쥐의 비침습성 ACL 손상 후 무릎 관절 퇴행 시각화
Overview
출처: 린지 K. 레플리1,2,스티븐 M. 다비1,티모시 A. 버터필드3,4, 시나 샤바즈모하마디5,
1 코네티컷 대학교, 스토스, CT, 운동학학과; 2 정형 외과학과, 코네티컷 보건 센터의 대학, 파밍턴, CT; 3 재활 과학학과, 켄터키 대학, 렉싱턴, 켄터키; 4 근육 생물학 센터, 생리학과, 켄터키 대학, 렉싱턴, 켄터키; 5 생물 의학 공학 과, 코네티컷 대학, 스토스, CT
전방 십자 인대 (ACL) 무릎부상은 극적으로 외상 후 골관절염의 위험을 증가 (PTOA), 개인의 약 1/3A는 ACL 부상 후 첫 10 년 이내에 방사선 PTOA를 시연 할 것이다. ACL 재건 (ACLR)이 성공적으로 무릎 관절 안정성을 복원하지만, ACLR 및 현재 재활 기술은 PTOA의 발병을 방지하지 않습니다. 따라서, ACL 상해는 외상성 합동 상해 후에 PTOA의 발달을 공부하는 이상적인 모형을 나타냅니다.
쥐 모델은 PTOA에 ACL 부상의 발병과 효과를 연구하기 위해 광범위하게 사용되었습니다. ACL 상해의 가장 널리 이용된 모형은 ACL 편부입니다, 외과적으로 합동을 불안정하게 하는 심각한 모형입니다. 실용적이지만,이 모델은 부상에 대한 원주민 생물학적 반응을 가리는 침습적 및 비 생리적 상해 절차로 인해 인체 ACL 부상을 충실하게 모방하지 는 않습니다. 결과의 임상 번역을 개선하기 위해, 우리는 최근에 ACL이 단 한 번의 정골 압축 부하를 통해 파열되는 ACL 상해의 새로운 비침습적 모델을 개발했습니다. 이 부상은 밀접하게 인간과 관련된 부상 조건을 복제하고 매우 재현할 수 있습니다.
마이크로 컴퓨팅 단층 촬영(μCT)을 통한 조인트 변성의 시각화는 전체 조인트 변성의 신속하고 고해상도, 비파괴3D 이미징을 포함한 기존의 OA 염색 기술에 대한 몇 가지 주요 발전을 제공합니다. 이 데모의 목적은 설치류 모델에서 비침습적 ACL 부상의 상태를 도입하고 μCT를 사용하여 무릎 관절 변성을 정량화하는 것입니다.
Principles
ACL은 경골의 전방 간관 공간에서 발생 하 고 대퇴골의 측면 응다의 후면 측면에 우수 하 고 측면으로 확장 하는 조밀 한 결합 조직의 대역 같은 구조. 구조적으로, ACL은 무릎의 수동 안정제 역할을, 동적 운동 동안 관절을 제어하는 데 도움이 다른 인대뿐만 아니라 허벅지 근육과 함께 작업. ACL은 전방 경골 변위의 주요 구속이며 무릎 관절 안정성을 유지하는 데 필수적인 역할을합니다. 구조적 지원을 넘어, ACL은 또한 무릎 관절과 중추 신경계 사이의 신경 정보를위한 경로 역할을합니다. ACL에 가장 큰 스트레스는 무릎이 연장 에 가까운 때 발생, 그리고 ACL부상의 가장 높은 위험에이 시간 동안.
ACL은 스포츠 와 작업 관련 활동 중 가장 일반적으로 부상 무릎 인대입니다. 비접촉 ACL 부상은 모든 ACL 부상의 거의 70 %를 차지하며, 사람이 ACL의 과도한 로딩으로 이어지는 무릎에 충분한 힘 및 / 또는 순간을 생성 할 때 발생합니다. 비접촉 ACL 부상의 메커니즘은 다양한 연구 모델 (예비, 회고, 관찰, 생체 및 시험관 내)을사용하여 조사되었지만 부상이 어떻게 발생하는지에 대한 직접적인 결정은 여전히 애매합니다. ACL 재건은 종종 ACL의 영역에 개별 햄스트링 또는 슬개골 힘줄의 일부를 외과적으로 삽입하여 수행됩니다. 외과 재건의 목적은 무릎 안정성과 부상 후 잃어버린 기능 적 용량을 극대화하는 것입니다. 외과 재건은 스포츠에 안전한 복귀를 용이하게하고 장기 무릎 관절 건강을 촉진. 그러나, 임상의와 연구원의 최선의 노력에도 불구하고, 재건 된 ACL을 가진 환자의 거의 3 분의 2는 재건 후 12 개월에 활동으로 돌아오지 않으며 ACL 재건 무릎의 50 % 이상이 부상 후 PTOA 5-14 년의 방사선 징후를 가지고 있습니다.
동물 모델은 관절 건강에 대한 치료의 자연사와 반응을 연구하는 실용적이고 임상적으로 관련된 방법을 제공합니다. 중요한 것은 쥐의 무릎은 유사한 해부학과 인간에서 무릎에 기능을 가지고, 이는 쥐 무릎 ACL 부상 후 PTOA를 공부하는 유용한 모델을 만든다. 결과의 임상 번역을 개선하기 위해, 우리는 최근에 ACL 손상의 새로운 비 침습적 모델을 개발했습니다, 여기서 ACL은 정골 압축의 단일 부하를 통해 파열된다. 이 부상은 밀접하게 인간과 관련된 부상 조건을 복제하고 매우 재현할 수 있습니다.
로드 장치는 두 개의 사용자 지정 빌드 된 로딩 플랫폼 (그림 1)으로 구성됩니다. 상단 무릎 단계는 단단히 선형 액추에이터 (DC 선형 액추에이터 L16-63-12-P, 피젯, 앨버타, CA)에 장착되어 30 °1-3 도시 플렉션의 오른쪽 뒷다리를 위치하고 100 °1 무릎 굴곡의 상대적 페비에 대한 공간을 제공하면서. 바닥 단계는 구부러진 무릎을 잡고 로드 셀 (HDM Inc., PW6D, 사우스 필드, MI) 바로 위에 장착됩니다. 부상 동안, 쥐는 마취되고 오른쪽 뒷다리는 8mm /s의 속도로 단 하나 의 정골 압축을 받게됩니다.1 ACL 부상은 사용자 정의 프로그램을 통해 모니터링되는 부상 중 압축력의 방출에 의해 지적된다 (LabVIEW, 내적 인스트루먼트, 오스틴, 텍사스). 부상 후, ACL 파열은 대기력이 경골에 적용되는 동안 대퇴골이 고정되는 Lachman의 시험에 의해 임상적으로 확인됩니다. 과도한 전방 선통 번역은 ACL 결핍을 나타냅니다. 그런 다음 ACL 부상 힌드림을 확장하여 사용자 정의 3D 인쇄 장치에서 고정하여 무릎 관절 변성을 시각화할 수 있습니다. 이미지는 PTOA 개발과 관련된 궤적 구조의 변화를 특성화하기 위해 획득됩니다. 4
그림 1: 격리된 비침습적 ACL 손상을 일으키는 티비알 압축 부하.
Procedure
비침습적 ACL 부상
- 적절한 개인 보호 장비를 착용하십시오. 호흡 마스크를 사용할 수 있지만 이 프로토콜에는 필수가 아닙니다.
- 5% 이소플루란과 1 L/min 산소를 가진 유도 챔버를 사용하여 쥐를 마취시화합니다. 1 - 3 % 이소플루란과 산소의 500 mL / 분코 콘을 통해 사용하여 마취의 흐름을 유지합니다. 장치가 백드래프트 또는 다운드래프트 테이블에 설치되지 않은 경우 탁상 시스템과 숯 필터를 사용하여 폐가스를 청소해야 합니다.
- 발가락 핀치를 수행하여 충분한 심도의 마취에 도달했는지 확인합니다. 프로토콜이 신속하게 수행되고 (3 분 <) 눈 윤활제를 적용 할 필요가 없으며 각막 건조의 위험이 최소화됩니다.
- 대퇴골에 비해 경골의 전방 잠복을위한 공간을 제공하면서 도시 플렉션의 30 ° 및 무릎 굴곡의 100 ° 오른쪽 뒷다리를 배치합니다.
- 상단 무릎 스테이지를 선형 액추에이터에 단단히 장착합니다.
- 구부러진 무릎을 로드 셀 바로 위에 장착하는 하단 스테이지에 배치합니다.
- 8mm/s의 속도로 단일 적재량의 티비알 압축을 사용하여 ACL 부상을 유도합니다.
- ACL 부상은 압축력의 방출에 의해 지적된다. 이 모니터링은 사용자 지정 프로그램을 통해 모니터링됩니다.
- 부상 후, 동물은 마취의 비행기 아래에 있는 동안, 임상적으로 ACL 파열이 발생했는지 확인하기 위하여 Lachman의 시험을 능력을 발휘합니다. Lachman의 시험은 sagittal 계획 안정성을 평가하여 ACL의 무결성을 평가하는 데 사용되는 임상 테스트입니다. 대퇴골을 안정시키는 동안, 경골을 앞으로 당기고(전방 방향으로) 운동량을 평가합니다. 그대로 ACL은 연구원이 경골을 앞으로 번역 할 수없는 '확고한 최종 느낌'을 생성합니다. 부상당한 ACL은 찢어진 ACL을 나타내는 '부드럽거나 무성한 최종 느낌'을 생성합니다.
- 대퇴골과 경골을 만지며 뼈 손상을 감지합니다. 금기 사항이 확인되지 않으면 동물을 케이지로 옮기고 복구할 수 있습니다. 이 시간 동안, 그것은 통증의 흔적을 표시 하지 않습니다 확인 하려면 동물을 모니터링, 이동 을 꺼려 등, 발성, 또는 비정상적인 자세.
관절 변성의 μCT 이미징
2-D 이미지는 70kV, 현재 85.5 μA(그림2B)의스캐너 설정을 사용하여 얻을 수 있습니다. 데이터는 완전한 180°를 통해 11.5 μm의 해상도로 0.6° 회전 단계마다 수집됩니다. 단면 이미지는 매끄러운 백 프로젝션 알고리즘과 재구성된 이미지의스택(그림 2C)을사용하여 재구성됩니다. 그 후, 1.53mm 구체가 내측 및 측면 티비알 고원 및 대퇴골의 에피피실 플레이트를 중심으로 하여 궤적 두께(μm), 궤적 분리(μm) 및 궤적 번호(1/mm)를 결정한다. 5,6
- 에서 4 주 후 ACL 부상, 유도 챔버에서CO2에 장기간 노출쥐를 안락사.
- 사용자 지정 3D 인쇄장치(그림 2A)에서ACL 부상 뒷다리를 확장하고 보호합니다.
- μCT를 사용하여 이미지를 획득합니다.
- 공동 공간을 결정하기 위해 전두엽 비행기 방사선 촬영을 가져옵니다. 수축 (대퇴 동변과 경골 고원 사이 [mm로 측정]) 비 부상 사지에 비해.
- 70kV 및 현재 85.5 μA : 다음 스캐너 설정을 사용하여 2-D 이미지를 가져옵니다.
- 전체 180°를 통해 11.5 μm의 픽셀 크기로 0.6° 회전 단계마다 데이터를 수집합니다.
- 재구성된 이미지 스택에서 매끄러운 백 프로젝션 알고리즘을 사용하여 단면 이미지를 재구성합니다.
- 일관된 관심 영역을 측정하기 위해 내측 및 측면 티브리얼 고원 및 대퇴골의 에피피실 플레이트에 1.53mm 구를 배치하여 궤적 두께(μm), 궤적 분리(μm), 및 궤적 번호(1/mm)를 결정합니다.
그림 2: A) μCT, B) 2D 이미지 및 C) 3-D μCT 동안 뒷다리를 고정하는 사용자 정의 인쇄 장치.
Results
더 작은 반경 수, 감소된 반구 두께 및 더 큰 반구 간격, PTOA 발병의 모든 특징특성은 비침습적 ACL눈물(표 1 및 도 3)후에4주 후에 분명하게 드러났습니다. 급성 다친 사지 대 건강한 사지의 해부 된 ACL의 이미지가 도 5에도시된다. ACL이 단일 하중을 통해 파열되는 ACL 부상의 새로운 비침습적 모델은 ACL의 고립된 근접 눈물을 생성할 수 있었습니다.
그림 3: 급성 ACL 부상(왼쪽)의 3-D 재구성 μCT 영상(왼쪽)과 4주 후 ACL 부상(오른쪽)이 쥐에서 분리된다.
표 1: PTOA 발병의 특성 측정.
| 동물 |
Tb.N (1/mm) |
Tb.Th (μm) |
TB.Sp (μm) |
| 급성 ACL 부상 | 3.11 | 168.5 | 217 |
| ACL 이후 4ws 부상 | 2.63 | 166.7 | 213 |
그림 4: 급성 부상 ACL 사지의 이미지 (왼쪽)와 손상되지 않은, 건강한 ACL (오른쪽)의 이미지.
Application and Summary
이 비디오는 선형 액추에이터를 사용하여 쥐에서 격리된 비침습적 ACL 파열을 생성하는 방법을 보여줍니다. 이 부상은 밀접하게 인간과 관련된 부상 조건을 복제하고 매우 재현할 수 있습니다. 기존의 OA 염색 기술의 몇 가지 주요 한계를 극복하기 위해 이 방법은 μCT를 사용하여 전체 관절 변성과 궤적 구조를 정량화합니다.
근골격계 재활 결과를 개선하기 위한 증거 기반 개입은 기초 생물학의 중요한 진보가 재활 프로토콜에 대한 변경이 오래 지났다는 것을 제안했음에도 불구하고 지난 2년 동안 거의 변하지 않은 매우 중요한 영역입니다. 문제는 고전적인 재활 전문가가 진료소로 번역하기 전에 모형 유기체에서 시험되는 정보에 입각한 가설을 제공하기 위하여 기본적인 과학 보다는 오히려 임상 사례를 형성하기 위하여 일화 보고서를 이용했다는 것입니다. 여기에 설명된 절차는 과학자에게 인간과 관련된 외상성 관절 상해를 밀접하게 복제하고 관절 건강의 진행을 추적하기 위해 μCT를 사용하는 방법을 제공합니다.
재료 목록:
| 설비 | 회사 | 카탈로그 번호 | 코멘트 |
| 선형 액추에이터 | 피젯 | L16-63-12-P | |
| 로드 셀 | HDM 주식회사 | PW6D | |
| μ 코네티컷 | 자이스 | XRM Xradia 520 |
References
- Maerz T, Kurdziel MD, Davidson AA, Baker KC, Anderson K, Matthew HW. Biomechanical Characterization of a Model of Noninvasive, Traumatic Anterior Cruciate Ligament Injury in the Rat. Ann Biomed Eng. 2015;43(10):2467-2476.
- Christiansen BA, Anderson MJ, Lee CA, Williams JC, Yik JH, Haudenschild DR. Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2012;20(7):773-782.
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