Name: Pleins feux sur l’auteur : Intégration de l’analyse mécanique et biologique dans la recherche sur la tendinopathie
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
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Nous tenons à souligner notre soutien financier : le Fonds de recherche Joe Fallon, le Fonds de recherche pour les stagiaires en médecine sportive du Dr Louis Meeks BIDMC et une subvention intra-muros (AN), tous de BIDMC Orthopaedics, ainsi que le soutien des National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).

Cette étude a été menée avec l’approbation du Comité institutionnel de protection et d’utilisation des animaux (IACUC) au Beth Israel Deaconess Medical Center. Les animaux ont été anesthésiés à l’aide d’isoflurane à 5 % pour l’induction et à 2,5 % pour l’entretien, et des précautions ont été prises pour éviter l’hypothermie.
1. Mise en place du système de test
<ol><li>Contrôlez la rotation passive de la cheville à l’aide d’un moteur pas ?...

Charge mécanique cyclique pour induire une tendinopathie dans le tendon d’Achille du 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>

Cette étude présente une méthode de charge cyclique du tendon d’Achille du rat avec un système passif de dorsiflexion de la cheville pour un modèle de tendinopathie induite par le surmenage in vivo . L’importance du système réside dans sa capacité à isoler le tendon d’Achille, à appliquer des charges quantifiables sans accès chirurgical au tendon et à mesurer les propriétés du tendon in vivo . 
En 2010, Fung et al. ont présenté un modèle de fatigue du t...

Comme les tendons relient les muscles aux os et subissent des mouvements répétitifs quotidiens tout au long de leur vie, ils sont très sujets aux blessures de surutilisation qui sont douloureuses et limitantes et entraînent une altération de la fonction mécanique, affectant 30 à 50 % de la population1. Les tendinopathies sont des affections chroniques considérées comme des blessures de surutilisation dues à des mouvements de fatigue répétitifs et à une cicatrisation inadéquate aux niveaux d’avant la blessure. Les membres supérieurs et inférieurs sont souvent touchés, notamment la coiffe des rotateurs, le coude, le tendon d’Achille et le tendon rotulien 2,3,4,5. La tendinopathie d’Achille est fréquente dans les activités impliquant la course et le saut, en particulier les athlètes impliqués dans l’athlétisme, la course de moyenne et longue distance, le tennis et d’autres sports de balle, affectant 7 à 9 % des coureurs 6,7. Les blessures causées par la course et le saut peuvent également entraîner une dorsiflexion limitée de la cheville, qui est un facteur de risque pour les tendinopathies du tendon d’Achille et de la rotule 8,9,10. Il est donc nécessaire de mieux évaluer et caractériser la tendinopathie, ce que cette étude peut fournir comme modèle de dorsiflexion passive de la cheville pour les lésions du tendon d’Achille surmenées.
Des travaux antérieurs utilisant des modèles animaux de petite taille ont eu pour but d’étudier le développement et les marqueurs de la tendinopathie. Il s’agit notamment d’exercices sur tapis roulant, d’étirements répétitifs, de charge directe des tendons, d’injections de collagénase, de chirurgie et d’études in vitro 11,12,13,14,15,16. Bien que la littérature ait bénéficié de l’identification de marqueurs de dommages grâce à l’utilisation de ces modèles de tendinopathie, les limites comprennent la charge du tendon dans des mouvements articulaires non physiologiquement pertinents, comme dans le cas de la charge directe du tendon, le fait de ne pas mesurer directement les charges appliquées, comme pour les études sur tapis roulant, et de ne pas utiliser la surutilisation physiologique, comme dans le cas des injections de collagénase. entre autres. À cette fin, cette étude visait à développer un système qui applique de manière non invasive des charges quantifiées au tendon d’Achille avec l’application d’études de tendinopathie induite par le surmenage pour combler les lacunes dans les modèles de petits animaux précédemment développés pour la tendinopathie. Nous avons réalisé une étude pilote pour démontrer que le système induit des changements reproductibles des propriétés mécaniques sur une gamme de cycles de chargement. Ce système permet aux mouvements et aux charges physiologiquement pertinents d’induire une surutilisation tout en quantifiant et en mesurant simultanément les forces appliquées et subies par le tendon pendant le régime de charge.

<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

La tendinopathie est une affection chronique du tendon qui entraîne des douleurs et une perte de fonction et qui est causée par une surcharge répétée du tendon et un temps de récupération limité. Ce protocole décrit un système d’essai qui applique cycliquement des charges mécaniques via une dorsiflexion passive au tendon d’Achille du rat. Le code écrit sur mesure se compose de mesures de chargement pré et post-cyclique pour évaluer les effets du protocole de chargement ainsi que du régime de chargement de fatigue cyclique basé sur le contrôle de rétroaction. 
Nous avons utilisé 25 rats Sprague-Dawley pour cette étude, avec 5 rats par groupe recevant 500, 1 000, 2 000, 3 600 ou 7 200 cycles de charges de fatigue. Les différences en pourcentage entre les mesures de charge pré- et post-cycliques de l’hystérésis, de la contrainte de crête et des modules de charge et de décharge ont été calculées. Les résultats démontrent que le système peut induire différents degrés de dommages au tendon d’Achille en fonction du nombre de charges appliquées. Ce système offre une approche innovante pour appliquer des charges cycliques quantifiées et physiologiques à différents degrés sur le tendon d’Achille pour un modèle in vivo de lésion tendineuse induite par la fatigue.

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.

Pleins feux sur l’auteur : Intégration de l’analyse mécanique et biologique dans la recherche sur la tendinopathie 

Un système de test passif de dorsiflexion de la cheville pour un modèle in vivo de tendinopathie induite par le surmenage

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.

Avec l’augmentation du nombre de cycles appliqués, il y a eu une plus grande réduction des propriétés mécaniques des tendons in vivo . Il y avait une réduction significativement plus faible de l’hystérésis et des modules de chargement et de déchargement pour le groupe de 500 cycles par rapport aux groupes de 3 600 et 7 200 cycles (p < 0,05) (Figure 2). Bien qu’il y ait eu une réduction significative du stress de pointe par cycle du groupe 500 au groupe 3 600 cycles, ...

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Ce protocole présente un système de test utilisé pour induire des lésions de fatigue quantifiables et contrôlées dans un tendon d’Achille de rat pour un modèle in vivo de tendinopathie induite par le surmenage. La procédure consiste à fixer la cheville du rat à un actionneur articulaire qui effectue une dorsiflexion passive de la cheville à l’aide d’un script MATLAB écrit sur mesure.

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 ...

Nos travaux portent sur les facteurs mécano-biologiques impliqués dans l’initiation et la progression de la tendinopathie induite par le surmenage. Les questions auxquelles nous essayons de répondre comprennent les facteurs de l’exercice, tels que la fréquence, l’ampleur et la durée de la charge, qui affectent la réponse du tendon à une blessure. Les outils actuels tels que les mesures mécaniques, l’histologie et les tests biologiques pour évaluer les mesures des résultats sont centrés et limités au prélèvement de tissus en phase terminale.Avec ce modèle, nous pouvons explorer des mesures continues in vivo avec des outils tels que l’échographie et l’IRM Sur le terrain, les modèles in vivo sollicitent le tendon et les manières physiologiquement pertinentes, tandis que les modèles ex vivo permettent de mesurer les réponses biologiques aux blessures. Notre protocole combine ces deux mesures pour la mesure directe des contraintes et des foulures tendineuses lors de blessures et des changements biologiques associés. Nous avons mis en place un système adaptatif pour induire des lésions tendineuses, ce qui permet d’explorer simultanément les facteurs mécaniques et biologiques.Une fois ce modèle établi, les orientations futures comprennent l’évaluation de différents paramètres, avenues thérapeutiques et mesures de réadaptation.

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.