Name: Autor destacado: Integración del análisis mecánico y biológico en la investigación de la tendinopatía
Uploaded: 2024-03-01T13:00:00
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Nos gustaría agradecer nuestros apoyos financieros: el Fondo de Investigación Joe Fallon, el Fondo de Investigación de Aprendices de Medicina Deportiva Dr. Louis Meeks BIDMC y una subvención intramuros (AN), todos de BIDMC Orthopaedics, junto con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud (2T32AR055885 (PMW)).

Este estudio se llevó a cabo según la aprobación del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC, por sus siglas en inglés) en el Centro Médico Beth Israel Deaconess. Los animales fueron anestesiados con isoflurano al 5% para la inducción y al 2,5% para el mantenimiento, y se tuvo cuidado de evitar la hipotermia.
1. Configuración del sistema de pruebas
<ol><li>Controle la rotación pasiva del tobillo mediante un motor paso a paso para aplicar una rotaci?...

Carga mecánica cíclica para inducir tendinopatía en el tendón de Aquiles de rata

<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 estudio presenta un método para cargar cíclicamente el tendón de Aquiles de la rata con un sistema pasivo de dorsiflexión del tobillo para un modelo de tendinopatía inducida por uso excesivo in vivo . La importancia del sistema radica en su capacidad para aislar el tendón de Aquiles, aplicar cargas cuantificables sin acceder quirúrgicamente al tendón y medir las propiedades del tendón in vivo . 
En 2010, Fung et al. presentaron un modelo de fatiga del tendón ro...

Como los tendones conectan el músculo con el hueso y experimentan movimientos repetitivos diarios a lo largo de su vida, son muy propensos a sufrir lesiones por uso excesivo que son dolorosas y limitantes y dan lugar a un deterioro de la función mecánica, que afecta al 30-50% dela población. Las tendinopatías son afecciones crónicas consideradas lesiones por uso excesivo debido a movimientos repetitivos de fatiga y una cicatrización inadecuada a los niveles previos a la lesión. Tanto las extremidades superiores como las inferiores se ven comúnmente afectadas, incluyendo el manguito rotador, el codo, el tendón de Aquiles y el tendón rotuliano 2,3,4,5. La tendinopatía de Aquiles es común en actividades que involucran correr y saltar, especialmente en atletas involucrados en atletismo, carreras de media y larga distancia, tenis y otros deportes de pelota, afectando al 7-9% de los corredores 6,7. Las lesiones por correr y saltar también pueden causar una dorsiflexión limitada del tobillo, que es un factor de riesgo para las tendinopatías de Aquiles y rotuliana 8,9,10. Por lo tanto, existe la necesidad de una mejor evaluación y caracterización de la tendinopatía, que este estudio puede proporcionar como un modelo de rata de dorsiflexión pasiva del tobillo para lesiones del tendón de Aquiles por uso excesivo.
Trabajos anteriores con modelos de animales pequeños han estado dirigidos a estudiar el desarrollo y los marcadores de la tendinopatía. Estos incluyen el ejercicio en cinta rodante, el alcance repetitivo, la carga directa del tendón, las inyecciones de colagenasa, la cirugía y los estudios in vitro 11,12,13,14,15,16. Aunque la literatura se ha beneficiado de la identificación de marcadores de daño mediante el empleo de estos modelos de tendinopatía, las limitaciones incluyen la carga del tendón en movimientos articulares no fisiológicamente relevantes, como en el caso de la carga directa del tendón, la no medición directa de las cargas aplicadas, como en el caso de los estudios en cinta rodante, y la no utilización fisiológica excesiva, como en el caso de las inyecciones de colagenasa. entre otros. Con ese fin, este estudio tuvo como objetivo desarrollar un sistema que aplique cargas cuantificadas de forma no invasiva al tendón de Aquiles con la aplicación de estudios de tendinopatía inducida por uso excesivo para llenar los vacíos en modelos de tendinopatía de animales pequeños desarrollados anteriormente. Realizamos un estudio piloto para demostrar que el sistema induce cambios reproducibles en las propiedades mecánicas a lo largo de un rango de ciclos de carga. Este sistema permite que el movimiento y la carga fisiológicamente relevantes induzcan el uso excesivo y, al mismo tiempo, cuantifiquen y midan las fuerzas aplicadas y experimentadas por el tendón durante el régimen 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

La tendinopatía es una afección crónica del tendón que provoca dolor y pérdida de función y es causada por la sobrecarga repetida del tendón y el tiempo de recuperación limitado. Este protocolo describe un sistema de pruebas que aplica cíclicamente cargas mecánicas a través de la dorsiflexión pasiva al tendón de Aquiles de la rata. El código escrito a medida consiste en mediciones de carga pre y postcíclicas para evaluar los efectos del protocolo de carga junto con el régimen de carga de fatiga cíclica basado en el control de retroalimentación. 
Utilizamos 25 ratas Sprague-Dawley para este estudio, con 5 ratas por grupo que recibieron 500, 1.000, 2.000, 3.600 o 7.200 ciclos de cargas de fatiga. Se calcularon las diferencias porcentuales entre las medidas de carga pre y postcíclica de la histéresis, el estrés máximo y los módulos de carga y descarga. Los resultados demuestran que el sistema puede inducir diversos grados de daño al tendón de Aquiles en función del número de cargas aplicadas. Este sistema ofrece un enfoque innovador para aplicar diferentes grados cuantificados y fisiológicos de cargas cíclicas al tendón de Aquiles para un modelo in vivo de lesión del tendón por uso excesivo inducida por fatiga.

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 destacado: Integración del análisis mecánico y biológico en la investigación de la tendinopatía 

Un sistema pasivo de prueba de dorsiflexión de tobillo para un modelo in vivo de tendinopatía inducida por uso excesivo

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 el aumento del número de ciclos aplicados, hubo una mayor reducción en las propiedades mecánicas del tendón in vivo . Hubo una reducción significativamente menor de la histéresis y de los módulos de carga y descarga para el grupo de 500 ciclos en comparación con los grupos de 3.600 y 7.200 ciclos (p < 0,05) (Figura 2). Si bien hubo una reducción significativa en el estrés máximo por ciclo desde el grupo de 500 ciclos hasta el grupo de 3.600 ciclos, no hubo una reducci...

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Este protocolo presenta un sistema de pruebas utilizado para inducir lesiones por fatiga cuantificables y controladas en el tendón de Aquiles de una rata para un modelo in vivo de tendinopatía inducida por uso excesivo. El procedimiento consiste en asegurar el tobillo de la rata a un actuador articular que realiza la dorsiflexión pasiva del tobillo con un script de MATLAB escrito a medida.

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 ...

Nuestro trabajo aborda los factores mecanobiológicos implicados en el inicio y la progresión de la tendinopatía inducida por el uso excesivo. Las preguntas que estamos tratando de responder incluyen qué factores del ejercicio, como la frecuencia, la magnitud y la duración de la carga, afectan la respuesta del tendón a la lesión. Las herramientas actuales, como las medidas mecánicas, la histología y los ensayos biológicos para evaluar las medidas de resultado, se centran y se limitan a la recolección de tejidos en la etapa final.Con este modelo, podemos explorar mediciones continuas in vivo con herramientas como el ultrasonido y la resonancia magnética En el campo, los modelos in vivo cargan el tendón y las formas fisiológicamente relevantes, mientras que los modelos ex vivo permiten medir las respuestas biológicas a las lesiones. Nuestro protocolo combina estas dos medidas para la medición directa de las tensiones y distensiones de los tendones durante las lesiones y los cambios biológicos asociados. Hemos establecido un sistema adaptativo para inducir lesiones tendinosas, que permite la exploración simultánea de factores mecánicos y biológicos.Una vez establecido este modelo, las direcciones futuras incluyen la evaluación de diferentes parámetros, vías terapéuticas y medidas de rehabilitación.

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.