Ce matériau est basé sur la recherche soutenue (ou soutenu en partie par) l&#39;Office de commercialisation des technologies, de Salt Lake City, UT, Bureau de la recherche et le développement, la réhabilitation de R &amp; D Service, DVA SLC Système de soins de santé, de Salt Lake City, UT, ministère de la Défense PRMRP Grant (n ° PR054520), le président Albert Hofmann &amp; Margaret et le Département d&#39;orthopédie de l&#39;Université de l&#39;Utah School of Medicine, à Salt Lake City, UT, le soutien technique pour les simulations ont été fournis par le Center for Biomedical Computing intégrative de l&#39;Informatique Scientifique et imagerie Institut et a été rendue possible en partie par le logiciel à partir du Centre des NIH / NCRR pour l&#39;informatique biomédicale intégrative, P41-RR12553-07. Reconnaissance supplémentaire est étendu à Gwenevere Shaw pour l&#39;assistance avec le manuscrit de la préparation et Dustin Williams pour l&#39;image du biofilm.

Partie 1: Utilisation tomodensitométrie (TDM) pour les amputés de reconstruction <ol><li> Rétrospective tomodensitogrammes ont été recueillies auprès de l&#39;Université de l&#39;Utah et hôpitaux du ministère des anciens combattants après l&#39;obtention de la CISR et l&#39;approbation HIPAA. </li><li> Tomodensitogrammes ont été choisis parce qu&#39;ils permettent distinction claire entre les types de tissus basée sur X-ray absorption. </li><li> TC étaient contrôlées manuellement et inclus dans l&#39;étude fondée sur l&#39;absence d&#39;implants métalliques pour éviter des artefacts de l&#39;image. </li></ol> Partie 2: Modèle avec génération Seg3D <ol><li> Fichiers ont été téléchargés sous forme d&#39;images DICOM et chargé dans Seg3D (version 1.11.0, software.sci.utah.edu) comme un nouveau volume. </li><li> Un filtre médiane a été utilisée pour lisser les volumes importés avant de déterminer les structures des tissus géométriquement définie. </li><li> Les limites des tissus de l&#39;os, la moelle osseuse, les organes et les tissus adipeux ont été générés par seuillage des fichiers CT interactive (Figure 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig1.jpg" alt="Figure 1" /> Figure 1: Une section sagittale d&#39;une personne amputée du membre résiduel seuillée et séparé en différents types de tissus spécifiques. </li><li> La musculature a été obtenue en réglant manuellement les points de graines à l&#39;intérieur du tissu musculaire seuillée et en utilisant une confiance connectés filtre pour trouver tous les tissus raccordés aux points de semences. Cette étape élimine les tissus erronées qui peuvent avoir été regroupés avec le muscle repose sur l&#39;absorption similaires de TC. </li><li> La peau, qui a été impossible de discerner de manière fiable à partir des images CT, ont été générés en dilatant les tissus ultrapériphériques 2 millimètres basé sur l&#39;épaisseur moyenne de la peau pour produire une couche d&#39;épaisseur homogène qui a entouré le modèle complet 1. </li><li> Segmentations étaient contrôlées manuellement, corrigée pour assurer l&#39;exactitude et combinées dans une hiérarchie dans une carte seule étiquette requise pour l&#39;analyse par éléments finis (figure 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig2.jpg" alt="Figure 2" /> Figure 2: Représentant d&#39;un modèle hiérarchique amputés bilatéraux créés avec Seg3D. </li></ol> Partie 3: Préparation de l&#39;analyse par éléments finis <ol><li> Un implant de 10 cm a été conçu en Matlab pour servir de dispositif orthopédique implanté et la cathode pour la stimulation électrique et importées dans SCIRun (version 4.0, software.sci.utah.edu). </li></ol> Partie 4: Placement des électrodes &amp; Design <ol><li> SCIRun a été utilisé pour la conception de l&#39;électrode car il soutient le placement des électrodes interactif et de simulation. </li><li> Un réseau a été créé et organisé avec des modules de fonctions spécifiques pour générer le maillage (figure 3). Les modules ont été importants pour la définition des conditions aux limites, les conductivités des tissus, des raffinements maille, générant Matlab histogrammes, les données de terrain d&#39;enregistrement, etc (tableau 1). <img src="/files/ftp_upload/1237/1237fig3.jpg" alt="Figure 3" /> Figure 3: l&#39;image du réseau représentant d&#39;une étude pilote utilisant une configuration à deux bandes d&#39;électrodes externes. <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0"><tbody><tr><td> Tableau 1 </td><td></td></tr><tr><td colspan="2"> Assigné à conductivités tissus segmentés </td></tr><tr><td> Type de tissu </td><td> Conductivités [S / m] </td></tr><tr><td> Orgue </td><td> 0,22 </td></tr><tr><td> Peau </td><td> 0,26 </td></tr><tr><td> Adipeux </td><td> 0,09 </td></tr><tr><td> Muscle </td><td> 0,25 </td></tr><tr><td> L&#39;os cortical </td><td> 0,02 </td></tr><tr><td> Bone Marrow </td><td> 0,07 </td></tr></tbody></table></li><li> Les configurations pour les électrodes se composait d&#39;une électrode d&#39;un patch, deux électrodes de patch, une bande continue et deux bandes continues. </li><li> Des bandes d&#39;électrodes externes ont été appliquées à des membres résiduels des modèles générés à partir de scans CT patient et ont été de 1,6 cm d&#39;épaisseur. </li><li> Patchs électrodes ont été placées comme une bande couvrant environ la moitié du diamètre du moignon et ont été de 3 cm d&#39;épaisseur. </li><li> L&#39;implant cortical interne qui représentait l&#39;implant ostéo-intégré a été mis au diamètre endo-osseux pour permettre ajustement parfait et implants remplir 2. </li></ol> Partie 5: Finite Element Analysis <ol><li> Les simulations ont été générées en supposant que les paramètres électriques pourrait être calculé en utilisant une approche quasi-statique, sans la dépendance du temps. </li><li> Le modèle a été calculé en résolvant l&#39;équation de Laplace pour chaque type de tissu provenant de la segmentation Seg3D. </li><li> Les conditions aux limites ont été formés par les électrodes qui injecte les courants et les lignes directrices que le courant est resté dans le corps. </li><li> Depuis les électrodes et l&#39;implant a une conductivité beaucoup plus grande que les tissus environnants, ce fut unessumed que l&#39;implant (cathode) est à un potentiel constant, même les électrodes de surface ont été modélisés avec une différence de potentiel constante de l&#39;implant percutané. </li><li> Pour évaluer l&#39;efficacité de la configuration des électrodes et le dimensionnement, le patient modèles spécifiques ont été développés et le potentiel électrique autour de l&#39;interface implant a été utilisé pour déterminer les points forts de terrain localisés. </li><li> Le modèle a été généré en utilisant un hexaèdres qui consistait d&#39;environ 1,8 million d&#39;éléments qui ont été traités comme des morceaux homogènes, ohmiques et isotrope. </li><li> Le modèle optimal pour cette expérience a été choisi avec une différence relative &lt;5% dans des gradients de tension confirmée par une étude de sensibilité maillage pour assurer l&#39;exactitude du modèle (tableau 2). <table border="1" cellspacing="0" cellpadding="0" width="305"><tbody><tr><td> Tableau 2 </td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td colspan="3"> Étude de sensibilité de maille pour amputés modèle </td><td></td></tr><tr><td> Mesh </td><td> Éléments </td><td> Noeuds </td><td> Différence relative </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> En utilisant un solveur itératif, les paramètres électriques dans les modèles éléments finis ont été calculées pour les configurations d&#39;électrodes. </li></ol>

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La technologie décrite dans l&#39;article, plus précisément en utilisant un implant orthopédique comme une cathode fonctionnelle pour augmenter l&#39;attachement du squelette, de réduire de réhabilitation et d&#39;empêcher l&#39;adhésion bactérienne est une idée originale inventée par le premier auteur dans la présentation du journal. Un formulaire de déclaration d&#39;invention a été présentée à l&#39;Université de l&#39;Utah et un brevet américain provisoire a été déposée protéger toutes les technologies divulguées.

Comprendre le paradigme de stimulation électrique Améliorations en matière de soins médicaux et des stratégies d&#39;évacuation sur le terrain de combat ont mené à une augmentation du nombre de guerriers survivants blessés de guerre désastreuse connexes. Alors que le taux de survie amélioré est un progrès de la médecine, les militaires et les femmes sont de retour de combat avec des amputations qui nécessitent un suivi intensif des soins, la réadaptation vaste et coûteux services prothétiques du système de soins de santé d&#39;Anciens Combattants 3. Congrès détails signale que plus de 1000 amputations liées à la guerre ont eu lieu à la suite de l&#39;opération Enduring Freedom (OEF) et l&#39;opération Iraqi Freedom (OIF) des conflits 4. Dans le cas de l&#39;OEF et les anciens combattants OIF, environ 15% des guerriers qui reviennent ont perdu des membres multiples et un nombre important de retourner les militaires et les femmes ont peu moignons où la technologie socket n&#39;est pas une option ou a été rejetée par le patient. L&#39;utilisation rapporté abandonnées de prothèses des membres supérieurs dépasse même les 50% parce que les dispositifs de fixation sont encombrants et difficiles à utiliser confortablement 5. Prothèses des membres inférieurs sont tout aussi problématiques et les problèmes courants associés aux prises des tissus mous comprennent l&#39;incapacité de marcher sur terrain6 difficile, limité la longueur du membre résiduel 7, l&#39;inconfort du patient 5, souci de non-physiologiques de chargement 8, l&#39;irritation causée par une ossification hétérotopique 9 et le risque de 10 maladies débilitantes. Cependant, la technologie ostéointégration est une nouvelle technique chirurgicale qui peut réduire la douleur 11, 12 irritation de la peau, améliorer osseoperception 13, d&#39;améliorer la mobilité 6, la diminution des plaies de pression associée avec les sockets 6, de réduire l&#39;énergie pour la déambulation 7,14 et de mieux servir vétérans et des guerriers avec peu la longueur du membre résiduel 15. Malgré les nombreux avantages physiques et psychologiques de l&#39;ostéo-intégration, les procédures associées chirurgicales nécessitent plus avancés streategies prévention des infections de traitement 16, nécessitent des programmes de réhabilitation à long et inclure des protocoles restrictifs roulement de poids qui peut durer jusqu&#39;à 1,5 ans 17 postopératoire. Parce que la viabilité de l&#39;os hôte et la longueur du moignon est important pour la fixation des muscles et la fonctionnalité, le développement de nouveaux dispositifs pour améliorer l&#39;ostéointégration est la clé pour le retour des militaires et des femmes. Par conséquent, le développement d&#39;une conception intelligente implants ostéo-intégré (OIID) système qui utilise la stimulation électrique contrôlée peut réduire la durée de la réadaptation et à augmenter l&#39;attachement du squelette pour les vétérans et les amputés guerrier. Toutefois, puisque aucun appareil actuel est disponible commercialement et réalisé pour une utilisation avec des implants percutanés ostéo-intégrés, la motivation de ce programme est de confirmer l&#39;innocuité et l&#39;efficacité de l&#39;analyse par éléments finis. Comprendre le rôle de la stimulation électrique dans le remodelage osseux, en particulier le dépôt de osteoids et la minéralisation, est restée spéculative. Cependant, l&#39;activité électrique observée dans les os peuvent être le résultat d&#39;une sollicitation mécanique 18,19 et donc un stimulus électrique peut être un mécanisme efficace pour la réparation osseuse induisant 19. La logique derrière cette hypothèse est expliqué dans un modèle de guérison de la fracture. Lorsque les os longs sont chargés, du côté en tension devient électropositif et l&#39;électronégatifs côté de la compression 20,21, cependant, une fois un os est cassé, le site restera électronégatif à l&#39;égard de l&#39;environnement jusqu&#39;à la guérison a commencé et l&#39;homéostasie repris 21. Simuler la cascade de guérison naturelle avec un signal électrique qui a été cru pour aider avec 22 dépôts de calcium, de légères modifications dans la teneur en oxygène et le pH 23, le recrutement de facteurs de croissance 22 et aide à la migration ostéoblastique et la sécrétion de matrice extracellulaire supplémentaires 24. La prémisse que la stimulation électrique seul pouvait régissent la réparation osseuse complète a été redéfinie et l&#39;hypothèse actuelle propose que de nouveaux syndicats complète sont formées par des charges mécaniques et une stimulation électrique de co-stimulation 19. Les impulsions électriques observés in vivo sont associés à la déformation piézoélectrique de collagène ou de la grande électro-cinétique produite par les courants constituants ioniques coule portions minérale passé de la matrice osseuse 25. En fait, les potentiels spontanés ont été signalés dans l&#39;os aussi grand que 6 millivolts et corrèle avec une augmentation du taux d&#39;apposition minérale de l&#39;os 26. Les premiers travaux de Brighton et Friedenberg 18,21,27,28 utilisé le concept de la stimulation électrique pour la régénération osseuse dans les années 1960 et 1970 et demonstrated que le courant direct pourrait être utilisé pour réparer les syndicats non dans une courte période de temps par rapport aux méthodes traditionnelles de guérison. D&#39;autres modèles ont enquêté sur la formation osseuse avec port de poids restrictif et a démontré une augmentation de 31 pour cent dans l&#39;activité ostéogénique entre les contrôles et les membres stimulé électriquement 25. Bien que les chercheurs dans le domaine de la stimulation électrique ont ouvert la voie à la compréhension du mécanisme de dépôt de matrice ostéoblastes avec une stimulation électrique, une mauvaise compréhension a limité l&#39;expansion de cette technologie. Bien qu&#39;il existe de nombreux cas de guérison réussie de la non-syndicats et des modèles de guérison des fractures, des exemples de l&#39;inconfort du patient et de vaines tentatives sont remplis dans la littérature aussi bien 29. Le problème survient avec une stimulation électrique des scientifiques et des cliniciens contrôler les paramètres électriques et mauvais se concentrer uniquement sur les grandeurs actuelles. Les chercheurs précédents ont regardé au courant que la &quot;balle magique&quot; pour la fixation du 500000 approximative non des syndicats qui se produisent chaque année 30. Cependant, la répétabilité entre les modèles a été limitée à des complications Joule 31 et non pour déterminer les densités de courant 32. En fait, tous les dispositifs fabriqués biomédicaux doivent être limitées à une densité de courant inférieure à 2 mA / cm 2 comme indiqué par la Commission électrotechnique internationale pour éviter une nécrose tissulaire localisée et 33 inconfort du patient. Mis à part aider à la fixation du squelette, la stimulation électrique contrôlée peut également empêcher l&#39;adhésion bactérienne sur les implants orthopédiques et de réduire le risque d&#39;ostéomyélite et la formation de biofilm 34-37. La formation du biofilm sur les appareils orthopédiques entraîner des complications des patients et une détresse importante pour ceux qui dépendent de ces 38 appareils. L&#39;accent est mis sur la nécessité d&#39;avoir complètement stérilisé l&#39;instrumentation et des implants avant la chirurgie 39, mais il est souvent difficile à diagnostiquer l&#39;adhérence des bactéries comme le montrent de nombreux cas négatifs en culture qui sont en fait infectées 40. Ce problème est souvent couplé avec le fait que les biofilms sont à croissance lente dans la nature 40, ne peut pas être la croissance in vitro de précision 39, dépendent du type de cellules de bactéries, de la propreté de la surface et le système immunitaire de la personne concernée 39. Enquête sur les personnes amputées européenne transfémorale avec la technologie oseeointegration révéler le problème le plus fréquent est l&#39;infection (fréquent infections superficielles, 1 / 3 des infections périprothétiques) 41. Même s&#39;il ya eu de grandes améliorations dans la préparation chirurgicale, l&#39;éradication des bactéries est un des facteurs fondamentaux pour l&#39;amélioration de l&#39;ostéo-intégration, depuis les biofilms sont entre 500-5000 mille fois plus difficile à éradiquer en raison de leur non-platonicienne forme 34,35,39. Par conséquent, en utilisant la stimulation électrique en tant que modalité pour éliminer les colonies bactériennes nocives et d&#39;augmenter la fixation du squelette sont des facteurs importants pour assurer la protection de la santé des patients et l&#39;efficacité OIID. Les avantages d&#39;utiliser les amputés vétéran et guerrier sont que la jeunesse relative et ailleurs en bonne santé de ces personnes rendent une population idéale pour la réhabilitation agressive et un poste percutanée servira comme aide ambulatoire et peut être développé comme une cathode exposés pour la stimulation électrique. La présence d&#39;un implant ostéo-intégré ne nécessite pas de procédures chirurgicales supplémentaires pour insérer des composants électriques, permet à l&#39;appareil d&#39;être contrôlé de façon externe et empêche d&#39;autres risques d&#39;infection 42. Par conséquent, par la compréhension de la méthode d&#39;injection de courant dans le moignon des amputés vétéran et guerrier, un champ électrique sur l&#39;ampleur de 1-10 V / cm peut être établie, contrôlée et mesurée à l&#39;interface implant. L&#39;hypothèse est que cela permettra des niveaux sûrs d&#39;électricité à livrer, capable d&#39;induire la migration ostéoblastique et l&#39;amélioration de l&#39;attachement du squelette. Un champ électrique de ce diplôme va augmenter la quantité et la qualité de l&#39;os à l&#39;interface implant, et améliorer les perspectives de réinsertion accélérée et la fixation du squelette d&#39;une personne amputée. L&#39;utilisation de la stimulation électrique n&#39;a pas été étudié en tant que modalité d&#39;accélérer l&#39;ostéointégration de l&#39;implant intramédullaire prothétiques et présente de nombreuses possibilités de recherche translationnelle pour améliorer les soins aux patients. Résultats expérimentaux La nécessité pour le patient des modèles spécifiques avec un dispositif de stimulation électrique percutanée a été soutenue dans l&#39;étude. Les simulations développées pour le dispositif proposé biomédicale peut avoir les capacités d&#39;accélérer l&#39;attachement du squelette par la migration croissante des ostéoblastes et d&#39;empêcher l&#39;adhésion bactérienne 27,34,36,39. CompModélisation utation a effectivement montré que 10 à 10 V / cm champs électriques et des densités de courant inférieur à 2 mA / cm 2 peuvent être générés en utilisant l&#39;implant comme une cathode fonctionnelle et est le plus distribuée de façon homogène à l&#39;aide d&#39;une électrode à deux bandes externes. Le système peut être OIID la première étape pour résoudre le problème classique associé à une stimulation électrique, l&#39;incapacité à définir les voies actuelles dans le corps humain 43. Par conséquent, établir des outils pour améliorer l&#39;attachement du squelette peut aider à réduire la durée de la réhabilitation nécessaire à une procédure d&#39;ostéo-intégrés. Utilisant la stimulation électrique pour les plus âgés amputés est également un aspect essentiel qui doit être explorée aussi bien. La masse osseuse est maximale de dix ans après la croissance du squelette, mais cesse diminue de manière significative par les huitième et neuvième années 44. Comme les os longs changent avec l&#39;âge, le diamètre endo-osseux tend à augmenter plus rapidement que le diamètre du périoste qui peut conduire à son descellement 45. Ce problème couplé à la réduction de la pression sur les os par la faiblesse des muscles peut contribuer à des maladies invalidantes telles que l&#39;ostéoporose et l&#39;ostéopénie 45 et nécessitent des options de traitement supplémentaires pour les patients avec des implants ostéo-intégrés. Cependant, la stimulation électrique contrôlée et le chargement mécanique peut agir comme un catalyseur synergique de ongrowth os et de maintenir l&#39;intégrité d&#39;hôte lit osseux chez les patients âgés en utilisant un système OIID.

bioelectric analyses of an osseointegrated intelligent implant design system for amputees

Le nombre projeté de personnes amputées américaine devrait augmenter à 3,6 millions en 2050. Beaucoup de ces personnes dépendent de membres artificiels pour effectuer des activités de routine, mais les suspensions de prothèse en utilisant la technologie traditionnelle prise peut s&#39;avérer lourde et inconfortable pour une personne ayant perdu un membre. Par ailleurs, pour ceux qui ont élevé d&#39;amputations proximales, limité la longueur du membre résiduel peut empêcher l&#39;attachement exoprosthesis tous ensemble. Technologie des implants ostéo-intégrés est un roman de procédure opératoire qui permet ferme attachement entre l&#39;os du squelette d&#39;hôte et un implant. Les résultats préliminaires chez les amputés européenne avec implants ostéo-intégrés ont montré des résultats cliniques améliorés en permettant le transfert direct des charges à l&#39;interface os-implant. Malgré les avantages apparents de l&#39;ostéo-intégration sur la technologie socket, les procédures de redressement en cours nécessitent de longues périodes de restriction de charge préalable qui peut être réduit avec l&#39;attachement du squelette accéléré par stimulation électrique. L&#39;objectif de la conception intelligente implant ostéo-intégré (OIID) du système est de faire la part implant d&#39;un système électrique pour accélérer l&#39;attachement du squelette et aider à prévenir l&#39;infection périprothétique. Pour déterminer la taille optimale d&#39;électrode et de placement, nous avons initié une preuve de concept avec la modélisation computationnelle des champs électriques et des densités de courant qui surviennent pendant la stimulation électrique des membres amputés résiduelle. Afin de fournir d&#39;assurer la sécurité des patients, les sujets avec rétrospectives tomodensitométrie ont été sélectionnés et trois dimensions reconstructions ont été créés en utilisant des logiciels personnalisés pour garantir l&#39;exactitude anatomique (Seg3D et SCIRun) dans un IRB et HIPAA approuvé l&#39;étude. Ces packages logiciels pris en charge le développement de modèles spécifiques des patients et a permis la manipulation interactive de la position de l&#39;électrode et la taille. Les résultats préliminaires indiquent que les champs électriques et des densités de courant peuvent être générées à l&#39;interface implant pour atteindre les distributions homogènes champ électrique nécessaire pour induire la migration ostéoblastique, favoriser la fixation du squelette et peut aider à prévenir les infections périprothétique. Basé sur les configurations d&#39;électrodes expérimenté dans le modèle, une configuration à deux bandes extérieures seront préconisées dans le futur.

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Bioelectric Analyses of an Osseointegrated Intelligent Implant Design System for Amputees

Il est nécessaire de développer des alternatives attache une prothèse à cause de la perte attribuée à un membre vasculaires occlusives et les traumatismes. Le but de ce travail est d&#39;introduire une osséointégrés système intelligent design de l&#39;implant pour augmenter la fixation du squelette et de réduire les taux d&#39;infection périprothétique pour les patients nécessitant des technologies ostéo-intégrés.

Analyses Bioelectric d&#39;un système ostéo-intégrés Implant Intelligent Design pour amputés

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

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Biology

13.8K vues.  Department of Veteran Affairs. Il est nécessaire de développer des alternatives attache une prothèse à cause de la perte attribuée à un membre vasculaires occlusives et les traumatismes. Le but de ce travail est d'introduire une osséointégrés système intelligent design de l'implant pour augmenter la fixation du squelette et de réduire les taux d'infection périprothétique pour les patients nécessitant des technologies ostéo-intégrés.

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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.

L&#39;éviscération des corps vitré et la rétine de la souris pour les analyses protéomiques

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 ...

Recherche

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.

Les analyses des données de trajectoire pour étudier l&#39;activité piétonne l&#39;espace-temps

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 étiquetage du système levure endosomique pour les analyses ultrastructurales

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.

Un protocole expérimental et de la bioinformatique pour les analyses d&#39;ARN-Seq de la photopériode diapause dans le Asian Tiger Mosquito,<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.

Protocole de laboratoire pour les Analyses de contenu Gut génétiques de macroinvertébrés aquatiques Using Group-specific ADNr amorces

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.

Mise en place d’un pH extracellulaire acide système de Culture

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.

Une méthode de Transposition efficace In Vitro par un système de beauté dormir transcriptionnellement réglementé empaquetée dans un vecteur Lentiviral défectueux de l’intégration

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.

Collection de tissus de chauves-souris pour -Analyses d'omics et culture cellulaire primaire

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.

Le ver du tabac comme système modèle d’insecte pour les études précliniques sur les cannabinoïdes

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.

Conception et mise en œuvre d’un modèle de perfusion pulmonaire ex vivo chez le rat

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 ...