Name: Autor em destaque: Integrando análises mecânicas e biológicas na pesquisa de tendinopatia
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Integrating Mechanical and Biological Analysis in Tendinopathy Research at JoVE.com

Gostaríamos de agradecer nossos apoios de financiamento: o Joe Fallon Research Fund, o Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund e uma bolsa intramuros (AN), todos da BIDMC Orthopaedics, juntamente com o apoio dos Institutos Nacionais de Saúde (2T32AR055885 (PMW)).

Este estudo foi conduzido de acordo com a aprovação do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) no Beth Israel Deaconess Medical Center. Os animais foram anestesiados com isoflurano a 5% para indução e 2,5% para manutenção, e cuidados para evitar hipotermia.
1. Configuração do sistema de ensaio
<ol><li>Controle a rotação passiva do tornozelo por um motor de passo para aplicar rotação e torque consistentes. Controle o motor de passo com um microc...

Carga Mecânica Cíclica para Indução de Tendinopatia no Tendão de Aquiles de Ratos

<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>

Este estudo apresenta um método para carregar ciclicamente o tendão de Aquiles de ratos com um sistema passivo de dorsiflexão do tornozelo para um modelo de tendinopatia induzida por overuse in vivo . A importância do sistema reside em sua capacidade de isolar o tendão de Aquiles, aplicar cargas quantificáveis sem acessar cirurgicamente o tendão e medir as propriedades do tendão in vivo . 
Em 2010, Fung e col. apresentaram um modelo de fadiga do tendão patelar de rat...

Como os tendões conectam o músculo ao osso e experimentam movimentos repetitivos diários ao longo de sua vida, eles são altamente propensos a lesões por uso excessivo que são dolorosas e limitantes e resultam em função mecânica prejudicada, afetando 30-50% da população1. As tendinopatias são condições crônicas consideradas lesões por overuse devido a movimentos repetitivos de fadiga e cicatrização inadequada aos níveis pré-lesão. Tanto os membros superiores quanto os inferiores são comumente afetados, incluindo o manguito rotador, cotovelo, tendão de Aquiles e tendão patelar 2,3,4,5. A tendinopatia de Aquiles é comum em atividades que envolvem corrida e salto, especialmente atletas envolvidos em atletismo, corrida de média e longa distância, tênis e outros esportes com bola, afetando 7-9% dos corredores 6,7. Lesões decorrentes de corrida e salto também podem causar limitação da dorsiflexão do tornozelo, fator de risco para tendinopatias aquiles e patelares8,9,10. Assim, há necessidade de uma melhor avaliação e caracterização das tendinopatias, que este estudo pode fornecer como modelo de dorsiflexão passiva do tornozelo em ratos para lesões do tendão de Aquiles por overuse.
Trabalhos anteriores utilizando modelos de pequenos animais têm como objetivo estudar o desenvolvimento e marcadores de tendinopatia. Estes incluem exercícios em esteira rolante, alcance repetitivo, carga direta do tendão, injeções de colagenase, cirurgia e estudos in vitro 11,12,13,14,15,16. Embora a literatura tenha se beneficiado da identificação de marcadores de dano com o emprego desses modelos de tendinopatias, as limitações incluem carregar o tendão em movimentos articulares não fisiologicamente relevantes, como no caso da carga direta do tendão, não medir diretamente as cargas aplicadas, como para estudos em esteira, e não utilizar o uso excessivo fisiológico, como no caso das injeções de colagenase, entre outros. Para esse fim, este estudo teve como objetivo desenvolver um sistema que aplique cargas quantificadas de forma não invasiva no tendão de Aquiles com a aplicação de estudos de tendinopatia induzida por uso excessivo para preencher as lacunas em modelos de pequenos animais previamente desenvolvidos para tendinopatia. Realizamos um estudo piloto para demonstrar que o sistema induz mudanças reprodutíveis nas propriedades mecânicas ao longo de uma série de ciclos de carregamento. Esse sistema permite que movimentos e cargas fisiologicamente relevantes induzam o uso excessivo e, ao mesmo tempo, quantificam e medem as forças aplicadas e experimentadas pelo tendão durante o regime de carga.

<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

A tendinopatia é uma condição crônica do tendão que resulta em dor e perda de função e é causada por sobrecarga repetida do tendão e tempo limitado de recuperação. Este protocolo descreve um sistema de teste que aplica ciclicamente cargas mecânicas via dorsiflexão passiva no tendão de Aquiles de ratos. O código escrito sob medida consiste em medições de carregamento pré e pós-cíclico para avaliar os efeitos do protocolo de carregamento, juntamente com o regime de carregamento de fadiga cíclica baseado em controle de realimentação. 
Usamos 25 ratos Sprague-Dawley para este estudo, com 5 ratos por grupo recebendo 500, 1.000, 2.000, 3.600 ou 7.200 ciclos de cargas de fadiga. Foram calculadas as diferenças percentuais entre as medidas de carregamento pré e pós-carga cíclica dos módulos histerese, pico de tensão e carga e descarga. Os resultados demonstram que o sistema pode induzir graus variados de dano ao tendão de Aquiles com base no número de cargas aplicadas. Este sistema oferece uma abordagem inovadora para aplicar graus variáveis quantificados e fisiológicos de cargas cíclicas ao tendão de Aquiles para um modelo in vivo de lesão tendínea por overuse induzida por fadiga.

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.

Autor em destaque: Integrando análises mecânicas e biológicas na pesquisa de tendinopatia 

Um Sistema de Teste de Dorsiflexão de Tornozelo Passivo para um Modelo In Vivo de Tendinopatia Induzida por Overuse

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.

Com o aumento do número de ciclos aplicados, houve maior redução nas propriedades mecânicas tendíneas in vivo . Houve redução significativamente menor da histerese e dos módulos de carga e descarga no grupo de 500 ciclos em comparação aos grupos de 3.600 e 7.200 ciclos (p < 0,05) (Figura 2). Embora tenha havido uma redução significativa no pico de estresse por ciclo do grupo de 500 ciclos para o grupo de 3.600 ciclos, não houve redução significativa entre os grupos de...

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Este protocolo apresenta um sistema de teste usado para induzir lesões por fadiga quantificáveis e controladas em um tendão de Aquiles de ratos para um modelo in vivo de tendinopatia induzida por uso excessivo. O procedimento consiste em prender o tornozelo do rato a um atuador articular que realiza a dorsiflexão passiva do tornozelo com um script MATLAB personalizado.

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 ...

Nosso trabalho aborda os fatores biológicos mecanos envolvidos na iniciação e progressão da tendinopatia induzida pelo uso excessivo. As perguntas que estamos tentando responder incluem quais fatores do exercício, como frequência, magnitude e duração da carga, afetam a resposta do tendão à lesão. As ferramentas atuais, como medidas mecânicas, histologia e ensaios biológicos para avaliar medidas de desfecho, estão centradas e limitadas à coleta de tecidos em estágio terminal.Com este modelo, podemos explorar medidas contínuas in vivo com ferramentas como ultrassom e ressonância magnética Em campo, modelos in vivo carregam o tendão e maneiras fisiologicamente relevantes, enquanto modelos ex vivo permitem a mensuração de respostas biológicas a lesões. Nosso protocolo combina essas duas medidas para medir diretamente as tensões e tensões tendinosas durante as lesões e as alterações biológicas associadas. Estabelecemos um sistema adaptativo para induzir lesões tendíneas, que permite a exploração simultânea de fatores mecânicos e biológicos.Estabelecido esse modelo, as direções futuras incluem a avaliação de diferentes parâmetros, vias terapêuticas e medidas de reabilitação.

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.