Name: Forfatter Spotlight: Integrering av mekanisk og biologisk analyse i tendinopatiforskning
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Integrating Mechanical and Biological Analysis in Tendinopathy Research at JoVE.com

Vi ønsker å anerkjenne vår finansiering støtter: Joe Fallon Research Fund, Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund, og en intramural stipend (AN), alle fra BIDMC Ortopedi, sammen med støtte fra National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).

Denne studien ble utført per Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) godkjenning ved Beth Israel Deaconess Medical Center. Dyrene ble bedøvet med 5 % isofluran til induksjon og 2,5 % til vedlikehold, og det ble tatt hensyn til å unngå hypotermi.
1. Sette opp testsystemet
<ol><li>Kontroller passiv ankelrotasjon med en trinnmotor for å bruke konsekvent rotasjon og dreiemoment. Kontroller steppermotoren med en mikrokontroller. Bruk inndataene fra 3D-posisjons- ...

Syklisk mekanisk belastning for å indusere tendinopati i rotteakillessene

<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>

Denne studien presenterer en metode for syklisk belastning av akillessenen hos rotter med et passivt ankeldorsifleksjonssystem for en in vivo overforbruksindusert tendinopatimodell. Betydningen av systemet ligger i dets evne til å isolere akillessenen, påføre kvantifiserbare belastninger uten kirurgisk tilgang til senen, og måle in vivo seneegenskaper. 
I 2010 presenterte Fung et al. en utmattingsmodell for rottepatellarsene med et spesialbygd testsystem...

Ettersom sener forbinder muskler til bein og opplever daglige repeterende bevegelser gjennom hele livet, er de svært utsatt for overbelastningsskader som er smertefulle og begrensende og resulterer i nedsatt mekanisk funksjon, som påvirker 30-50% av befolkningen1. Tendinopatier er kroniske tilstander som anses som overbelastningsskader på grunn av repeterende tretthetsbevegelser og utilstrekkelig helbredelse til pre-skadenivåer. Både øvre og nedre ekstremiteter er ofte påvirket, inkludert rotator mansjett, albue, akillessene og patellar sene 2,3,4,5. Achilles tendinopati er vanlig i aktiviteter som involverer løping og hopping, spesielt idrettsutøvere involvert i friidrett, mellom- og langdistanseløping, tennis og andre ballsporter, noe som påvirker 7-9% av løperne 6,7. Skader fra løping og hopping kan også forårsake begrenset ankeldorsifleksjon, som er en risikofaktor for akilles- og patellartendinopatier 8,9,10. Det er derfor behov for en bedre utredning og karakterisering av tendinopati, noe denne studien kan gi som rottemodell av passiv ankeldorsifleksjon ved overforbruk av akillesseneskader.
Tidligere arbeid med smådyrmodeller har vært rettet mot å studere utviklingen og markørene for tendinopati. Disse inkluderer tredemølletrening, repeterende rekkevidde, direkte senebelastning, kollagenaseinjeksjoner, kirurgi og in vitro-studier 11,12,13,14,15,16. Selv om litteraturen har hatt nytte av identifisering av skademarkører ved bruk av disse tendinopatimodellene, inkluderer begrensninger belastning av senen i ikke-fysiologisk relevante leddbevegelser, som i tilfelle direkte belastning av senen, ikke direkte måling av påførte belastninger, som for tredemøllestudier, og ikke bruk av fysiologisk overforbruk, som i tilfelle for kollagenaseinjeksjoner, blant andre. For dette formål hadde denne studien som mål å utvikle et system som ikke-invasivt bruker kvantifiserte belastninger på akillessenen med søknad om overforbruksinduserte tendinopatistudier for å fylle hullene i tidligere utviklede smådyrmodeller for tendinopati. Vi utførte en pilotstudie for å demonstrere at systemet induserer reproduserbare endringer i mekaniske egenskaper over en rekke lastesykluser. Dette systemet muliggjør fysiologisk relevant bevegelse og belastning for å indusere overforbruk samtidig som det kvantifiserer og måler kreftene som påføres og oppleves av senen under lasteregimet.

<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

Tendinopati er en kronisk senetilstand som resulterer i smerte og tap av funksjon og skyldes gjentatt overbelastning av senen og begrenset restitusjonstid. Denne protokollen beskriver et testsystem som syklisk påfører mekaniske belastninger via passiv dorsifleksjon på akillessenen hos rotter. Den skreddersydde koden består av før- og ettersykliske lastmålinger for å vurdere effekten av lastprotokollen sammen med det tilbakekoblingskontrollbaserte sykliske utmattingsbelastningsregimet. 
Vi brukte 25 Sprague-Dawley-rotter for denne studien, med 5 rotter per gruppe som mottok enten 500, 1,000, 2,000, 3,600 eller 7,200 sykluser av tretthetsbelastninger. De prosentvise forskjellene mellom pre- og postsykliske belastningsmålinger av hysterese, toppspenning og laste- og lossemoduli ble beregnet. Resultatene viser at systemet kan forårsake varierende grad av skade på akillessenen basert på antall påførte belastninger. Dette systemet tilbyr en innovativ tilnærming for å anvende kvantifiserte og fysiologiske varierende grader av sykliske belastninger på akillessenen for en in vivo-modell av tretthetsindusert overbelastningsseneskade.

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.

Forfatter Spotlight: Integrering av mekanisk og biologisk analyse i tendinopatiforskning 

Et passivt testsystem for ankeldorsifleksjon for en in vivo-modell av overforbruksindusert tendinopati

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.

Med det økende antallet påførte sykluser var det en større reduksjon i in vivo senemekaniske egenskaper. Det var signifikant lavere reduksjon i hysterese og laste- og lossemoduler for 500-syklusgruppen sammenlignet med syklusgruppene på 3 600 og 7 200 (p < 0,05) (figur 2). Mens det var en signifikant reduksjon i toppspenning per syklus fra 500-syklusen til 3,600-syklusgruppen, var det ingen signifikant reduksjon mellom 500- og 7,200-syklusgruppene. Det var en konsistent prosent...

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

Denne protokollen presenterer et testsystem som brukes til å indusere kvantifiserbare og kontrollerte utmattingsskader i en akillessene hos rotter for en in vivo-modell av overforbruksindusert tendinopati. Prosedyren består i å feste rottens ankel til en leddaktuator som utfører passiv ankeldorsifleksjon med et spesialskrevet MATLAB-skript.

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 ...

Vårt arbeid adresserer de mekanobiologiske faktorene som er involvert i initiering og progresjon av overforbruksindusert tendinopati. Spørsmålene vi prøver å svare på inkluderer hvilke faktorer av trening, som frekvens, størrelse og varighet av belastningen påvirker senens respons på skade. Nåværende verktøy som mekaniske tiltak, histologi og biologiske analyser for å evaluere utfallsmål er sentrert og begrenset til vevshøsting i sluttstadiet.Med denne modellen kan vi utforske in vivo kontinuerlige målinger med verktøy som ultralyd og MR I felt belaster in vivo-modeller senen og fysiologisk relevante manerer, mens ex vivo-modeller tillater måling av biologiske responser på skader. Vår protokoll kombinerer disse to målene for direkte måling av senespenninger og belastninger under skader og tilhørende biologiske endringer. Vi har etablert et adaptivt system for å indusere seneskader, noe som muliggjør samtidig utforskning av mekaniske og biologiske faktorer.Etter å ha etablert denne modellen, inkluderer fremtidige retninger å vurdere ulike parametere, terapeutiske veier og rehabiliteringstiltak.

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.