Bruke en kne Arthrometer å vurdere vev-spesifikke bidrag til kneet strekking Contracture i rotte

Summary

Målet med protokollen er å måle forlengelsen bevegelsesutslag av rotte kneet. Effekten av ulike sykdommer som øker stivheten av kneet felles og effektiviteten av behandlinger kan kvantifiseres.

Abstract

Normal kneet området motion (ROM) er kritisk til trivsel og gjør det mulig å utføre grunnleggende aktiviteter som fotturer, klatring trapper og sitter. Tapt ROM kalles en felles contracture og resulterer i økt sykelighet. På grunn av vanskelighetene med å snu etablerte kneet contractures, tidlig oppdagelsen er viktig, og derfor vet risikofaktorer for deres utvikling er viktig. Rotta representerer en god modell som effekten av en intervensjon kan studeres på grunn av likheten av rotte kneet anatomi for mennesker, rottas evne til å tåle lang varighet av kneet immobilisering i refleksjoner, og fordi mekanisk data kan være korrelert med histologic og biokjemiske analyse av kneet vev.

Bruker en automatisert arthrometer, viser vi en validert, presis, reproduserbare, uavhengig av bruker metoden av måler forlengelsen ROM av rotte kneet joint på bestemte dreiemomenter. Denne arthrometer kan brukes til å fastslå effekten av intervensjoner på kne felles ROM i rotte.

Introduction

Har hele spekteret av bevegelse (ROM) i leddene er avgjørende for helse og velvære¹. Tap i felles passiv ROM kalles en contracture². Felles contractures kan oppstå fra mange betingelser, inkludert langvarig bedrest, lammelser, felles kirurgi, brannskader, infeksjoner og nevrologiske forhold^1,3,4,5. En contracture i kneet kan være å deaktivere som akselererer felles degenerasjon, øker risikoen for fall og detrimentally påvirker en persons evne til å utføre grunnleggende funksjonelle oppgaver inkludert gå, sittende og klatring trapper^{6, 7}.

Når etablert, contractures av kneet er vanskelig å behandle, og derfor bestemmer hvilke pasienter på den høyeste risikoen for å utvikle denne tilstanden er avgjørende for forebygging og unngå contracture-assosiert sykelighet⁸. Eksperimenter er utformet for å evaluere 1) forholdene forårsaker eller påvirke kneet felles contractures, 2) alvorlighetsgraden av contractures, 3) deres timelige progresjon, 4) vev involvert i contracture, 5) deres Reversibilitet samt 6) nytten av ulike forebyggende og helbredende tiltak på kne felles ROM. For alle disse eksperimentene er en gyldig, objektive, presis og reproduserbar metode for å måle ROM avgjørende. Andre hjelpeutstyr tiltak (energiforbruk, histomorphometry, gen uttrykk og protein innhold) er nyttige indikatorer for å forstå i Patofysiologien ved felles contractures, men den mekaniske begrensningen er hva begrenser pasienten og fører til funksjonshemming. Noen av utfordringene i dette området av forskning omfatter heterogene metodene som kne ROM kan bli testet eksperimentelt, samt mangel på kvantitative data⁹. Bruk av en rekke eksperimentelle metoder fører til resultater som ikke er sammenlignbare fra laboratoriet til laboratoriet. Dette har ført til uenighet om betingelsene (for eksempel immobilisering eller felles kirurgi) føre til felles contractures¹⁰. En automatisert metode eksperimentelt måle felles ROM etter en intervensjon er derfor nødvendig.

Her beskriver vi en bruker-uavhengig, gyldig, presis og reproduserbar protokoll for å vurdere rotte kneet ROM med en spesialbygd arthrometer knyttet til et digitalt kamera å presist måle kneet ROM i forlengelsen. Vi testet effekten av ulike perioder immobilisering på kne ROM. Vi beskriver metodene for å måle ROM på forhåndsdefinerte dreiemomenter på digital bildene bruk fast benete landemerker. Samlet disse metodene pålitelig måle rotte kneet ROM og gir kvantitative data.

Protocol

Rotte kneet immobilisering modellen som brukes er godkjent ved Universitetet i Ottawa Animal Care og Veterinary tjenesten og den lokale etikk.

1. dyr forberedelse

1. På slutten av forhåndsbestemte immobilisering perioden, euthanize rotter av administrasjonen av karbondioksid.
   Merk: Vi brukte her en immobilisering modell med en plate og 2 skruer (en i det proksimale femur og den andre i distale tibia), som unngår brudd på noen kneet felles strukturer og opprettholder en kne-bøyes posisjon på 135° som beskrevet tidligere⁶ . Over en periode gir dette en kneet strekking contracture¹¹.
2. Dekk området både på og rundt overflaten som arthrometer plasseres på med absorberende, vanntett beskyttelse pads. Bruk hansker, laboratoriefrakk og vernebriller, mens å fullføre eksperimentet.
3. Bruke en skalpell, dele huden til å utsette platen og skruene (se merknad etter trinn 1.1); sette inn mer proksimale skruen i proksimale femur og sett mer distale skruen i distale tibia. Palpate for å finne skruene. Når skruen hoder er tilgjengelig, kan du fjerne skruen med en skrutrekker.
   Merk: I løpet av immobilisering, hodene til skruene kan bli dekket av bløtvev. Hvis dette skjer, kan du bruke skalpell forsiktig fjerne vevet og avdekke skruen hoder.
4. Når skruene er fjernet, fjerne platen manuelt eller ved hjelp av pinsett fra et disseksjon kit.
5. Bruke saks og tang, deglove underekstremitetene for å fjerne huden fra underliggende fascia.

2. dyr på i motordrevet Arthrometer

Merk: Alle tester skal utføres ved romtemperatur. Her er på arthrometer drevet av en standard nordamerikanske 120 V inngang. Kortet utdataene er 12 V og 500 mA.

1. Plassere dyret skal testes på siden med den eksperimentelle ben (Ben å bli testet) vendt oppover (figur 2).
   1. Sikre femur i riflet metall klemme som er integrert i montering scenen på arthrometer. Hull gjennom muskler med en presisjon skrutrekker sett klemmen distale til større trochanter og sikre femur. Justere den laterale femur condyle over midten av rotasjon av arthrometer (figur 1, 2).
   2. Posisjonen bevegelige arm med to oppreist innlegg bak beinet, bare overlegen calcaneus, å presse kneet i passiv forlengelsen når den elektriske motoren er aktivert.
   3. Stram femur klemmen på sin base med en hex-nøkkel før den er sikret.
2. Kontroller at kameraet er riktig montert på arthrometer med en skrutrekker og er Manuell fokus. Fokus kameraet på femur condyle.
3. Velg retningsinnstillingen på arthrometer (med eller mot klokken) avhengig av retningen på kneet ROM testes og plasseringen av rotte.
4. Aktiver arthrometer motoren ved samtidig trykke på makt og starte knapp.
   Merk: Nødvendigheten av å trykke på power og start-knappen samtidig er en sikkerhetsfunksjon for enheten, som hindrer utilsiktet aktivering.
   1. Observere at arthrometer motoren vil gå med en hastighet på 6,6 RPM og deretter stoppe 2.1 s ved å nå det første forhåndsinnstilte dreiemomentet.
   2. Merk: at når første dreiemoment er nådd, tilsvarende ledet lyser opp og det digitale kameraet tar et bilde av kneet automatisk.
      Merk: Når bildet er tatt, arthrometer vil fortsette til neste, høyere forhåndsinnstilte dreiemoment. Når fire dreiemomenter har brukt, avbrytes arthrometer. Når rotta er plassert på arthrometer og testing startes, er total tid for testing kne ca 18.8 s. ganger kan variere noe avhengig av den felles contracture. Bildene er tatt brukes til å måle filtypen på hver dreiemoment.

3. fange vinkelen på kne forlengelse med motorisert Arthrometer

Merk: Når motoren har stoppet på hver anvendt dreiemoment, utløses et digitalt kamera for å ta et bilde. Kameraet er plassert på rammen slik at det er rett over kneleddet blir testet og fokusert på femur condyle.

1. Fortsette testingen med den samme kneet fra samme dyret, men i en annen situasjon, f.eks etter en myotomy bakre transarticular musklene er utført for å isolere arthrogenic (ikke-muskel) komponenten av en contracture, eller med en kne fra en annen dyr.
   1. Ved fullføring av myotomy, dissekere muskelen proksimale nok til kneet felles slik at kapselen ikke er kuttet.
      Merk: Det er lettest å fullføre den myotomy når benet i forlengelsen, følgende program dreiemoment sette 4 (17.53 N-cm). Deretter gjenta 2.1 gjennom 3.1.
2. Når begge beina er testet under alle forhold (f.eks før og etter myotomy), kaste det dyr carcass og alle biologisk farlige materialer etter institusjonelle protokoll og rense arthrometer.

4. kneet ROM måling analyse

1. Analysere ROM hjelp ImageJ.
   Merk: Her versjon 1.45s ble brukt.
2. Åpne filen som inneholder det digitale bildet tatt med kameraet montert på rotten arthrometer.
   Merk: Personen som utfører analysen bør være blinde for den eksperimentelle grupperingen av dyr (f.eks immobilisert versus kontroll).
3. Velg vinkel verktøyet på hovedverktøylinjen og spore femorotibial vinkel ved å tegne en femur linje fra midten av femur klemme den laterale condyle (samkjøres med det femur diaphysis, figur 2), og en tibial linje fra sideveis femoral condyle til den laterale malleolus (figur 2).
   Merk: Femoro-tibial vinkelen tilsvarer maksimal vinkel på kne forlengelsen nådd på hver forhåndsinnstilte dreiemoment.
4. Bruke måle ved å klikke analyser | Tiltak å vise beregnede vinkelen produsert av det 2 linjer trukket over. Bruke konvensjonen på 0° betyr full forlengelse.

Representative Results

Kneet utvidelsen bestemmes i ulike perioder ubevegelighet oppsummeres for å øke varigheten for ubevegelighet og viser at mer alvorlig contractures ble produsert etter økende lengder immobilisering. Representant resultater med ImageJ er vist i Figur 3.

Muligheten til å måle maksimal forlengelse av rotte kne på en gyldig, presis og reproduserbar, bruker-uavhengig måte som reduserer skjevhet i dataene. I eksempelet gitt, vi vurdert maksimal kneet forlengelse etter 16 uker immobilisering for 7 rotter, sammenligner immobilisert (eksperimentell) lem til ikke-immobilisert kontralateral lem. Lem valgt for immobilisering vekslet fra ettall rotten til neste (f.eks rotte 1 hadde det høyre kneet immobilisert, rotten 2 venstre). Etterforskeren måle vinkler ble blindet som siden ble immobilisert under mål. Resultatene presenteres i Figur 3. For immobilisert kne, var muligheten for maksimal forlengelse redusert sammenlignet med det kontralateral. Delingen av transarticular musklene eliminerer refleksjoner contracture myogenic komponenten. Etter myotomy, maksimal forlengelse mulighet for eksperimentell og kontralateral kneet økt; eksperimentell kneet fortsatte å demonstrere en strekking contracture (Figur 3).

Figur 1 : Rotte kne arthrometer. (A) hele apparatet (B) representativt bilde av dyr i arthrometer (C) elektronikk skjerm og klemmer for arthrometer. (D) forstørret bilde av elektronikk. Tallene viser de ulike dreiemomenter brukes: dreiemoment 1 = 2,53 N-cm dreiemoment 2 = 7.53 N-cm dreiemoment 3 = 12.53 N-cm dreiemoment 4 = 17.53 N-cm. (E) forstørret bilde av femur klemme og tibial skyve apparater. Femoral klemmen er fast på scenen. Tibial flytte armen har 2 oppreist innlegg det fastsette distale underekstremitetene og flytte kneet til filtypen. Pilspiss og chevron angir femur klemmen og bevegelig armen, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2 : Arthrometer og eksperimentelle rotte for evaluering. (A) kneet forlengelse av bakre lem måles med tibial linjen fra den laterale femur condyle den laterale malleolus og femur linjen fra den laterale condyle til midten av femur klemmen. Pilspiss og chevron angir femur klemmen og bevegelig armen, henholdsvis. (B) forstørring bilder av femur condyle og (C) forstørring av lateral malleolus.

Figur 3 : Immobilisert og kontralateral rotte kneet bevegelsesutslag etter 16 uker immobilisering. For begge knærne, etter tester kneet forlengelsen med alle articular strukturer intakt (n = 7), en myotomy av trans-articular musklene ble utført for å avgjøre arthrogenic begrensning på ROM. Data presenteres som betyr grader fra full forlengelse (ved hjelp av konvensjonen 0 = full forlengelse) med feilfelt representerer standardavvik. * representerer p < 0,01 bruker uavhengig-prøver T-test. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Rotte kneet arthrometer ble utviklet å reproduserbar og pålitelig bestemme maksimal forlengelse av rotte kneet etter en intervensjon. Fordelene med denne enheten inkluderer konsekvent generering av dreiemoment over kneet felles med en konstant arm lengde og utvidelse kraft. En annen fordel inkluderer muligheten til å angi dreiemoment på et nivå som gjør at repeterende testing på samme felles å evaluere ulike articular strukturer på kne ROM, som muskel, kapsel eller leddbånd. For eksempel følgende testing av fullt intakt felles, bakre transarticular kne muskler kan deles og arthrometer testing gjentatte for å bestemme arthrogenic bidrag til filtypen begrensning¹¹.

Bestemte mekaniske funksjoner i arthrometer som optimaliserer nøyaktighet og presisjon inkluderer riflet klemmen, som er utformet for å hindre rotasjon av femur under testing (figur 1). De distale to metall oppreist innleggene engasjere beinet posteriorly, skyve kneet i utvidelse med klokken, og minimere risikoen av bakre forvridning av tibia på femur under testing (figur 1). Høyden på innlegg og fremre overheng av øvre oppreist koblingen sikrer at tibia ikke slip av innleggene. Evne til oppreist innlegg til å rotere og opprettholde sin posisjon på tibia bare proksimale til calcaneus sikrer konstant dreiemoment. Fire dreiemomenter testes i rekkefølge: 2,53 N-cm, 7.53 N-cm, 12.53 N-cm og 17.53 N-cm. Høyeste dreiemoment ble identifisert som hvor mye kraft som førte til capsular svikt i normal (unoperated) rotte kneledd (dvs. forlengelse overgå 0 °) etter delingen av alle transarticular muskel. Laveste dreiemoment var motstand mot vinkelformet bevegelse like over målbare mengder på normal rotte kneledd. Midtre to dreiemomenter ble satt til å være ca halvveis mellom høyeste og laveste dreiemomenter.

Andre metoder for måling av felles ROM på bestemte dreiemomenter har vært på begge rotte og andre dyr modeller^{12,13,14,15,16}. Noen av fordelene med vår modell over disse andre systemer inkluderer en praktisk størrelse som tillater Borstemmaskin plassering av enheten uten behov for spesielle fasiliteter. Andre modeller også krever disarticulation av lem blir studert mens modellen presentert her ikke. Mekanisk, gjelder buede veien av innlegget forlengelsen styrken distale leggen, etter kantete progresjon av kneet, dermed opprettholde en konsistent vinkel av force søknad. Fasen av arthrometer tillater plassering av hele rotta på måler verktøyet, slik at testing av alle i situ articular strukturer som bidrar til tapt ROM uten å krenke felles anatomi. Mens etikk protokollen for vår lab utelukker testing på levende dyr, ville dette teoretisk være mulig med riktig analgesi og post-test ofre protokoller.

Arthrometer utgjør noen ulemper. Enheten ble størrelse til voksen rotte kneet å sikre at den flyttbare armen var en omsider å sikre det ikke ville skli av beinet og benet ikke ville gli av armen. Yngre rotter, eller mindre og større arter vil nytte riktig størrelse komponenter. I tillegg en omprogrammering av den optimale øyeblikk arm og kraft (dreiemoment) ville være nødvendig. Hvis for eksempel en større eller mindre dyr ble brukt, kan det være nødvendig å justere lengden av moment armen eller mengden av kraften for å oppnå optimal dreiemoment. Andre deler av arthrometer må også endres, avhengig av dyret. Mens bevegelser av arthrometer bruker-uavhengig, kan felles mål med ImageJ være underlagt menneskelige feil. Vi har imidlertid funnet at bruker metodene presenteres her, det er høy intra-rater og inter rater pålitelighet med intraclass korrelasjonskoeffisienter 0.987 og 0,903, henholdsvis. Fordi det høyeste dreiemomentet skader ofte articular strukturer under testing, er en gyldig mellom rater pålitelighet for dyr plassering og aktivering av arthrometer vanskelig å fastslå. For å unngå måling feil som kan være knyttet til å ha mer enn en etterforsker utføre denne delen av protokollen, anbefaler vi å ha den samme etterforskeren sikre rottene å arthrometer for varigheten av en studie slik at skjevheter er konsistent mellom eksperimentelle og kontroll knær. Fordi hamstrings krysse både kne og hofte leddene, kan spilt av pelvis oppstå under testing på dreiemomenter 1 og 2 før myotomy. Dette kan bidra til økt kneet utvidelse for både eksperimentelle og kontroll knær på disse dreiemomenter. Til slutt, kan resultatene variere fra sant i vivo ROM som protokollen ble utviklet for å teste euthanized levende dyr.

Mens vi beskrev bruken av en enhet for å vurdere effekten av ubevegelighet på rotte kneet felles, kan også andre forhold påvirker felles ROM studeres. Det er mange eksempler, noen som inkluderer effekten av traumer, økt muskel tone sekundære sentralnervesystemet fornærmelse eller genetiske modifikasjoner for neuromuscular sykdommen. Respektive intervensjoner som stilk cellen programmet kneleddet, nevromuskulær krysset blokade eller gene terapi behandlinger som hjelpe oppdage nye behandlingstilbud kan også vurderes ved hjelp av enheten.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Arthrometer	The Ottawa Hospital Rehabilitation Centre - Rehabilitation Engineering	N/A
Camera	Canon	EOS-500D	Commonly known as EOS Rebel T1i
ImageJ	National Institutes of Health	Version 1.45s
Absotbent Underpads	VWR	820202-845
Dissection Kit	Fisher	08-855	Kit Includes:  Forceps: medium points, nickel-plated  Scissors: 1.5 in. (40 mm) blades, stainless steel  Dissecting knife handle: nickel-plated  Knife blades: stainless steel, pack of 3  Dropping pipet: glass  Bent dissecting needle: stainless steel with plastic handle  Straight dissecting needle: stainless steel with plastic handle Vinylite Ruler 6 in. (15 cm)
Precision Screw Driver	Mastercraft	057-3505-8
Scalpel Blades - #10	Fine Science Tools	10010-00
Screwdriver	Stanley	057-3558-2
Hex Keys	Mastercraft	058-9684-2
Universal AC to DC powder adapter	RCA	108004951