Pasywny system do testowania zgięcia grzbietowego stawu skokowego dla modelu in vivo tendinopatii wywołanej przeciążeniem
1 marca 2024
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.
Nasza praca dotyczy czynników mechanobiologicznych zaangażowanych w inicjację i progresję tendinopatii wywołanej nadużywaniem. Pytania, na które staramy się odpowiedzieć, obejmują to, jakie czynniki ćwiczeń, takie jak częstotliwość, wielkość i czas trwania obciążenia, wpływają na reakcję ścięgna na kontuzję? Obecne narzędzia, takie jak pomiary mechaniczne, histologia i testy biologiczne do oceny miar wyników, są skoncentrowane i ograniczone do pobierania tkanek na końcu etapu.
Dzięki temu modelowi możemy badać ciągłe pomiary in vivo za pomocą narzędzi takich jak ultradźwięki i rezonans magnetyczny. W terenie modele in vivo obciążają ścięgno w fizjologicznie istotny sposób, podczas gdy modele ex vivo pozwalają na pomiar biologicznych reakcji na urazy. Nasz protokół łączy te dwie miary do bezpośredniego pomiaru naprężeń i naprężeń ścięgien podczas urazów i związanych z nimi zmian biologicznych.
Opracowaliśmy system adaptacyjny do wywoływania urazów ścięgien, który pozwala na jednoczesną eksplorację czynników mechanicznych i biologicznych. Po ustaleniu tego modelu, przyszłe kierunki obejmują ocenę różnych parametrów, dróg terapeutycznych i środków rehabilitacyjnych. Aby rozpocząć, podłącz mikrokontroler, czujnik momentu obrotowego, elektromagnetyczny system pozycjonowania i orientacji 3D do komputera.
Włącz elektromagnetyczny system pozycjonowania i orientacji 3D. Teraz włącz komputer, uruchom MATLAB i załaduj pliki kodu. Uruchom oprogramowanie PDIMFC, aby połączyć system pozycjonowania elektromagnetycznego 3D, orientacji i program MATLAB.
Kliknij opcję Połącz i kontynuuj ciągłe P i O, a następnie rozpocznij funkcję eksportu zapasów. Przymocuj i włącz element grzejny na bazie wody do platformy, aby utrzymać temperaturę. Aby unieruchomić lewą tylną kończynę, przyklej dwie szyny, aby ustawić kolano w pełnym wyprostu.
Lekko zegnij kostkę grzbietową, naciskając na palce, aby upewnić się, że rotacja kostki następuje z powodu izolowanego ścięgna, a nie z powodu otaczających tkanek miękkich i napięcia. Następnie przymocuj znieczulone zwierzę w pozycji leżącej na platformie całego ciała. Za pomocą nasadki do stożka nosowego podaj 2,5% izofluranu w celu podtrzymania znieczulenia.
Użyj opasek zaciskowych, aby przymocować kostkę do siłownika stawu. Przymocuj kolejną opaskę zaciskową wokół palców. Zabezpiecz rozcięcie kolana za pomocą dwóch opasek zaciskowych i wyreguluj oś, aby ustawić kostkę w pełnym zgięciu podeszwowym.
Włącz zasilanie. Aby uruchomić kod systemu, kliknij przycisk Uruchom w programie MATLAB dla każdej sekcji kodu odpowiadającej określonemu testowi obciążeniowemu. Teraz przekręć kostkę 50 razy, poddając ją obciążeniu odpowiadającemu 15% ostatecznego naprężenia rozciągającego w oparciu o testy ex vivo ścięgna Achillesa od momentu zerwania do uszkodzenia.
Wykonaj wstępną kalibrację ścięgna, zginając je grzbietowo trzykrotnie pod kątem 12 stopni. Stopniowo zginaj kostkę grzbietowo do rosnących kątów, aż zostanie osiągnięty wykładniczy obszar krzywej lub zostanie osiągnięty maksymalny kąt 40 stopni. Wykonaj pięć cyklicznych pomiarów mechanicznych pod końcowym uzyskanym kątem dla linii bazowej obciążenia wstępnego.
Wykonaj schemat cyklicznego obciążenia zmęczeniowego przez żądaną liczbę cykli. Obliczyć nachylenie części obciążeniowej krzywej histerezy co 50 cykli. Następnie przeprowadź pięć cyklicznych pomiarów mechanicznych napięcia wstępnego pod początkowo wybranym kątem, aby zmierzyć właściwości mechaniczne ścięgien przed cyklicznym obciążeniem.
Ostrożnie odczep opaski zaciskowe i szynę od zwierzęcia. Bezpiecznie przenieś zwierzę z powrotem do komory rekonwalescencji i stale je monitoruj, aż odzyska odpowiednią przytomność. Gdy zwierzę odzyska przytomność, załóż je z powrotem do klatki.
Przedstawione krzywe naprężenie-odkształcenie zmniejszyły właściwości mechaniczne ścięgien in vivo wraz ze wzrostem liczby stosowanych cykli. Hematoksylina, eozyna i trychromowe obrazy próbek ścięgien Massona wykazały, że zwiększenie liczby zastosowanych cykli skutkuje bardziej zaokrąglonymi komórkami, hiperkomórkowością, rozerwaniem włókien i karbowaniem włókien.
Przegląd
Niniejszy protokół przedstawia system testowy służący do indukowania mierzalnych i kontrolowanych urazów zmęczeniowych w ścięgnie Achillesa szczura na potrzeby modelu in-vivo tendinopatii wywołanej przeciążeniem. Model ten umożliwia ciągły pomiar naprężeń i odkształceń ścięgna podczas powstawania urazów oraz towarzyszących im zmian biologicznych.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biologia
- Badania nad tendinopatią
Wstęp
- Tendinopatia wywołana nadużywaniem jest częstym urazem u różnych grup pacjentów.
- Obecne narzędzia oceny ograniczają się do pobierania tkanek na koniec etapu badań.
- Modele in vivo zapewniają fizjologicznie istotne obciążenie ścięgien.
- Modele ex vivo umożliwiają pomiar odpowiedzi biologicznych na urazy.
Cel badania
- Zbadanie czynników mechanobiologicznych wpływających na odpowiedź organizmu na uraz ścięgna.
- Ocena wpływu częstotliwości, natężenia i czasu trwania ćwiczeń na ścięgna.
- Połączenie pomiarów in vivo i ex vivo w celu przeprowadzenia kompleksowej analizy.
Zastosowane metody
- Mocowanie kostki szczura do siłownika stawowego w celu wykonania biernego zgięcia grzbietowego.
- Wykorzystanie specjalnie opracowanego skryptu MATLAB do kontrolowanego testowania.
- Zastosowanie ultradźwięków i MRI do ciągłych pomiarów.
- Łączenie pomiarów mechanicznych, histologii i analiz biologicznych.
Główne wyniki
- Bezpośredni pomiar naprężeń i odkształceń ścięgien podczas urazów.
- Wgląd w zmiany biologiczne związane z urazami wynikającymi z przeciążenia.
- Głębsze zrozumienie czynników wpływających na odpowiedź ścięgna na uraz.
- Potencjał do lepszej oceny metod leczenia tendinopatii.
Wnioski
- Opracowany model umożliwia ocenę urazów ścięgien w czasie rzeczywistym.
- Połączenie podejść in vivo i ex vivo zapewnia kompleksowy wgląd.
- Wyniki mogą stanowić podstawę dla przyszłych badań i praktyk klinicznych w zakresie tendinopatii.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowe modelowanie in vivo tendinopatii wywołanej nadużyciem umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka i zapewnia pewność prognostyczną w ramach wczesnej walidacji celów w układzie mięśniowo-szkieletowym. System ten pozwala na bezpośredni, fizjologicznie istotny pomiar reakcji ścięgna na kontrolowane obciążenie cykliczne, wspierając ciągłość translacyjną od etapu odkryć po badania przedkliniczne. Przyjęte podejście dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o rozwoju strategii terapeutycznych ukierunkowanych na urazy i naprawę ścięgien, przy uwzględnieniu analizy ryzyka.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Umożliwia badanie mechanizmów urazów ścięgien w określonych warunkach stresu mechanicznego.
- Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez ilościowe określanie odpowiedzi biologicznych i mechanicznych na nadużywanie.
- Ułatwia uzyskanie pewności prognostycznej przy wyborze kandydatów do interwencji w zakresie naprawy ścięgien.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia zwalidowaną platformę in vivo do standaryzowanego obciążania mechanicznego i pomiarów.
- Generuje powtarzalne, ilościowe wyniki, takie jak histereza, maksymalne naprężenie oraz zmiany modułu.
- Umożliwia przygotowanie do dalszej oceny związków ukierunkowanych na patologię ścięgien.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodny z istotnymi dla choroby modelami tendinopatii w celu opracowania translacyjnych biomarkerów.
- Zapewnia ciągłość od odkryć mechanistycznych do przedklinicznej oceny skuteczności.
- Umożliwia dostosowanie ryzyka w procesie rozwoju kandydatów na terapeutyki ukierunkowanych na urazy przeciążeniowe ścięgien.
Integracja potoków i przepływów pracy
Ten system testowania pasywnego zgięcia grzbietowego integruje się z kontinuum od etapu odkrycia do badań przedklinicznych w obszarze badań nad układem mięśniowo-szkieletowym, łącząc badania mechanistyczne z walidacją translacyjną.
- Biologia odkryć: Ilościowo ocenia odpowiedź ścięgna na zdefiniowane obciążenie mechaniczne, wyjaśniając ścieżki powstawania urazów.
- Przesiewanie: Dostarcza zestandaryzowane, powtarzalne odczyty mechaniczne i biologiczne do opracowywania testów analitycznych.
- Analityka: Umożliwia bezpośredni pomiar relacji naprężenie-odkształcenie oraz zmian histologicznych do analizy porównawczej.
- Badania translacyjne: Modeluje klinicznie istotne urazy wynikające z przeciążenia, wspierając dopasowanie biomarkerów i terapii.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje wielokrotnie wykorzystywalną platformę in vivo, którą można dostosować do różnych potrzeb badawczych w zakresie urazów ścięgien.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad urazami ścięgien.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje protokoły obciążania in vivo oraz wyniki pomiarów w celu zapewnienia powtarzalności.
- Wartość strategiczna: Poprawia proces podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową w portfelach projektów dotyczących układu mięśniowo-szkieletowego.
- Wpływ na portfel: Wspiera priorytetyzację programów terapeutycznych ukierunkowanych na ścięgna w oparciu o analizę ryzyka.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w modelowaniu mięśniowo-szkieletowym in vivo oraz w testach mechanicznych.
- Wymaga instrumentarium, w tym siłowników stawowych, czujników momentu obrotowego oraz oprogramowania analitycznego.
- Wymaga standaryzacji protokołów obciążania i punktów końcowych pomiarów pomiędzy zespołami.
- Możliwość adaptacji do różnych modeli ścięgien poprzez modyfikację protokołu w razie potrzeby.
- Ograniczenia obejmują odpowiedzi specyficzne dla gatunku oraz złożoność techniczną pomiarów in vivo.
