Name: Auteur in de schijnwerpers: integratie van mechanische en biologische analyse in onderzoek naar tendinopathie
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Integrating Mechanical and Biological Analysis in Tendinopathy Research at JoVE.com

We willen graag onze financiële steun erkennen: het Joe Fallon Research Fund, het Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund en een intramurale subsidie (AN), allemaal van BIDMC Orthopaedics, samen met steun van de National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).

Deze studie werd uitgevoerd volgens de goedkeuring van het Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) in het Beth Israel Deaconess Medical Center. De dieren werden verdoofd met 5% isofluraan voor inductie en 2,5% voor onderhoud, en er werd voor gezorgd dat onderkoeling werd voorkomen.
1. Opzetten van het testsysteem
<ol><li>Regel de passieve enkelrotatie door een stappenmotor om consistente rotatie en koppel toe te passen. Bedien de stappenmotor met een microcontrol...

Cyclische mechanische belasting voor het induceren van tendinopathie in de achillespees van de rat

<ol>
	<li>Kaux, J. F., Forthomme, B., Goff, C. L., Crielaard, J. M., Croisier, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+opinions+on+tendinopathy.">Current opinions on tendinopathy.</a> J Sports Sci Med. 10 (2), 238-253 (2011).</li><li>Maffulli, N., Longo, U. G., Kadakia, A., Spiezia, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Achilles+tendinopathy.">Achilles tendinopathy.</a> Foot Ankle Surg. 26 (3), 240-249 (2020).</li><li>Teunis, T., Lubberts, B., Reilly, B. T., Ring, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+systematic+review+and+pooled+analysis+of+the+prevalence+of+rotator+cuff+disease+with+increasing+age.">A systematic review and pooled analysis of the prevalence of rotator cuff disease with increasing age.</a> J Shoulder Elbow Surg. 23 (12), 1913-1921 (2014).</li><li>von Rickenbach, K. J., Borgstrom, H., Tenforde, A., Borg-Stein, J., McInnis, K. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Achilles+tendinopathy:+evaluation,+rehabilitation,+and+prevention.">Achilles tendinopathy: evaluation, rehabilitation, and prevention.</a> Curr Sports Med Rep. 20 (6), 327-334 (2021).</li><li>Aicale, R., Oliviero, A., Maffulli, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Management+of+Achilles+and+patellar+tendinopathy:+what+we+know,+what+we+can+do.">Management of Achilles and patellar tendinopathy: what we know, what we can do.</a> J Foot Ankle Res. 13 (1), 59 (2020).</li><li>Jarvinen, T. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Achilles+tendon+injuries.">Achilles tendon injuries.</a> Curr Opin Rheumatol. 13 (2), 150-155 (2001).</li><li>Silbernagel, K. G., Hanlon, S., Sprague, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+clinical+concepts:+conservative+management+of+Achilles+tendinopathy.">Current clinical concepts: conservative management of Achilles tendinopathy.</a> J Athl Train. 55 (5), 438-447 (2020).</li><li>Tayfur, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Are+landing+patterns+in+jumping+athletes+associated+with+patellar+tendinopathy?+A+systematic+review+with+evidence+gap+map+and+meta-analysis.">Are landing patterns in jumping athletes associated with patellar tendinopathy? A systematic review with evidence gap map and meta-analysis.</a> Sports Med. 52 (1), 123-137 (2022).</li><li>Malliaras, P., Cook, J. L., Kent, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reduced+ankle+dorsiflexion+range+may+increase+the+risk+of+patellar+tendon+injury+among+volleyball+players.">Reduced ankle dorsiflexion range may increase the risk of patellar tendon injury among volleyball players.</a> J Sci Med Sport. 9 (4), 304-309 (2006).</li><li>Backman, L. J., Danielson, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+range+of+ankle+dorsiflexion+predisposes+for+patellar+tendinopathy+in+junior+elite+basketball+players:+a+1-year+prospective+study.">Low range of ankle dorsiflexion predisposes for patellar tendinopathy in junior elite basketball players: a 1-year prospective study.</a> Am J Sports Med. 39 (12), 2626-2633 (2011).</li><li>Glazebrook, M. A., Wright, J. R., Langman, M., Stanish, W. D., Lee, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Histological+analysis+of+achilles+tendons+in+an+overuse+rat+model.">Histological analysis of achilles tendons in an overuse rat model.</a> J Orthop Res. 26 (6), 840-846 (2008).</li><li>Carpenter, J. E., Flanagan, C. L., Thomopoulos, S., Yian, E. H., Soslowsky, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+overuse+combined+with+intrinsic+or+extrinsic+alterations+in+an+animal+model+of+rotator+cuff+tendinosis.">The effects of overuse combined with intrinsic or extrinsic alterations in an animal model of rotator cuff tendinosis.</a> Am J Sports Med. 26 (6), 801-807 (1998).</li><li>Gao, H. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increased+serum+and+musculotendinous+fibrogenic+proteins+following+persistent+low-grade+inflammation+in+a+rat+model+of+long-term+upper+extremity+overuse.">Increased serum and musculotendinous fibrogenic proteins following persistent low-grade inflammation in a rat model of long-term upper extremity overuse.</a> PLoS One. 8 (8), e71875 (2013).</li><li>Fung, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Early+response+to+tendon+fatigue+damage+accumulation+in+a+novel+in+vivo+model.">Early response to tendon fatigue damage accumulation in a novel in vivo model.</a> J Biomech. 43 (2), 274-279 (2010).</li><li>Ueda, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+changes+to+tendons+after+collagenase-induced+acute+tendon+injury+in+a+senescence-accelerated+mouse+model.">Molecular changes to tendons after collagenase-induced acute tendon injury in a senescence-accelerated mouse model.</a> BMC Musculoskelet Disord. 20 (1), 120 (2019).</li><li>Bloom, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Overload+in+a+rat+in+vivo+model+of+synergist+ablation+induces+tendon+multi-scale+structural+and+functional+degeneration.">Overload in a rat in vivo model of synergist ablation induces tendon multi-scale structural and functional degeneration.</a> J Biomech Eng. 145 (8), 081003 (2023).</li><li>Williamson, P. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+passive+ankle+dorsiflexion+testing+system+to+assess+mechanobiological+and+structural+response+to+cyclic+loading+in+rat+Achilles+tendon.">A passive ankle dorsiflexion testing system to assess mechanobiological and structural response to cyclic loading in rat Achilles tendon.</a> J Biomech. 156, 111664 (2023).</li><li>Oliveira, L. F., Peixinho, C. C., Silva, G. A., Menegaldo, L. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+passive+mechanical+properties+estimation+of+Achilles+tendon+using+ultrasound.">In vivo passive mechanical properties estimation of Achilles tendon using ultrasound.</a> J Biomech. 49 (4), 507-513 (2016).</li></ol>

Deze studie presenteert een methode om de achillespees van de rat cyclisch te belasten met een passief dorsaalflexiesysteem van de enkel voor een in-vivo overbelasting-geïnduceerd tendinopathiemodel. Het belang van het systeem ligt in het vermogen om de achillespees te isoleren, kwantificeerbare belastingen toe te passen zonder chirurgisch toegang te krijgen tot de pees en in-vivo peeseigenschappen te meten. 
In 2010 presenteerden Fung et al. een model voor patellapeesvermoe...

Omdat pezen spieren met botten verbinden en gedurende hun hele leven dagelijks repetitieve bewegingen ervaren, zijn ze zeer vatbaar voor overbelastingsblessures die pijnlijk en beperkend zijn en resulteren in een verminderde mechanische functie, die 30-50% van de bevolkingtreft1. Tendinopathieën zijn chronische aandoeningen die worden beschouwd als overbelastingsblessures als gevolg van repetitieve vermoeidheidsbewegingen en onvoldoende genezing tot het niveau van vóór de blessure. Zowel de bovenste als de onderste ledematen worden vaak aangetast, waaronder de rotator cuff, elleboog, achillespees en patellapees 2,3,4,5. Achillespeesontsteking komt vaak voor bij activiteiten met rennen en springen, vooral atleten die betrokken zijn bij atletiek, hardlopen op middellange en lange afstanden, tennis en andere balsporten, en treft 7-9% van de hardlopers 6,7. Blessures door rennen en springen kunnen ook een beperkte dorsaalflexie van de enkel veroorzaken, wat een risicofactor is voor achillespees- en patellapeesontstekingen 8,9,10. Er is dus behoefte aan een betere beoordeling en karakterisering van tendinopathie, die deze studie kan bieden als een rattenmodel van passieve dorsaalflexie van de enkel voor overbelasting van achillespeesblessures.
Eerder werk met kleine diermodellen was gericht op het bestuderen van de ontwikkeling en markers van tendinopathie. Deze omvatten loopbandoefeningen, herhaaldelijk reiken, directe peesbelasting, collagenase-injecties, chirurgie en in vitro onderzoeken 11,12,13,14,15,16. Hoewel de literatuur baat heeft gehad bij de identificatie van schademarkers door het gebruik van deze tendinopathiemodellen, zijn de beperkingen onder meer het belasten van de pees in niet-fysiologisch relevante gewrichtsbewegingen, zoals in het geval van directe belasting van de pees, het niet rechtstreeks meten van toegepaste belastingen, zoals voor loopbandonderzoeken, en het niet gebruiken van fysiologisch overmatig gebruik, zoals in het geval van collagenase-injecties, onder andere. Daartoe had deze studie tot doel een systeem te ontwikkelen dat niet-invasief gekwantificeerde belastingen toepast op de achillespees met de toepassing van door overbelasting geïnduceerde tendinopathiestudies om de hiaten in eerder ontwikkelde kleine diermodellen voor tendinopathie op te vullen. We hebben een pilotstudie uitgevoerd om aan te tonen dat het systeem reproduceerbare veranderingen in mechanische eigenschappen induceert over een reeks belastingscycli. Dit systeem maakt het mogelijk om fysiologisch relevante beweging en belasting overmatig gebruik te induceren en tegelijkertijd de krachten te kwantificeren en te meten die op de pees worden uitgeoefend en erdoor worden ervaren tijdens het belastingsregime.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1/32&#39;&#39; Aluminum beads</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2.5% isoflurane</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D digitizing pen</td>
			<td>Polhemus, Vermont, NH, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D electromagnetic positioning and orientation sensor</td>
			<td>Polhemus, Vermont, NH, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5% isoflurane</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Customized device: 1) Assembly, sensors, 3D printed animal bed and ankle mount actuator</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Assembled as described in manuscript</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB code</td>
			<td>MATLAB, Natick, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microcontroller</td>
			<td>Ivrea, Italy</td>
			<td>Arduino UNO, Rev3&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nose cone</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel and scalpel holder</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>No. 11 scalpel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sprague-Dawley rats</td>
			<td>Charles River Laboratories, Wilmington, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td>11-13 weeks old</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepper driver</td>
			<td>SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503</td>
			<td>DM542T</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stepper motor</td>
			<td>SparkFun Electronics, Niwot, CO 80503</td>
			<td>23HE30-2804S</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Straight forceps</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Torque sensor assembly</td>
			<td>Futek Inc., Irvine, CA, USA&#160;</td>
			<td>FSH03985, FSH04473, FSH03927</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Water heating pad</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a passive ankle dorsiflexion testing system for an in vivo model of overuse-induced tendinopathy

Tendinopathie is een chronische peesaandoening die leidt tot pijn en functieverlies en wordt veroorzaakt door herhaalde overbelasting van de pees en een beperkte hersteltijd. Dit protocol beschrijft een testsysteem dat cyclisch mechanische belastingen toepast via passieve dorsaalflexie op de achillespees van de rat. De op maat geschreven code bestaat uit pre- en postcyclische belastingsmetingen om de effecten van het belastingsprotocol te beoordelen, samen met het op feedbackcontrole gebaseerde cyclische vermoeiingsbelastingsregime. 
We gebruikten 25 Sprague-Dawley-ratten voor deze studie, waarbij 5 ratten per groep 500, 1.000, 2.000, 3.600 of 7.200 cycli vermoeidheidsbelastingen kregen. De procentuele verschillen tussen de pre- en postcyclische belastingsmetingen van de hysterese, piekspanning en laad- en ontlaadmoduli werden berekend. De resultaten tonen aan dat het systeem verschillende gradaties van schade aan de achillespees kan veroorzaken op basis van het aantal uitgeoefende belastingen. Dit systeem biedt een innovatieve benadering om gekwantificeerde en fysiologische variërende gradaties van cyclische belastingen op de achillespees toe te passen voor een in vivo model van door vermoeidheid veroorzaakte overbelastingspeesblessures.

As tendons connect muscle to bone and experience daily repetitive motions throughout their lifetime, they are highly prone to overuse injuries that are painful and limiting and result in impaired mechanical function, affecting 30-50% of the population1. Tendinopathies are chronic conditions considered overuse injuries due to repetitive fatigue motions and inadequate healing to pre-injury levels. Both upper and lower extremities are commonly affected, including the rotator cuff, elbow, Achilles tendon, and patellar tendon2,3,4,5. Achilles tendinopathy is common in activities involving running and jumping, especially athletes involved in track and field, middle- and long-distance running, tennis, and other ball sports, affecting 7-9% of runners6,7. Injuries from running and jumping may also cause limited ankle dorsiflexion, which is a risk factor for Achilles and patellar tendinopathies8,9,10. Thus, there is a need for a better assessment and characterization of tendinopathy, which this study can provide as a rat model of passive ankle dorsiflexion for overuse Achilles tendon injuries.
Previous work using small animal models has been aimed at studying the development and markers of tendinopathy. These include treadmill exercise, repetitive reaching, direct tendon loading, collagenase injections, surgery, and in vitro studies11,12,13,14,15,16. Although the literature has benefited from the identification of damage markers from employing these tendinopathy models, limitations include loading the tendon in non-physiologically relevant joint motions, as in the case of direct loading of the tendon, not directly measuring applied loads, such as for treadmill studies, and not using physiological overuse, as in the case for collagenase injections, among others. To that end, this study aimed to develop a system that noninvasively applies quantified loads to the Achilles tendon with the application for overuse-induced tendinopathy studies to fill the gaps in previously developed small animal models for tendinopathy. We performed a pilot study to demonstrate that the system induces reproducible changes in mechanical properties over a range of loading cycles. This system enables physiologically relevant motion and loading to induce overuse while simultaneously quantifying and measuring the forces applied to and experienced by the tendon during the loading regimen.

Auteur in de schijnwerpers: integratie van mechanische en biologische analyse in onderzoek naar tendinopathie 

Een passief testsysteem voor dorsaalflexie van de enkel voor een in vivo model van door overbelasting geïnduceerde tendinopathie

Our work addresses the mechano biological factors involved in the initiation and progression of overuse induced tendinopathy. The questions we are trying to answer include what factors of exercise, such as frequency, magnitude, and duration of load affect the tendon's response to injury. Current tools such as mechanical measures, histology, and biological assays to evaluate outcome measures are centered and limited to end stage tissue harvesting.With this model, we can explore in vivo continuous measurements with tools such as ultrasound and MRI In the field, in vivo models load the tendon and physiologically relevant manners, while ex vivo models allow for the measurement of biological responses to injuries. Our protocol combines these two measures for direct measurement of tendon stresses and strains during injuries and the associated biological changes. We've established an adaptive system to induce tendon injuries, which allows for simultaneous exploration of mechanical and biological factors.Having established this model, future directions include assessing different parameters, therapeutic avenues, and rehabilitation measures.

Met het toenemende aantal toegepaste cycli was er een grotere vermindering van de in vivo peesmechanische eigenschappen. Er was een significant lagere vermindering van de hysterese en de laad- en ontlaadmoduli voor de groep met 500 cycli in vergelijking met de groepen met 3.600 en 7.200 cycli (p < 0,05) (Figuur 2). Hoewel er een significante vermindering van de piekstress per cyclus was van de 500 cycli naar de 3.600 cycli groep, was er geen significante vermindering tussen de 500 e...

Watch this Scientific Journal Video about Integrating Mechanical and Biological Analysis in Tendinopathy Research at JoVE.com

Dit protocol presenteert een testsysteem dat wordt gebruikt om kwantificeerbare en gecontroleerde vermoeidheidsblessures in een achillespees van een rat te induceren voor een in-vivo model van door overbelasting geïnduceerde tendinopathie. De procedure bestaat uit het vastzetten van de enkel van de rat aan een gewrichtsactuator die passieve enkeldorsaalflexie uitvoert met een op maat geschreven MATLAB-script.

Tendinopathy is a chronic tendon condition that results in pain and loss of function and is caused by repeated overload of the tendon and limited recovery ...

Ons werk richt zich op de mechanobiologische factoren die betrokken zijn bij het ontstaan en de progressie van door overmatig gebruik geïnduceerde tendinopathie. De vragen die we proberen te beantwoorden, zijn onder meer welke factoren van lichaamsbeweging, zoals frequentie, omvang en duur van de belasting, van invloed zijn op de reactie van de pees op blessures. De huidige hulpmiddelen zoals mechanische metingen, histologie en biologische tests om uitkomstmaten te evalueren, zijn gecentreerd en beperkt tot het oogsten van weefsel in het eindstadium.Met dit model kunnen we in vivo continue metingen onderzoeken met instrumenten zoals echografie en MRI In het veld belasten in vivo modellen de pees en fysiologisch relevante manieren, terwijl ex vivo-modellen het mogelijk maken om biologische reacties op blessures te meten. Ons protocol combineert deze twee metingen voor directe meting van peesspanningen en -spanningen tijdens blessures en de bijbehorende biologische veranderingen. We hebben een adaptief systeem opgezet om peesblessures te induceren, waardoor mechanische en biologische factoren gelijktijdig kunnen worden onderzocht.Na het opstellen van dit model omvatten toekomstige richtingen het beoordelen van verschillende parameters, therapeutische wegen en revalidatiemaatregelen.

a-passive-ankle-dorsiflexion-testing-system-for-an-vivo-model-overuse

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A Passive Ankle Dorsiflexion Testing System for an In Vivo Model of Overuse-induced Tendinopathy

Tendinopathy is a chronic tendon condition that results in pain and loss of function and is caused by repeated overload of the tendon and limited recovery time. This protocol describes a testing system that cyclically applies mechanical loads via passive dorsiflexion to the rat Achilles tendon. The custom-written code consists of pre- and post-cyclic loading measurements to assess the effects of the loading protocol along with the feedback control-based cyclic fatigue loading regimen. 
We used 25 Sprague-Dawley rats for this study, with 5 rats per group receiving either 500, 1,000, 2,000, 3,600, or 7,200 cycles of fatigue loads. The percentage differences between the pre- and post-cyclic loading measurements of the hysteresis, peak stress, and loading and unloading moduli were calculated. The results demonstrate that the system can induce varying degrees of damage to the Achilles tendon based on the number of loads applied. This system offers an innovative approach to apply quantified and physiological varying degrees of cyclic loads to the Achilles tendon for an in vivo model of fatigue-induced overuse tendon injury.

This protocol presents a testing system used to induce quantifiable and controlled fatigue injuries in a rat Achilles tendon for an in-vivo model of overuse-induced tendinopathy. The procedure consists of securing the rat's ankle to a joint actuator that performs passive ankle dorsiflexion with a custom-written MATLAB script.