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Visualisierung der Kniegelenkdegeneration nach nichtinvasiver ACL-Verletzung bei Ratten
 

Visualisierung der Kniegelenkdegeneration nach nichtinvasiver ACL-Verletzung bei Ratten

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Click here for the English version.

Eine der häufigsten Knieverletzungen ist der Bruch oder Riss des vorderen Kreuzbandes, auch ACL genannt, mit fast einem Drittel der ACL-Verletzungen, die innerhalb eines Jahrzehnts zu posttraumatischen Arthrose oder PTOA führen.

Rattenmodelle wurden ausgiebig verwendet, um die Wirkung von ACL-Verletzungen auf PTOA zu untersuchen, da das Kniegelenk der Ratte ein enges Modell zum menschlichen Kniegelenk ist. Das am weitesten verbreitete Modell der ACL-Verletzung ist aCL-Transektion, bei der das Gelenk operativ destabilisiert wird. Dieses Modell repliziert jedoch nicht genau aCL-Verletzungsbedingungen beim Menschen.

In diesem Video werden wir ein neuartiges, nicht-invasives ACL-Verletzungsmodell für Ratten besprechen, die Verletzung und Bildgebung von verletzten Gelenken demonstrieren und schließlich die Forschung im Bereich der biomedizinischen Technik zur Bandreparatur überprüfen.

Das Knie besteht aus drei Knochen, dem Oberschenkelknochen, der Patella und der Tibia. Das vordere Kreuzband(ACL) ist eine bandartige Struktur aus dichtem Bindegewebe, die aus dem vorderen interkondylaren Raum der Tibia aufsteigt und sich überlegen und seitlich auf den hinteren Aspekt des seitlichen Kondyskose des Oberschenkelknochens erstreckt.

Die anderen Bänder im Knie sind das hintere Kreuzband, das laterale Kollateralband und das mediale Kollateralband. Strukturell dienen alle Bänder, insbesondere die ACL, als passive Stabilisatoren des Knies zusammen mit der Oberschenkelmuskulatur, um das Gelenk während der dynamischen Bewegung zu kontrollieren.

Die größte Belastung für die ACL tritt auf, wenn das Knie in der Nähe der Verlängerung ist, und es ist während dieser Zeit, dass die ACL ist mit dem höchsten Verletzungsrisiko. Tiermodelle bieten sowohl eine praktische als auch eine klinisch relevante Möglichkeit, Gelenkverletzungen und Behandlungen zu untersuchen. Insbesondere das Rattenkniemodell wird häufig zur Untersuchung von Knieverletzungen verwendet, da das Rattenknie dem menschlichen Knie sehr ähnlich ist. Um eine klinisch relevante ACL-Verletzung beim Menschen zu modellieren, wird eine einzige Last der tibiaellen Kompression angewendet. Wenn dies richtig durchgeführt wird, führt dies zu einem vollständigen Bruch der ACL.

ACL-verletzte Hinterglieder können dann mit Mikro-Computertomographie oder Micro CT abgebildet werden, um Gelenkverletzungen und Degeneration zu visualisieren. Micro CT ist eine bildgebende Technik, die Röntgenstrahlen verwendet, um Bilder eines Objekts zu erstellen, wie ein Gelenk. Diese Querschnitte werden über das Objekt hinweg gemessen und zu einer dreidimensionalen Rekonstruktion kombiniert. Weitere Informationen zu micro CT finden Sie im Video dieser Sammlung.

Nun, da wir das neuartige, nicht-invasive ACL-Verletzungsmodell der Ratte diskutiert haben, werfen wir einen Blick darauf, wie die Verletzung durchgeführt wird, gefolgt von einer Mikro-CT-Visualisierung des Gelenks.

Die ACL-Verletzung wird mit einem benutzerdefinierten Gerät durchgeführt, das eine einzelne Last der Kompression auf die Tibia einer anästhesierten Ratte induziert. Legen Sie zunächst eine Ratte in eine Induktionskammer mit fünf Prozent Isofluran und einem Liter sauerstoffreiche Minund. Nach der Beägung bewegen Sie die Ratte mit einem Nasenkegel auf das Gerät, um einen Fluss von ein bis drei Prozent Isofluran aufrechtzuerhalten. Positionieren Sie die rechte Hintergliedmaße bei 30 Grad Dorsaflexion und 100 Grad Kniebeugung.

Bewegen Sie die obere Kniestufe, die an einem Linearantrieb befestigt ist, mit einem Millimeter pro Sekunde. Achten Sie darauf, Platz für die vordere Subluxation der Tibia, relativ zum Oberschenkelknochen, zu schaffen. Positionieren Sie dann das gebeugte Knie auf der unteren Stufe, das über eine Wägezelle gerichtet montiert ist. Sobald die Ratte richtig positioniert ist, schalten Sie das benutzerdefinierte Gerät ein, öffnen Sie die Lab-Ansicht, und geben Sie eine Komprimierungsgeschwindigkeit von acht Millimetern pro Sekunde ein. Führen Sie dann den Test aus, um einen ACL-Ruptur mit einer einzigen Last der tibialen Kompression auszulösen. Überwachen Sie beim Ausführen des Tests die Prozedur. Die ACL-Verletzung wird durch die Freisetzung von Druckkraft festgestellt.

Nach der Verletzung, entfernen Sie die Ratte aus dem Gerät und legen Sie sie auf eine flache Oberfläche. Führen Sie dann Lachmans Test durch, um die Integrität der ACL zu bewerten. Während der Stabilisierung des Oberschenkelknochens, ziehen Sie die Tibia nach vorne. Eine intakte ACL erzeugt einen festen Endpunkt, während eine verletzte ACL ein weiches Endgefühl erzeugt. Sobald Lachmans Test durchgeführt wurde, kehren Sie die Ratte in ihr Gehäuse zurück, damit sie aus der Anästhesie aufwachen kann.

Lassen Sie uns nun das beschädigte Gelenk abbilden. Um sich auf mikroct-Bildgebung vorzubereiten, euthanisieren Sie die Ratte auf humane Weise gemäß AVMA-Richtlinien. Dann verlängern und sichern Sie die ACL-verletzten Hinterbeine mit mehreren Kunststoff-Reißverschluss-Krawatten, und sorgfältig manövrieren sie in das benutzerdefinierte Gerät. Die Hintergliedmaße sollte innerhalb des konischen Rohres vollständig verlängert werden.

Sichern Sie den Rest des Rattenkörpers in einem geeigneten Behälter, der mit der Mikro-CT-Stufe kompatibel ist. Legen Sie dann das gesicherte Gelenk in das Mikro-CT-Instrument und erfassen Sie zweidimensionale Bilder der Knochen im Gelenk mit Scannereinstellungen von 70 Kilovolt bei einem Strom von 85,5 Mikroangstroms und einer Auflösung von 11,5 Mikrometern für 180 Grad. Verwenden Sie eine Belichtungszeit von fünf Sekunden bei 0,6 Grad Drehung. Sammeln Sie zweidimensionale Bilder, die sich alle 0,6 Grad durch die gesamten 180 Grad drehen. Rekonstruieren Sie dann die Bilder mit einem Algorithmus, um ein dreidimensionales Bild der Verbindung zu erstellen. Um die Trabekulären Knocheneigenschaften zu bestimmen, verwenden Sie zunächst ein Software-Plugin, um ein Volumen-Rendering des Gelenks zu erfassen.

Sehen Sie sich dann orthogonale Projektionen an und bewegen Sie sich durch Scheiben, um die gewünschte Position zwischen der epiphysealen Platte der medialen und seitlichen Tibialplateaus und den medialen und seitlichen Kondylen des Oberschenkelknochens auszuwählen. Als nächstes schneiden Sie das Knie an der gewünschten Stelle und maskieren Sie es mit einer 1,53-Millimeter-Kugel. Verwenden Sie die interaktive Schwellenwerterstellung, um den Bone zu beschriften und das Bild zu binarisieren. Berechnen Sie nun die trabekuläre Knochendicke, die eine Messung des Beginns der Arthrose ist.

Wiederholen Sie dies für verschiedene Positionen, und quantifizieren Sie andere trabekuläre Knocheneigenschaften. Nach der Bildgebung können Sie den ACL-Bruch durch visuelle Inspektion und durch Öffnen des Knies bestätigen. Um dies zu tun, entfernen Sie zuerst die Haut. Sie sollten eine Hemarthrose sehen, was bedeutet, dass sich Blut in der Kapsel befindet und charakteristisch für eine ACL-Verletzung ist.

Öffnen Sie nun das Gelenk weiter, um den vorderen distalen Oberschenkelknochen, die Patella und die ACL freizulegen. Führen Sie einen Lochman-Test durch, um das Gelenk noch weiter zu öffnen und Blut im Gelenk und den isolierten proximalen Riss der ACL zu beobachten.

Vergleichen wir nun die Gelenkdegeneration und die trabekkuläre Knochenstruktur in einem Rattenknie mit einer akuten ACL-Verletzung und einem Rattenknie vier Wochen nach der ACL-Verletzung. Hier sehen wir rekonstruierte 3D-Bilder eines Rattenknies mit einer akuten ACL-Verletzung und vier Wochen nach ACL-Verletzung. Die trabekuläre Knochendicke, -anzahl und -abstände werden an vier verschiedenen Stellen in der Mitte der epiphysischen Platte berechnet und verglichen.

Eine kleinere Trabecularzahl, reduzierte Trabekululardicke und ein größerer Trabecularabstand waren vier Wochen nach dem nichtinvasiven ACL-Riss im Vergleich zum Rattenknie mit einer akuten ACL-Verletzung zu beobachten. All dies sind charakteristische Merkmale des Beginns der posttraumatischen Arthrose.

Verschiedene Tiermodelle sind nicht nur für die Untersuchung der ACL-Verletzungen wichtig, sondern auch für die Bewertung neuer Behandlungen. Eine der aktuellen Behandlungen für ACL-Verletzungen ist die Bandrekonstruktion mit einem Gewebetransplantat. In dieser Studie, Forscher erstellt eine faserige Gewebetransplantat mit Polycaprolacton. Das azelluläre Transplantat wurde dann in Ratten implantiert und ersetzte das natürliche Band.

Das Transplantat wurde am Kniegelenk befestigt, indem Löcher in das Oberschenkelmur- und Tibialplateau gebohrt wurden, und dann das Transplantat durch die Löcher geleitet und mit Nähten gesichert wurde. Nach 16 Wochen zeigt die histologische Analyse, dass die Gerüstmatrix durch Fibroblasten infiltriert wurde und dass das Polymer weitgehend resosorbed wurde, ohne dass es übrig blieb. Technische Bänder können auch in vitro untersucht werden.

In dieser Studie wurden menschliche Zellen aus ACL-Überbleibseln isoliert und in der Kultur erweitert. Die Zellen wurden dann auf beschichteten Platten mit Ankern kultiviert, um konstruierte Bandkonstrukte zu bilden. Nach Zugabe von Fibrinogen zur Förderung der Fibrinbildung wurden die Platten in einem Inkubator kultiviert.

Nach 28 Tagen bildete das Fibrin lineares Gewebe zwischen den beiden Ankern. Diese Art von Studie ermöglicht es Forschern, die Rolle verschiedener Arten von Wachstumsfaktoren und Hormonen zu verstehen, ACL-Ersatzgewebe zu synthetisieren und Wege zu bestimmen, um ACL-Reparatur in vivo zu fördern.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Verwendung eines Rattenmodells gesehen, um ACL-Verletzungen zu induzieren und zu visualisieren. Sie sollten nun verstehen, wie das Rattenmodell verwendet wird, um Bänderverletzungen zu untersuchen und abzubilden, und mehrere Anwendungen dieses Studienbereichs.

Danke fürs Zuschauen!

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