Name: 著者スポットライト:腱鞘炎研究における機械的分析と生物学的分析の統合
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
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Joe Fallon Research Fund、Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund、学内助成金(AN)は、すべてBIDMC Orthopaedicsから、またNational Institutes of Health(2T32AR055885 (PMW))からの支援により、資金援助をいただいたことに感謝いたします。

この研究は、ベス・イスラエル・ディーコネス・メディカル・センターの施設動物ケアおよび使用委員会(IACUC)の承認に従って実施されました。動物は、誘導に5%のイソフルラン、維持に2.5%のイソフルランを使用して麻酔され、低体温症にならないように注意が払われました。
1. 試験システムのセットアップ
<ol><li>ステッピングモーターで足首のパッシブ回...

ラットアキレス腱における腱鞘炎誘発のための周期的機械的負荷

<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>

本研究では、ラットのアキレス腱に受動的な足首背屈系を周期的に負荷をかける方法を提示し、生体 内 使いすぎ誘発性腱炎モデルを構築した。このシステムの重要性は、アキレス腱を分離し、腱に外科的にアクセスすることなく定量化可能な負荷をかけ、 生体内の 腱の特性を測定する能力にあります。 
2010年、Fungらは、特注の試験システムを用いてラッ?...

腱は筋肉と骨をつなぎ、生涯を通じて毎日反復運動を経験するため、痛みを伴い、制限され、機械的機能が損なわれ、人口の30〜50%に影響を与える過度の怪我をする可能性が高くなっています1。腱鞘炎は、反復的な疲労運動と怪我前のレベルへの不十分な治癒による使いすぎによる怪我と見なされる慢性疾患です。回旋筋腱板、肘、アキレス腱、膝蓋腱など、上肢と下肢の両方が一般的に影響を受けます2,3,4,5。アキレス腱鞘炎は、ランニングやジャンプを含む活動、特に陸上競技、中長距離走、テニス、その他の球技に関与するアスリートによく見られ、ランナーの7〜9%が罹患しています6,7。ランニングやジャンプによる怪我は、アキレス腱や膝蓋腱炎の危険因子である足首の背屈を制限する可能性もあります8,9,10。したがって、腱鞘炎のより良い評価と特徴付けが必要であり、この研究は、使いすぎのアキレス腱損傷に対する受動的な足首背屈のラットモデルとして提供できます。
小動物モデルを用いたこれまでの研究は、腱鞘炎の発症とマーカーの研究を目的としていました。これらには、トレッドミル運動、反復リーチング、直接腱負荷、コラゲナーゼ注射、手術、および in vitro 研究が含まれます11、12、13、14、15、16。文献は、これらの腱鞘炎モデルを採用することによる損傷マーカーの同定から恩恵を受けていますが、制限には、腱の直接負荷の場合のように、生理学的に関連性のない関節運動で腱に負荷をかけること、トレッドミル研究など、加えられた負荷を直接測定しないこと、およびコラゲナーゼ注射の場合のように生理学的過剰使用を使用しないことが含まれます。 とりわけ。そのために、本研究では、アキレス腱に定量的な負荷を非侵襲的に加え、これまでに開発した小動物モデルの腱鞘炎のギャップを埋めるために、使いすぎによる腱炎研究への応用を目指しました。パイロット研究を実施して、システムがさまざまな負荷サイクルにわたって機械的特性に再現性のある変化を引き起こすことを実証しました。このシステムは、生理学的に適切な動きと負荷を可能にし、過剰使用を誘発すると同時に、負荷レジメン中に腱に加えられ、腱が受ける力を定量化して測定します。

<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

腱鞘炎は、痛みや機能喪失を引き起こす慢性的な腱の状態であり、腱の繰り返しの過負荷と限られた回復時間によって引き起こされます。このプロトコルは、ラットのアキレス腱に受動背屈を介して機械的負荷を周期的に加える試験システムについて説明しています。カスタム記述のコードは、荷重プロトコルの影響を評価するための繰返し荷重前および繰返し荷重後の測定と、フィードバック制御ベースの繰返し疲労荷重レジメンで構成されています。 
この研究では、25匹のSprague-Dawleyラットを使用し、グループあたり5匹のラットに500、1,000、2,000、3,600、または7,200サイクルの疲労荷重を受けました。ヒステリシス、ピーク応力、および載荷および除荷係数の繰返し荷重前および繰返し荷重後の測定値の差の割合を計算しました。この結果は、システムが加えられた荷重の数に基づいてアキレス腱にさまざまな程度の損傷を誘発できることを実証しています。このシステムは、疲労による使いすぎによる腱損傷の in vivo モデルのために、定量的および生理学的にさまざまな程度の周期的な負荷をアキレス腱に適用する革新的なアプローチを提供します。

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.

著者スポットライト:腱鞘炎研究における機械的分析と生物学的分析の統合 

使いすぎ誘発性腱鞘炎の in vivo モデルのための受動的足関節背屈試験システム

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.

適用サイクル数の増加に伴い、 in vivo 腱の機械的特性が大幅に低下しました。500サイクル群では、3,600サイクル群と7,200サイクル群と比較して、ヒステリシスと載荷・除荷弾性率の低減が有意に小さかった(p < 0.05)(図2)。500サイクル群から3,600サイクル群では、サイクルあたりのピークストレスは有意に減少しましたが、500サイクル群と7,200サイクル群の間では有意?...

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このプロトコルは、酷使誘発性腱炎の 生体内 モデルのために、ラットアキレス腱に定量化可能で制御された疲労損傷を誘発するために使用される試験システムを提示します。この手順は、ラットの足首を、カスタム記述のMATLABスクリプトで受動的な足首背屈を実行する関節アクチュエーターに固定することで構成されます。

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 ...

私たちの研究は、使いすぎ誘発性腱鞘炎の開始と進行に関与するメカノ生物学的要因に取り組んでいます。私たちが答えようとしている質問には、負荷の頻度、大きさ、持続時間など、運動のどのような要因が怪我に対する腱の反応に影響を与えるかが含まれます。アウトカム指標を評価するための機械的測定、組織学、生物学的アッセイなどの現在のツールは、最終段階の組織採取が中心であり、限定されています。このモデルでは、超音波やMRIなどのツールを使用したin vivo連続測定を探索できます 現場では、in vivoモデルが腱と生理学的に関連する方法に負荷をかけ、ex vivoモデルでは損傷に対する生物学的応答を測定できます。私たちのプロトコルは、これら2つの測定を組み合わせて、怪我中の腱のストレスと緊張、および関連する生物学的変化を直接測定します。腱損傷を誘発する適応システムを確立し、機械的要因と生物学的要因を同時に探索することを可能にしました。このモデルを確立した後、将来の方向性には、さまざまなパラメーター、治療手段、およびリハビリテーション手段の評価が含まれます。

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.