Summary
El objetivo del protocolo es medir la amplitud de extensión de movimiento de la rodilla de la rata. Los efectos de varias enfermedades que aumentan la rigidez de la articulación de la rodilla y la efectividad de los tratamientos pueden ser cuantificados.
Abstract
Rango normal de la rodilla de movimiento (ROM) es fundamental para el bienestar y permite llevar a cabo actividades básicas como caminar, subir escaleras y sentarse. Perdidos ROM se llama una contractura articular y produce aumento de la morbilidad. Debido a la dificultad de inversión establecida rodilla contracturas, la detección temprana es importante, y por lo tanto, es esencial conocer los factores de riesgo para su desarrollo. La rata representa un buen modelo con el cual se puede estudiar el efecto de una intervención debido a la semejanza de la anatomía de la rodilla de rata a la de los seres humanos, capacidad de la rata para tolerar largos períodos de inmovilización de la rodilla en flexión, y porque pueden ser datos mecánicos correlación con análisis histológico y bioquímico del tejido de la rodilla.
Usando un arthrometer automatizado, demostramos un método validado, preciso, reproducible, independiente del usuario de la extensión ROM la rata del empalme de rodilla en pares específicos de medición. Este arthrometer puede utilizarse para determinar los efectos de las intervenciones sobre rodilla articulación ROM en la rata.
Introduction
Rango completo de movimiento (ROM) de las articulaciones es fundamental para la salud y bienestar1. Una pérdida en conjunto ROM pasivo se llama una contracción de2. Contracturas de las articulaciones pueden surgir de las condiciones numerosas, incluyendo reposo en cama prolongado, parálisis, artroplastia común, quemaduras, infección y condiciones neurológicas1,3,4,5. Una contracción de la rodilla se puede desactivar ya que acelera la degeneración de la articulación, aumenta el riesgo de caídas y afecta negativamente la capacidad de una persona para realizar tareas funcionales básicas como caminar, sentarse y subir escaleras6, 7.
Una vez establecidas, las contracturas de la rodilla son difíciles de tratar, y por lo tanto determinar qué pacientes están en mayor riesgo de desarrollar esta condición es esencial para la prevención y evitar la morbilidad asociada a la contracción de8. Los experimentos están diseñados para evaluar 1) las condiciones que causan o que influyen en las contracturas de las articulaciones de la rodilla, 2) la severidad de las contracciones, 3) su progresión temporal, 4) los tejidos involucrados en la contracción, 5) su reversibilidad, así como 6) la utilidad de diferentes intervenciones preventivas y curativas en rodilla articulación ROM. Para todos estos experimentos, un método válido, objetivo, preciso y reproducible para medir la ROM es crítico. Otras medidas auxiliares (gasto de energía, histomorfometría, contenido de proteína y expresión de gene) son marcadores útiles para entender la patofisiología de contracturas de las articulaciones, pero la limitación mecánica es lo que limita al paciente y conduce a la discapacidad. Algunos de los desafíos en esta área de investigación incluye los métodos heterogéneos que rodilla ROM puede probarse experimentalmente, así como la falta de datos cuantitativos9. El uso de una variedad de diferentes métodos experimentales conduce a resultados que no son comparables de laboratorio a laboratorio. Esto ha conducido a la controversia con respecto a las condiciones (por ejemplo, artroplastia de la inmovilización o la articulación) que causan Contracturas articulares10. Por lo tanto es necesario un método automatizado para medir experimentalmente ROM conjunta después de una intervención.
Aquí, describimos un protocolo independiente del usuario, válido, precisa y reproducible para evaluar la rodilla rata ROM usando una medida arthrometer vinculada a una cámara digital para medir con precisión la ROM de la rodilla en extensión. Probamos el efecto de varios períodos de inmovilización de rodilla ROM. A continuación describimos los métodos para la medición de ROM en pares previamente especificado de las imágenes digitales utilizando puntos de referencia óseas fijadas. En general, estos métodos confiablemente medida rodilla rata ROM y proporcionan datos cuantitativos.
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Protocol
El modelo de inmovilización de rodilla rata utilizado ha sido aprobado por la Universidad de Ottawa animales cuidados y servicio veterinario y el Comité de ética local.
1. animal preparación
- Al final del período de inmovilización determinado, eutanasia a las ratas por administración de dióxido de carbono.
Nota: Aquí se utilizó un modelo de inmovilización con una placa y 2 tornillos (uno en el fémur proximal y el otro en la tibia distal), que evita la violación de cualquier rodilla articulación de estructuras y mantiene una posición de flexión de rodilla de 135° tal como se describe anteriormente6 . Durante un período de tiempo, esto produce una rodilla flexión contractura11. - Cubra el área en y alrededor de la superficie que se colocará el arthrometer sobre con almohadillas de protección absorbente, resistente al agua. Usar guantes, bata y gafas de protección, al finalizar el experimento.
- Con un bisturí, dividir la piel para dejar al descubierto la placa y los tornillos (ver la nota siguiente paso 1.1); Inserte el tornillo más proximal en el fémur proximal e Inserte el tornillo más distal en la tibia distal. Palpar para localizar los tornillos. Una vez que las cabezas de los tornillos son accesibles, quite el tornillo con un destornillador.
Nota: Durante el período de inmovilización, las cabezas de los tornillos pueden ser cubiertas por tejido blando. Si esto ocurre, utilizar el bisturí para extirpar el tejido suavemente y descubrir la cabeza del tornillo. - Una vez que se quitan los tornillos, retire la placa manualmente o utilizando pinzas de un kit de disección.
- Usando tijeras y pinzas, deglove la extremidad inferior para quitar la piel de la fascia subyacente.
2. posicionamiento en el Arthrometer impulsado por Motor de animal
Nota: Todas las pruebas deben realizarse a temperatura ambiente. Aquí el arthrometer es alimentado por un estándar norteamericano 120 V de entrada. El adaptador de salida es de 12 V y 500 mA.
- El animal a su lado con la pierna experimental (la pierna a probar) probar la posición hacia arriba (figura 2).
- Fijar el fémur en la abrazadera metálica acanalada que se integra en la etapa de montaje del arthrometer. Perfore agujeros a través del músculo con un destornillador de precisión para colocar la pinza distal en el trocánter mayor y asegurar el fémur. Ajuste del cóndilo femoral lateral sobre el centro de la rotación de la arthrometer (figura 1, 2).
- Posición del móvil del brazo con dos postes verticales detrás de la pierna, sólo superior a la del calcaneus, empujar la rodilla en extensión pasiva una vez el motor eléctrico está activado.
- Apriete la abrazadera del fémur en su base con una llave hexagonal hasta que esté asegurado.
- Asegúrese de que la cámara está correctamente montada en el arthrometer con un destornillador y en Enfoque Manual. Enfoque la cámara en el cóndilo femoral.
- Seleccione la configuración de la dirección en el arthrometer (derecha o izquierda) dependiendo de la dirección de la rodilla ROM ensayada y la posición de la rata.
- Activar el motor arthrometer pulsando simultáneamente el botón de Power y empezar .
Nota: La necesidad de presionar el botón power y arranque simultáneamente es una característica de seguridad del dispositivo, que evita la activación accidental.- Observe que el motor arthrometer moverse a una velocidad de 6,6 RPM y luego se detiene para 2.1 s al llegar a la primera torsión preestablecida.
- Nota: que cuando se alcanza el primer par, el correspondiente LED se enciende y la cámara digital tomará automáticamente una foto de la rodilla.
Nota: Una vez que se toma la fotografía, el arthrometer continuará a la siguiente, mayor esfuerzo de torsión preestablecido. Una vez que los cuatro pares se han aplicado, se detendrá el arthrometer. Una vez que la rata se coloca en el arthrometer y pruebas se iniciaron, el tiempo total para la prueba una rodilla es aproximadamente 18,8 veces s. pueden variar ligeramente dependiendo de la condición de la contractura articular. Las imágenes se utilizan para medir la extensión en cada par.
3. captar al ángulo de extensión de la rodilla usando el Arthrometer impulsado por Motor
Nota: Una vez que el motor se haya detenido en cada esfuerzo de torsión aplicado, una cámara digital se activa para tomar una fotografía. La cámara se coloca en el marco de tal forma que es directamente sobre la articulación de la rodilla está probado y se centró en el cóndilo femoral.
- Continuar con la misma rodilla del mismo animal, pero en una situación diferente, por ejemplo, después de una miotomía de los músculos transarticular posterior se realiza para aislar el componente (no muscular) arthrogenic de una contractura, o con una rodilla de la prueba otro animal.
- Al realizar la miotomía, disecar el músculo proximal de la articulación para que no se corta la cápsula.
Nota: Es más fácil completar el myotomy cuando la pierna está en extensión, después de la aplicación de torque ajuste 4 (17.53 N-cm). A continuación, repita los pasos 2.1 a 3.1.
- Al realizar la miotomía, disecar el músculo proximal de la articulación para que no se corta la cápsula.
- Una vez que ambas piernas se han probado en todas las condiciones (por ejemplo, antes y después de la miotomía), disponer de los restos animales y todos los materiales biopeligrosos siguiendo el protocolo institucional y limpiar el arthrometer.
4. rodilla ROM medición análisis
- Analizar el ROM con ImageJ.
Nota: Aquí se utilizó versión 1.45s. - Abra el archivo que contiene la imagen digital tomada con la cámara, montada en el arthrometer rata.
Nota: La persona que realiza el análisis debe ser ciego a la agrupación experimental del animal (por ejemplo, inmovilizado versus control). - Seleccione la herramienta de ángulo de la barra de herramientas principal y trazar el ángulo femorotibial dibujando una línea femoral desde el centro de la pinza de fémur cóndilo lateral (alineado con la diáfisis femoral, figura 2), y una línea tibial desde el lateral cóndilo femoral para el maléolo lateral (figura 2).
Nota: El ángulo femoro-tibial corresponde al ángulo máximo de extensión de la rodilla en cada esfuerzo de torsión preestablecido. - Utilizar la herramienta de medición haciendo clic analizar | Medida para mostrar el ángulo calculado producido por las 2 líneas por encima. Utilice la Convención de 0° en el sentido de extensión completa.
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Representative Results
La cantidad de extensión de la rodilla para varios períodos de inmovilidad se resumen para aumentar la duración de la inmovilidad y mostrar que las contracciones más severas se produjeron siguiendo cada vez más largos de inmovilización. Resultados representativos con ImageJ se muestran en la figura 3.
La capacidad de medir la extensión máxima de rodillas de rata de una manera válida, precisa y reproducible, independiente del usuario que reduce el sesgo en los datos. En el ejemplo proporcionado, se evaluó la extensión de la rodilla máxima tras 16 semanas de inmovilización de 7 ratas, comparando la extremidad inmovilizada (experimental) a la extremidad contralateral no inmovilizados. El miembro elegido para la inmovilización se alternaron de una rata a la siguiente (por ejemplo, rata 1 tenía la rodilla derecha inmovilizada, rata 2 la izquierda). El investigador mide los ángulos cegó a que lado se inmovilizó durante las mediciones. Los resultados se presentan en la figura 3. Para la rodilla inmovilizada, la capacidad de extensión máxima fue reducida en comparación con el contralateral. División de los músculos transarticular elimina el componente miogénico de la contracción de la flexión. Tras miotomía, aumentado la capacidad de extensión máxima de la rodilla contralateral y experimental; sin embargo, la rodilla experimental seguido demostrar una contractura de flexión (figura 3).
Figura 1 : Rata de la rodilla arthrometer. (A) toda imagen representativa del aparato (B) del animal en pantalla electrónica de arthrometer (C) y abrazaderas para arthrometer. (D) imagen ampliada de la pantalla electrónica. Los números indican los diversos esfuerzos de torsión se aplica: par 1 = 2.53 N-cm, par 2 = 7.53 cm N, par 3 = 12.53 N-cm, par 4 = 17,53 N-cm. (E) imagen agrandada de la fijación femoral y tibial aparato empujando. La fijación femoral se fija en el escenario. El brazo móvil tibial tiene 2 postes verticales que fijan el distal de la extremidad inferior y mover la rodilla en extensión. Punta de flecha y chevron indican la pinza de fémur y el brazo móvil, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Arthrometer rata experimental para la evaluación y. (A) rodilla extensión de la extremidad posterior se mide utilizando la línea tibial trazada desde el cóndilo femoral lateral hasta el maléolo lateral y la línea femoral extraída del cóndilo lateral en el medio de la pinza de fémur. Punta de flecha y chevron indican la pinza de fémur y el brazo móvil, respectivamente. (B) imágenes de alta magnificación del cóndilo femoral y (C) alta magnificación del maléolo lateral.
Figura 3 : Rango de rodilla inmovilizada y contralateral de la rata de movimiento tras inmovilización de 16 semanas. Para ambas rodillas, después de probar la extensión de la rodilla con todo articulares estructuras intactas (n = 7), una miotomía de los músculos trans-articular se realizó para determinar la limitación de arthrogenic datos de la ROM se presentan como medias grados de extensión completa (utilizando el Convenio 0 ° = extensión completa) con barras de error que representa la desviación estándar. * representa p < 0.01 utilizando la prueba T de muestras independientes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
La rata rodilla arthrometer fue desarrollado para reproducible y confiable determinar la extensión máxima de la rodilla de rata tras una intervención. Ventajas de este dispositivo incluyen la generación constante de esfuerzo de torsión a través de la articulación con una fuerza constante brazo longitud y extensión. Otra de las ventajas incluye la posibilidad de fijar el par torsor a un nivel que permite repetitivo pruebas sobre la articulación del mismo para evaluar la influencia de diferentes estructuras articulares en ROM, tales como músculo, cápsula o ligamento de la rodilla. Por ejemplo, después de pruebas de la articulación intacta, la rodilla posterior transarticular músculos podrían dividirse y arthrometer prueba repetida para determinar la contribución de arthrogenic a la limitación de la extensión11.
Características mecánicas específicas del arthrometer que optimizan la precisión y exactitud de la medida incluyen la mordaza acanalada, que está diseñada para evitar la rotación del fémur durante la prueba (figura 1). El distales dos montantes verticales metálicos enganchar la pierna atrás, empujando la rodilla en extensión en una dirección a la derecha y minimizan el riesgo de luxación posterior de la tibia sobre el fémur durante la prueba (figura 1). La altura de los postes y proyección anterior del enlace vertical superior Asegúrese de que la tibia no se deslice fuera de los puestos. La capacidad de los postes verticales para girar y mantener su posición en la tibia justo proximal en el calcáneo asegura de par constante. Se prueban cuatro pares en secuencia: 2.53 N-cm, 7.53 cm N, N 12.53-cm y cm N 17.53. El más alto nivel de esfuerzo de torsión determinó que la cantidad de fuerza que condujo a insuficiencia capsular en empalmes de la rodilla de rata (no operados) normal (es decir, extensión superando 0 °) después de la división del músculo transarticular todos. El esfuerzo de torsión más bajo fue el punto de resistencia al movimiento angular sobre cantidades medibles en las articulaciones de rodilla de rata normal. El medio dos pares fueron fijados para ser aproximadamente a medio camino entre el par de apriete más alto y más bajo.
Otros métodos para medir la ROM conjunta en pares específicos se han descrito para ambos rata y otros animales modelos12,13,14,15,16. Algunas de las ventajas de nuestro modelo sobre los otros sistemas incluyen un conveniente tamaño que permite la colocación de la mesa del dispositivo sin necesidad de instalaciones especiales. Otros modelos pueden requerir también la desarticulación de la extremidad estudiada mientras que el modelo presentado aquí no. Mecánicamente, la vía de formación de arcos del post aplica la fuerza de extensión a la distal de la pierna, siguiendo la evolución angular de la rodilla, manteniendo un ángulo constante de uso de la fuerza. La etapa del arthrometer permite la colocación de la rata toda en el aparato de medición, que permite la prueba de todas en situ articular las estructuras que puedan contribuir a ROM perdido sin violar anatomía común. Mientras que el protocolo de ética para nuestro laboratorio excluye pruebas en animales vivos, teóricamente sería posible con adecuada analgesia y post-test sacrificar protocolos.
El arthrometer presentan algunas desventajas. El dispositivo fue de tamaño a la rodilla de rata adulta para asegurar que el brazo movible en una longitud para garantizar que no se resbale la pierna y la pierna no se deslizaría el brazo. Las ratas más jóvenes o especies menores y mayores se beneficiarían de componentes de dimensiones apropiadas. Además, una reprogramación de la óptima brazo de momento y fuerza (par) serían necesarios. Si, por ejemplo se usó un animal más grande o más pequeño, puede ser necesario ajuste de la longitud del brazo de momento o cantidad de fuerza aplicada para alcanzar torque óptimo. Otras partes del arthrometer deba cambiar de tamaño, según el tamaño del animal. Mientras que los movimientos del arthrometer son independientes del usuario, medida común de ImageJ puede ser sujeta a error humano. Sin embargo hemos encontrado que, utilizando los métodos presentados aquí, hay alta intra-evaluador e inter-rater confiabilidad con coeficientes de correlación intraclase de 0.987 y 0.903, respectivamente. Porque el esfuerzo de torsión más alto daña a menudo las estructuras articulares durante la prueba, una confiabilidad inter-rater válida para la colocación de animales y la activación de la arthrometer es difícil de determinar. Para evitar errores de medición que pueden ser asociada a tener más de un investigador a realizar esta parte del Protocolo, recomendamos que el mismo investigador Fije las ratas para el arthrometer para la duración de un estudio de modo que cualquier sesgo es consistente entre experimental y control de las rodillas. Porque los tendones de la corva cruzan la rodilla y la cadera, la retroversión de la pelvis puede ocurrir durante las pruebas en pares 1 y 2 antes de la miotomía. Esto puede contribuir a aumentos en la extensión de la rodilla para ambos experimental y las rodillas de control en estos pares. Por último, los resultados pueden variar de verdad en vivo ROM como el protocolo fue desarrollado para probar eutanasia en lugar de animales vivos.
Mientras que describe el uso de un dispositivo para evaluar los efectos de la inmovilidad de la articulación de la rodilla de la rata, otras condiciones que afectan a articulación ROM también podrían ser estudiados. Hay muchos ejemplos, algunos de los cuales incluyen efectos del trauma, aumento del tono muscular secundario a la injuria del sistema nervioso central, o modificaciones genéticas relacionadas con enfermedades neuromusculares. Respectivas intervenciones tales como la aplicación de células madre para la articulación de la rodilla, bloqueo de la Unión neuromuscular o tratamientos de la terapia génica que ayuden a descubrir nuevas opciones de tratamiento también podrían evaluarse utilizando el dispositivo.
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Disclosures
Los autores no tienen información ni conflictos de intereses.
Acknowledgments
Los autores desean dar las gracias a Joao Tomás para su asistencia técnica con el dispositivo y Khaoula Louati para asistencia en el desarrollo de los métodos de análisis de imagen.
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 |
References
- Clavet, H., Hébert, P. C., Fergusson, D., Doucette, S., Trudel, G. Joint contracture following prolonged stay in the intensive care unit. Canadian Medical Association Journal. 178 (6), 691-697 (2008).
- Campbell, T. M., Dudek, N., Trudel, G. Essentials of Physical Medicine and Rehabilitation: musculoskeletal disorders, pain, and rehabilitation. Silver, J. K., Frontera, W. R., Rizzo, T. D. , Saunders. Ch. 126 (2015).
- Dehail, P., et al. Acquired deforming hypertonia and contractures in elderly subjects: definition and prevalence in geriatric institutions (ADH survey). Annals of Physical and Rehabilitation Medicine. 57 (3), 11-23 (2014).
- Korp, K., Richard, R., Hawkins, D. Refining the idiom "functional range of motion" related to burn recovery. Journal of Burn Care and Research. 36 (3), 136-145 (2015).
- Elliott, L., Walker, L. Rehabilitation interventions for vegetative and minimally conscious patients. Neuropsychological Rehabilitation. 15 (3-4), 480-493 (2005).
- Campbell, T. M., Reilly, K., Laneuville, O., Uhthoff, H., Trudel, G. Bone replaces articular cartilage in the rat knee joint after prolonged immobilization. Bone. 106, 42-51 (2017).
- Trudel, G., et al. Mechanical alterations of rabbit Achilles' tendon after immobilization correlate with bone mineral density but not with magnetic resonance or ultrasound imaging. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 88 (12), 1720-1726 (2007).
- Harvey, L. A., et al. Stretch for the treatment and prevention of contractures. Cochrane Database of Systematic Reviews. 1, Cd007455 (2017).
- Trudel, G., Himori, K., Uhthoff, H. K. Contrasting alterations of apposed and unapposed articular cartilage during joint contracture formation. Archives of Physical Medicine Rehabilitation. 86 (1), 90-97 (2005).
- Trudel, G., Uhthoff, H. K., Goudreau, L., Laneuville, O. Quantitative analysis of the reversibility of knee flexion contractures with time: an experimental study using the rat model. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 338 (2014).
- Trudel, G., Uhthoff, H. K. Contractures secondary to immobility: is the restriction articular or muscular? An experimental longitudinal study in the rat knee. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 81 (1), 6-13 (2000).
- Chimoto, E., Hagiwara, Y., Ando, A., Itoi, E. Progression of an arthrogenic motion restriction after immobilization in a rat experimental knee model. Upsala Journal of Medical Sciences. 112 (3), 347-355 (2007).
- Ando, A., et al. Remobilization does not restore immobilization-induced adhesion of capsule and restricted joint motion in rat knee joints. Tohoku Journal of Experimental Medicine. 227 (1), 13-22 (2012).
- Abdel, M. P., et al. Effects of joint contracture on the contralateral unoperated limb in a rabbit knee contracture model: a biomechanical and genetic study. Journal of Orthopaedic Research. 30 (10), 1581-1585 (2012).
- Hildebrand, K. A., Sutherland, C., Zhang, M. Rabbit knee model of post-traumatic joint contractures: the long-term natural history of motion loss and myofibroblasts. Journal of Orthopaedic Research . 22 (2), 313-320 (2004).
- Klein, L., Player, J. S., Heiple, K. G., Bahniuk, E., Goldberg, V. M. Isotopic evidence for resorption of soft tissues and bone in immobilized dogs. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 64 (2), 225-230 (1982).
