aplikacja obciążenia cyklicznego i pomiary mechaniczne zostały wykonane przy użyciu specjalnie wykonanego uchwytu składającego się z czujnika momentu obrotowego, wydrukowanego w technologii 3D siłownika stawu skokowego i legowiska dla zwierzęcia, trójwymiarowego systemu pozycji i orientacji elektromagnetycznej oraz silnika krokowego obracającego wałem w celu uzyskania zgięcia grzbietowego, jak wcześniej zgłoszono przez naszą grupę17. System ten jest sterowany skryptem MATLAB wspomnianym w kroku 1.2. Czujnik momentu obrotowego oraz system pozycji i orientacji rejestrują dane dotyczące momentu i pozycji podczas całego protokołu obciążania systemu.

4. Analiza danych

  1. Wczytaj oddzielnie dane sprzed i po pomiarze do programu MATLAB.
  2. Przelicz moment obrotowy na naprężenie, opierając się na zmierzonym ramieniu momentu z kroku 2.2 oraz polu przekroju poprzecznego zmierzonym po określonej liczbie przyłożonych obciążeń uzyskanych w kroku 2.11, korzystając z równań (1) i (2):
    Wzór na równowagę statyczną: siła=moment obrotowy/ramię momentu. Równanie do analizy momentu obrotowego.     (1)
    Równowaga statyczna; równanie: naprężenie = siła/pole przekroju poprzecznego; wzór z mechaniki materiałów.     (2)
  3. Przelicz kąt na odkształcenie na podstawie przelicznika uzyskanego w kroku 2.10.
  4. Oblicz średnią histerezę (pole powierzchni między krzywymi obciążania i odciążania), naprężenie szczytowe (maksymalną wartość naprężenia w cyklu) oraz moduły obciążania i odciążania (dopasowanie liniowe ostatnich 50% krzywej obciążania i pierwszych 60% krzywej odciążania) dla cykli sprzed i po pomiarze.
  5. Oblicz procentową zmianę właściwości mechanicznych z kroku 4.4 pomiędzy cyklami sprzed i po pomiarze.

Wyniki

Wraz ze zwiększającą się liczbą zastosowanych cykli odnotowano większy spadek właściwości mechanicznych ścięgna in vivo. W grupie 500 cykli stwierdzono istotnie mniejszy spadek histerezy oraz modułów obciążania i odciążania w porównaniu z grupami 3 600 i 7 200 cykli (p < 0,05) (Rysunek 2). Choć odnotowano istotny spadek szczytowego naprężenia na cykl przechodząc z grupy 500 cykli do grupy 3 600 cykli, nie stwierdzono istotnego spadku pomiędzy grupami 500 i 7 200 cykli. W grupach 3 600 i 7 200 cykli zaobserwowano stały procentowy spadek histerezy, szczytowego naprężenia oraz modułów obciążania i odciążania. Obrazy próbek ścięgnia barwione hematoksyliną i eozyną oraz trichromem Massona potwierdziły wyższy poziom uszkodzeń mikrostrukturalnych przy większej liczbie cykli zgięcia grzbietowego, objawiający się obecnością bardziej okrągłych komórek, hiperkomórkowością, przerwaniem ciągłości włókien oraz pofalowaniem włókien (Rysunek 3). Wyniki przedstawione w niniejszej pracy wykazują, że większa liczba cykli zgięcia grzbietowego powoduje zwiększony poziom uszkodzeń ścięgna Achillesa.

Układ równowagi statycznej z silnikiem i czujnikami; schemat pomiaru sił i momentu obrotowego.
Rysunek 1: System do badania biernego zgięcia grzbietowego stawu skokowego. (A) zasilacz, (B) mikrokontroler, (C) silnik krokowy, (D) czujnik momentu obrotowego, (E) 3D elektromagnetyczny czujnik pozycji i orientacji, (F) wydrukowany w 3D uchwyt stawu skokowego, (G) wydrukowane w 3D legowisko dla zwierzęcia, (H) wydrukowany w 3D uchwyt stożka nosowego. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres cyklicznej krzywej naprężenie-odkształcenie; wyniki cykli obciążenia względem odkształcenia dla analizy zmęczeniowej materiału.
Rysunek 2: Reprezentatywne cykliczne krzywe naprężenie-odkształcenie. Krzywe histerezy przy 0, 500, 1 000, 2 000, 3 600 i 7 200 cyklach. Strzałka wskazuje malejące maksymalne naprężenie wraz ze zwiększającą się liczbą cykli. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Porównanie barwienia histologicznego kolagenu w tkance mięśniowej z użyciem hematoksyliny i eozyny oraz trzechbarwnej metody Massona.
Rycina 3: Reprezentatywne obrazy z barwienia histologicznego próbek ścięgien. Obrazy ścięgien barwionych hematoksyliną i eozyną (po lewej) oraz metodą trzechbarwną Massona (po prawej) dla grup 500, 1 000, 2 000, 3 600 i 7 200 cykli w niniejszym badaniu wykazały, że zwiększenie liczby przyłożonych cykli prowadzi do powstania bardziej zaokrąglonych komórek, hiperkomórkowości (gwiazdki), przerwania włókien oraz pofalowania włókien (strzałki). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

W pracy przedstawiono metodę cyklicznego obciążania ścięgna Achillesa szczura pasywnym systemem zgięcia grzbietowego kostki w celu uzyskania modelu tendinopatii wywołanej nadużyciem in vivo . Znaczenie systemu polega na jego zdolności do izolowania ścięgna Achillesa, przykładania ilościowych obciążeń bez chirurgicznego dostępu do ścięgna oraz pomiaru właściwości ścięgna in vivo .

W 2010 roku Fung i wsp. zaprezentowali model zmęczenia ścięgna rzepki u szczura za pomocą specjalnie zbudowanego systemu testowego14. W ich pracy przedstawiono metodę bezpośredniego obciążenia ścięgna rzepki poprzez odsłonięcie ścięgna. Podczas gdy metoda ta nakładała również wymierne obciążenia zmęczeniowe na ścięgno, bezpośrednie przyłożenie obciążeń może wprowadzić dodatkową reakcję zapalną gojenia się ran na nacięcie skóry i późniejsze zamknięcie. Dzięki naszej metodzie nieinwazyjnie stosowane obciążenia zapewniają, że każda zmierzona odpowiedź biologiczna jest całkowicie spowodowana protokołem obciążenia, a nie jakimikolwiek czynnikami zewnętrznymi.

Krytycznym elementem tego protokołu ładowania jest pętla sprzężenia zwrotnego. Sprawdzając nachylenie krzywej obciążenia histerezą i zwiększając w razie potrzeby kąt zgięcia grzbietowego, system w sposób ciągły męczy ścięgno Achillesa. Szynowanie kolana jest krytycznym krokiem, ponieważ zapewnia, że zgięcie grzbietowe tylko napina ścięgno, zamiast poruszać kolanem i innymi otaczającymi tkankami miękkimi. Aby sprawdzić, czy szynowanie jest wykonane prawidłowo, ręcznie uruchom kostkę po szynowaniu, aby wyczuć sztywne ścięgno i monitorować krzywe histerezy wytworzone przed cyklicznym krokiem obciążenia.

Jednym z ograniczeń tego badania jest to, że wartości odkształceń są stosunkowo duże. Są one jednak porównywalne do biernego zgięcia grzbietowego ludzkiego ścięgna Achillesa i mogą być spowodowane wydłużeniem ścięgna Achillesa i mięśnia brzuchatego łydki18. Innym ograniczeniem jest to, że konwersje między momentem obrotowym a naprężeniem są ograniczone do mierzonego ex vivo średniego pola przekroju poprzecznego ścięgna i ramienia momentu wokół stawu skokowego, które mogą się różnić w zależności od zwierzęcia.

Patologia i wczesne stadia przewlekłej tendinopatii nie zostały jeszcze wyjaśnione. Wraz z wiekiem i innymi czynnikami ryzyka, nadużywanie jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do rozwoju przewlekłej tendinopatii. Powtarzalne urazy spowodowane przeciążeniem mogą być symulowane za pomocą wielu zastosowań cyklicznych napadów obciążenia zmęczeniowego za pośrednictwem naszego systemu. Co więcej, nieinwazyjność tego systemu pozwala na ocenę biologicznych i strukturalnych zmian w uszkodzeniu ścięgien i reakcjach gojenia w długim okresie czasu, aby zrozumieć krytyczne biomarkery w tendinopatii.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

Podziękowania

Chcielibyśmy podziękować za nasze wsparcie finansowe: Fundusz Badawczy Joe Fallon, Fundusz Badawczy Stażystów Medycyny Sportowej Dr. Louisa Meeksa BIDMC oraz grant stacjonarny (AN), wszystko od BIDMC Orthopaedics, wraz ze wsparciem od National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
aluminiowe 1/32 ''
2,5% izofluranu
Długopis do digitalizacji 3DPolhemus, Vermont, NH, USA
Elektromagnetyczny czujnik pozycjonowania i orientacji 3DPolhemus, Vermont, NH, USA
5% izofluranu
Urządzenie niestandardowe: 1) Montaż, czujniki, wydrukowane w 3D łóżko dla zwierząt i siłownikZmontowane zgodnie z opisem w manuskrypcie
koduMATLAB MATLAB, Natick, MA, USA
MikrokontrolerIvrea, WłochyArduino UNO, Rev3 
Stożek
Skalpel i uchwytSkalpel nr 11
Szczury Sprague-DawleyCharles River Laboratories, Wilmington, MA, USA11-13 tygodni
Sterownik krokowySparkFun Electronics, Niwot, CO 80503DM542T
Silnik krokowySparkFun Electronics, Niwot, CO 8050323HE30-2804S
Kleszcze
Zespół czujnika momentu obrotowegoFutek Inc., Irvine, CA, USA FSH03985, FSH04473 FSH03927
Poduszka
Koraliki do montażu na kostce nosowy na skalpel proste grzewcza wodna

Bibliografia

  1. Kaux, J. F., Forthomme, B., Goff, C. L., Crielaard, J. M., Croisier, J. L. Current opinions on tendinopathy. J Sports Sci Med. 10 (2), 238-253 (2011).
  2. Maffulli, N., Longo, U. G., Kadakia, A., Spiezia, F. Achilles tendinopathy. Foot Ankle Surg. 26 (3), 240-249 (2020).
  3. Teunis, T., Lubberts, B., Reilly, B. T., Ring, D. A systematic review and pooled analysis of the prevalence of rotator cuff disease with increasing age. J Shoulder Elbow Surg. 23 (12), 1913-1921 (2014).
  4. von Rickenbach, K. J., Borgstrom, H., Tenforde, A., Borg-Stein, J., McInnis, K. C. Achilles tendinopathy: evaluation, rehabilitation, and prevention. Curr Sports Med Rep. 20 (6), 327-334 (2021).
  5. Aicale, R., Oliviero, A., Maffulli, N. Management of Achilles and patellar tendinopathy: what we know, what we can do. J Foot Ankle Res. 13 (1), 59(2020).
  6. Jarvinen, T. A., et al. Achilles tendon injuries. Curr Opin Rheumatol. 13 (2), 150-155 (2001).
  7. Silbernagel, K. G., Hanlon, S., Sprague, A. Current clinical concepts: conservative management of Achilles tendinopathy. J Athl Train. 55 (5), 438-447 (2020).
  8. Tayfur, A., et al. Are landing patterns in jumping athletes associated with patellar tendinopathy? A systematic review with evidence gap map and meta-analysis. Sports Med. 52 (1), 123-137 (2022).
  9. Malliaras, P., Cook, J. L., Kent, P. Reduced ankle dorsiflexion range may increase the risk of patellar tendon injury among volleyball players. J Sci Med Sport. 9 (4), 304-309 (2006).
  10. Backman, L. J., Danielson, P. Low range of ankle dorsiflexion predisposes for patellar tendinopathy in junior elite basketball players: a 1-year prospective study. Am J Sports Med. 39 (12), 2626-2633 (2011).
  11. Glazebrook, M. A., Wright, J. R. Jr, Langman, M., Stanish, W. D., Lee, J. M. Histological analysis of achilles tendons in an overuse rat model. J Orthop Res. 26 (6), 840-846 (2008).
  12. Carpenter, J. E., Flanagan, C. L., Thomopoulos, S., Yian, E. H., Soslowsky, L. J. The effects of overuse combined with intrinsic or extrinsic alterations in an animal model of rotator cuff tendinosis. Am J Sports Med. 26 (6), 801-807 (1998).
  13. Gao, H. G., et al. Increased serum and musculotendinous fibrogenic proteins following persistent low-grade inflammation in a rat model of long-term upper extremity overuse. PLoS One. 8 (8), e71875(2013).
  14. Fung, D., et al. Early response to tendon fatigue damage accumulation in a novel in vivo model. J Biomech. 43 (2), 274-279 (2010).
  15. Ueda, Y., et al. Molecular changes to tendons after collagenase-induced acute tendon injury in a senescence-accelerated mouse model. BMC Musculoskelet Disord. 20 (1), 120(2019).
  16. Bloom, E., et al. Overload in a rat in vivo model of synergist ablation induces tendon multi-scale structural and functional degeneration. J Biomech Eng. 145 (8), 081003(2023).
  17. Williamson, P. M., et al. A passive ankle dorsiflexion testing system to assess mechanobiological and structural response to cyclic loading in rat Achilles tendon. J Biomech. 156, 111664(2023).
  18. Oliveira, L. F., Peixinho, C. C., Silva, G. A., Menegaldo, L. L. In vivo passive mechanical properties estimation of Achilles tendon using ultrasound. J Biomech. 49 (4), 507-513 (2016).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Model tendinopatiici gno Achillesacykliczne obci enie zm czeniowetesty in vivoobci enie mechaniczneuraz ci gnamodel szczurzykrzywa napr enie odkszta ceniew a ciwo ci mechaniczne ci gna
Pasywny system do testowania zgięcia grzbietowego stawu skokowego dla modelu in vivo tendinopatii wywołanej przeciążeniem
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.