과사용 유발 건병증의 In Vivo 모델을 위한 수동 발목 배굴곡 검사 시스템
Summary
이 프로토콜은 남용 유발 건병증의 생체 내 모델에 대해 쥐 아킬레스건에서 정량화 가능하고 통제된 피로 부상을 유도하는 데 사용되는 테스트 시스템을 제시합니다. 이 절차는 쥐의 발목을 관절 액추에이터에 고정하는 것으로 구성되며, 이 액추에이터는 맞춤형으로 작성된 MATLAB 스크립트로 수동 발목 배측굴곡을 수행합니다.
Abstract
건병증은 통증과 기능 상실을 초래하는 만성 힘줄 질환으로, 힘줄의 반복적인 과부하와 제한된 회복 시간으로 인해 발생합니다. 이 프로토콜은 수동 배측굴곡을 통해 쥐의 아킬레스건에 기계적 하중을 주기적으로 가하는 시험 시스템을 설명합니다. 맞춤형으로 작성된 코드는 피드백 제어 기반 순환 피로 하중 요법과 함께 하중 프로토콜의 효과를 평가하기 위한 사전 및 사후 순환 하중 측정으로 구성됩니다.
이 연구를 위해 25마리의 Sprague-Dawley 쥐를 사용했으며, 그룹당 5마리의 쥐가 500, 1,000, 2,000, 3,600 또는 7,200 사이클의 피로 하중을 받았습니다. 히스테리시스, 피크 응력, 로딩 및 언로딩 계수의 순환 전 및 사후 순환 로딩 측정 간의 백분율 차이가 계산되었습니다. 결과는 시스템이 적용된 하중 수에 따라 아킬레스건에 다양한 정도의 손상을 유발할 수 있음을 보여줍니다. 이 시스템은 피로로 인한 과사용 힘줄 손상의 생체 내 모델을 위해 아킬레스건에 정량화되고 생리학적으로 다양한 수준의 주기적 하중을 적용하는 혁신적인 접근 방식을 제공합니다.
Introduction
힘줄은 근육과 뼈를 연결하고 일생 동안 매일 반복적인 동작을 경험하기 때문에 통증과 제한, 기계적 기능 장애를 초래하는 과사용 부상에 매우 취약하여 인구의 30-50%에 영향을 미칩니다1. 건병증은 반복적인 피로 동작과 부상 전 수준으로의 부적절한 치유로 인한 과사용 부상으로 간주되는 만성 질환입니다. 상지와 하지가 모두 일반적으로 영향을 받으며, 회전근개, 팔꿈치, 아킬레스건, 슬개건 2,3,4,5가 포함됩니다. 아킬레스건병증은 달리기 및 점프와 관련된 활동, 특히 육상, 중장거리 달리기, 테니스 및 기타 구기 종목에 종사하는 운동선수에게 흔하며, 달리기 선수의 7-9%에 영향을 미친다6,7. 달리기와 점프로 인한 부상은 아킬레스건과 슬개건병증의 위험 요인인 제한된 발목 배굴을 유발할 수도 있다 8,9,10. 따라서 건병증에 대한 더 나은 평가와 특성화가 필요하며, 본 연구는 과사용 아킬레스건 손상에 대한 수동적 발목 배굴곡의 쥐 모델로 제공할 수 있습니다.
소동물 모델을 사용한 이전 연구는 건병증의 발달과 표지자를 연구하는 것을 목표로 했습니다. 여기에는 트레드밀 운동, 반복적인 도달, 직접 힘줄 부하, 콜라겐 분해 효소 주사, 수술 및 체외 연구 11,12,13,14,15,16이 포함됩니다. 문헌은 이러한 건병증 모델을 사용하여 손상 마커를 식별함으로써 이익을 얻었지만, 한계에는 힘줄의 직접 하중의 경우와 같이 생리학적으로 관련이 없는 관절 동작으로 힘줄을 로드하고, 트레드밀 연구와 같이 적용된 하중을 직접 측정하지 않으며, 콜라겐분해효소 주사의 경우와 같이 생리학적 남용을 사용하지 않는 것이 포함됩니다. 다른 사람들 사이에서. 이를 위해 본 연구는 기존에 개발된 건병증 소동물 모델의 공백을 메우기 위해 과사용 유발 건병증 연구를 응용하여 아킬레스건에 정량화된 하중을 비침습적으로 적용하는 시스템을 개발하는 것을 목표로 했다. 우리는 시스템이 다양한 하중 주기에 걸쳐 기계적 특성의 재현 가능한 변화를 유도한다는 것을 입증하기 위해 파일럿 연구를 수행했습니다. 이 시스템은 생리학적으로 관련된 움직임과 하중을 통해 과도한 사용을 유도하는 동시에 하중 요법 중에 힘줄에 가해지고 경험되는 힘을 정량화하고 측정할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 연구는 생체 내 과사용 유발 건병증 모델을 위해 수동 발목 배굴곡 시스템으로 쥐 아킬레스건에 주기적으로 하중을 가하는 방법을 제시합니다. 이 시스템의 중요성은 아킬레스건을 분리하고, 힘줄에 외과적으로 접근하지 않고도 정량화 가능한 하중을 가하고, 생체 내 힘줄 특성을 측정할 수 있는 능력에 있습니다.
2010년, Fung et al.은 맞춤형 테스트 시스템을 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Joe Fallon Research Fund, Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund 및 BIDMC Orthopaedics의 교내 보조금(AN)과 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 지원(2T32AR055885 (PMW))에 감사드립니다.
Materials
| 1/32'' Aluminum beads | |||
| 2.5% isoflurane | |||
| 3D digitizing pen | Polhemus, Vermont, NH, USA | ||
| 3D electromagnetic positioning and orientation sensor | Polhemus, Vermont, NH, USA | ||
| 5% isoflurane | |||
| Customized device: 1) Assembly, sensors, 3D printed animal bed and ankle mount actuator | Assembled as described in manuscript | ||
| MATLAB code | MATLAB, Natick, MA, USA | ||
| Microcontroller | Ivrea, Italy | Arduino UNO, Rev3 | |
| Nose cone | |||
| Scalpel and scalpel holder | No. 11 scalpel | ||
| Sprague-Dawley rats | Charles River Laboratories, Wilmington, MA, USA | 11-13 weeks old | |
| Stepper driver | SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503 | DM542T | |
| Stepper motor | SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503 | 23HE30-2804S | |
| Straight forceps | |||
| Torque sensor assembly | Futek Inc., Irvine, CA, USA | FSH03985, FSH04473, FSH03927 | |
| Water heating pad |
References
- Kaux, J. F., Forthomme, B., Goff, C. L., Crielaard, J. M., Croisier, J. L. Current opinions on tendinopathy. J Sports Sci Med. 10 (2), 238-253 (2011).
- Maffulli, N., Longo, U. G., Kadakia, A., Spiezia, F. Achilles tendinopathy. Foot Ankle Surg. 26 (3), 240-249 (2020).
- Teunis, T., Lubberts, B., Reilly, B. T., Ring, D. A systematic review and pooled analysis of the prevalence of rotator cuff disease with increasing age. J Shoulder Elbow Surg. 23 (12), 1913-1921 (2014).
- von Rickenbach, K. J., Borgstrom, H., Tenforde, A., Borg-Stein, J., McInnis, K. C. Achilles tendinopathy: evaluation, rehabilitation, and prevention. Curr Sports Med Rep. 20 (6), 327-334 (2021).
- Aicale, R., Oliviero, A., Maffulli, N. Management of Achilles and patellar tendinopathy: what we know, what we can do. J Foot Ankle Res. 13 (1), 59 (2020).
- Jarvinen, T. A., et al. Achilles tendon injuries. Curr Opin Rheumatol. 13 (2), 150-155 (2001).
- Silbernagel, K. G., Hanlon, S., Sprague, A. Current clinical concepts: conservative management of Achilles tendinopathy. J Athl Train. 55 (5), 438-447 (2020).
- Tayfur, A., et al. Are landing patterns in jumping athletes associated with patellar tendinopathy? A systematic review with evidence gap map and meta-analysis. Sports Med. 52 (1), 123-137 (2022).
- Malliaras, P., Cook, J. L., Kent, P. Reduced ankle dorsiflexion range may increase the risk of patellar tendon injury among volleyball players. J Sci Med Sport. 9 (4), 304-309 (2006).
- Backman, L. J., Danielson, P. Low range of ankle dorsiflexion predisposes for patellar tendinopathy in junior elite basketball players: a 1-year prospective study. Am J Sports Med. 39 (12), 2626-2633 (2011).
- Glazebrook, M. A., Wright, J. R., Langman, M., Stanish, W. D., Lee, J. M. Histological analysis of achilles tendons in an overuse rat model. J Orthop Res. 26 (6), 840-846 (2008).
- Carpenter, J. E., Flanagan, C. L., Thomopoulos, S., Yian, E. H., Soslowsky, L. J. The effects of overuse combined with intrinsic or extrinsic alterations in an animal model of rotator cuff tendinosis. Am J Sports Med. 26 (6), 801-807 (1998).
- Gao, H. G., et al. Increased serum and musculotendinous fibrogenic proteins following persistent low-grade inflammation in a rat model of long-term upper extremity overuse. PLoS One. 8 (8), e71875 (2013).
- Fung, D., et al. Early response to tendon fatigue damage accumulation in a novel in vivo model. J Biomech. 43 (2), 274-279 (2010).
- Ueda, Y., et al. Molecular changes to tendons after collagenase-induced acute tendon injury in a senescence-accelerated mouse model. BMC Musculoskelet Disord. 20 (1), 120 (2019).
- Bloom, E., et al. Overload in a rat in vivo model of synergist ablation induces tendon multi-scale structural and functional degeneration. J Biomech Eng. 145 (8), 081003 (2023).
- Williamson, P. M., et al. A passive ankle dorsiflexion testing system to assess mechanobiological and structural response to cyclic loading in rat Achilles tendon. J Biomech. 156, 111664 (2023).
- Oliveira, L. F., Peixinho, C. C., Silva, G. A., Menegaldo, L. L. In vivo passive mechanical properties estimation of Achilles tendon using ultrasound. J Biomech. 49 (4), 507-513 (2016).
