Name: Autore in primo piano: Integrazione dell'analisi meccanica e biologica nella ricerca sulle tendinopatie
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Integrating Mechanical and Biological Analysis in Tendinopathy Research at JoVE.com

Vorremmo riconoscere i nostri sostegni finanziari: il Joe Fallon Research Fund, il Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund, e una sovvenzione intramurale (AN), tutti da BIDMC Orthopaedics, insieme al supporto del National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).

Questo studio è stato condotto in base all'approvazione dell'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) presso il Beth Israel Deaconess Medical Center. Gli animali sono stati anestetizzati utilizzando isoflurano al 5% per l'induzione e al 2,5% per il mantenimento, ed è stata prestata attenzione per evitare l'ipotermia.
1. Impostazione del sistema di test
<ol><li>Controlla la rotazione passiva della caviglia tramite un motore passo-passo per applicare una rotazione...

Carico meccanico ciclico per indurre tendinopatia nel tendine d'Achille di ratto

<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>

Questo studio presenta un metodo per caricare ciclicamente il tendine d'Achille del ratto con un sistema di flessione dorsale passiva della caviglia per un modello di tendinopatia indotta da uso eccessivo in vivo . L'importanza del sistema risiede nella sua capacità di isolare il tendine d'Achille, applicare carichi quantificabili senza accedere chirurgicamente al tendine e misurare le proprietà del tendine in vivo . 
Nel 2010, Fung et al. hanno presentato un modello di fat...

Poiché i tendini collegano il muscolo all'osso e subiscono movimenti ripetitivi quotidiani per tutta la loro vita, sono altamente inclini a lesioni da uso eccessivo che sono dolorose e limitanti e provocano una compromissione della funzione meccanica, colpendo il 30-50% della popolazione1. Le tendinopatie sono condizioni croniche considerate lesioni da uso eccessivo a causa di movimenti di affaticamento ripetitivi e guarigione inadeguata ai livelli pre-lesione. Sia gli arti superiori che quelli inferiori sono comunemente colpiti, tra cui la cuffia dei rotatori, il gomito, il tendine d'Achille e il tendine rotuleo 2,3,4,5. La tendinopatia del tendine d'Achille è comune nelle attività che coinvolgono la corsa e il salto, in particolare gli atleti coinvolti nell'atletica leggera, nella corsa di media e lunga distanza, nel tennis e in altri sport con la palla, colpendo il 7-9% dei corridori 6,7. Le lesioni dovute alla corsa e al salto possono anche causare una limitata flessione dorsale della caviglia, che è un fattore di rischio per tendinopatie achille e rotulee 8,9,10. Pertanto, c'è bisogno di una migliore valutazione e caratterizzazione della tendinopatia, che questo studio può fornire come modello di ratto di flessione dorsale passiva della caviglia per lesioni del tendine d'Achille da uso eccessivo.
Il lavoro precedente che ha utilizzato modelli animali di piccole dimensioni è stato finalizzato allo studio dello sviluppo e dei marcatori della tendinopatia. Questi includono esercizi su tapis roulant, allungamento ripetitivo, carico tendineo diretto, iniezioni di collagenasi, chirurgia e studi in vitro 11,12,13,14,15,16. Sebbene la letteratura abbia beneficiato dell'identificazione di marcatori di danno derivanti dall'impiego di questi modelli di tendinopatia, le limitazioni includono il carico del tendine in movimenti articolari non fisiologicamente rilevanti, come nel caso del carico diretto del tendine, la non misurazione diretta dei carichi applicati, come per gli studi sul tapis roulant, e il non utilizzo di un uso eccessivo fisiologico, come nel caso delle iniezioni di collagenasi. tra gli altri. A tal fine, questo studio mirava a sviluppare un sistema che applica in modo non invasivo carichi quantificati al tendine d'Achille con l'applicazione di studi di tendinopatia indotta da uso eccessivo per colmare le lacune nei modelli di piccoli animali precedentemente sviluppati per la tendinopatia. Abbiamo condotto uno studio pilota per dimostrare che il sistema induce cambiamenti riproducibili nelle proprietà meccaniche in una serie di cicli di carico. Questo sistema consente al movimento e al carico fisiologicamente rilevanti di indurre un uso eccessivo, quantificando e misurando contemporaneamente le forze applicate e sperimentate dal tendine durante il regime di carico.

<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 tendinopatia è una condizione tendinea cronica che provoca dolore e perdita di funzionalità ed è causata da un sovraccarico ripetuto del tendine e da tempi di recupero limitati. Questo protocollo descrive un sistema di test che applica ciclicamente carichi meccanici tramite flessione dorsale passiva al tendine d'Achille del ratto. Il codice personalizzato consiste in misurazioni di carico pre e post-ciclico per valutare gli effetti del protocollo di carico insieme al regime di carico di fatica ciclico basato sul controllo di retroazione. 
Per questo studio sono stati utilizzati 25 ratti Sprague-Dawley, con 5 ratti per gruppo che hanno ricevuto 500, 1.000, 2.000, 3.600 o 7.200 cicli di carichi di fatica. Sono state calcolate le differenze percentuali tra le misure di carico pre e post-ciclico dell'isteresi, della sollecitazione di picco e dei moduli di carico e scarico. I risultati dimostrano che il sistema può indurre vari gradi di danno al tendine d'Achille in base al numero di carichi applicati. Questo sistema offre un approccio innovativo per applicare diversi gradi quantificati e fisiologici di carichi ciclici al tendine d'Achille per un modello in vivo di lesione tendinea da uso eccessivo indotta dalla fatica.

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.

Autore in primo piano: Integrazione dell'analisi meccanica e biologica nella ricerca sulle tendinopatie 

Un sistema di test di flessione dorsale passiva della caviglia per un modello in vivo di tendinopatia indotta da uso eccessivo

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.

Con l'aumentare del numero di cicli applicati, si è verificata una maggiore riduzione delle proprietà meccaniche dei tendini in vivo . C'è stata una riduzione significativamente inferiore dell'isteresi e dei moduli di carico e scarico per il gruppo a 500 cicli rispetto ai gruppi a 3.600 e 7.200 cicli (p < 0,05) (Figura 2). Mentre c'è stata una significativa riduzione del picco di stress per ciclo dal gruppo 500 cicli al gruppo 3.600 cicli, non c'è stata alcuna riduzione signifi...

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Questo protocollo presenta un sistema di test utilizzato per indurre lesioni da fatica quantificabili e controllate in un tendine d'Achille di ratto per un modello in vivo di tendinopatia indotta da uso eccessivo. La procedura consiste nel fissare la caviglia del ratto a un attuatore articolare che esegue la flessione dorsale passiva della caviglia con uno script MATLAB scritto su misura.

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 ...

Il nostro lavoro affronta i fattori biologici meccanologici coinvolti nell'inizio e nella progressione della tendinopatia indotta da uso eccessivo. Le domande a cui stiamo cercando di rispondere includono quali fattori dell'esercizio, come la frequenza, l'entità e la durata del carico, influenzano la risposta del tendine alla lesione. Gli strumenti attuali, come le misure meccaniche, l'istologia e i saggi biologici per valutare le misure di esito, sono centrati e limitati alla raccolta di tessuti allo stadio terminale.Con questo modello, possiamo esplorare le misurazioni continue in vivo con strumenti come l'ecografia e la risonanza magnetica Sul campo, i modelli in vivo caricano il tendine e le modalità fisiologicamente rilevanti, mentre i modelli ex vivo consentono la misurazione delle risposte biologiche alle lesioni. Il nostro protocollo combina queste due misure per la misurazione diretta delle sollecitazioni e delle tensioni tendinee durante le lesioni e i cambiamenti biologici associati. Abbiamo stabilito un sistema adattativo per indurre lesioni tendinee, che consente l'esplorazione simultanea di fattori meccanici e biologici.Una volta stabilito questo modello, le direzioni future includono la valutazione di diversi parametri, percorsi terapeutici e misure di riabilitazione.

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.