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大鼠非侵入性ACL损伤后膝关节退化的可视化
 

大鼠非侵入性ACL损伤后膝关节退化的可视化

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最常见的膝关节损伤之一是前十字韧带(也称为 ACL)的断裂或撕裂,近三分之一的 ACL 损伤在十年内导致创伤后骨关节炎(PTOA)。

由于大鼠膝关节是人体膝关节的接近模型,因此大鼠模型已被广泛用于研究ACL损伤对PTOA的影响。ACL 损伤最广泛使用的模型是 ACL 分型,其中关节在手术中不稳定。但是,此模型不能准确地复制人类 ACL 损伤条件。

在本视频中,我们将讨论一种新颖的、非侵入性的大鼠ACL损伤模型,演示损伤损伤和损伤关节成像,最后回顾生物医学工程领域对韧带修复的研究。

膝盖由三块骨头组成,即股骨、骨骼和头骨。前十字韧带,或ACL,是一个带状结构的密集结缔组织,从前侧关节空间上升,并显着和横向延伸到股骨的侧侧。

膝关节的其他韧带包括后十字韧带、侧侧附属韧带和内侧附属韧带。在结构上,所有的韧带,特别是ACL,作为膝盖的被动稳定剂和大腿肌肉,以帮助控制关节在动态运动。

ACL 上的最大压力发生在膝盖接近伸展时,而此时 ACL 处于受伤风险最高。动物模型为研究关节损伤和治疗提供了实用和临床相关的方法。大鼠膝关节模型尤其被广泛用于研究膝关节损伤,因为大鼠膝盖与人膝非常相似。为了模拟人类临床相关的ACL损伤,应用单负荷的tibial压缩。如果正确操作,则会导致 ACL 完全破裂。

ACL 受伤的后肢随后可以使用微计算机断层扫描(Micro CT)成像,以可视化关节损伤和退化。微CT是一种成像技术,它使用X射线创建物体的图像,如关节。这些横截面在对象上进行测量,并组合以创建三维重建。有关微型 CT 的更多信息,请观看此集合中的视频。

现在,我们已经讨论了新颖的、非侵入性大鼠 ACL 损伤模型,让我们来看看损伤是如何发生的,然后是关节的微 CT 可视化。

ACL 损伤将使用自定义设备进行,这将在麻醉大鼠的 tibia 上引起单个负载的压缩。首先,将一只老鼠放入感应室,其中5%为无氧,每分钟有1升氧气。麻醉后,使用鼻锥将大鼠移到设备中,以保持1%至3%的异常气流。将右后肢置于 30 度的屈肌和 100 度的膝盖弯曲处。

以每秒一毫米的速度移动安装在线性执行器上的顶部膝部级。相对于股骨,请确保为头骨的前次豪华提供空间。然后,将弯曲的膝盖放在底部阶段,该膝盖安装在称重传感器上方。正确定位大鼠后,打开自定义设备,打开实验室视图,并输入每秒 8 毫米的压缩速度。然后,运行测试,以诱导ACL破裂使用一个单一的负载的tibial压缩。运行测试时,监视该过程。ACL 伤害通过释放压缩力来表示。

受伤后,将大鼠从设备中取出,并将其放在平坦的表面上。然后执行拉赫曼测试以评估 ACL 的完整性。稳定股骨的同时,向前拉骨。完整的 ACL 会产生稳固的端点,而受伤的 ACL 会产生柔软的端点感觉。一旦Lachman的测试已经执行,返回其外壳,让它从麻醉中醒来。

现在,让我们对损坏的关节进行图像成像。为了准备微CT成像,根据AVMA指南,以人道的方式对大鼠实施安乐死。然后,使用几个塑料拉链延长并固定 ACL 受伤的后肢,并小心地将它们操纵到自定义设备中。后肢应在锥形管内完全伸展。

将大鼠身体的其余部分固定在与微型 CT 级兼容的适当容器中。然后将固定接头置于微型CT仪器中,使用70千伏的扫描仪设置,在电流为85.5微电位,分辨率为11.5微米180度时,获取关节骨骼的二维图像。在 0.6 度旋转时使用 5 秒的曝光时间。收集二维图像,在整个 180 度中每 0.6 度旋转一次。然后使用算法重建图像,以创建关节的三维图像。要确定骨骼特征,请先使用软件插件来获取关节的体积渲染。

然后查看正交投影并穿过切片,以选择中叶和侧骨质高原的表皮板与股骨的中侧和侧节之间的所需位置。接下来,将膝盖裁剪到所需位置,用 1.53 毫米的球体遮盖膝盖。使用交互式阈值标记骨骼并对图像进行双元化。现在,计算骨骼厚度,这是骨关节炎的发病的测量。

对不同位置重复上述步骤,并量化其他骨骼特征。成像后,您可能需要通过目视检查和打开膝盖来确认 ACL 破裂。为此,首先去除皮肤。您应该看到血型,这意味着胶囊中有血液,是 ACL 损伤的特征。

现在,继续打开关节,以暴露前远股骨、骨质和 ACL。执行 Lochman 测试以进一步打开接头,并观察 ACL 的关节和孤立的近端撕裂中的血迹。

现在,让我们比较一下大鼠膝关节退化和骨骼结构与急性ACL损伤和大鼠膝盖在ACL受伤后四周。在这里,我们看到重建的三维图像的老鼠膝盖与急性ACL损伤,并在ACL受伤后四个星期。在表层中心四个不同位置计算并比较骨骼厚度、数量和间距。

与患有急性 ACL 损伤的大鼠膝盖相比,非侵入性 ACL 撕裂后四周,骨眼数较小、眼角厚度减少、间隔更大。所有这些都是创伤后骨关节炎发病的特征。

各种动物模型不仅对ACL损伤的研究很重要,而且对评估新的治疗方法也很重要。目前治疗ACL损伤的一种治疗方法是使用组织移植进行韧带重建。在这项研究中,研究人员使用聚碳酸酯创建了纤维组织移植物。然后,将细胞移植物植入大鼠体内,取代自然韧带。

移植物通过在股骨和头骨高原上钻孔,然后通过孔的移植物,用缝合线固定到膝关节上。16周后,组织学分析表明,脚手架基质被成纤维细胞渗透,聚合物基本上被重新吸附,几乎没有剩余的证据。工程韧带也可以在体外研究。

在这项研究中,人类细胞从ACL残留物中分离出来,并在培养中扩大。然后,这些细胞被培养在涂有锚的涂层板上,形成工程韧带结构。在加入纤维蛋白原以鼓励纤维蛋白形成后,在培养箱中培养板。

28天后,纤维蛋白在两个锚之间形成线性组织。这种类型的研究使研究人员能够了解不同类型的生长因子和激素的作用,合成ACL替代组织,并确定在体内鼓励ACL修复的方法。

您刚刚观看了 Jove 关于使用大鼠模型来诱导和可视化 ACL 损伤的介绍。现在,您应该了解大鼠模型是如何用于研究和图像韧带损伤以及该领域的几个应用。

感谢您的收看!

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