Biomechanische beproeving van Muriene pezen
Summary
Het protocol beschrijft efficiënte en reproduceerbare Trek-biomechanische testmethoden voor muriene pezen door het gebruik van Custom-Fit 3D-gedrukte armaturen.
Abstract
Pees aandoeningen zijn gebruikelijk, beïnvloeden mensen van alle leeftijden, en zijn vaak debilitating. Standaard behandelingen, zoals ontstekingsremmende geneesmiddelen, revalidatie en chirurgische herstelling, falen vaak. Om de functie pees te definiëren en de werkzaamheid van nieuwe behandelingen aan te tonen, moeten de mechanische eigenschappen van pezen uit diermodellen nauwkeurig worden bepaald. Murine diermodellen worden nu veel gebruikt voor het bestuderen van pees aandoeningen en het evalueren van nieuwe behandelingen voor Tendinopathieën; echter, het bepalen van de mechanische eigenschappen van muis pezen is uitdagend. In deze studie, een nieuw systeem werd ontwikkeld voor pees mechanische testen met 3D-gedrukte armaturen die exact overeenkomen met de anatomieën van de opperarmbeen en calcaneus mechanisch testen supraspinatus pezen en Achilles pezen, respectievelijk. Deze armaturen werden ontwikkeld met behulp van 3D reconstructies van inheemse bot anatomie, solid modeling, en additieve productie. De nieuwe aanpak elimineerde artifeitelijke aangrijpende mislukkingen (bijv. falen bij het falen van de groei plaat in plaats van in de pees), verminderde totale testtijd en verhoogde reproduceerbaarheid. Bovendien is deze nieuwe methode gemakkelijk aanpasbaar voor het testen van andere muriene pezen en pezen van andere dieren.
Introduction
Pees aandoeningen zijn gebruikelijk en zeer overwegend onder de veroudering, atletische, en actieve populaties1,2,3. In de Verenigde Staten, 16.400.000 bindweefsel letsels worden gerapporteerd elk jaar4 en rekening voor 30% van alle letsel-gerelateerde Arts Office bezoeken3,5,6,7, 8. De meest getroffen sites zijn de rotator cuff, Achilles pees en Patellaire pees9. Hoewel er een verscheidenheid aan niet-operatieve en operatieve behandelingen zijn onderzocht, met inbegrip van anti-inflammatoire geneesmiddelen, revalidatie, en chirurgische reparatie, uitkomsten blijven slecht, met beperkte terugkeer naar functie en hoge percentages van falen5, 6. Deze slechte klinische uitkomsten hebben fundamentele en translationele studies gemotiveerd om de tendinopathie te begrijpen en nieuwe behandelings benaderingen te ontwikkelen.
Trek-biomechanische eigenschappen zijn de primaire kwantitatieve uitkomsten die de functie pees definiëren. Daarom, laboratorium karakterisatie van tendinopathie en werkzaamheid van de behandeling moet een rigoureuze testen van pees treksterkte eigenschappen omvatten. Talrijke studies hebben methoden beschreven om de biomechanische eigenschappen van pezen te bepalen van diermodellen zoals ratten, schapen, honden en konijnen10,11,12. Echter, weinig studies hebben getest de biomechanische eigenschappen van Murine pezen, voornamelijk te wijten aan de moeilijkheden in het aangrijpend van de kleine weefsels voor trekproeven. Zoals Murine modellen hebben tal van voordelen voor mechanistisch bestuderen tendinopathie, met inbegrip van genetische manipulatie, uitgebreide reagens opties, en lage kosten, ontwikkeling van nauwkeurige en efficiënte methoden voor biomechanisch testen van muriene weefsels is nodig.
Om de mechanische eigenschappen van pezen goed te testen, moet het weefsel effectief worden vastgedraaid, zonder uitglijden of artifeitelijke scheuren in de grip-interface of breken van de groei plaat. In veel gevallen, met name voor korte pezen, wordt het bot aan de ene kant vastgedraaid en wordt de pees aan het andere uiteinde vastgedraaid. Botten worden meestal vastgezet door ze in te sluiten in materialen zoals epoxy hars13 en polymethylmethacrylaat14,15. Pezen worden vaak geplaatst tussen twee lagen schuurpapier, gelijmd met cyanoacrylaat, en beveiligd met behulp van compressie klemmen (als de dwarsdoorsnede plat is) of in een bevroren medium (als de dwarsdoorsnede groot is)15,16,17 . Deze methoden zijn toegepast op biomechanisch testen van muriene pezen, maar uitdagingen ontstaan door de geringe omvang van de specimens en de conformiteit van de groei plaat, die nooit18verbeert. Bijvoorbeeld, de diameter van de Murine Opperarm hoofd is slechts een paar millimeter, waardoor het aangrijpend maken van het bot moeilijk. Specifiek, trekproeven van Murine supraspinatus pees-to-Bone monsters vaak resulteert in falen op de groei plaat in plaats van in de pees of op de pees enthesis. Op dezelfde manier is biomechanisch testen van de Achilles pees een uitdaging. Hoewel de Achilles pees groter is dan andere muriene pezen, is de calcaneus klein, waardoor het moeilijk is om dit bot aan te grijpen. Het bot kan worden verwijderd, gevolgd door het aangrijpend van de twee pees uiteinden; Dit verzet zich echter tegen het testen van de Tendon-naar-bot-bevestiging. Andere groepen melden aangrijpend de calcaneus Bone met behulp van op maat gemaakte armaturen19,20, verankering door klemmen21, fixeren in zelfuithardende kunststof cement22 of met behulp van een conische vorm sleuf22, maar deze eerdere methoden blijven beperkt door de lage reproduceerbaarheid, hoge grijp insufficiëntie en vervelende voorbereidings vereisten.
Het doel van de huidige studie was het ontwikkelen van een nauwkeurige en efficiënte methode voor het testen van Trek-biomechanisch onderzoek van muriene pezen, gericht op de supraspinatus en Achilles pezen als voorbeelden. Met behulp van een combinatie van 3D-reconstructies van native Bone anatomie, solid modeling, en additieve productie, werd een nieuwe methode ontwikkeld om grip te hebben op de botten. Deze armaturen effectief beveiligd de botten, voorkomen groei plaat falen, verminderde preparaat voorbereidingstijd, en verhoogde testen reproduceerbaarheid. De nieuwe methode is gemakkelijk aanpasbaar om andere muriene pezen te testen, evenals pezen bij ratten en andere dieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Murine diermodellen worden vaak gebruikt voor het bestuderen van pees aandoeningen, maar karakterisering van hun mechanische eigenschappen is uitdagend en ongewoon in de literatuur. Het doel van dit protocol is het beschrijven van een tijd efficiënte en reproduceerbare methode voor het testen van de trek van muriene pezen. De nieuwe methoden verkort de tijd die nodig is om een monster te testen van uren tot minuten en elimineerde een belangrijk aangrijpend artefact dat een veelvoorkomend probleem was in eerdere methoden…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De studie werd ondersteund door de NIH/NIAMS (R01 AR055580, R01 AR057836).
Materials
| Agarose | Fisher Scientific | BP160-100 | Dissovle 1g in 100 ml ultrapure water to make 1% agarose |
| Bruker microCT | Bruker BioSpin Corp | Skyscan 1272 | Used by authors |
| ElectroForce | TA Instruments | 3200 | Testing platform |
| Ethanol 200 Proof | Fisher Scientific | A4094 | Dilute to 70% and use as suggested in protocol |
| Fixture to attach grips | Custom made | Used by authors | |
| Kimwipes | Kimberly-Clark | S-8115 | As suggested in protocol |
| MicroCT CT-Analyser (Ctan) | Bruker BioSpin Corp | Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans | |
| MilliQ water (Ultrapure water) | Millipore Sigma | QGARD00R1 (or related purifier) | 100 ml |
| Meshmixer | Autodesk | http://www.meshmixer.com/ | Free engineering software used by authors to refine mesh |
| Objet EDEN 260VS | Stratasys LTD | Precision Prototyping | |
| Objet Studio | Stratasys LTD | Used by authors with 3D printer | |
| PBS – Phosphate-Buffered Saline | ThermoFisher Scientific | 10010031 | 2.5 L of 10% PBS |
| S&T Forceps | Fine Science Tools | 00108-11 | Used by authors |
| Scalpel Blade – #11 | Fine Science Tools | 10011-00 | Used by authors |
| Scalpel Handle – #3 | Fine Science Tools | 10003-12 | Used by authors |
| SkyScan 1272 | Bruker BioSpin Corp | Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans | |
| Skyscan CT-Vox | Bruker BioSpin Corp | Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans | |
| SkyScan NRecon | Bruker BioSpin Corp | Used by authors for visualizing and analyzing micro-CT scans | |
| SolidWorks CAD | Dassault Systèmes | SolidWorks Research Subsription | Solid modeling computer-aided design used by authors |
| SuperGlue | Loctite | 234790 | As suggested in protocol |
| Testing bath | Custom made | Used by authors | |
| Thin film grips | Custom made | Used by authors | |
| VeroWhitePlus | Stratasys LTD | NA | 3D printing material used by authors |
| WinTest | WinTest Software | Used by authors to collect data |
References
- Girish, N., Ramachandra, K., Arun, G. M., Asha, K. Prevalence of Musculoskeletal Disorders Among Cashew Factory Workers. Archives of Environmental & Occupational Health. 67, 37-42 (2012).
- Thomopoulos, S., Parks, W. C., Rifkin, D. B., Derwin, K. A. Mechanisms of tendon injury and repair. Journal of Orthopaedic Research. 33, 832-839 (2016).
- Scott, A., Ashe, M. C. Common Tendinopathies in the Upper and Lower Extremities. Current Sports Medicine Reports. 5, 233-241 (2006).
- Praemer, A., Furner, S., Rice, D. P. Musculoskeletal Conditions in the United States. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , (1992).
- Nourissat, G., Berenbaum, F., Duprez, D. Tendon injury: From biology to tendon repair. Nature Reviews Rheumatology. 11, 223-233 (2015).
- Galatz, L. M., Ball, C. M., Teefey, S. A., Middleton, W. D., Yamaguchi, K. The outcome and repair integrity of completely arthroscopically repaired large and massive rotator cuff tears. The Journal of Bone and Joint Surgery. 86, 219-224 (2004).
- Sher, J. S., Uribe, J. W., Posada, A., Murphy, B. J., Zlatkin, M. B. Abnormal findings on magnetic resonance images of asymptomatic shoulders. The Journal of Bone and Joint Surgery. 77, 10-15 (1995).
- Ker, R. F., Wang, X. T., Pike, A. V. Fatigue quality of mammalian tendons. The Journal of Experimental Biology. 203, 1317-1327 (2000).
- Wilson, J. J., Best, T. M. Common overuse tendon problems: A review and recommendations for treatment. American Family Physician. 72, 811-818 (2005).
- Fleischer, J., et al. Biomechanical strength and failure mechanism of different tubercula refixation methods within the framework of an arthroplasty for shoulder fracture. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 103, 165-169 (2017).
- West, J. R., Juncosa, N., Galloway, M. T., Boivin, G. P., Butler, D. L. Characterization of in vivo Achilles tendon forces in rabbits during treadmill locomotion at varying speeds and inclinations. Journal of Biomechanics. 37, 1647-1653 (2004).
- Cavinatto, L., et al. Early versus late repair of rotator cuff tears in rats. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 27, 606-613 (2018).
- Potter, R., Havlioglu, N., Thomopoulos, S. The developing shoulder has a limited capacity to recover after a short duration of neonatal paralysis. Journal of Biomechanics. 47, 2314-2320 (2014).
- Connizzo, B. K., Sarver, J. J., Iozzo, R. V., Birk, D. E., Soslowsky, L. J. Effect of Age and Proteoglycan Deficiency on Collagen Fiber Re-Alignment and Mechanical Properties in Mouse Supraspinatus Tendon. Journal of Biomechanical Engineering. 135, 021019 (2013).
- Beason, D. P., et al. Hypercholesterolemia increases supraspinatus tendon stiffness and elastic modulus across multiple species. Journal of Shoulder and Elbow Surgery. 22, 681-686 (2013).
- Miller, K. S., Connizzo, B. K., Soslowsky, L. J. Collagen fiber re-alignment in a neonatal developmental mouse supraspinatus tendon model. Annals of Biomedical Engineering. 40, 1102-1110 (2012).
- Cong, G. T., et al. Evaluating the role of subacromial impingement in rotator cuff tendinopathy: Development and analysis of a novel murine model. Journal of Orthopaedic Research. 36, 2780-2788 (2018).
- Thomopoulos, S., Birman, V., Genin, G. M. Structural Interfaces and Attachments in Biology. Infection and Immunity. 35, (2013).
- Boivin, G. P., et al. Biomechanical properties and histology of db/db diabetic mouse Achilles tendon. Muscles, Ligaments and Tendons Journal. 4, 280-284 (2014).
- Ansorge, H. L., Adams, S., Birk, D. E., Soslowsky, L. J. Mechanical, Compositional, and Structural Properties of the Post-natal Mouse Achilles Tendon. Annals of Biomedical Engineering. 39, 1904-1913 (2011).
- Shu, C. C., Smith, M. M., Appleyard, R. C., Little, C. B., Melrose, J. Achilles and tail tendons of perlecan exon 3 null heparan sulphate deficient mice display surprising improvement in tendon tensile properties and altered collagen fibril organisation compared to C57BL/6 wild type mice. PeerJ. 6, 5120 (2018).
- Probst, A., et al. A new clamping technique for biomechanical testing of tendons in small animals. Journal of Investigative Surgery. 13, 313-318 (2000).
- Talan, M. Body temperature of C57BL/6J mice with age. Experimental Gerontology. 19, 25-29 (1984).
- Newton, M. D., et al. The influence of testing angle on the biomechanical properties of the rat supraspinatus tendon. Journal of Biomechanics. 49, 4159-4163 (2016).
- Schwartz, A. G., Lipner, J. H., Pasteris, J. D., Genin, G. M., Thomopoulos, S. Muscle loading is necessary for the formation of a functional tendon enthesis. Bone. 55, 44-51 (2014).
- Gimbel, J. A., Van Kleunen, J. P., Williams, G. R., Thomopoulos, S., Soslowsky, L. J. Long durations of immobilization in the rat result in enhanced mechanical properties of the healing supraspinatus tendon. Journal of Biomechanical Engineering. 129, 400-404 (2006).
- Freedman, B. R., Sarver, J. J., Buckley, M. R., Voleti, P. B., Soslowsky, L. J. Biomechanical and structural response of healing Achilles tendon to fatigue loading following acute injury. Journal of Biomechanics. 47, 2028-2034 (2014).
- Deymier, A. C., et al. The multiscale structural and mechanical effects of mouse supraspinatus muscle unloading on the mature enthesis. Acta Biomaterialia. 83, 302-313 (2019).
- Killian, M. L., Thomopoulos, S. Scleraxis is required for the development of a functional tendon enthesis. FASEB Journal. 30, 301-311 (2016).
- Schwartz, A. G., Long, F., Thomopoulos, S. Enthesis fibrocartilage cells originate from a population of Hedgehog-responsive cells modulated by the loading environment. Development. 142, 196-206 (2015).
- Bell, R., Taub, P., Cagle, P., Flatow, E. L., Andarawis-Puri, N. Development of a mouse model of supraspinatus tendon insertion site healing. Journal of Orthopaedic Research. 33, 25-32 (2014).
- Connizzo, B. K., Bhatt, P. R., Liechty, K. W., Soslowsky, L. J. Diabetes Alters Mechanical Properties and Collagen Fiber Re-Alignment in Multiple Mouse Tendons. Annals of Biomedical Engineering. 42, 1880-1888 (2014).
- Eekhoff, J. D., et al. Functionally Distinct Tendons From Elastin Haploinsufficient Mice Exhibit Mild Stiffening and Tendon-Specific Structural Alteration. Journal of Biomechanical Engineering. 139, 111003 (2017).
- Mikic, B., Bierwert, L., Tsou, D. Achilles tendon characterization in GDF-7 deficient mice. Journal of Orthopaedic Research. 24, 831-841 (2006).
- Sikes, K. J., et al. Knockout of hyaluronan synthase 1, but not 3, impairs formation of the retrocalcaneal bursa. Journal of Orthopaedic Research. 36, 2622-2632 (2018).
- Wang, V. M., Banack, T. M., Tsai, C. W., Flatow, E. L., Jepsen, K. J. Variability in tendon and knee joint biomechanics among inbred mouse strains. Journal of Orthopaedic Research. 24, 1200-1207 (2006).
- Wang, V. M., et al. Murine tendon function is adversely affected by aggrecan accumulation due to the knockout of ADAMTS5. Journal of Orthopaedic Research. 30, 620-626 (2011).
- Zhang, K., et al. Tendon mineralization is progressive and associated with deterioration of tendon biomechanical properties, and requires BMP-Smad signaling in the mouse Achilles tendon injury model. Matrix Biology. 52-54, 315-324 (2016).
- Rooney, S. I., et al. Ibuprofen differentially affects supraspinatus muscle and tendon adaptations to exercise in a rat model. American Journal of Sports Medicine. 44, 2237-2245 (2016).
- Galasso, O., et al. Quality of Life and Functional Results of Arthroscopic Partial Repair of Irreparable Rotator Cuff Tears. Arthroscopy – Journal of Arthroscopic and Related Surgery. 33, 261-268 (2017).
- Sarver, D. C., et al. Sex differences in tendon structure and function. Journal of Orthopaedic Research. 35, 2117-2126 (2017).
- Razmjou, H., et al. Disability and satisfaction after Rotator Cuff decompression or repair: A sex and gender analysis. BMC Musculoskeletal Disorders. 12, 66 (2011).
