Name: 저자 스포트라이트: 건병증 연구에서 기계적 및 생물학적 분석 통합
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
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Joe Fallon Research Fund, Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund 및 BIDMC Orthopaedics의 교내 보조금(AN)과 미국 국립보건원(National Institutes of Health)의 지원(2T32AR055885 (PMW))에 감사드립니다.

이 연구는 Beth Israel Deaconess Medical Center에서 IACUC(Institutional Animal Care and Use Committee) 승인에 따라 수행되었습니다. 유도를 위해 5%의 이소플루란을 사용하고 유지를 위해 2.5%를 사용하여 동물을 마취시켰으며, 저체온증을 피하기 위해 주의를 기울였습니다.
1. 시험 시스템 설정
<ol><li>스테퍼 모터로 패시브 발목 회전을 제어하여 일관된 회전과 토크를 적용합니다. 마...

Rat Achilles Tendon에서 Tendinopathy를 유도하기 위한 Cyclic Mechanical Loading

<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>

이 연구는 생체 내 과사용 유발 건병증 모델을 위해 수동 발목 배굴곡 시스템으로 쥐 아킬레스건에 주기적으로 하중을 가하는 방법을 제시합니다. 이 시스템의 중요성은 아킬레스건을 분리하고, 힘줄에 외과적으로 접근하지 않고도 정량화 가능한 하중을 가하고, 생체 내 힘줄 특성을 측정할 수 있는 능력에 있습니다. 
2010년, Fung et al.은 맞춤형 테스트 시스템을 ?...

힘줄은 근육과 뼈를 연결하고 일생 동안 매일 반복적인 동작을 경험하기 때문에 통증과 제한, 기계적 기능 장애를 초래하는 과사용 부상에 매우 취약하여 인구의 30-50%에 영향을 미칩니다1. 건병증은 반복적인 피로 동작과 부상 전 수준으로의 부적절한 치유로 인한 과사용 부상으로 간주되는 만성 질환입니다. 상지와 하지가 모두 일반적으로 영향을 받으며, 회전근개, 팔꿈치, 아킬레스건, 슬개건 2,3,4,5가 포함됩니다. 아킬레스건병증은 달리기 및 점프와 관련된 활동, 특히 육상, 중장거리 달리기, 테니스 및 기타 구기 종목에 종사하는 운동선수에게 흔하며, 달리기 선수의 7-9%에 영향을 미친다6,7. 달리기와 점프로 인한 부상은 아킬레스건과 슬개건병증의 위험 요인인 제한된 발목 배굴을 유발할 수도 있다 8,9,10. 따라서 건병증에 대한 더 나은 평가와 특성화가 필요하며, 본 연구는 과사용 아킬레스건 손상에 대한 수동적 발목 배굴곡의 쥐 모델로 제공할 수 있습니다.
소동물 모델을 사용한 이전 연구는 건병증의 발달과 표지자를 연구하는 것을 목표로 했습니다. 여기에는 트레드밀 운동, 반복적인 도달, 직접 힘줄 부하, 콜라겐 분해 효소 주사, 수술 및 체외 연구 11,12,13,14,15,16이 포함됩니다. 문헌은 이러한 건병증 모델을 사용하여 손상 마커를 식별함으로써 이익을 얻었지만, 한계에는 힘줄의 직접 하중의 경우와 같이 생리학적으로 관련이 없는 관절 동작으로 힘줄을 로드하고, 트레드밀 연구와 같이 적용된 하중을 직접 측정하지 않으며, 콜라겐분해효소 주사의 경우와 같이 생리학적 남용을 사용하지 않는 것이 포함됩니다. 다른 사람들 사이에서. 이를 위해 본 연구는 기존에 개발된 건병증 소동물 모델의 공백을 메우기 위해 과사용 유발 건병증 연구를 응용하여 아킬레스건에 정량화된 하중을 비침습적으로 적용하는 시스템을 개발하는 것을 목표로 했다. 우리는 시스템이 다양한 하중 주기에 걸쳐 기계적 특성의 재현 가능한 변화를 유도한다는 것을 입증하기 위해 파일럿 연구를 수행했습니다. 이 시스템은 생리학적으로 관련된 움직임과 하중을 통해 과도한 사용을 유도하는 동시에 하중 요법 중에 힘줄에 가해지고 경험되는 힘을 정량화하고 측정할 수 있습니다.

<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

건병증은 통증과 기능 상실을 초래하는 만성 힘줄 질환으로, 힘줄의 반복적인 과부하와 제한된 회복 시간으로 인해 발생합니다. 이 프로토콜은 수동 배측굴곡을 통해 쥐의 아킬레스건에 기계적 하중을 주기적으로 가하는 시험 시스템을 설명합니다. 맞춤형으로 작성된 코드는 피드백 제어 기반 순환 피로 하중 요법과 함께 하중 프로토콜의 효과를 평가하기 위한 사전 및 사후 순환 하중 측정으로 구성됩니다. 
이 연구를 위해 25마리의 Sprague-Dawley 쥐를 사용했으며, 그룹당 5마리의 쥐가 500, 1,000, 2,000, 3,600 또는 7,200 사이클의 피로 하중을 받았습니다. 히스테리시스, 피크 응력, 로딩 및 언로딩 계수의 순환 전 및 사후 순환 로딩 측정 간의 백분율 차이가 계산되었습니다. 결과는 시스템이 적용된 하중 수에 따라 아킬레스건에 다양한 정도의 손상을 유발할 수 있음을 보여줍니다. 이 시스템은 피로로 인한 과사용 힘줄 손상의 생체 내 모델을 위해 아킬레스건에 정량화되고 생리학적으로 다양한 수준의 주기적 하중을 적용하는 혁신적인 접근 방식을 제공합니다.

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.

저자 스포트라이트: 건병증 연구에서 기계적 및 생물학적 분석 통합 

과사용 유발 건병증의 In Vivo 모델을 위한 수동 발목 배굴곡 검사 시스템

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.

적용된 사이클의 수가 증가함에 따라 생체 내 힘줄의 기계적 특성이 더 크게 감소했습니다. 3,600 및 7,200 사이클 그룹에 비해 500 사이클 그룹의 히스테리시스와 로딩 및 언로딩 모듈이 현저히 감소했습니다(p < 0.05)(그림 2). 500 사이클에서 3,600 사이클 그룹으로 사이클당 피크 응력이 크게 감소했지만 500 사이클 그룹과 7,200 사이클 그룹 사이에는 유의한 감소가 없었습니?...

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이 프로토콜은 남용 유발 건병증의 생체 내 모델에 대해 쥐 아킬레스건에서 정량화 가능하고 통제된 피로 부상을 유도하는 데 사용되는 테스트 시스템을 제시합니다. 이 절차는 쥐의 발목을 관절 액추에이터에 고정하는 것으로 구성되며, 이 액추에이터는 맞춤형으로 작성된 MATLAB 스크립트로 수동 발목 배측굴곡을 수행합니다.

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 ...

우리의 연구는 과사용 유도 건병증의 시작과 진행에 관여하는 기계적 생물학적 요인을 다룹니다. 우리가 대답하려는 질문에는 부상에 대한 힘줄의 반응에 영향을 미치는 빈도, 크기 및 지속 시간과 같은 운동의 요인이 포함됩니다. 결과 측정을 평가하기 위한 기계적 측정, 조직학 및 생물학적 분석과 같은 현재 도구는 중앙 집중화되어 있으며 최종 단계 조직 채취로 제한됩니다.이 모델을 사용하면 초음파 및 MRI와 같은 도구를 사용하여 생체 내 연속 측정을 탐색할 수 있습니다 현장에서 생체 내 모델은 힘줄과 생리학적으로 관련된 매너를 로드하는 반면 생체 외 모델은 부상에 대한 생물학적 반응을 측정할 수 있습니다. 우리의 프로토콜은 부상 및 관련 생물학적 변화 중 힘줄 응력과 긴장을 직접 측정하기 위해 이 두 가지 측정을 결합합니다. 힘줄 부상을 유발하는 적응 시스템을 구축하여 기계적 요인과 생물학적 요인을 동시에 탐색할 수 있습니다.이 모델을 확립한 후 향후 방향에는 다양한 매개변수, 치료 방법 및 재활 조치를 평가하는 것이 포함됩니다.

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.