Name: Eksperymentalny protokół elementów skończonych do badania transportu neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych przez chrząstkę stawową (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-23T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 57 s
Description: Poznaj metodę transportu cząsteczek przez chrząstkę stawową z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej i modelowania numerycznego. Protokół umożliwia precyzyjne określenie współczynników dyfuzji oraz gęstości ładunku stałego w różnych strefach tkanki.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby wyrazić swoją wdzięczność Panu/Pani Jeroenowi van den Bergowi i Panu Matthijsowi Wassinkowi z grupy mechaników rozwoju na UMC Utrecht za pomoc w procesie owijania czopów kostno-chrzęstnych. Praca ta została wsparta grantem z Dutch Arthritis Foundation.

UWAGA: Przedstawiony tutaj protokół został zaadaptowany z procedur eksperymentalnych i obliczeniowych opisanych w niedawnych publikacjach badawczych 6,8,9. Protokół został zilustrowany na Rysunku 1.
Materiały kadaweryczne zostały pobrane za zgodą wydziału weterynarii Uniwersytetu w Utrechcie.
1. Przygotowanie próbki i kąpieli
<ol>
	<li>Wywiercić cylindryczne zatyczki kostno-chrzęstne (średnica 8,5 mm) z kondyli kości udowej koni pobranych z trupów, używając specjalnie wykonanego wiertła (Rysunek 1), rozpylając jednocześnie chłodny roztwór soli fosforanowej (PBS), aby zapobiec przegrzaniu i późniejszemu uszkodzeniu chrząstki.</li>
	<li>Zastosować termokurczliwą rurkę plastikową na zatyczkach kostno-chrzęstnych, aby zminimalizować boczna dyfuzję nakładanej kąpieli.
	<ol>
		<li>Umieścić zatyczkę kostno-chrzęstną chrząstką do góry wewnątrz plastikowej rurki termokurczliwej, a następnie poddać działaniu gorącego powietrza. Na powierzchni chrząstki umieścić wilgotne kawałki waty, aby zapobiec uszkodzeniom termicznym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotować oddzielnie kąpiele o ograniczonej objętości zawierające substancje naładowane (np. 650 µL, 420 mM, ioksaglan, masa cząsteczkowa (MW) = 1 269 Da, ładunek = -1) oraz obojętne (650 µL, 420 mM, jodiksanol, MW = 1 550 Da).</li>
	<li>Nanieść przygotowane kąpiele na powierzchnię chrząstki za pomocą strzykawki i umieścić korek na owiniętej próbce, aby zapobiec parowaniu podczas eksperymentów w temperaturze pokojowej (RT) (Rysunek 2A). W celu zbadania transportu substancji obojętnej nanieść kąpiel z jodiksanolem, a w celu zbadania transportu substancji naładowanej ujemnie nanieść kąpiel z ioksaglanem na powierzchnię chrząstki.</li>
</ol>
2. Obrazowanie i przetwarzanie obrazów
<ol>
	<li>Umieść zawinięte próbki izolowane korkiem w specjalnie wykonanym uchwycie przymocowanym do zmotoryzowanego stołu mikro-CT. Próbkę należy ułożyć tak, aby powierzchnia chrząstki pokryta roztworem środka kontrastowego była skierowana do góry.</li>
	<li>Za pomocą mikro-CT (rozmiar woksela 40 × 40 × 40 µm3, czas skanowania 2 min, napięcie lampy 90 kV i prąd lampy 180 µA) przeprowadź skanowanie pola widzenia obejmującego chrząstkę, płytkę podchrzęstną i ograniczoną kąpiel w kilku punktach czasowych, aż do osiągnięcia stanu równowagi (48 h) (Rysunek 2A). Stan równowagi zostaje osiągnięty, gdy wartości stężeń nie zmieniają się w czasie.</li>
	<li>Zarejestruj obrazy 3D z różnych punktów czasowych w odniesieniu do obrazu początkowego, aby ułatwić pozycjonowanie obszaru zainteresowania (ROI) przy użyciu oprogramowania producenta (np. Analyze).</li>
	<li>Przed przetworzeniem obrazów za pomocą oprogramowania producenta, przekonwertuj zrekonstruowane 3D obrazy mikro-CT na stos 2D plików w formacie Tagged Image File Format (TIFF).</li>
	<li>W oprogramowaniu przeprowadź globalną segmentację (ImageJ&gt;Adjust&gt;Threshold) chrząstki od kości podchrzęstnej i znajdującej się nad nią kąpieli.</li>
	<li>Wyznacz średnią wartość szarości chrząstki w różnych punktach czasowych (ImageJ&gt;Analyze&gt;Measure), korzystając z maski chrząstki wygenerowanej w poprzednim kroku.</li>
	<li>Znając początkowe stężenie w kąpieli oraz początkowe stężenie środka kontrastowego w chrząstce, użyj liniowej krzywej kalibracyjnej, aby przeliczyć średnie wartości szarości na rzeczywiste stężenia substancji rozpuszczonych. Wcześniejsze dane potwierdzają, że wartości szarości zachowują liniową zależność od stężenia środków kontrastowych.</li>
	<li>Przedstaw zależności stężeń substancji rozpuszczonych od eksperymentalnych punktów czasowych na wykresie.</li>
</ol>
3. Modelowanie obliczeniowe
UWAGA: Przyjęto, że dyfuzja w tym problemie zachodzi w 1D (wzdłuż osi z), co jest zgodne z eksperymentalnym warunkiem brzegowym. W związku z tym geometria mogła zostać stworzona w sposób dowolny.
<ol>
	<li>Opracowanie modeli wielostrefowych chrząstki opartych na skończonej kąpieli: 1) chrząstka składająca się ze strefy powierzchownej (20% całkowitej grubości chrząstki), strefy środkowej (50% całkowitej grubości chrząstki) oraz strefy głębokiej (30% całkowitej grubości chrząstki) 12 oraz 2) skończona kąpiel w programie FEBio 13,14 (Rysunek 2B).</li>
	<li>Przypisanie właściwości mechanicznych i fizycznych różnych stref chrząstki oraz kąpieli w programie FEBio. Przyjęto, że moduł Younga (10 MPa) jest wystarczająco wysoki, aby przeciwdziałać ciśnieniu osmotycznemu wywieranemu przez znajdującą się powyżej kąpiel, a tym samym chronić chrząstkę przed nadmiernymi odkształceniami.
	<ol>
		<li>Należy zastosować przepuszczalność hydrauliczną 10-3 mm4/Ns i współczynnik Poissona wynoszący 0. W symulacjach należy użyć rzeczywistego współczynnika dyfuzji substancji rozpuszczonej w kąpieli 8,9.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Generowanie siatki (8-węzłowe trójliniowe elementy sześcienne) i jej zagęszczenie w pobliżu granic (Rysunek 2B) 8,9.</li>
	<li>Model dwufazowy z substancją rozpuszczoną
	<ol>
		<li>Zastosowanie początkowego stężenia substancji rozpuszczonej w kąpieli oraz odpowiadającego mu ciśnienia efektywnego. Opis ciśnienia efektywnego znajduje się w 9,15.</li>
		<li>Uruchomienie modelu w trybie przejściowym w celu uzyskania krzywych zależności stężenia substancji rozpuszczonej od czasu, zgodnie z określonymi współczynnikami dyfuzji w różnych strefach chrząstki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Model wielofazowy 
	UWAGA: Fluktuacje elektryczne między kąpielą a tkanką można wyeliminować poprzez dodanie dwóch jednowartościowych przeciwjonów zarówno do kąpieli, jak i do tkanki.
	<ol>
		<li>Dla modeli stanu stacjonarnego: należy zastosować te same efektywne ciśnienia płynu i stężenia w chrząstce i znajdującej się powyżej kąpieli, zwiększając jednocześnie FCD do pożądanej wartości.</li>
		<li>Dla modeli przejściowych: należy stworzyć dobrze wymieszaną skończoną kąpiel, utrzymując współczynnik dyfuzji substancji rozpuszczonej w kąpieli na wystarczająco wysokim poziomie. Następnie należy wprowadzić substancję rozpuszczoną z interfejsu kąpiel-powietrze do kąpieli, aby osiągnąć pożądane stężenie.</li>
		<li>Tryb przejściowy: należy usunąć warunek brzegowy określonego stężenia substancji rozpuszczonej z poprzedniego kroku i przywrócić rzeczywisty współczynnik dyfuzji dla skończonej kąpieli.</li>
		<li>Uruchomienie modelu w celu uzyskania krzywych zależności stężenia substancji rozpuszczonej od czasu w oparciu o zastosowane FCD i współczynniki dyfuzji w różnych strefach chrząstki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Interfejs FEBio-MATLAB
	<ol>
		<li>Opracowanie kodu w programie MATLAB do automatycznego przeprowadzania symulacji w programie FEBio i wykreślania krzywych zależności stężenia od czasu (interfejs FEBio-MATLAB) 8,9.</li>
		<li>Zmiana współczynników dyfuzji i FCD w strefach chrząstki przy użyciu interfejsu FEBio-MATLAB. Uruchomienie modeli w programie FEBio i wyodrębnienie krzywych zależności stężenia substancji rozpuszczonej od czasu 8,9.</li>
		<li>Porównanie uzyskanych krzywych zależności stężenia substancji rozpuszczonej od czasu z danymi eksperymentalnymi i wyznaczenie zestawów współczynników dyfuzji oraz FCD w różnych strefach chrząstki na podstawie minimalnego błędu średnio kwadratowego (RMSE) 8,9.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Przygotowanie i analiza wtyczki osteochondralnej z użyciem wiertła, przyśrodkowego kłykcia kości udowej i mikro-CT." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Układ doświadczalny. A) Procedura pobierania próbek z użyciem specjalnie wykonanego wiertła. B) Procedura obrazowania mikro-CT w celu monitorowania procesu dyfuzji. <a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat chrząstki stawowej z ograniczoną kąpielą; warstwy: powierzchowna, środkowa, głęboka do badań strukturalnych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/54984/54984fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Schemat. A) Projekt eksperymentalny. B) Wielostrefowy model obliczeniowy składający się z ograniczonej kąpieli oraz strefy powierzchownej, środkowej i głębokiej chrząstki wraz z powiązaną siatką. <a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/54984/54984fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<ol><li>Arkill, K. P., Winlove, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+in+the+deep+and+calcified+zones+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Solute transport in the deep and calcified zones of articular cartilage.</a> Osteoarthritis Cartilage. 16 (6), 708-714 (2008).</li>
<li>Chin, H. C., Moeini, M., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solute+transport+across+the+articular+surface+of+injured+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Arch+Biochem+Biophys%22%5BJournal%5D)">Solute transport across the articular surface of injured cartilage.</a> Arch Biochem Biophys. 535 (2), 241-247 (2013).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-specific+effects+of+compression+on+macromolecular+diffusion+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Site-specific effects of compression on macromolecular diffusion in articular cartilage.</a> Biophys J. 95 (10), 4890-4895 (2008).</li>
<li>Leddy, H. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Site-Specific+Molecular+Diffusion+in+Articular+Cartilage+Measured+using+Fluorescence+Recovery+after+Photobleaching%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+Biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Site-Specific Molecular Diffusion in Articular Cartilage Measured using Fluorescence Recovery after Photobleaching.</a> Annals of Biomedical Engineering. 31 (7), 753-760 (2003).</li>
<li>Gu, W. Y., Yao, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+hydration+and+fixed+charge+density+on+fluid+transport+in+charged+hydrated+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Effects of hydration and fixed charge density on fluid transport in charged hydrated soft tissues.</a> Ann Biomed Eng. 31 (10), 1162-1170 (2003).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Zadpoor, A. A., Weinans, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolated+effects+of+external+bath+osmolality%2C+solute+concentration%2C+and+electrical+charge+on+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+and+Physics%22%5BJournal%5D)">Isolated effects of external bath osmolality, solute concentration, and electrical charge on solute transport across articular cartilage.</a> Medical Engineering and Physics. 38 (12), 1399-1407 (2016).</li>
<li>Kulmala, K. A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion+coefficients+of+articular+cartilage+for+different+CT+and+MRI+contrast+agents%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Engineering+%26+Physics%22%5BJournal%5D)">Diffusion coefficients of articular cartilage for different CT and MRI contrast agents.</a> Medical Engineering & Physics. 32 (8), 878-882 (2010).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+of+Neutral+Solute+Across+Articular+Cartilage%3A+The+Role+of+Zonal+Diffusivities%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Transport of Neutral Solute Across Articular Cartilage: The Role of Zonal Diffusivities.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 137 (7), 071001-071001 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+modeling+of+charged+solute+transport+across+articular+cartilage%3A+Application+of+multi-zone+finite-bath+model%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Multiphasic modeling of charged solute transport across articular cartilage: Application of multi-zone finite-bath model.</a> J Biomech. 49 (9), 1510-1517 (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Combined artificial neural networks for robust estimation of the diffusion coefficients across cartilage. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+inverse-forward+artificial+neural+networks+for+fast+and+accurate+estimation+of+the+diffusion+coefficients+of+cartilage+based+on+multi-physics+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Combined inverse-forward artificial neural networks for fast and accurate estimation of the diffusion coefficients of cartilage based on multi-physics models.</a> Journal of Biomechanics. , (2016).</li>
<li>Sophia Fox, A. J., Bedi, A., Rodeo, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Basic+Science+of+Articular+Cartilage%3A+Structure%2C+Composition%2C+and+Function%5BTitle%5D)+AND+%22Sports+Health%22%5BJournal%5D)">The Basic Science of Articular Cartilage: Structure, Composition, and Function.</a> Sports Health. 1 (6), 461-468 (2009).</li>
<li>Holzapfel, G. A., Kuhl, E. Ch. 17. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAteshian%2C+G+%22Computer+Models+in+Biomechanics%22">Computer Models in Biomechanics</a>. , Springer. Netherlands. 231-249 (2013).</li>
<li>Ateshian, G. A., Maas, S., Weiss, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphasic+Finite+Element+Framework+for+Modeling+Hydrated+Mixtures+With+Multiple+Neutral+and+Charged+Solutes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Multiphasic Finite Element Framework for Modeling Hydrated Mixtures With Multiple Neutral and Charged Solutes.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135 (11), 111001-111001 (2013).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Transport of neutral solute across articular cartilage and subchondral plate. 22nd Congress of the European Society of Biomechanics, Lyon, France, , (2016).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+multiphysics+models+to+efficient+design+of+experiments+of+solute+transport+across+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Comput+Biol+Med%22%5BJournal%5D)">Application of multiphysics models to efficient design of experiments of solute transport across articular cartilage.</a> Comput Biol Med. 78, 91-96 (2016).</li>
<li>Hosseini, S. M., Wu, Y., Ito, K., Donkelaar, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+importance+of+superficial+collagen+fibrils+for+the+function+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biomechanics+and+Modeling+in+Mechanobiology%22%5BJournal%5D)">The importance of superficial collagen fibrils for the function of articular cartilage.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 13 (1), 41-51 (2013).</li>
<li>Alexopoulos, L. G., Williams, G. M., Upton, M. L., Setton, L. A., Guilak, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritic+changes+in+the+biphasic+mechanical+properties+of+the+chondrocyte+pericellular+matrix+in+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritic changes in the biphasic mechanical properties of the chondrocyte pericellular matrix in articular cartilage.</a> Journal of Biomechanics. 38 (3), 509-517 (2005).</li>
<li>Felson, D. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Osteoarthritis%3A+new+insights.+Part+1%3A+the+disease+and+its+risk+factors%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Intern+Med%22%5BJournal%5D)">Osteoarthritis: new insights. Part 1: the disease and its risk factors.</a> Ann Intern Med. 133 (8), 635-646 (2000).</li>
<li>Kokkonen, H. T., Jurvelin, J. S., Tiitu, V., Toyras, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Detection+of+mechanical+injury+of+articular+cartilage+using+contrast+enhanced+computed+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Detection of mechanical injury of articular cartilage using contrast enhanced computed tomography.</a> Osteoarthritis Cartilage. 19 (3), 295-301 (2011).</li>
<li>Raya, J. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diffusion-tensor+imaging+of+human+articular+cartilage+specimens+with+early+signs+of+cartilage+damage%5BTitle%5D)+AND+%22Radiology%22%5BJournal%5D)">Diffusion-tensor imaging of human articular cartilage specimens with early signs of cartilage damage.</a> Radiology. 266 (3), 831-841 (2013).</li>
<li>Tavakoli Nia, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aggrecan+Nanoscale+Solid-Fluid+Interactions+Are+a+Primary+Determinant+of+Cartilage+Dynamic+Mechanical+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Aggrecan Nanoscale Solid-Fluid Interactions Are a Primary Determinant of Cartilage Dynamic Mechanical Properties.</a> ACS Nano. 9 (3), 2614-2625 (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Estimation of cartilage properties using indentation tests, finite element models, and artificial neural networks. 11th World Congress on Computational Mechanics & 5th European Conference on Computational Mechanics, Barcelona, Spain, , (2014).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Campoli, G., Weinans, H., Zadpoor, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determination+of+the+mechanical+and+physical+properties+of+cartilage+by+coupling+poroelastic-based+finite+element+models+of+indentation+with+artificial+neural+networks%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Determination of the mechanical and physical properties of cartilage by coupling poroelastic-based finite element models of indentation with artificial neural networks.</a> Journal of Biomechanics. 49 (5), 631-637 (2016).</li>
<li>Kokkonen, H. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computed+tomography+detects+changes+in+contrast+agent+diffusion+after+collagen+cross-linking+typical+to+natural+aging+of+articular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Computed tomography detects changes in contrast agent diffusion after collagen cross-linking typical to natural aging of articular cartilage.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 19 (10), 1190-1198 (2011).</li>
<li>Decker, S. G., Moeini, M., Chin, H. C., Rosenzweig, D. H., Quinn, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adsorption+and+Distribution+of+Fluorescent+Solutes+near+the+Articular+Surface+of+Mechanically+Injured+Cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Adsorption and Distribution of Fluorescent Solutes near the Articular Surface of Mechanically Injured Cartilage.</a> Biophysical Journal. 105 (10), 2427-2436 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, S. J., Tiitu, V., Quinn, T. M., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bath+Concentration+of+Anionic+Contrast+Agents+Does+Not+Affect+Their+Diffusion+and+Distribution+in+Articular+cartilage+In+Vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Cartilage%22%5BJournal%5D)">Bath Concentration of Anionic Contrast Agents Does Not Affect Their Diffusion and Distribution in Articular cartilage In Vitro.</a> Cartilage. 4 (1), 42-51 (2013).</li>
<li>Silvast, T. S., Jurvelin, J. S., Lammi, M. J., Töyräs, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((pQCT+study+on+diffusion+and+equilibrium+distribution+of+iodinated+anionic+contrast+agent+in+human+articular+cartilage+-+associations+to+matrix+composition+and+integrity%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+and+Cartilage%22%5BJournal%5D)">pQCT study on diffusion and equilibrium distribution of iodinated anionic contrast agent in human articular cartilage - associations to matrix composition and integrity.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 17 (1), 26-32 (2009).</li>
<li>Pouran, B., Arbabi, V., Villamar, J., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Contrast agent's transport across healthy articular cartilage under various bath conditions. Orthopaedic Research Society Annual Meeting, Las Vegas, Nevada, , (2015).</li>
<li>Arbabi, V., Pouran, B., Weinans, H., Zadpoor, A. A. Application of a biphasic-solute model in predicting diffusive properties of osteochondral interface. International Workshop on Osteoarthritis Imaging (IWOAI), Oulo, Finland, , (2016).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przedstawiliśmy protokół eksperymentalny połączony z procedurą modelowania elementów skończonych w celu zbadania dyfuzji neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych w chrząstce stawowej. Zgodnie z naszymi ostatnimi badaniami, zaproponowane modele mogą dokładnie opisywać transport zarówno neutralnych (dwufazowo-rozpuszczonych), jak i ujemnie naładowanych (wielofazowych) substancji rozpuszczonych przez różne strefy chrząstki stawowej 8,9. Powszechnie uważa...

Transport molekularny odgrywa istotną rolę w homeostazie stawów, dostarczaniu leków do chrząstki stawowej i obrazowaniu chrząstki z kontrastem 1,2,3. Czynniki takie jak integracja i nienaruszalność chrząstki, ładunek i wielkość substancji rozpuszczonej, a także osmolalność i stężenie kąpieli w kontakcie z chrząstką mogą wpływać na szybkość transportu 4,5,6. Transport substancji rozpuszczonych, zarówno obojętnych, jak i naładowanych, może być różny między strefami chrząstki stawowej, ponieważ każda strefa składa się z różnych stężeń i orientacji głównych cząsteczek macierzy zewnątrzkomórkowej, a mianowicie proteoglikanów (PG) i kolagenu typu II 1,7,8,9,10,11. Co ważniejsze, transport naładowanych substancji rozpuszczonych może być w dużym stopniu zależny od stężenia proteoglikanów zawierających ujemne stałe ładunki w macierzy zewnątrzkomórkowej, które wzrasta w całej chrząstce stawowej 8,9. Parametry te, w szczególności stała gęstość ładunku (FCD), orientacja włókien kolagenowych i zmienność zawartości wody w chrząstce, mogą ulegać zmianom w miarę postępu choroby zwyrodnieniowej stawów (OA), co wskazuje na znaczenie badania dyfuzji przez chrząstkę.
W obecnym badaniu, protokół oparty na wcześniej przeprowadzonych badaniach eksperymentalnych i obliczeniowych 6,8,9 jest proponowany do dokładnego badania dyfuzji w różnych warunkach brzegowych przy użyciu neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych w modelu dyfuzji w skończonej kąpieli. Proponowane metody składają się z obrazowania mikrotomografii komputerowej (mikro-CT) systemu obejmującego chrząstkę i kąpiel skończoną, wspieranego przez zaawansowane dwufazowe modele substancji rozpuszczonej i wielofazowe modele elementów skończonych. Modele te umożliwiają uzyskanie współczynników dyfuzji cząsteczek obojętnych i naładowanych oraz FCD w różnych strefach chrząstki stawowej. Korzystając z tych modeli, można lepiej zrozumieć zachowanie dyfuzyjnych neutralnych i naładowanych cząsteczek, które można wykorzystać do zbadania interakcji między chrząstką a nakładającą się na nią skończoną kąpielą.

<table><tbody><tr><td>Hexabrix</td><td>Guerbet</td><td>15HX005D</td><td>Ujemnie naładowany środek kontrastowy</td></tr><tr><td>Visipaque</td><td>GE healthcare</td><td>12570511</td><td>Nuetral Środek kontrastowy</td></tr><tr><td>PBS (sól fizjologiczna buforowana fosforanem)</td><td>Technologie życia</td><td>10010023</td><td>Średnia</td></tr><tr><td>mikrotomografia komputerowa</td><td>Perkin Elmer</td><td></td><td>Monitorowanie dyfuzji</td></tr><tr><td>Osmometr do zamarzania</td><td>Zaawansowany Przyrządy</td><td></td><td>Roztwór pomiarowy osmolalność</td></tr></tbody></table>

eksperymentalny protokół elementów skończonych do badania transportu neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych przez chrząstkę stawową

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

Choroba zwyrodnieniowa stawów (OA) jest wyniszczającą chorobą, która wiąże się ze zwyrodnieniem chrząstki stawowej i kości podchrzęstnej. Zwyrodnienie chrząstki stawowej znacznie upośledza jej funkcję nośną, ponieważ ulega ona ogromnej degradacji chemicznej, tj. utracie proteoglikanów i zaburzeniu włókien kolagenowych. Jednym z obiecujących sposobów badania mechanizmów uszkodzeń chemicznych podczas choroby zwyrodnieniowej stawów jest wystawienie próbek chrząstki na działanie zewnętrznej substancji rozpuszczonej i monitorowanie dyfuzji cząsteczek. Stopień uszkodzenia chrząstki (tj. stężenie i konfiguracja niezbędnych makrocząsteczek) jest związany z utratą energii kolizyjnej zewnętrznych substancji rozpuszczonych, podczas gdy poruszanie się po chrząstce stawowej tworzy inne charakterystyki dyfuzji w porównaniu ze zdrową chrząstką. W tym badaniu wprowadzamy protokół, który składa się z kilku kroków i opiera się na wcześniej opracowanym eksperymentalnym micro-Computed Tomography (micro-CT) i modelowanie metodą elementów skończonych. Transport naładowanych i nienaładowanych cząsteczek jodowych jest najpierw rejestrowany za pomocą mikro-CT, a następnie stosuje się dwufazowe i wielofazowe modele elementów skończonych w celu uzyskania współczynników dyfuzji i stałych gęstości ładunku w strefach chrząstki.

Przedstawione tutaj reprezentatywne wyniki zostały zaczerpnięte z poprzednich prac badawczych 6,8,9,16.
W chorobie zwyrodnieniowej stawów (OA) chrząstka stawowa ulega znacznym zmianom, przede wszystkim utracie glikozoaminoglikanów (GAG) oraz uszkodzeniu włókien kolagenowych. 17<...

Proponujemy protokół do badania transportu naładowanych i nienaładowanych cząsteczek przez chrząstkę stawową za pomocą niedawno opracowanych metod eksperymentalnych i numerycznych.

Eksperymentalny protokół elementów skończonych do badania transportu neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych przez chrząstkę stawową

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

Ogólnym celem tej procedury jest zbadanie transportu naładowanych i nienaładowanych cząsteczek przez chrząstkę stawową za pomocą metod eksperymentalnych i numerycznych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania związane z właściwościami fizycznymi chrząstki stawowej, takimi jak współczynnik dyfuzji i stała gęstość ładunku w różnych strefach. Główną zaletą tej techniki jest to, że przyjmuje ona model eksperymentalny o skończonej ścieżce oparty na tomografii mikrokomputerowej transportu cząsteczek nieprzepuszczalnych dla promieni rentgenowskich.Aby rozpocząć przygotowanie próbki, należy wywiercić cylindryczny korek kostno-chrzęstny o średnicy 8,5 milimetra, jednocześnie rozpylając buforowaną solą fizjologiczną w temperaturze pokojowej buforowaną fosforanem, PBS, na obszar wiercenia. Włóż zatyczkę do rurki termokurczliwej o długości około 2,5 centymetra, tak aby warstwa kości była równo z końcem, a następnie przykryj powierzchnię chrząstki mokrą bawełną. Następnie użyj pistoletu na gorące powietrze, aby skurczyć rurki po bokach wtyczki.Załadować skończoną objętość 420-milimolowego roztworu joksaginu lub jodiksanolu na powierzchnię chrząstki wewnątrz rurki, aby przygotować odpowiednio ujemnie naładowaną lub obojętną kąpiel rozpuszczoną. Uszczelnij otwarty koniec rurki korkiem. Umieść próbkę zakorkowanym końcem do góry na uchwycie na próbkę zamontowanym na zmotoryzowanym stoliku mikro-CT.Skanuj pole widzenia zawierające chrząstkę, płytkę podchrzęstną i skończoną kąpiel. Powtarzaj skan okresowo przez następne 48 godzin lub do momentu, gdy stężenie środka kontrastowego w chrząstce nie zmieni się z czasem. W oprogramowaniu instrumentu zarejestruj obrazy 3D w różnych punktach czasowych względem obrazu początkowego i przekonwertuj zrekonstruowane obrazy na stos plików TIFF 2D.Zaimportuj obrazy do programu do przetwarzania obrazu i zduplikuj je, aby oddzielnie podzielić kąpiel i kość podchrzęstną. Następnie wypełniane są otwory w kości podchrzęstnej, a zbędne piksele w wannie są usuwane ręcznie. Powstałe w ten sposób segmentowane obrazy kąpieli i kości podchrzęstnej są następnie dodawane matematycznie.Za pomocą narzędzia różdżki kontur maski chrząstki jest definiowany i dodawany do Menedżera Obszaru Zainteresowania. Zmierz średnią wartość szarości chrząstki. Na podstawie początkowych stężeń w kąpieli i chrząstce przelicz średnie wartości szarości w kąpieli i chrząstce na stężenie substancji rozpuszczonej za pomocą liniowej krzywej kalibracyjnej.Wykreślić stężenia substancji rozpuszczonej w czasie. Aby rozpocząć modelowanie obliczeniowe dyfuzji za pomocą oprogramowania FEBio, zbuduj wielostrefowe modele chrząstki opartej na skończonej kąpieli, w których strefa powierzchowna stanowi 20% grubości chrząstki, strefa środkowa reprezentuje 50%, a strefa głęboka reprezentuje 30%Dla dwufazowego modelu substancji rozpuszczonej tworzona jest tabela zawierająca informacje o neutralnej substancji rozpuszczonej. Dla modelu wielofazowego tworzona jest tabela zawierająca informacje o naładowanych substancjach rozpuszczonych.Aby modelować dyfuzję naładowanych substancji rozpuszczonych za pomocą modelu wielofazowego, należy dodać dwa monowalentne przeciwjony zarówno do kąpieli, jak i chrząstki, aby uniknąć skutków fluktuacji elektrycznych między kąpielą a tkanką. Po zamodelowaniu chrząstki i skończonych stref kąpieli przypisz odpowiednie właściwości mechaniczne i fizyczne, a mianowicie moduł Younga, przepuszczalność, swobodną dyfuzyjność i dyfuzyjność do każdej strefy dla modelu dwufazowej substancji rozpuszczonej. Przypisz właściwości mechaniczne i fizyczne, a mianowicie moduł Younga, przepuszczalność, dyfuzyjność swobodną i dyfuzyjność, a także stałą gęstość ładunku do każdej strefy dla modelu wielofazowego.Następnie wygeneruj ośmiowęzłową trójliniową siatkę elementów sześciościennych i dopracuj ją w pobliżu granic. Aby modelować dyfuzję neutralnych substancji rozpuszczonych za pomocą dwufazowego modelu substancji rozpuszczonej, należy zastosować początkowe stężenie substancji rozpuszczonej i ciśnienie efektywne do modelu kąpieli skończonej. Uruchom model dwufazowej substancji rozpuszczonej w trybie przejściowym, aby uzyskać krzywe stężenia substancji rozpuszczonej w funkcji czasu na podstawie współczynników dyfuzji dla każdej strefy chrząstki.W przypadku modelu wielofazowego w kroku stanu ustalonego należy ustawić te same efektywne ciśnienia płynu i stężenia substancji rozpuszczonej dla chrząstki i kąpieli o skończonej długości, jednocześnie zwiększając stałą gęstość ładunku do żądanej wartości. W etapie przejściowym należy utworzyć dobrze wymieszaną skończoną kąpiel, utrzymując wystarczająco wysoki współczynnik dyfuzji w kąpieli. Wstrzyknąć substancję rozpuszczoną z interfejsu powietrza do kąpieli do kąpieli, aby osiągnąć wartość stężenia.Następnie usunąć zalecany warunek brzegowy stężenia substancji rozpuszczonej z poprzedniego kroku i przywrócić współczynnik dyfuzji kąpieli skończonej do rzeczywistego współczynnika dyfuzji. Uruchom model wielofazowy przy użyciu interfejsu FEBio MATLAB, aby uzyskać stężenie substancji rozpuszczonej w funkcji krzywych czasu na podstawie zastosowanych stałych gęstości ładunków i współczynników dyfuzji dla każdej strefy chrząstki. Za pomocą tej metody modelowano procesy dyfuzji neutralnych anionowych środków kontrastowych przez chrząstkę stawową za pomocą odpowiednio modelu dwufazowego rozpuszczonego i wielofazowego.Oba modele dobrze pasują do danych eksperymentalnych. Współczynniki dyfuzji neutralnego środka kontrastowego, jodiksanolu, w różnych strefach chrząstki określono na podstawie modelu dwufazowej substancji rozpuszczonej, a współczynniki dyfuzji anionowego środka kontrastowego, joksaginu, w różnych strefach określono na podstawie modelu wielofazowego. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się biomechaniką tkanek do zbadania właściwości dyfuzyjnych tkanek miękkich przy użyciu połączenia podejścia eksperymentalnego i obliczeniowego.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak projektować platformy eksperymentalne i obliczeniowe dotyczące dyfuzji przez chrząstkę stawową.

an-experimental-finite-element-protocol-to-investigate-transport

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Opisano trójwymiarowy system hodowli ludzkich chondrocytów stawowych w wysokim stężeniu płynu stawowego. Płyn stawowy odzwierciedla najbardziej naturalne mikrośrodowisko dla chrząstki stawowej, a jego pozyskanie i przechowywanie są łatwe. System ten może zatem być wykorzystywany do badania regeneracji chrząstki oraz do przesiewu terapeutyków stosowanych w leczeniu zapalenia stawów.

System 3D do hodowli ludzkich chondrocytów stawowych w płynie stawowym

Naprawa chrząstki stanowi niespełnione wyzwanie medyczne, a oparte na komórkach podejścia do inżynierii ludzkiej chrząstki stawowej są obiecującym rozwiązaniem. W tym miejscu opisujemy trójwymiarowe (3D) hydrożele biomimetyczne jako idealne narzędzie do ekspansji i dojrzewania chondrocytów stawowych człowieka.

Rusztowania hydrożelowe 3D do hodowli chondrocytów stawowych i wytwarzania chrząstek

Przedstawiamy metodę oceny przestrzennego zasięgu uszkodzenia/śmierci komórek na powierzchni stawowej nienaruszonych stawów mysich po zastosowaniu kontrolowanych obciążeń mechanicznych lub uderzeń. Metoda ta może być wykorzystana do zbadania, w jaki sposób choroba zwyrodnieniowa stawów, czynniki genetyczne i/lub różne schematy obciążenia wpływają na podatność chondrocytów in situ.

Wizualizacja i analiza w czasie rzeczywistym uszkodzeń chondrocytów spowodowanych obciążeniem mechanicznym w całkowicie nienaruszonych eksplantatach chrząstki myszy

Sondowanie podczas operacji artroskopii jest zwykle wykonywane w celu oceny stanu tkanek miękkich, ale to podejście zawsze było subiektywne i jakościowe. W niniejszym raporcie opisano urządzenie pomiarowe, które może mierzyć ilościowo opór tkanek miękkich za pomocą trójosiowego czujnika siły podczas artroskopii.

Urządzenie pomiarowe do ilościowego pomiaru właściwości mechanicznych tkanek miękkich podczas artroskopii

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.

Badania biotribologiczne i analiza chrząstki stawowej ślizgającej się po metalu pod implanty

Ten protokół określa wychwyt równowagi, głębokość penetracji i szybkość dyfuzji nierównowagowej dla nośników peptydów kationowych w chrząstce. Charakterystyka właściwości transportowych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia skutecznej odpowiedzi biologicznej. Metody te mogą być stosowane do projektowania optymalnie naładowanych nośników leków do celowania w ujemnie naładowane tkanki.

Charakterystyka właściwości transportowych wewnątrz chrząstki kationowych nośników peptydowych

Tutaj prezentujemy model uszkodzenia chrząstki śródstawowej w kolanie szczura wywołany cyklicznym obciążeniem, generowany przez 60 cyklicznych uciśnięć powyżej 20 N, skutkujących uszkodzeniem chrząstki kłykciowej kości udowej u szczurów.

Nieinwazyjna metoda generowania modelu uszkodzenia chrząstki stawowej w kolanie szczura wywołanego cyklicznym obciążeniem

Tutaj prezentujemy protokół oznaczania pęcherzyków zewnątrzkomórkowych pochodzących z lizatu płytkowego w celu monitorowania ich migracji i pobierania w eksplantatach chrząstek, używanych jako model choroby zwyrodnieniowej stawów.

Znakowanie pęcherzyków zewnątrzkomórkowych w celu monitorowania migracji i wychwytu w eksplantatach chrząstki

Obecny protokół opisuje urządzenie do testowania tarcia, które stosuje jednocześnie wzajemne przesuwanie i normalne obciążenie do dwóch stykających się biologicznych powierzchni stykających się.

Urządzenie do testowania tarcia - bioreaktor do badania biomechaniki stawów maziowych, mechanobiologii i regulacji fizycznej

Udostępniamy szczegółowe metody generowania czterech typów tkanek z ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych, które są używane do rekapitulacji chrząstki, kości, poduszeczki tłuszczowej i błony maziowej w ludzkim stawie kolanowym. Te cztery tkanki są zintegrowane z dostosowanym bioreaktorem i połączone za pomocą mikrofluidyki, tworząc w ten sposób staw kolanowy na chipie.

Stworzenie stawu kolanowego na chipie do modelowania chorób stawów i testowania leków

Przedstawiamy krok po kroku podejście do identyfikacji i rozwiązywania najczęstszych problemów związanych z mikrowgłębieniami mikroskopii sił atomowych. Ilustrujemy pojawiające się problemy na rodzimych eksplantatach ludzkiej chrząstki stawowej, charakteryzujących się różnym stopniem zwyrodnienia spowodowanego chorobą zwyrodnieniową stawów.

Rozwiązywanie praktycznych problemów związanych z mikrowgłębieniami opartymi na mikroskopii sił atomowych na eksplantatach ludzkiej chrząstki stawowej

Poznaj metodę transportu cząsteczek przez chrząstkę stawową z wykorzystaniem mikrotomografii komputerowej i modelowania numerycznego. Protokół umożliwia precyzyjne określenie współczynników dyfuzji oraz gęstości ładunku stałego w różnych strefach tkanki.

Eksperymentalny protokół elementów skończonych do badania transportu neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych przez chrząstkę stawową (Wideo) | JoVE Journal

Eksperymentalny protokół elementów skończonych do badania transportu neutralnych i naładowanych substancji rozpuszczonych przez chrząstkę stawową

Przeglądaj więcej filmów