Visualisation de la dégénérescence articulaire du genou après une lésion non invasive du LCA chez les rats

Biomedical Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Overview

Source: Lindsey K. Lepley1,2, Steven M. Davi1, Timothy A. Butterfield3,4 et Sina Shahbazmohamadi5,

1 Fois Département de kinésiologie, Université du Connecticut, Storrs, CT; 2 (en) Department of Orthopaedic Surgery, University of Connecticut Health Center, Farmington, CT; 3 (en) Department of Rehabilitation Sciences, University of Kentucky, Lexington, KY; 4 ( en plus) Center for Muscle Biology, Department of Physiology, University of Kentucky, Lexington, KY; 5 Annonces Département de génie biomédical, Université du Connecticut, Storrs, CT

Les lésions du ligament croisé antérieur (LCA) au genou augmentent considérablement le risque d'arthrose post-traumatique (PTOA), car environ un tiers des personnes démontreront une PTOA radiographique au cours de la première décennie suivant une lésion cérébrale. Bien que la reconstruction d'ACL (ACLR) redonne avec succès la stabilité d'articulation de genou, ACLR et les techniques actuelles de réadaptation n'empêchent pas le début de PTOA. Par conséquent, la blessure d'ACL représente le modèle idéal pour étudier le développement de PTOA après des dommages articulaires traumatiques.

Les modèles de rat ont été largement utilisés pour étudier l'encours et l'effet des dommages d'ACL sur PTOA. Le modèle le plus largement utilisé des dommages d'ACL est transection d'ACL, qui est un modèle aigu qui déstabilise chirurgicalement l'articulation. Bien que pratique, ce modèle n'imite pas fidèlement les blessures humaines de LCA dues aux procédures envahissantes et non physiologiques de dommages qui masquent la réponse biologique indigène aux dommages. Pour améliorer la traduction clinique de nos résultats, nous avons récemment développé un nouveau modèle non-invasif des dommages d'ACL où l'ACL est rompu par une charge simple de compression tibial. Cette blessure reproduit étroitement les conditions de blessure pertinentes pour l'homme et est fortement reproductible.

La visualisation de la dégénérescence articulaire par la tomographie micro-calculée (CT) fournit plusieurs avancées majeures par rapport aux techniques traditionnelles de coloration de l'arthrose, y compris l'imagerie 3D rapide, à haute résolution et non destructive de la dégénérescence articulaire entière. L'objectif de cette démonstration est d'introduire l'état de l'art des lésions non invasives ACL dans un modèle de rongeur et d'utiliser cT pour quantifier la dégénérescence des articulations du genou.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie biomédical. Visualisation de la dégénérescence articulaire du genou après une lésion non invasive du LCA chez les rats. JoVE, Cambridge, MA, (2020).

Principles

L'ACL est une structure en bande de tissu conjonctif dense qui provient de l'espace intercondylar antérieur du tibia et s'étend de façon supérieure et latérale à l'aspect postérieur du condyle latéral du fémur. Structurellement, l'ACL sert à la fois de stabilisateur passif du genou, travaillant de concert avec d'autres ligaments ainsi que la musculature des cuisses pour aider à contrôler l'articulation pendant le mouvement dynamique. L'ACL est la principale contrainte au déplacement tibial antérieur et joue un rôle essentiel dans le maintien de la stabilité de l'articulation du genou. Au-delà du soutien structurel, l'ACL agit également comme une voie pour l'information neuronale entre l'articulation du genou et le système nerveux central. Le plus grand stress sur l'ACL se produit lorsque le genou est près de l'extension, et c'est pendant ce temps que l'ACL est le plus à risque de blessure.

L'ACL est le ligament du genou le plus souvent blessé lors d'activités sportives et professionnelles. Les blessures de LCA sans contact représentent près de 70 % de toutes les blessures au LCA, et elles surviennent lorsqu'une personne génère suffisamment de forces et/ou de moments au genou, ce qui entraîne un chargement excessif du LCA. Bien que le mécanisme des dommages de LCA sans contact ait été étudié à l'aide d'une variété de modèles de recherche (prospective, rétrospective, observationnelle, in vivo et in vitro),une détermination directe de la façon dont les blessures se produisent demeure insaisissable. La reconstruction d'ACL est souvent exécutée en insérant chirurgicalement une partie des individus ischio-jambiers ou tendon rotulien dans la zone de l'ACL. Le but de la reconstruction chirurgicale est de maximiser la stabilité du genou et la capacité fonctionnelle qui ont été perdus après la blessure. La reconstruction chirurgicale facilite un retour sûr au sport et favorise la santé à long terme d'articulation de genou. Cependant, malgré les meilleurs efforts des cliniciens et des chercheurs, près des deux tiers des patients atteints d'un ACL reconstruit reconstruit patients ne retournent pas à l'activité à 12 mois après la reconstruction et plus de 50% des genoux reconstruits ACL ont des signes radiographiques de PTOA 5-14 ans après les blessures.

Les modèles animaux offrent à la fois un moyen pratique et cliniquement pertinent d'étudier l'histoire naturelle et la réponse du traitement à la santé articulaire. Il est important que le genou d'un rat ait une anatomie et une fonction similaires aux genoux chez l'homme, ce qui fait du genou rat un modèle utile pour étudier la PTOA après une blessure au LCA. Pour améliorer la traduction clinique de nos résultats, nous avons récemment développé un nouveau modèle non-invasif des dommages d'ACL, où l'ACL est rompu par une charge simple de compression tibial. Cette blessure reproduit étroitement les conditions de blessure pertinentes pour l'homme et est fortement reproductible.

Le dispositif de chargement se compose de deux plates-formes de chargement sur mesure (figure 1); l'étage supérieur du genou est monté de façon rigide sur un actionneur linéaire (actionneur linéaire L16-63-12-P, Phidgets, Alberta, CA) qui positionne le membre postérieur droit dans une période de dorsiflexion de 30 degrés1 à 1 et de 100 à1 de flexion du genou tout en offrant de la place pour la subluxation antérieure du tibia par rapport au fémur; l'étage inférieur tient le genou fléchi et est monté directement au-dessus d'une cellule de charge (HDM Inc., PW6D, Southfield, MI). Pendant la blessure, les rats sont anesthésiés, puis le membre postérieur droit est soumis à une seule charge de compression tibiale à une vitesse de 8 mm/s.1 blessure ACL est noté e par un dégagement de force compressive pendant les blessures qui est surveillée par l'intermédiaire d'un programme personnalisé (LabVIEW, Instruments nationaux, Austin, TX). Après la blessure, la rupture d'ACL est médicalement confirmée par l'essai de Lachman, où le fémur est fixé tandis qu'une force antérieure est appliquée au tibia. La traduction tibiale antérieure excessive indique l'insuffisance d'ACL. L'aCL blessé postérieur peut alors être étendu et fixé dans un dispositif imprimé 3D personnalisé pour visualiser la dégénérescence d'articulation de genou. Les images sont acquises pour caractériser les changements dans la structure trabeculaire liés au développement de PTOA. 4 ( en plus)

Figure 1
Figure 1 : Charge compressive tibiale causant des blessures aCL non invasives isolées.

Procedure

Blessures non invasives au LCA

  1. Portez un équipement de protection personnelle approprié. Vous pouvez utiliser un masque respiratoire, mais il n'est pas obligatoire pour ce protocole.
  2. Anesthésiez les rats à l'aide d'une chambre à induction avec 5% d'isoflurane et 1 L/min d'oxygène. Maintenir le flux d'anesthésie à l'aide d'un cône nasal avec 1 - 3% isoflurane et 500 ml/min d'oxygène. Si l'appareil n'est pas installé sur une table à courant arrière ou à contre-courant, assurez-vous que les déchets de gaz sont récupérés à l'aide d'un système de table et de filtres à charbon de bois.
  3. Effectuer un pincement d'orteil pour s'assurer qu'une profondeur adéquate d'anesthésique a été atteinte. Notez qu'il n'est pas nécessaire d'appliquer du lubrifiant pour les yeux, le protocole est exécuté rapidement (3 min) et qu'il y a un risque minimal de sécheresse de la cornée.
  4. Placez le membre arrière droit à 30 degrés de dorsiflexion et à 100 degrés de flexion du genou tout en offrant de la place pour la subluxation antérieure du tibia par rapport au fémur.
  5. Montez rigoureusement l'étage supérieur du genou à un actionneur linéaire.
  6. Placez le genou fléchi sur l'étage inférieur, qui est monté directement au-dessus d'une cellule de charge.
  7. Induire une blessure au LCA à l'aide d'une seule charge de compression tibiale à une vitesse de 8 mm/s.
  8. Les dommages d'ACL sont notés par un dégagement de force compressive. Ceci est surveillé via un programme personnalisé.
  9. Après la blessure, alors que l'animal est encore sous le plan de l'anesthésie, effectuer un test lachman pour confirmer cliniquement une rupture de LCA a eu lieu. Un test de Lachman est un test clinique utilisé pour évaluer l'intégrité de l'ACL en évaluant la stabilité du plan sagittal. Tout en stabilisant le fémur, tirez le tibia vers l'avant (dans une direction antérieure) pour évaluer la quantité de mouvement. Un LCA intact produira une « fin-sentir ferme » où le chercheur ne sera pas en mesure de traduire le tibia vers l'avant. Un ACL blessé produira une « sensation de fin douce ou molle », indicatif d'un LCA déchiré.
  10. Palpate le fémur et le tibia pour détecter tout dommage grave osseux. Si aucune contre-indication n'est identifiée, transférez l'animal dans sa cage et laissez-le récupérer. Pendant ce temps, surveillez l'animal pour vous assurer qu'il ne présente aucun signe de douleur, comme une réticence à se déplacer, une vocalisation ou une posture anormale.

Imagerie cT de la dégénérescence articulaire

Les images 2D sont obtenues à l'aide de réglages de scanner de 70 kV, courant 85,5 'A (Figure 2B). Les données sont recueillies chaque étape de rotation de 0,6 degrés à une résolution de 11,5 m à travers un 180 'complet. Les images transversales sont reconstruites à l'aide d'un algorithme de rétroprojection lissé et sur la pile d'images reconstruites (Figure 2C). La structure trabéculaire est ensuite analysée par segmentation dans un logiciel, où une sphère de 1,53 mm est centrée dans la plaque épiphysaire des plateaux tibials et du fémur médial et latéral pour déterminer l'épaisseur trabéculaire (m), la séparation trabéculaire (m) et le nombre trabeculaire (1/mm). 5,6

  1. À 4 semaines de dommages post-ACL, euthanasiez le rat avec l'exposition prolongée au CO2 dans la chambre d'induction.
  2. Étendre et sécuriser l'ACL blessé dans un appareil imprimé en 3D personnalisé (figure 2A).
  3. Acquérir des images à l'aide de cT.
  4. Obtenir des radiographies de plan frontal pour déterminer l'espace articulaire. rétrécissement (entre le condyle fémoral et le plateau tibial [mesuré en mm]) par rapport au membre non blessé.
  5. Obtenir des images 2D en utilisant les paramètres suivants du scanner : 70 kV et courant 85,5 'A.
  6. Recueillir les données chaque étape de rotation de 0,6 degrés à une taille de pixel de 11,5 m à travers un 180 'complet.
  7. Reconstruire des images transversales à l'aide d'un algorithme de rétroprojection lissé sur la pile d'images reconstruites.
  8. Pour s'assurer qu'une région d'intérêt cohérente est mesurée, placez une sphère de 1,53 mm dans la plaque épiphysée des plateaux tibials et du fémur médial et latéral pour déterminer l'épaisseur trabeculaire (m), la séparation trabéculaire (m) et le nombre trabeculaire (1/mm).

Figure 2
Figure 2 : A) Appareil imprimé personnalisé pour tenir le membre postérieur pendant les images 2D de CT, B) et C) 3-D 'CT.

L'une des blessures les plus courantes au genou est la rupture ou la déchirure du ligament croisé antérieur, également appelé l'ACL, avec près d'un tiers des blessures au LCA entraînant une arthrose post-traumatique, ou PTOA, dans une décennie.

Les modèles de rat ont été largement utilisés pour étudier l'effet des dommages d'ACL sur PTOA, car l'articulation de genou de rat est un modèle étroit à l'articulation humaine de genou. Le modèle le plus largement utilisé des dommages d'ACL est transection d'ACL, où l'articulation est chirurgicalement déstabilisée. Cependant, ce modèle ne reproduit pas avec précision les conditions de blessures au LCA chez l'homme.

Dans cette vidéo, nous allons discuter d'un nouveau modèle non-invasif de lésion de rat DeL, démontrer la blessure, et l'imagerie de l'articulation blessée, et finalement examiner la recherche dans le domaine du génie biomédical sur la réparation des ligaments.

Le genou se compose de trois os, le fémur, la rotule et le tibia. Le ligament croisé antérieur, ou ACL, est une structure en bande de tissu conjonctif dense qui monte de l'espace intercondylar antérieur du tibia et s'étend de façon supérieure et latérale à l'aspect postérieur du condyle latéral du fémur.

Les autres ligaments du genou comprennent le ligament croisé postérieur, le ligament collatéral latéral et le ligament collatéral médial. Structurellement, tous les ligaments, en particulier l'ACL, servent de stabilisateurs passifs du genou avec la musculature de la cuisse pour aider à contrôler l'articulation pendant le mouvement dynamique.

Le plus grand stress sur l'ACL se produit lorsque le genou est près de l'extension, et c'est pendant ce temps que l'ACL est le plus à risque de blessure. Les modèles animaux offrent à la fois un moyen pratique et cliniquement pertinent d'étudier les lésions articulaires et le traitement. Le modèle de genou de rat en particulier est employé couramment pour étudier des dommages de genou, car le genou de rat ressemble étroitement au genou humain. Pour modéliser une lésion aCL cliniquement pertinente chez l'homme, une seule charge de compression tibiale est appliquée. Lorsqu'il est fait correctement, cela provoque une rupture complète de l'ACL.

Les membres postérieurs blessés par le LCA peuvent ensuite être photographiés à l'aide d'une tomographie micro-calculée, ou Micro CT, pour visualiser les lésions articulaires et la dégénérescence. Micro CT est une technique d'imagerie qui utilise des rayons X pour créer des images d'un objet, comme une articulation. Ces coupes transversales sont mesurées à travers l'objet, et combinées pour créer une reconstruction tridimensionnelle. Pour plus d'informations sur la micro CT, s'il vous plaît regarder la vidéo dans cette collection.

Maintenant que nous avons discuté du nouveau modèle non-invasif de blessure de rat ACL, jetons un coup d'oeil à la façon dont la blessure est faite, suivie de la visualisation micro CT de l'articulation.

La blessure d'ACL sera exécutée utilisant un dispositif fait sur commande, qui induira une seule charge de compression sur le tibia d'un rat anesthésié. Tout d'abord, placez un rat dans une chambre d'induction avec cinq pour cent d'isoflurane et un litre par minute d'oxygène. Une fois anesthésié, déplacez le rat vers l'appareil à l'aide d'un cône nasal pour maintenir un flux de un à trois pour cent isoflurane. Placez le membre arrière droit à 30 degrés de dorsaflexion et 100 degrés de flexion du genou.

Déplacez l'étage supérieur du genou, qui est monté sur un actionneur linéaire, à un millimètre par seconde. Assurez-vous de fournir de la place pour la subluxation antérieure du tibia, par rapport au fémur. Ensuite, placez le genou fléchi sur l'étage inférieur, qui est monté dirigé au-dessus d'une cellule de charge. Une fois que le rat est correctement positionné, allumez l'appareil personnalisé, ouvrez la vue de laboratoire, et entrez une vitesse de compression de huit millimètres par seconde. Ensuite, exécutez le test pour induire une rupture du LC ACl à l'aide d'une seule charge de compression tibiale. Pendant que vous exécutez le test, surveillez la procédure. Le dommage d'ACL est noté par le dégagement de la force compressive.

Après une blessure, retirez le rat de l'appareil et placez-le sur une surface plane. Ensuite, effectuez le test de Lachman pour évaluer l'intégrité du LCA. Tout en stabilisant le fémur, tirez le tibia vers l'avant. Un ACL intact produit un point de terminaison ferme, tandis qu'un ACL blessé produit une sensation d'extrémité douce. Une fois que le test de Lachman a été effectué, retournez le rat à son logement pour lui permettre de se réveiller de l'anesthésie.

Maintenant, nous allons l'image de l'articulation endommagée. Pour se préparer à l'imagerie par micro-ToC, euthanasiez le rat d'une manière humaine selon les directives de l'AVMA. Ensuite, étendez et fixez les membres postérieurs blessés par l'ACL à l'aide de plusieurs attaches zippées en plastique, et manœuvrez-les soigneusement dans l'appareil personnalisé. Le membre postérieur doit être complètement étendu dans le tube conique.

Fixer le reste du corps du rat dans un récipient approprié qui est compatible avec le stade micro CT. Placez ensuite l'articulation sécurisée dans l'instrument micro CT et acquérez des images bidimensionnelles des os dans l'articulation à l'aide de réglages de scanner de 70 kilovolts à un courant de 85,5 microangstroms et une résolution de 11,5 microns pour 180 degrés. Utilisez un temps d'exposition de cinq secondes à une rotation de 0,6 degré. Recueillir des images en deux dimensions, en rotation tous les 0,6 degrés à travers l'ensemble des 180 degrés. Reconstruisez ensuite les images à l'aide d'un algorithme pour créer une image tridimensionnelle de l'articulation. Pour déterminer les caractéristiques des os trabecular, utilisez d'abord un plugin logiciel pour acquérir un rendu de volume de l'articulation.

Ensuite, affichez les projections orthogonales et déplacez-vous à travers les tranches pour sélectionner l'emplacement souhaité entre la plaque épiphysher des plateaux tibials médial et latéral, et les condyles médials et latéraux du fémur. Ensuite, recadrez le genou à l'endroit désiré et masquez-le avec une sphère de 1,53 millimètre. Utilisez un seuil interactif pour étiqueter l'os et binariser l'image. Maintenant, calculez l'épaisseur de l'os trabeculaire, qui est une mesure de l'aubeoarthrite.

Répétez pour différents endroits et pour quantifier d'autres caractéristiques osseuses trabeculaires. Après l'imagerie, vous voudrez peut-être confirmer la rupture du LC par inspection visuelle et en ouvrant le genou. Pour ce faire, d'abord enlever la peau. Vous devriez voir une hémarthrose, ce qui signifie qu'il ya du sang dans la capsule et est caractéristique d'une blessure au LCA.

Maintenant, continuez à ouvrir l'articulation pour exposer le fémur distal antérieur, la rotule, et l'ACL. Effectuez un test de Lochman pour ouvrir l'articulation encore plus loin et observer le sang dans l'articulation et la déchirure proximale isolée de l'ACL.

Maintenant, nous allons comparer la dégénérescence articulaire et la structure osseuse trabeculaire dans un genou de rat avec une blessure aigue de LCA et une blessure de genou de rat quatre semaines après ACL. Ici, nous voyons des images 3-D reconstruites d'un genou de rat avec une blessure aigue d'ACL et à quatre semaines après ACL-blessure. L'épaisseur, le nombre et l'espacement des os trabecular sont calculés à quatre endroits différents au centre de la plaque épiphysaire et comparés.

Un plus petit nombre trabecular, l'épaisseur trabeculaire réduite, et un plus grand espacement trabecular, était évident quatre semaines après la déchirure non invasive d'ACL, comparé au genou de rat avec une blessure aCL aigu. Tous ces éléments sont caractéristiques caractéristiques de l'aube de l'arthrose post-traumatique.

Divers modèles animaux sont importants non seulement pour l'étude des lésions du LCA, mais aussi pour évaluer de nouveaux traitements. Un des traitements actuels pour des dommages de ACL est la reconstruction de ligament utilisant une greffe de tissu. Dans cette étude, les chercheurs ont créé une greffe de tissu fibreuse utilisant la polycaprolactone. La greffe acellulaire a ensuite été implantée chez les rats, remplaçant le ligament naturel.

La greffe a été fixée à l'articulation du genou en perçant des trous dans le fémur et le plateau tibial, puis en passant la greffe à travers les trous et la fixation avec des sutures. Après 16 semaines, l'analyse histologique démontre que la matrice d'échafaudage s'est infiltrée par des fibroblastes et que le polymère a été en grande partie résorbé avec peu d'évidence de lui restant. Les ligaments d'ingénierie peuvent également être étudiés in vitro.

Dans cette étude, les cellules humaines ont été isolées des restes d'ACL et développées dans la culture. Les cellules ont ensuite été cultivées sur des plaques enduites avec des ancres pour former des constructions ligamentaires machinées. Après avoir ajouté du fibrinogène pour encourager la formation de fibrine, les plaques ont été cultivées dans un incubateur.

Après 28 jours, la fibrine a formé le tissu linéaire entre les deux ancres. Ce type d'étude permet aux chercheurs de comprendre le rôle de différents types de facteurs de croissance et d'hormones, de synthétiser le tissu de remplacement du LCA et de déterminer des moyens d'encourager la réparation du LCA in vivo.

Vous venez de regarder l'introduction de Jove à l'utilisation d'un modèle de rat pour induire et visualiser les blessures AuL. Vous devez maintenant comprendre comment le modèle de rat est utilisé pour étudier et imager les lésions ligamentaires et plusieurs applications de ce domaine d'étude.

Merci d'avoir regardé!

Results

Un nombre trabeculaire plus petit, une épaisseur trabéculaire réduite et un espacement trabeculaire plus grand, toutes caractéristiques caractéristiques de l'entrée en PTOA, étaient évidents 4 semaines après la déchirure non invasive de l'ACL(tableau 1 et figure 3). Une image d'un ACL disséqué de membre sain par rapport à un membre blessé aigu est montrée dans la figure 5. Le nouveau modèle non-invasif des dommages d'ACL, où l'ACL est rompu par une charge simple de compression tibial, a pu produire une déchirure proximale d'isolement de l'ACL.

Figure 4
Figure 3: Image 3-D reconstruite de l'ACL-injury (gauche) et 4 semaines après l'ACL (à droite) chez un rat.

Tableau 1: Mesures caractéristiques de l'encours de la PTOA.

Animal Tb.N Tb.N
(1/mm)
Tb.Th
(m)
TB.Sp TB.Sp
(m)
Blessé aigu au LCA 3.11 168.5 217
4 wks post-ACL blessure 2.63 166.7 213

Figure 5
Figure 4: Image d'un membre aCL blessé aigu (à gauche) et image d'ACL intact et sain (à droite).

Applications and Summary

Cette vidéo montre comment un actionneur linéaire peut être utilisé pour produire une rupture non invasive isolée de LCA chez les rats. Cette blessure reproduit étroitement les conditions de blessure pertinentes pour l'homme et est fortement reproductible. Pour surmonter plusieurs des principales limitations des techniques traditionnelles de coloration de l'arthrose, cette méthode utilise le CT pour quantifier la dégénérescence articulaire entière et la structure trabeculaire.

Les interventions fondées sur des données probantes visant à améliorer les résultats de la réadaptation musculo-squelettique sont un domaine très important qui a peu changé au cours des deux dernières décennies, même si des progrès significatifs en biologie de base ont suggéré que des modifications à la réadaptation protocoles sont attendus depuis longtemps. Le problème est que les spécialistes de la réadaptation classique ont utilisé des rapports anecdotiques pour façonner la pratique clinique plutôt que la science fondamentale pour fournir des hypothèses éclairées qui sont testées dans des organismes modèles avant la traduction à la clinique. Les procédures décrites ici fournissent aux scientifiques une méthode pour reproduire de près une blessure articulaire traumatique qui est pertinente pour les humains et l'utilisation de cT pour suivre la progression de la santé articulaire.

Liste des matériaux:

Équipement Société Numéro de catalogue Commentaires
Actionneur linéaire Phidgets L16-63-12-P
Cellule de chargement HDM Inc. PW6D PW6D
L'entreprise Ct Zeiss XRM Xradia 520 XRM Xradia 520 XRM Xradia 520 XRM

References

  1. Maerz T, Kurdziel MD, Davidson AA, Baker KC, Anderson K, Matthew HW. Biomechanical Characterization of a Model of Noninvasive, Traumatic Anterior Cruciate Ligament Injury in the Rat. Ann Biomed Eng. 2015;43(10):2467-2476.
  2. Christiansen BA, Anderson MJ, Lee CA, Williams JC, Yik JH, Haudenschild DR. Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2012;20(7):773-782.
  3. Lockwood KA, Chu BT, Anderson MJ, Haudenschild DR, Christiansen BA. Comparison of loading rate-dependent injury modes in a murine model of post-traumatic osteoarthritis. J Orthop Res. 2014;32(1):79-88.
  4. Blair-Levy JM, Watts CE, Fiorentino NM, Dimitriadis EK, Marini JC, Lipsky PE. A type I collagen defect leads to rapidly progressive osteoarthritis in a mouse model. Arthritis Rheum. 2008;58(4):1096-1106.
  5. Mohan G, Perilli E, Kuliwaba JS, Humphries JM, Parkinson IH, Fazzalari NL. Application of in vivo micro-computed tomography in the temporal characterisation of subchondral bone architecture in a rat model of low-dose monosodium iodoacetate-induced osteoarthritis. Arthritis Res Ther. 2011;13(6):R210.
  6. Jones MD, Tran CW, Li G, Maksymowych WP, Zernicke RF, Doschak MR. In vivo microfocal computed tomography and micro-magnetic resonance imaging evaluation of antiresorptive and antiinflammatory drugs as preventive treatments of osteoarthritis in the rat. Arthritis Rheum. 2010;62(9):2726-2735.

Blessures non invasives au LCA

  1. Portez un équipement de protection personnelle approprié. Vous pouvez utiliser un masque respiratoire, mais il n'est pas obligatoire pour ce protocole.
  2. Anesthésiez les rats à l'aide d'une chambre à induction avec 5% d'isoflurane et 1 L/min d'oxygène. Maintenir le flux d'anesthésie à l'aide d'un cône nasal avec 1 - 3% isoflurane et 500 ml/min d'oxygène. Si l'appareil n'est pas installé sur une table à courant arrière ou à contre-courant, assurez-vous que les déchets de gaz sont récupérés à l'aide d'un système de table et de filtres à charbon de bois.
  3. Effectuer un pincement d'orteil pour s'assurer qu'une profondeur adéquate d'anesthésique a été atteinte. Notez qu'il n'est pas nécessaire d'appliquer du lubrifiant pour les yeux, le protocole est exécuté rapidement (3 min) et qu'il y a un risque minimal de sécheresse de la cornée.
  4. Placez le membre arrière droit à 30 degrés de dorsiflexion et à 100 degrés de flexion du genou tout en offrant de la place pour la subluxation antérieure du tibia par rapport au fémur.
  5. Montez rigoureusement l'étage supérieur du genou à un actionneur linéaire.
  6. Placez le genou fléchi sur l'étage inférieur, qui est monté directement au-dessus d'une cellule de charge.
  7. Induire une blessure au LCA à l'aide d'une seule charge de compression tibiale à une vitesse de 8 mm/s.
  8. Les dommages d'ACL sont notés par un dégagement de force compressive. Ceci est surveillé via un programme personnalisé.
  9. Après la blessure, alors que l'animal est encore sous le plan de l'anesthésie, effectuer un test lachman pour confirmer cliniquement une rupture de LCA a eu lieu. Un test de Lachman est un test clinique utilisé pour évaluer l'intégrité de l'ACL en évaluant la stabilité du plan sagittal. Tout en stabilisant le fémur, tirez le tibia vers l'avant (dans une direction antérieure) pour évaluer la quantité de mouvement. Un LCA intact produira une « fin-sentir ferme » où le chercheur ne sera pas en mesure de traduire le tibia vers l'avant. Un ACL blessé produira une « sensation de fin douce ou molle », indicatif d'un LCA déchiré.
  10. Palpate le fémur et le tibia pour détecter tout dommage grave osseux. Si aucune contre-indication n'est identifiée, transférez l'animal dans sa cage et laissez-le récupérer. Pendant ce temps, surveillez l'animal pour vous assurer qu'il ne présente aucun signe de douleur, comme une réticence à se déplacer, une vocalisation ou une posture anormale.

Imagerie cT de la dégénérescence articulaire

Les images 2D sont obtenues à l'aide de réglages de scanner de 70 kV, courant 85,5 'A (Figure 2B). Les données sont recueillies chaque étape de rotation de 0,6 degrés à une résolution de 11,5 m à travers un 180 'complet. Les images transversales sont reconstruites à l'aide d'un algorithme de rétroprojection lissé et sur la pile d'images reconstruites (Figure 2C). La structure trabéculaire est ensuite analysée par segmentation dans un logiciel, où une sphère de 1,53 mm est centrée dans la plaque épiphysaire des plateaux tibials et du fémur médial et latéral pour déterminer l'épaisseur trabéculaire (m), la séparation trabéculaire (m) et le nombre trabeculaire (1/mm). 5,6

  1. À 4 semaines de dommages post-ACL, euthanasiez le rat avec l'exposition prolongée au CO2 dans la chambre d'induction.
  2. Étendre et sécuriser l'ACL blessé dans un appareil imprimé en 3D personnalisé (figure 2A).
  3. Acquérir des images à l'aide de cT.
  4. Obtenir des radiographies de plan frontal pour déterminer l'espace articulaire. rétrécissement (entre le condyle fémoral et le plateau tibial [mesuré en mm]) par rapport au membre non blessé.
  5. Obtenir des images 2D en utilisant les paramètres suivants du scanner : 70 kV et courant 85,5 'A.
  6. Recueillir les données chaque étape de rotation de 0,6 degrés à une taille de pixel de 11,5 m à travers un 180 'complet.
  7. Reconstruire des images transversales à l'aide d'un algorithme de rétroprojection lissé sur la pile d'images reconstruites.
  8. Pour s'assurer qu'une région d'intérêt cohérente est mesurée, placez une sphère de 1,53 mm dans la plaque épiphysée des plateaux tibials et du fémur médial et latéral pour déterminer l'épaisseur trabeculaire (m), la séparation trabéculaire (m) et le nombre trabeculaire (1/mm).

Figure 2
Figure 2 : A) Appareil imprimé personnalisé pour tenir le membre postérieur pendant les images 2D de CT, B) et C) 3-D 'CT.

L'une des blessures les plus courantes au genou est la rupture ou la déchirure du ligament croisé antérieur, également appelé l'ACL, avec près d'un tiers des blessures au LCA entraînant une arthrose post-traumatique, ou PTOA, dans une décennie.

Les modèles de rat ont été largement utilisés pour étudier l'effet des dommages d'ACL sur PTOA, car l'articulation de genou de rat est un modèle étroit à l'articulation humaine de genou. Le modèle le plus largement utilisé des dommages d'ACL est transection d'ACL, où l'articulation est chirurgicalement déstabilisée. Cependant, ce modèle ne reproduit pas avec précision les conditions de blessures au LCA chez l'homme.

Dans cette vidéo, nous allons discuter d'un nouveau modèle non-invasif de lésion de rat DeL, démontrer la blessure, et l'imagerie de l'articulation blessée, et finalement examiner la recherche dans le domaine du génie biomédical sur la réparation des ligaments.

Le genou se compose de trois os, le fémur, la rotule et le tibia. Le ligament croisé antérieur, ou ACL, est une structure en bande de tissu conjonctif dense qui monte de l'espace intercondylar antérieur du tibia et s'étend de façon supérieure et latérale à l'aspect postérieur du condyle latéral du fémur.

Les autres ligaments du genou comprennent le ligament croisé postérieur, le ligament collatéral latéral et le ligament collatéral médial. Structurellement, tous les ligaments, en particulier l'ACL, servent de stabilisateurs passifs du genou avec la musculature de la cuisse pour aider à contrôler l'articulation pendant le mouvement dynamique.

Le plus grand stress sur l'ACL se produit lorsque le genou est près de l'extension, et c'est pendant ce temps que l'ACL est le plus à risque de blessure. Les modèles animaux offrent à la fois un moyen pratique et cliniquement pertinent d'étudier les lésions articulaires et le traitement. Le modèle de genou de rat en particulier est employé couramment pour étudier des dommages de genou, car le genou de rat ressemble étroitement au genou humain. Pour modéliser une lésion aCL cliniquement pertinente chez l'homme, une seule charge de compression tibiale est appliquée. Lorsqu'il est fait correctement, cela provoque une rupture complète de l'ACL.

Les membres postérieurs blessés par le LCA peuvent ensuite être photographiés à l'aide d'une tomographie micro-calculée, ou Micro CT, pour visualiser les lésions articulaires et la dégénérescence. Micro CT est une technique d'imagerie qui utilise des rayons X pour créer des images d'un objet, comme une articulation. Ces coupes transversales sont mesurées à travers l'objet, et combinées pour créer une reconstruction tridimensionnelle. Pour plus d'informations sur la micro CT, s'il vous plaît regarder la vidéo dans cette collection.

Maintenant que nous avons discuté du nouveau modèle non-invasif de blessure de rat ACL, jetons un coup d'oeil à la façon dont la blessure est faite, suivie de la visualisation micro CT de l'articulation.

La blessure d'ACL sera exécutée utilisant un dispositif fait sur commande, qui induira une seule charge de compression sur le tibia d'un rat anesthésié. Tout d'abord, placez un rat dans une chambre d'induction avec cinq pour cent d'isoflurane et un litre par minute d'oxygène. Une fois anesthésié, déplacez le rat vers l'appareil à l'aide d'un cône nasal pour maintenir un flux de un à trois pour cent isoflurane. Placez le membre arrière droit à 30 degrés de dorsaflexion et 100 degrés de flexion du genou.

Déplacez l'étage supérieur du genou, qui est monté sur un actionneur linéaire, à un millimètre par seconde. Assurez-vous de fournir de la place pour la subluxation antérieure du tibia, par rapport au fémur. Ensuite, placez le genou fléchi sur l'étage inférieur, qui est monté dirigé au-dessus d'une cellule de charge. Une fois que le rat est correctement positionné, allumez l'appareil personnalisé, ouvrez la vue de laboratoire, et entrez une vitesse de compression de huit millimètres par seconde. Ensuite, exécutez le test pour induire une rupture du LC ACl à l'aide d'une seule charge de compression tibiale. Pendant que vous exécutez le test, surveillez la procédure. Le dommage d'ACL est noté par le dégagement de la force compressive.

Après une blessure, retirez le rat de l'appareil et placez-le sur une surface plane. Ensuite, effectuez le test de Lachman pour évaluer l'intégrité du LCA. Tout en stabilisant le fémur, tirez le tibia vers l'avant. Un ACL intact produit un point de terminaison ferme, tandis qu'un ACL blessé produit une sensation d'extrémité douce. Une fois que le test de Lachman a été effectué, retournez le rat à son logement pour lui permettre de se réveiller de l'anesthésie.

Maintenant, nous allons l'image de l'articulation endommagée. Pour se préparer à l'imagerie par micro-ToC, euthanasiez le rat d'une manière humaine selon les directives de l'AVMA. Ensuite, étendez et fixez les membres postérieurs blessés par l'ACL à l'aide de plusieurs attaches zippées en plastique, et manœuvrez-les soigneusement dans l'appareil personnalisé. Le membre postérieur doit être complètement étendu dans le tube conique.

Fixer le reste du corps du rat dans un récipient approprié qui est compatible avec le stade micro CT. Placez ensuite l'articulation sécurisée dans l'instrument micro CT et acquérez des images bidimensionnelles des os dans l'articulation à l'aide de réglages de scanner de 70 kilovolts à un courant de 85,5 microangstroms et une résolution de 11,5 microns pour 180 degrés. Utilisez un temps d'exposition de cinq secondes à une rotation de 0,6 degré. Recueillir des images en deux dimensions, en rotation tous les 0,6 degrés à travers l'ensemble des 180 degrés. Reconstruisez ensuite les images à l'aide d'un algorithme pour créer une image tridimensionnelle de l'articulation. Pour déterminer les caractéristiques des os trabecular, utilisez d'abord un plugin logiciel pour acquérir un rendu de volume de l'articulation.

Ensuite, affichez les projections orthogonales et déplacez-vous à travers les tranches pour sélectionner l'emplacement souhaité entre la plaque épiphysher des plateaux tibials médial et latéral, et les condyles médials et latéraux du fémur. Ensuite, recadrez le genou à l'endroit désiré et masquez-le avec une sphère de 1,53 millimètre. Utilisez un seuil interactif pour étiqueter l'os et binariser l'image. Maintenant, calculez l'épaisseur de l'os trabeculaire, qui est une mesure de l'aubeoarthrite.

Répétez pour différents endroits et pour quantifier d'autres caractéristiques osseuses trabeculaires. Après l'imagerie, vous voudrez peut-être confirmer la rupture du LC par inspection visuelle et en ouvrant le genou. Pour ce faire, d'abord enlever la peau. Vous devriez voir une hémarthrose, ce qui signifie qu'il ya du sang dans la capsule et est caractéristique d'une blessure au LCA.

Maintenant, continuez à ouvrir l'articulation pour exposer le fémur distal antérieur, la rotule, et l'ACL. Effectuez un test de Lochman pour ouvrir l'articulation encore plus loin et observer le sang dans l'articulation et la déchirure proximale isolée de l'ACL.

Maintenant, nous allons comparer la dégénérescence articulaire et la structure osseuse trabeculaire dans un genou de rat avec une blessure aigue de LCA et une blessure de genou de rat quatre semaines après ACL. Ici, nous voyons des images 3-D reconstruites d'un genou de rat avec une blessure aigue d'ACL et à quatre semaines après ACL-blessure. L'épaisseur, le nombre et l'espacement des os trabecular sont calculés à quatre endroits différents au centre de la plaque épiphysaire et comparés.

Un plus petit nombre trabecular, l'épaisseur trabeculaire réduite, et un plus grand espacement trabecular, était évident quatre semaines après la déchirure non invasive d'ACL, comparé au genou de rat avec une blessure aCL aigu. Tous ces éléments sont caractéristiques caractéristiques de l'aube de l'arthrose post-traumatique.

Divers modèles animaux sont importants non seulement pour l'étude des lésions du LCA, mais aussi pour évaluer de nouveaux traitements. Un des traitements actuels pour des dommages de ACL est la reconstruction de ligament utilisant une greffe de tissu. Dans cette étude, les chercheurs ont créé une greffe de tissu fibreuse utilisant la polycaprolactone. La greffe acellulaire a ensuite été implantée chez les rats, remplaçant le ligament naturel.

La greffe a été fixée à l'articulation du genou en perçant des trous dans le fémur et le plateau tibial, puis en passant la greffe à travers les trous et la fixation avec des sutures. Après 16 semaines, l'analyse histologique démontre que la matrice d'échafaudage s'est infiltrée par des fibroblastes et que le polymère a été en grande partie résorbé avec peu d'évidence de lui restant. Les ligaments d'ingénierie peuvent également être étudiés in vitro.

Dans cette étude, les cellules humaines ont été isolées des restes d'ACL et développées dans la culture. Les cellules ont ensuite été cultivées sur des plaques enduites avec des ancres pour former des constructions ligamentaires machinées. Après avoir ajouté du fibrinogène pour encourager la formation de fibrine, les plaques ont été cultivées dans un incubateur.

Après 28 jours, la fibrine a formé le tissu linéaire entre les deux ancres. Ce type d'étude permet aux chercheurs de comprendre le rôle de différents types de facteurs de croissance et d'hormones, de synthétiser le tissu de remplacement du LCA et de déterminer des moyens d'encourager la réparation du LCA in vivo.

Vous venez de regarder l'introduction de Jove à l'utilisation d'un modèle de rat pour induire et visualiser les blessures AuL. Vous devez maintenant comprendre comment le modèle de rat est utilisé pour étudier et imager les lésions ligamentaires et plusieurs applications de ce domaine d'étude.

Merci d'avoir regardé!

JoVE Science Education is free through June 15th 2020.

RECOMMEND JoVE