Dieses Material ist auf die Forschung unterstützt (oder unterstützt zum Teil von) der Technology Commercialization Office, Salt Lake City, UT, Office of Research und Development, Rehabilitation R &amp; D Service, DVA SLC Health Care System, Salt Lake City, UT, Department of Defense Basis PRMRP Grant (Nr. PR054520), die Albert &amp; Margaret Hofmann Lehrstuhl und der Abteilung für Orthopädie, University of Utah School of Medicine in Salt Lake City, UT; war Technischer Support für die Simulationen durch das Center for Integrative Biomedical Computing of Scientific Computing zur Verfügung gestellt und Imaging-Institut und wurde möglich durch Software von der NIH / NCRR Center for Integrative Biomedical Computing, P41-RR12553-07 in Teil. Zusätzliche Dankbarkeit ist Gwenevere Shaw für die Unterstützung bei Manuskriptherstellung und Dustin Williams für das Image des Biofilms verlängert.

Teil 1: mittels Computertomographie (CT) für Amputierte Wiederaufbau <ol><li> Retrospektive CT-Scans wurden von der University of Utah und Department of Veteran Affairs Krankenhäuser nach Erhalt IRB und HIPAA Zustimmung gesammelt. </li><li> CT-Scans wurden ausgewählt, weil sie klare Unterscheidung zwischen Gewebearten auf x-ray Saugfähigkeit Basis zu ermöglichen. </li><li> CTs wurden manuell überprüft und in die Studie über die Abwesenheit von metallischen Implantaten zur Bildartefakt verhindern basiert. </li></ol> Teil 2: Modell-Generation mit Seg3D <ol><li> Files wurden als DICOM-Bilder heruntergeladen und geladen Seg3D (Version 1.11.0, software.sci.utah.edu) als neues Volumen. </li><li> Ein Medianfilter verwendet wurde, um die importierten Mengen vor, glatte Bestimmung geometrisch definierte Gewebestrukturen. </li><li> Das Gewebe Grenzen der Knochen, Knochenmark, Organe und Fettgewebe wurden durch Binarisierung der CT-Dateien interaktiv (Abbildung 1) erzeugt. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Abbildung 1" /> Abbildung 1: Ein sagittaler Querschnitt eines Amputierten Stumpf Schwellenwert getrennt und in bestimmten Gewebearten. </li><li> Die Muskulatur war durch die manuelle Einstellung Samen Punkte innerhalb der Schwellenwert Muskelgewebe und mit einem Vertrauen verbunden Filter auf alle Gewebe verbunden, um den Samen Punkte zu finden erhalten. Dieser Schritt eliminiert fehlerhafte Gewebe, die bereits zusammengefasst haben können mit dem Muskel an ähnlichen Saugfähigkeit von CTs auf. </li><li> Die Haut, die nicht zuverlässig erkennen, aus den CT-Bildern war, wurde durch Erweiterung der äußersten Gewebe 2 Millimeter im Mittel die Dicke der Haut basiert auf einer Schicht von homogener Dicke, dass die vollständige Modell 1 umgeben produzieren generiert. </li><li> Segmentierungen wurden manuell geprüft, korrigiert um die Genauigkeit zu gewährleisten und kombiniert in einer Hierarchie in einem einzigen Etikett Karte für Finite-Elemente-Analyse (Abbildung 1) erforderlich. <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Abbildung 2" /> Abbildung 2: Repräsentative hierarchisches Modell eines bilateralen Amputierten mit Seg3D erstellt. </li></ol> Teil 3: Vorbereitung für die Finite-Elemente-Analyse <ol><li> Ein 10 cm Implantat wurde in Matlab entwickelt, um die implantierte orthopädische Hilfsmittel und Kathode zur elektrischen Stimulation dienen der Einfuhr in SCIRun (Version 4.0, software.sci.utah.edu). </li></ol> Teil 4: Anbringen der Elektroden &amp; Design <ol><li> SCIRun wurde für Elektroden-Konstruktion eingesetzt, weil es interaktiv Platzierung der Elektroden und Simulation unterstützt. </li><li> Es wurde ein Netzwerk geschaffen und Module mit spezifischen Funktionen organisiert, um die Maschen (Abb. 3) zu generieren. Module wurden wichtig für die Definition Randbedingungen, Gewebe Leitfähigkeiten Netzverfeinerungen, erzeugt Matlab Histogramme, die Aufnahme von Felddaten, etc (Tabelle 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Abbildung 3" /> Abbildung 3: Repräsentative Netzwerk-Image aus einer Pilotstudie mit einem Zwei-Band externen Elektroden-Konfiguration. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> Tabelle 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> Leitfähigkeiten Assigned auf segmentierte Gewebe </td></tr><tr><td> Tissue Type </td><td> Leitfähigkeiten [S / m] </td></tr><tr><td> Organ </td><td> 0,22 </td></tr><tr><td> Haut </td><td> 0,26 </td></tr><tr><td> Adipose </td><td> 0,09 </td></tr><tr><td> Muskel </td><td> 0,25 </td></tr><tr><td> Corticalis </td><td> 0,02 </td></tr><tr><td> Knochenmark </td><td> 0,07 </td></tr></tbody></table></li><li> Die Konfigurationen für die Elektroden bestand aus einem Patch-Elektrode, zwei aufgesetzte Elektroden, eine kontinuierliche Band und zwei durchgehenden Bands. </li><li> Externe Elektrode Bands waren auf dem Stumpf der Modelle von Patient CT-Scans erzeugt aufgetragen und 1,6 cm dick. </li><li> Electrode Patches wurden als Band für etwa die Hälfte des Durchmessers des Stumpfes gelegt und waren 3 cm dick. </li><li> Die inneren kortikalen Implantat, das die osseointegriert Implantat vertreten war, enossalen Durchmesser wurde für die perfekte Implantat fit zu ermöglichen und füllen 2. </li></ol> Teil 5: Finite-Elemente-Analyse <ol><li> Die Simulationen wurden generiert davon aus, dass die elektrische Messgrößen berechnet konnte mit Hilfe eines quasi-statischen Ansatz ohne Zeitabhängigkeit werden. </li><li> Das Modell wurde durch die Lösung der Laplace-Gleichung für jedes Gewebe-Typ aus der Seg3D Segmentierungen generiert berechnet. </li><li> Die Randbedingungen wurden von den Elektroden, die Strömungen und die Vorgabe, dass Strom in den Körper injiziert blieb gebildet. </li><li> Da die Elektroden und das Implantat hatte eine viel größere Leitfähigkeit als das umgebende Gewebe, es war einssumed, dass das Implantat (Kathode) auf einem konstanten Potential wurde ebenfalls die Oberfläche Elektroden wurden mit einer konstanten Potentialdifferenz von der perkutanen Implantation modelliert. </li><li> Zur Beurteilung der Wirksamkeit von Elektroden-Anordnung und Dimensionierung, wurden Patienten spezifische Modelle entwickelt und das elektrische Potential um das Implantat-Schnittstelle verwendet wurde, um lokalisierte Feldstärken bestimmen. </li><li> Das Modell wurde unter Verwendung eines Netzgenerierung, dass rund 1,8 Millionen Elementen, die als stückweise homogene, ohmsche und isotrop behandelt wurden, bestand. </li><li> Die optimale Modell für dieses Experiment wurde mit einer relativen Differenz &lt;5% in Spannungsgradienten mit einer Maschenweite Sensitivitätsstudie bestätigt die Genauigkeit eines Modells (Tabelle 2) zu versichern ausgewählt. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> Tabelle 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> Mesh-Sensitivity Study für Amputierte Modell </td><td></td></tr><tr><td> Gitter </td><td> Elements </td><td> Nodes </td><td> Relative Differenz </td></tr><tr><td> 100 100 50 </td><td> 149089 </td><td> 161131 </td><td> 0,0995 </td></tr><tr><td> 125 125 75 </td><td> 350180 </td><td> 371472 </td><td> 0,0802 </td></tr><tr><td> 150 150 100 </td><td> 673032 </td><td> 706082 </td><td> 0,0545 </td></tr><tr><td> 175 175 125 </td><td> 1146778 </td><td> 1194044 </td><td> 0,0527 </td></tr><tr><td> 200 200 150 </td><td> 1796690 </td><td> 1860772 </td><td> 0,0439 </td></tr><tr><td> 250 250 200 </td><td> 3745038 </td><td> 3850202 </td><td> 0,0364 </td></tr><tr><td> 275 275 225 </td><td> 5097243 </td><td> 5226587 </td><td> 0,0301 </td></tr><tr><td> 300 300 250 </td><td> 6742588 </td><td> 6898729 </td><td> 0,0000 </td></tr></tbody></table></li><li> Mit einem Solver iterative, wurden die elektrischen Messgrößen in der Finite-Elemente-Modelle für die Elektrode Konfigurationen berechnet. </li></ol>

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Die Technik in dem Artikel, insbesondere unter Verwendung einer orthopädischen Implantat als eine funktionale Kathode Skelett Anlage zu erhöhen, reduzieren Rehabilitation und verhindern bakterielle Adhäsion ist eine neue Idee von der erste Autor in der Zeitschrift Vorlage erfunden. Eine Erfindungsmeldung hat an der University of Utah eingereicht und die Vereinigten Staaten vorläufige Patentanmeldung eingereicht wurde zum Schutz aller Technologie bekannt gegeben.

Das Verständnis der Elektrostimulation Paradigm Verbesserungen in der medizinischen Versorgung und Evakuierung Strategien auf dem Gebiet der Bekämpfung haben zu einer erhöhten Anzahl von Kriegern überlebenden katastrophalen Krieg Verletzungen. Während die verbesserte Überlebensrate ist eine medizinische Fortschritt sind Soldatinnen und Soldaten aus dem Kampf zurück mit Amputationen, dass eine intensive Nachsorge, Rehabilitation umfangreiche und teure prothetische Leistungen aus dem Veteran Affairs Health Care System 3. Congressional Berichte Detail, das über 1.000 kriegsbedingten Amputationen als Folge der Operation Enduring Freedom (OEF) und der Operation Iraqi Freedom (OIF) Konflikte 4 aufgetreten. Im Falle von OEF und OIF-Veteranen, haben etwa 15% der zurückkehrenden Krieger mehrere Gliedmaßen verloren und eine erhebliche Anzahl der Rücksendung Soldatinnen und Soldaten haben kurze Stümpfe, wo Socket-Technologie ist nicht eine Option oder durch den Patienten abgelehnt worden. Die ausgewiesenen nicht fortgeführten Nutzung der oberen Extremität Prothese sogar mehr als 50%, weil die Fixierungsvorrichtungen umständlich und schwer zu bequem 5 verwenden sind. Untere Extremität Prothesen sind ebenfalls problematisch und die gemeinsamen Probleme mit Weichgewebe-Buchsen verbunden sind die Unfähigkeit, sich auf anspruchsvolle terrain6 gehen, begrenzt Stumpflänge 7, Beschwerden des Patienten 5, Beschäftigung mit nicht-physiologische Belastung 8, Reizung von heterotopen Ossifikationen 9 und Risiko schwächenden Krankheiten 10. Allerdings ist die Osseointegration Technologie eine neuartige OP-Technik, die Schmerzen 11, Hautreizungen 12 zu reduzieren kann, verbessern osseoperception 13, Verbesserung der Mobilität 6. Abnahme Druckstellen mit Steckdosen 6 zugeordnet, die Energiekosten für die Gehfähigkeit 7,14 und besser zu bedienen Veteranen und Krieger mit beschränkter Stumpfes Länge 15. Trotz der zahlreichen physischen und psychischen Vorteile der Osseointegration, erfordern die damit verbundenen Eingriffe weiter fortgeschritten Infektionsprävention Behandlung streategies 16, erfordern lange Rehabilitationsprogramme und beinhalten restriktive Belastung Protokolle, die letzten der bis zu 1,5 Jahre postoperativ 17. Da die Lebensfähigkeit des Host-Knochen und Länge des Stumpfes ist für Muskelansatz und Funktionalität wichtig, die Entwicklung neuer Geräte zu verbessern Osseointegration ist der Schlüssel für die Rückkehr Soldatinnen und Soldaten. Daher kann die Entwicklung eines intelligenten Implantats osseointegriert Design (OIID) System, welches durch elektrische Stimulation verwendet Verkürzung der Dauer der Rehabilitation und erhöhen Skelett Aufsatz für Veteranen und Krieger Amputierte. Da jedoch kein aktuelles Gerät ist im Handel erhältlich und richtet für den Einsatz mit perkutaner osseointegrierter Implantate, ist die Motivation des Programms zur Sicherheit und Wirksamkeit mit Finite-Elemente-Analyse zu bestätigen. Das Verständnis der Rolle der elektrischen Stimulation in Knochenumbau, insbesondere die Ablagerung von Osteoid und Mineralisierung, blieb spekulativ. Allerdings kann die elektrische Aktivität in den Knochen beobachtet das Ergebnis der mechanischen Belastung 18,19 und damit einen elektrischen Reiz kann einen wirksamen Mechanismus für die Induktion Knochenreparatur 19 sein werden. Die Logik hinter der Hypothese wird in einer Frakturheilung Modell erklärt. Wenn Röhrenknochen geladen sind, wird die Seite in Spannung elektropositiven und der Druckseite elektronegativen 20,21 jedoch einmal einen Knochen gebrochen ist, die Website bleibt elektronegativen in Bezug auf die Umgebung bis zur Heilung begonnen hat und Homöostase wieder 21. Simulation der natürlichen Heilung Kaskade mit einem elektrischen Signal wurde vermutlich mit Kalziumablagerung 22, leichte Veränderungen im Sauerstoffgehalt und pH 23, Rekrutierung von Wachstumsfaktoren 22 unterstützen und hilft bei der Osteoblastenmigration und Sekretion von zusätzlichen extrazellulären Matrix 24. Die Prämisse, dass elektrische Stimulation allein kann er die vollständige Knochenheilung zu regieren wurde neu definiert und die aktuelle neue Hypothese schlägt vor, dass komplette Gewerkschaften durch mechanische Belastungen und eine elektrische Stimulation Co-Stimulus 19 gebildet. Die elektrischen Impulse in vivo zu beobachten sind piezoelektrische Verformung von Kollagen oder die großen elektro-kinetische Ströme durch ionische Bestandteile vorbeiströmende mineralische Anteile der Knochenmatrix 25 erzeugt verbunden. In der Tat haben spontane Potentiale in Knochen so groß wie 6 Millivolt und korreliert mit einer Zunahme der Einlagerung von Kalzium aus Knochen 26 berichtet. Frühe Arbeiten von Brighton und Friedenberg 18,21,27,28 verwendet das Konzept der elektrischen Stimulation für die Knochenregeneration in den 1960er und 1970er Jahre und demonstrated, dass Gleichstrom verwendet werden könnte, nicht die Gewerkschaften in einer kürzeren Zeitspanne zu reparieren, wenn die traditionellen Heilmethoden verglichen werden. Zusätzliche Modelle haben Knochenbildung mit restriktiven Belastung untersucht und zeigte eine 31 Prozent höhere osteogene Aktivität zwischen den Kontrollen und elektrisch stimuliert Schenkel 25. Während die Forscher auf dem Gebiet der elektrischen Stimulation ebnete den Weg für das Verständnis des Mechanismus für die Osteoblasten-Matrix Abscheidung mit elektrischer Stimulation, hat unzureichende Verständnis der Ausbau dieser Technologie beschränkt. Zwar gibt es viele Fälle von erfolgreicher Heilung von Pseudarthrosen und Frakturheilung Modelle, Beispiele von Beschwerden des Patienten und gescheiterte Versuche sind in der Literatur als auch 29 voll. Das Problem mit elektrischer Stimulation erfolgt von Wissenschaftlern und Klinikern die Steuerung der falschen elektrischen Messgrößen und konzentriert sich ausschließlich auf aktuelle Größen. Frühere Forscher haben die aktuellen als &quot;Wundermittel&quot; zur Festlegung der ungefähren 500.000 auf-Gewerkschaften, die jährlich auftreten 30 aussah. Allerdings hat die Wiederholbarkeit zwischen den Modellen von Joule Heizung Komplikationen 31 beschränkt und nicht die Bestimmung Stromdichten 32. In der Tat müssen alle biomedizinischen Geräte hergestellt, um eine Stromdichte von weniger als 2 mA / cm 2 beschränkt werden, da durch die International Electrotechnical Commission dargelegt, um lokalisierte Gewebsnekrose und Beschwerden des Patienten 33 zu verhindern. Abgesehen von der Unterstützung bei Fixation können geregelte elektrische Stimulation auch verhindern, dass bakterielle Adhäsion an orthopädischen Implantaten und reduzieren das Risiko für eine Osteomyelitis und Biofilmbildung 34-37. Biofilmbildung auf orthopädische Hilfsmittel, um Patienten Komplikationen und bedeutsamer Weise Leiden für diejenigen, die auf diesen Einrichtungen 38 abhängig sind. Schwerpunkt auf der Notwendigkeit, komplett sterilisiert Instrumente und Implantate vor der Operation 39 ist gesetzt, aber es ist oft schwierig, Bakterien Haftung wie aus vielen negativen kultivierten Fällen, die in der Tat 40 infiziert sind, zu diagnostizieren. Dieses Problem wird oft mit der Tatsache, dass Biofilme langsam wachsenden in der Natur 40, kann nicht genau sein Wachstum in vitro 39, abhängig von der Art der Bakterien-Zellen, die Sauberkeit der Oberfläche und das Immunsystem der betroffenen Person 39 sind gekoppelt. Untersuchung der europäischen Oberschenkelamputierte oseeointegration Technologie zeigen die häufigste Problem ist die Infektion (häufig oberflächliche Infektionen, 1 / 3 periprothetischen Infektionen) 41. Zwar gibt es große Verbesserungen in der chirurgischen Vorbereitung wurden, die Beseitigung der Bakterien ist einer der grundlegenden Faktoren für die Verbesserung der Osseointegration seit Biofilmen zwischen 500-5000 tausendmal schwieriger werden, zu beseitigen aufgrund ihres nicht-platonischen Form 34,35,39. Daher nutzen elektrische Stimulation als Modalität für die Entfernung schädlicher Bakterien-Kolonien und die Erhöhung Fixation sind wichtige Faktoren für die Gewährleistung des Schutzes der Gesundheit der Patienten und OIID Wirksamkeit. Die Vorteile der Verwendung von Veteranen und Krieger Amputierte sind, dass die relative Jugend und auch sonst eine gute Gesundheit dieser Personen zu einem idealen Bevölkerung für aggressive Rehabilitation und eine perkutane Nachricht wird als eine ambulante Hilfe dienen und kann als eine exponierte Kathode zur elektrischen Stimulation entwickelt werden können. Die Anwesenheit eines osseointegriert Implantat benötigt keine zusätzliche chirurgische Eingriffe an elektrischen Komponenten zu legen, kann das Gerät extern gesteuert werden und verhindert eine weitere Gefahr der Infektion 42. Daher kann durch das Verständnis der Methode der Stromeinspeisung in den Stumpf des Veteranen-und Krieger Amputierte, ein elektrisches Feld von der Größe von 1-10 V / cm hergestellt, kontrolliert und gemessen an der Implantat-Oberfläche. Es wird vermutet, dass dies den sicheren Höchstmengen an Strom zu liefern, zu induzieren vermag Osteoblastenmigration und Verbesserung des Skeletts Anbindung zu ermöglichen. Ein elektrisches Feld von diesem Grad wird die Quantität und Qualität der Knochen an der Implantat-Interface zu erhöhen, und die Aussichten für eine beschleunigte Rehabilitation und Fixation für einen Amputierten. Verwenden der elektrischen Stimulation ist nicht als eine Modalität der Osseointegration in einem intramedullären Prothesenimplantats beschleunigen untersucht worden und stellt zahlreiche Möglichkeiten für translationale Forschung zur Verbesserung der Patientenversorgung. Experimentelle Ergebnisse Die Notwendigkeit für den Patienten bestimmte Modelle mit einer perkutanen elektrischen Stimulation Gerät wurde in der Studie unterstützt. Die Simulationen für die vorgeschlagenen biomedizinischen Geräte entwickelt werden, können die Möglichkeiten der Beschleunigung des Skeletts Anlage durch Erhöhung Osteoblastenmigration und verhindert bakterielle Adhäsion 27,34,36,39. Computation Modellierung hat gezeigt, dass effektiv 1-10 V / cm elektrischen Feldern und Stromdichten unterhalb von 2 mA / cm 2 erzeugt wird, kann mit Hilfe des Implantats als funktionelle Kathode und ist den meisten homogen verteilt mit einem Zwei-Band Außenelektrode. Die Unfähigkeit, Strompfade im menschlichen Körper 43 define; Die OIID System kann der erste Schritt zur Lösung des klassischen Problem mit elektrischer Stimulation in Verbindung gebracht werden. Daher kann über Tools zur Steigerung der Skelett-Anlage mit Verkürzung der Rehabilitation für ein osseointegriertes Verfahren verlangt wird. Mit Hilfe elektrischer Stimulation für ältere Amputierte ist auch ein wichtiger Aspekt, ebenso erforscht werden. Knochenmasse ist maximal ein Jahrzehnt nach Skelettwachstum hört aber deutlich ab von der achten und neunten Jahrzehnt 44. Wie lange Knochen mit dem Alter ändern, neigt der enossalen Durchmesser, um schneller zu erhöhen als die periostale Durchmesser, die zu Implantatlockerungen 45 kann. Dieses Problem mit der Reduzierung der Belastung der Knochen durch eine schwächere Muskeln gekoppelt sein, um schwächenden Krankheiten wie Osteoporose und Osteopenie 45 beitragen und zusätzliche Behandlungsoptionen für Patienten mit osseointegrierter Implantate. Allerdings könnte eine gesteuerte elektrische Stimulation und mechanische Belastung als eine synergistische Katalysator von Knochen Anwachsen handeln und zu pflegen Wirtsknochen Bett Integrität bei älteren Patienten mit einem OIID System.

bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees

Die hochgerechnete Zahl der amerikanischen Amputierte wird voraussichtlich auf 3,6 Millionen bis 2050 steigen. Viele dieser Menschen sind abhängig von Prothesen zu routinemäßigen Tätigkeiten ausführen, aber prothetischen Suspensionen mit traditionellen Sockel-Technologie kann sich als umständlich und unbequem für eine Person mit Verlust des Beines. Außerdem wird in denjenigen mit hoher proximalen Amputationen, kann begrenzt Stumpflänge Exoprothese Befestigung alle zusammen verhindern. Osseointegrierte Implantat-Technologie ist ein neuartiges Operationsverfahren, die Firma Skelett Verbindung zwischen dem Host-Knochen und Implantat ermöglicht. Vorläufige Ergebnisse in europäischen Amputierte mit osseointegrierter Implantate haben sich verbessert klinische Ergebnisse, indem sie die direkte Übertragung von Lasten bis auf die Knochen-Implantat-Interface angezeigt. Trotz der offensichtlichen Vorteile von Osseointegration über Socket-Technologie benötigen die aktuelle Rehabilitationsmaßnahmen lange restriktive tragende vor, die mit beschleunigten Skelett-Anhang über elektrische Stimulation reduziert werden kann. Das Ziel der osseointegriert intelligente Implantat-Design (OIID)-System ist, um das Implantat ein Teil einer elektrischen Anlage zu Skelett-Anlage zu beschleunigen und zu verhindern, periprothetischen Infektion zu machen. Um zu bestimmen, optimale Elektrode Größe und Platzierung, starteten wir proof of concept mit rechnerische Modellierung der elektrischen Felder und Stromdichten, die während der elektrischen Stimulation des Amputierten Stümpfe entstehen. Zur Bereitstellung versichern die Sicherheit der Patienten, wurden die Probanden mit rückwirkender Computertomographie-Scans ausgewählt und dreidimensionale Rekonstruktionen wurden mit maßgeschneiderten Software-Programme, um anatomische Genauigkeit (Seg3D und SCIRun) in einer IRB gewährleisten und HIPAA zugelassen zu studieren. Diese Softwarepakete unterstützen die Entwicklung von Patienten-spezifischen Modelle und erlaubt für die interaktive Manipulation der Elektrode Position und Größe. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass elektrische Felder und Stromdichten an der Implantat-Schnittstelle generiert werden können, um die homogene elektrische Feld Distributionen erforderlich, um Osteoblastenmigration induzieren, verstärken Fixation und kann helfen zu verhindern periprothetischen Infektionen zu erreichen. Basierend auf der Elektrode Konfigurationen mit in das Modell experimentiert, wird ein externes, zwei Band-Konfiguration in die Zukunft befürwortet werden.

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Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

Es besteht ein Bedarf an alternativen Prothese Befestigung durch den Verlust des Beines zugeschrieben vaskulären Verschlusskrankheit Krankheiten und Traumata zu entwickeln. Das Ziel der Arbeit ist es, ein osseointegriertes intelligente Implantat-Design-System einzuführen, um Fixation zu erhöhen und periprothetischen Infektion für Patienten benötigen osseointegriert Technologie.

Bioelectric Analysen eines osseointegrierte Intelligent Implant Design System für Amputierte

The projected number of American amputees is expected to rise to 3.6 million by 2050.  Many of these individuals depend on artificial limbs to perform ...

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Research

JoVE Journal

Biology

13.8K Aufrufe.  Department of Veteran Affairs. Es besteht ein Bedarf an alternativen Prothese Befestigung durch den Verlust des Beines zugeschrieben vaskulären Verschlusskrankheit Krankheiten und Traumata zu entwickeln. Das Ziel der Arbeit ist es, ein osseointegriertes intelligente Implantat-Design-System einzuführen, um Fixation zu erhöhen und periprothetischen Infektion für Patienten benötigen osseointegriert Technologie.

Serie: Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

Evisceration of Mouse Vitreous and Retina for Proteomic Analyses

While the mouse retina has emerged as an important genetic model for inherited retinal disease, the mouse vitreous remains to be explored. The vitreous is a highly aqueous extracellular matrix overlying the retina where intraocular as well as extraocular proteins accumulate during disease.1-3 Abnormal interactions between vitreous and retina underlie several diseases such as retinal detachment, proliferative diabetic retinopathy, uveitis, and proliferative vitreoretinopathy.1,4 The relative mouse vitreous volume is significantly smaller than the human vitreous (Figure 1), since the mouse lens occupies nearly 75% of its eye.5 This has made biochemical studies of mouse vitreous challenging. In this video article, we present a technique to dissect and isolate the mouse vitreous from the retina, which will allow use of transgenic mouse models to more clearly define the role of this extracellular matrix in the development of vitreoretinal diseases.

The dissection technique illustrates evisceration of the vitreous, retina, and lens from the mouse eye, separation by centrifugation, and characterization with protein assays.

Ausweiden der Maus Glaskörper und Netzhaut für Proteomik-Analysen

While the mouse retina has emerged as an important genetic model for inherited retinal disease, the mouse vitreous remains to be explored. The vitreous is ...

Forschung

Biologie

Trajectory Data Analyses for Pedestrian Space-time Activity Study

It is well recognized that human movement in the spatial and temporal dimensions has direct influence on disease transmission1-3. An infectious disease typically spreads via contact between infected and susceptible individuals in their overlapped activity spaces. Therefore, daily mobility-activity information can be used as an indicator to measure exposures to risk factors of infection. However, a major difficulty and thus the reason for paucity of studies of infectious disease transmission at the micro scale arise from the lack of detailed individual mobility data. Previously in transportation and tourism research detailed space-time activity data often relied on the time-space diary technique, which requires subjects to actively record their activities in time and space. This is highly demanding for the participants and collaboration from the participants greatly affects the quality of data4.
Modern technologies such as GPS and mobile communications have made possible the automatic collection of trajectory data. The data collected, however, is not ideal for modeling human space-time activities, limited by the accuracies of existing devices. There is also no readily available tool for efficient processing of the data for human behavior study. We present here a suite of methods and an integrated ArcGIS desktop-based visual interface for the pre-processing and spatiotemporal analyses of trajectory data. We provide examples of how such processing may be used to model human space-time activities, especially with error-rich pedestrian trajectory data, that could be useful in public health studies such as infectious disease transmission modeling.
The procedure presented includes pre-processing, trajectory segmentation, activity space characterization, density estimation and visualization, and a few other exploratory analysis methods. Pre-processing is the cleaning of noisy raw trajectory data. We introduce an interactive visual pre-processing interface as well as an automatic module. Trajectory segmentation5 involves the identification of indoor and outdoor parts from pre-processed space-time tracks. Again, both interactive visual segmentation and automatic segmentation are supported. Segmented space-time tracks are then analyzed to derive characteristics of one's activity space such as activity radius etc. Density estimation and visualization are used to examine large amount of trajectory data to model hot spots and interactions. We demonstrate both density surface mapping6 and density volume rendering7. We also include a couple of other exploratory data analyses (EDA) and visualizations tools, such as Google Earth animation support and connection analysis. The suite of analytical as well as visual methods presented in this paper may be applied to any trajectory data for space-time activity studies.

A suite of spatiotemporal processing methods are presented to analyze human trajectory data, such as that collected using a GPS device, for the purpose of modeling pedestrian space-time activities.

Bahndaten Analysen für Fußgänger Raum-Zeit-Activity Study

It is well recognized that human movement in the  spatial and temporal dimensions has direct influence on disease transmission1-3.  An infectious disease ...

Nanogold Labeling of the Yeast Endosomal System for Ultrastructural Analyses

Endosomes are one of the major membrane sorting checkpoints in eukaryotic cells and they regulate recycling or destruction of proteins mostly from the plasma membrane and the Golgi. As a result the endosomal system plays a central role in maintaining cell homeostasis, and mutations in genes belonging to this network of organelles interconnected by vesicular transport, cause severe pathologies including cancer and neurobiological disorders. It is therefore of prime relevance to understand the mechanisms underlying the biogenesis and organization of the endosomal system. The yeast Saccharomyces cerevisiae has been pivotal in this task. To specifically label and analyze at the ultrastructural level the endosomal system of this model organism, we present here a detailed protocol for the positively charged nanogold uptake by spheroplasts followed by the visualization of these particles through a silver enhancement reaction. This method is also a valuable tool for the morphological examination of mutants with defects in endosomal trafficking. Moreover, it is not only applicable for ultrastructural examinations but it can also be combined with immunogold labelings for protein localization investigations.

Yeast, Saccharomyces cerevisiae, has been a key model organism to identify and study genes regulating the biogenesis and functions of the endosomal system. Here we present a detailed protocol for the specific labeling of the endosomal compartments for ultrastructural studies.

Nanogold Markierung der Hefe Endosomale System für Ultrastrukturanalysen

Endosomes are one of the major membrane sorting checkpoints in eukaryotic cells and they regulate recycling or destruction of proteins mostly from the ...

An Experimental and Bioinformatics Protocol for RNA-seq Analyses of Photoperiodic Diapause in the Asian Tiger Mosquito, Aedes albopictus

Photoperiodic diapause is an important adaptation that allows individuals to escape harsh seasonal environments via a series of physiological changes, most notably developmental arrest and reduced metabolism. Global gene expression profiling via RNA-Seq can provide important insights into the transcriptional mechanisms of photoperiodic diapause. The Asian tiger mosquito, Aedes albopictus, is an outstanding organism for studying the transcriptional bases of diapause due to its ease of rearing, easily induced diapause, and the genomic resources available. This manuscript presents a general experimental workflow for identifying diapause-induced transcriptional differences in A. albopictus. Rearing techniques, conditions necessary to induce diapause and non-diapause development, methods to estimate percent diapause in a population, and RNA extraction and integrity assessment for mosquitoes are documented. A workflow to process RNA-Seq data from Illumina sequencers culminates in a list of differentially expressed genes. The representative results demonstrate that this protocol can be used to effectively identify genes differentially regulated at the transcriptional level in A. albopictus due to photoperiodic differences. With modest adjustments, this workflow can be readily adapted to study the transcriptional bases of diapause or other important life history traits in other mosquitoes.

An Experimental and Bioinformatics Protocol for RNA-seq Analyses of Photoperiodic Diapause in the Asian Tiger Mosquito, Aedes albopictus

RNA-Seq analyses are becoming increasingly important for identifying the molecular underpinnings of adaptive traits in non-model organisms. Here, a protocol to identify differentially expressed genes between diapause and non-diapause Aedes albopictus mosquitoes is described, from mosquito rearing, to RNA sequencing and bioinformatics analyses of RNA-Seq data.

Eine experimentelle und Bioinformatik-Protokoll für die RNA-seq Analysen der Photoperiodische Diapause in den asiatischen Tigermücke,<em&gt; Aedes albopictus</em

Photoperiodic diapause is an important adaptation that allows individuals to escape harsh seasonal environments via a series of physiological changes, ...

Laboratory Protocol for Genetic Gut Content Analyses of Aquatic Macroinvertebrates Using Group-specific rDNA Primers

Analyzing food webs is essential for a better understanding of ecosystems. For example, food web interactions can undergo severe changes caused by the invasion of non-indigenous species. However, an exact identification of field predator-prey interactions is difficult in many cases. These analyses are often based on a visual evaluation of gut content or the analysis of stable isotope ratios (&#948;15N and &#948;13C). Such methods require comprehensive knowledge about, respectively, morphologic diversity or isotopic signature from individual prey organisms, leading to obstacles in the exact identification of prey organisms. Visual gut content analyses especially underestimate soft bodied prey organisms, because maceration, ingestion and digestion of prey organisms make identification of specific species difficult. Hence, polymerase chain reaction (PCR) based strategies, for example the use of group-specific primer sets, provide a powerful tool for the investigation of food web interactions. Here, we describe detailed protocols to investigate the gut contents of macroinvertebrate consumers from the field using group-specific primer sets for nuclear ribosomal deoxyribonucleic acid (rDNA). DNA can be extracted either from whole specimens (in the case of small taxa) or out of gut contents of specimens collected in the field. Presence and functional efficiency of the DNA templates need to be confirmed directly from the tested individual using universal primer sets targeting the respective subunit of DNA. We also demonstrate that consumed prey can be determined further down to species level via PCR with unmodified group-specific primers combined with subsequent single strand conformation polymorphism (SSCP) analyses using polyacrylamide gels. Furthermore, we show that the use of different fluorescent dyes as labels enables parallel screening for DNA fragments of different prey groups from multiple gut content samples via automated fragment analysis.

Most common gut content analyses of macroinvertebrates are visual. Requiring intense knowledge about morphological diversity of prey organisms, they miss soft bodied prey and, due to strong comminution of prey, are nearly impossible for some organisms, including amphipods. We provide detailed, novel genetic approaches for macroinvertebrate prey identification in the diet of amphipods.

Laborprotokoll für genetische Darm Inhaltsanalysen der aquatischen Makroinvertebraten Using gruppenspezifische rDNA Primer

Analyzing food webs is essential for a better understanding of ecosystems. For example, food web interactions can undergo severe changes caused by the ...

Establishment of an Extracellular Acidic pH Culture System

Conditions of the tumor microenvironment, such as hypoxia or nutrient starvation, play critical roles in cancer progression and malignancy. However, the role of acidic extracellular pH in tumor aggressiveness and its underlying mechanism has not been extensively studied compared to hypoxic or nutrient starvation conditions. In addition, a well-defined culture method to mimic the acidic extracellular tumor microenvironment has not been fully reported.
Here we present a simple in vitro culture method to maintain acidic extracellular pH using reduced bicarbonate and increased lactate or HCl concentrations in the culture medium. The medium pH was sustained for at least 24 h and gradually decreased by 72 h following culture of PANC-1 and AsPC-1 pancreatic cancer cells. Three distinct acidic media conditions in this study highly upregulated pH-responsive genes such as MSMO1, INSIG1, and IDI1 compared to hypoxia or nutrient starvation. The upregulation of these genes can be used as a marker of acidic pH. These simple techniques are beneficial to elucidate underlying mechanisms of tumor malignancy under acidic tumor microenvironment. Therefore, our extracellular acidic pH culture system enables discovery of cellular acidic pH responses not only in cancer cells but also in primary cells, such as renal tubular cells, in relation to the other acidic disorders including, diabetic ketoacidosis, lactic acidosis, renal tubular acidosis, and respiratory acidosis.

The acidic tumor microenvironment plays critical roles in tumor progression. To assess the effects of acidic extracellular pH on cancer cells in vitro, we established simple acidic culture systems.

Errichtung einer extrazellulären sauren pH-Wert Kultursystem

Conditions of the tumor microenvironment, such as hypoxia or nutrient starvation, play critical roles in cancer progression and malignancy. However, the ...

An Efficient In Vitro Transposition Method by a Transcriptionally Regulated Sleeping Beauty System Packaged into an Integration Defective Lentiviral Vector

The Sleeping Beauty (SB) transposon is a non-viral integrating system with proven efficacy for gene transfer and functional genomics. To optimize the SB transposon machinery, a transcriptionally regulated hyperactive transposase (SB100X) and T2-based transposon are employed. Typically, the transposase and transposon are provided transiently by plasmid transfection and SB100X expression is driven by a constitutive promoter. Here, we describe an efficient method to deliver the SB components to human cells that are resistant to several physical and chemical transfection methods, to control SB100X expression and stably integrate a gene of interest (GOI) through a &#34;cut and paste&#34; SB mechanism. The expression of hyperactive transposase is tightly controlled by the Tet-ON system, widely used to control gene expression since 1992. The gene of interest is flanked by inverted repeats (IR) of the T2 transposon. Both SB components are packaged in integration defective lentiviral vectors transiently produced in HEK293T cells. Human cells, either cell lines or primary cells from human tissue, are in vitro transiently transduced with viral vectors. Upon addition of doxycycline (dox, tetracycline analog) into the culture medium, a fine-tuning of transposase expression is measured and results in a long-lasting integration of the gene of interest in the genome of the treated cells. This method is efficient and applicable to the cell line (e.g., HeLa cells) and primary cells (e.g., human primary keratinocytes), and thus represents a valuable tool for genetic engineering and therapeutic gene transfer.

An Efficient In Vitro Transposition Method by a Transcriptionally Regulated Sleeping Beauty System Packaged into an Integration Defective Lentiviral Vector

This protocol describes a method to achieve stable integration of a gene of interest into the human genome by the transcriptionally regulated Sleeping Beauty system. Preparation of the integration of defective lentiviral vectors, the in vitro transduction of human cells, and the molecular assay on transduced cells are reported.

Eine effiziente In-vitro- Umsetzung-Methode durch eine Transcriptionally geregelten Schönheit Schlafsystem verpackt in eine Integration defekt Lentivirale Vektor

The Sleeping Beauty (SB) transposon is a non-viral integrating system with proven efficacy for gene transfer and functional genomics. To optimize the SB ...

Tissue Collection of Bats for -Omics Analyses and Primary Cell Culture

As high-throughput sequencing technologies advance, standardized methods for high quality tissue acquisition and preservation allow for the extension of these methods to non-model organisms. A series of protocols to optimize tissue collection from bats has been developed for a series of high-throughput sequencing approaches. Outlined here are protocols for the capture of bats, desired demographics to be collected for each bat, and optimized methods to minimize stress on a bat during tissue collection. Specifically outlined are methods for collecting and treating tissue to obtain (i) DNA for high molecular weight genomic analyses, (ii) RNA for tissue-specific transcriptomes, and (iii) proteins for proteomic-level analyses. Lastly, also outlined is a method to avoid lethal sampling by creating viable primary cell cultures from wing clips. A central motivation of these methods is to maximize the amount of potential molecular and morphological data for each bat and suggest optimal ways to preserve tissues so they retain their value as new methods develop in the future. This standardization has become particularly important as initiatives to sequence chromosome-level, error-free genomes of species across the world have emerged, in which multiple scientific parties are spearheading the sequencing of different taxonomic groups. The protocols outlined herein define the ideal tissue collection and tissue preservation methods for Bat1K, the consortium that is sequencing the genomes of every species of bat.

This is a protocol for the optimal tissue preparation for genomic, transcriptomic, and proteomic analyses of bats caught in the wild. It includes protocols for bat capture and dissection, tissue preservation, and cell culturing of bat tissue.

Gewebesammlung von Fledermäusen für -Omics Analysen und primäre Zellkultur

As high-throughput sequencing technologies advance, standardized methods for high quality tissue acquisition and preservation allow for the extension of ...

Tobacco Hornworm as an Insect Model System for Cannabinoid Pre-clinical Studies

With increased attention on cannabinoids in medicine, several mammalian model organisms have been used to elucidate their unknown pharmaceutical functions. However, many difficulties remain in mammalian research, which necessitates the development of non-mammalian model organisms for cannabinoid research. The authors suggest the tobacco hornworm Manduca sexta as a novel insect model system. This protocol provides information on preparing the artificial diet with varying amounts of cannabidiol (CBD), setting up a cultivation environment, and monitoring their physiological and behavioral changes in response to CBD treatment. Briefly, upon receiving hornworm eggs, the eggs were allowed 1-3 days at 25 &#176;C on a 12:12 light-dark cycle to hatch before being randomly distributed into control (wheat germ-based artificial diet; AD), vehicle (AD + 0.1% medium-chain triglyceride oil; MCT oil) and treatment groups (AD + 0.1% MCT + 1 mM or 2 mM of CBD). Once the media was prepared, 1st instar larvae were individually placed in a 50 mL test tube with a wooden skewer stick, and then the test tube was covered with a cheesecloth. Measurements were taken in 2-day intervals for physiological and behavioral responses to the CBD administration. This simple cultivation procedure allows researchers to test large specimens in a given experiment. Additionally, the relatively short life cycles enable researchers to study the impact of cannabinoid treatments over multiple generations of a homogenous population, allowing for data to support an experimental design in higher mammalian model organisms.

The present protocol provides instructional information for using tobacco hornworm Manduca sexta in cannabinoid research. The method described here includes all necessary supplies and protocols to monitor physiological and behavioral changes of the insect model in response to cannabidiol (CBD) treatment.

Tabakhornwurm als Insektenmodellsystem für präklinische Cannabinoid-Studien

With increased attention on cannabinoids in medicine, several mammalian model organisms have been used to elucidate their unknown pharmaceutical ...

Design and Implementation of a Rat Ex Vivo Lung Perfusion Model

Ex vivo lung preparations are a useful model that can be translated to many different fields of research, complementing corresponding in vivo and in vitro models. Laboratories wishing to use isolated lungs need to be aware of important steps and inherent challenges to establish a setup that is affordable, reliable, and that can be easily adapted to fit the topic of interest. This paper describes a DIY (do it yourself) model for ex vivo rat lung ventilation and perfusion to study drug and gas effects on pulmonary vascular tone, independent of changes in cardiac output. Creating this model includes a) the design and construction of the apparatus, and b) the lung isolation procedure. This model results in a setup that is more cost-effective than commercial alternatives and yet modular enough to adapt to changes in specific research questions. Various obstacles had to be resolved to ensure a consistent model that is capable of being used for a variety of different research topics. Once established, this model has proven to be highly adaptable to different questions and can easily be altered for different fields of study.

Design and Implementation of a Rat Ex Vivo Lung Perfusion Model

Ex vivo lungs are useful for a variety of experiments to collect physiological data while excluding the confounding variables of in vivo experiments. Commercial setups are often expensive and limited in the types of data they can collect. We describe a method for building a fully modular setup, adaptable for various study designs.

Design und Implementierung eines ex vivo Lungenperfusionsmodells für Ratten

Ex vivo lung preparations are a useful model that can be translated to many different fields of research, complementing corresponding in vivo and in vitro ...