Name: Författare i fokus: Integrering av mekanisk och biologisk analys i forskning om tendinopati
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 vill tacka för vårt finansieringsstöd: Joe Fallon Research Fund, Dr. Louis Meeks BIDMC Sports Medicine Trainee Research Fund och ett intramuralt bidrag (AN), alla från BIDMC Orthopaedics, tillsammans med stöd från National Institutes of Health (2T32AR055885 (PMW)).

Denna studie genomfördes enligt godkännande från Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) vid Beth Israel Deaconess Medical Center. Djuren sövdes med 5 % isofluran för induktion och 2,5 % för underhåll, och försiktighet iakttogs för att undvika hypotermi.
1. Ställa in testsystemet
<ol><li>Kontrollera passiv fotledsrotation med en stegmotor för att applicera konsekvent rotation och vridmoment. Styr stegmotorn med en mikrokontroller. Använd indata från ...

Cyklisk mekanisk belastning för att inducera tendinopati i akillessenan hos råtta

<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>

Denna studie presenterar en metod för att cykliskt belasta råttans akillessena med ett passivt fotledsdorsalflexionssystem för en in-vivo överanvändningsinducerad tendinopatimodell. Systemets betydelse ligger i dess förmåga att isolera hälsenan, applicera kvantifierbara belastningar utan att kirurgiskt komma åt senan och mäta senans egenskaper in vivo . 
År 2010 presenterade Fung et al. en modell för utmattning av patellarsenan hos råttor med ett specialbyggt tes...

Eftersom senor förbinder muskler med ben och upplever dagliga repetitiva rörelser under hela sin livstid, är de mycket benägna att drabbas av överbelastningsskador som är smärtsamma och begränsande och resulterar i försämrad mekanisk funktion, vilket påverkar 30-50 % av befolkningen1. Tendinopatier är kroniska tillstånd som anses vara överbelastningsskador på grund av repetitiva trötthetsrörelser och otillräcklig läkning till nivåerna före skadan. Både övre och nedre extremiteter är vanligt drabbade, inklusive rotatorkuffen, armbågen, akillessenan och patellarsenan 2,3,4,5. Akillestendinopati är vanligt vid aktiviteter som involverar löpning och hoppning, särskilt idrottare som är involverade i friidrott, medel- och långdistanslöpning, tennis och andra bollsporter, och drabbar 7-9 % av löparna 6,7. Skador från löpning och hopp kan också orsaka begränsad dorsalflexion i fotleden, vilket är en riskfaktor för akilles och patellar tendinopatier 8,9,10. Således finns det ett behov av en bättre bedömning och karakterisering av tendinopati, vilket denna studie kan ge som en råttmodell av passiv fotledsdorsalflexion för överanvändning av akillessenskador.
Tidigare arbete med smådjursmodeller har syftat till att studera utveckling och markörer för tendinopati. Dessa inkluderar löpbandsträning, repetitiv sträckning, direkt senbelastning, kollagenasinjektioner, kirurgi och in vitro-studier 11,12,13,14,15,16. Även om litteraturen har gynnats av identifieringen av skademarkörer genom att använda dessa tendinopatimodeller, inkluderar begränsningarna att belasta senan i icke-fysiologiskt relevanta ledrörelser, som i fallet med direkt belastning av senan, att inte direkt mäta applicerade belastningar, såsom för löpbandsstudier, och att inte använda fysiologisk överanvändning, som i fallet med kollagenasinjektioner, bland annat. För detta ändamål syftade denna studie till att utveckla ett system som icke-invasivt applicerar kvantifierade belastningar på akillessenan med tillämpning för överanvändningsinducerade tendinopatistudier för att fylla luckorna i tidigare utvecklade smådjursmodeller för tendinopati. Vi utförde en pilotstudie för att visa att systemet inducerar reproducerbara förändringar i mekaniska egenskaper över en rad belastningscykler. Detta system gör det möjligt för fysiologiskt relevant rörelse och belastning att inducera överanvändning samtidigt som det kvantifierar och mäter de krafter som appliceras på och upplevs av senan under belastningsregimen.

<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 är ett kroniskt sentillstånd som resulterar i smärta och funktionsförlust och orsakas av upprepad överbelastning av senan och begränsad återhämtningstid. Detta protokoll beskriver ett testsystem som cykliskt applicerar mekaniska belastningar via passiv dorsalflexion på råttans akillessena. Den specialskrivna koden består av pre- och postcykliska belastningsmätningar för att bedöma effekterna av belastningsprotokollet tillsammans med den återkopplingskontrollbaserade cykliska utmattningsbelastningsregimen. 
Vi använde 25 Sprague-Dawley-råttor för denna studie, med 5 råttor per grupp som fick antingen 500, 1 000, 2 000, 3 600 eller 7 200 cykler av utmattningsbelastningar. De procentuella skillnaderna mellan de pre- och postcykliska belastningsmätningarna av hysteres, toppspänning och belastnings- och avlastningsmoduler beräknades. Resultaten visar att systemet kan inducera olika grader av skador på hälsenan baserat på antalet belastningar som appliceras. Detta system erbjuder ett innovativt tillvägagångssätt för att tillämpa kvantifierade och fysiologiska varierande grader av cykliska belastningar på akillessenan för en in vivo-modell av trötthetsinducerad överbelastningsskada på senan.

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.

Författare i fokus: Integrering av mekanisk och biologisk analys i forskning om tendinopati 

Ett passivt fotledsdorsalflexionstestsystem för en in vivo-modell av överanvändningsinducerad 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 ökande antalet tillämpade cykler skedde en större minskning av senans mekaniska egenskaper in vivo . Det var en signifikant lägre minskning av hysteres och belastnings- och lossningsmoduler för 500-cykelgruppen jämfört med 3 600 och 7 200 cykelgrupper (p < 0,05) (figur 2). Medan det var en signifikant minskning av toppstress per cykel från 500-cykelgruppen till 3 600-cykelgruppen, fanns det ingen signifikant minskning mellan 500- och 7 200-cykelgrupperna. Det fanns e...

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

Detta protokoll presenterar ett testsystem som används för att inducera kvantifierbara och kontrollerade utmattningsskador i en akillessena hos råtta för en in vivo-modell av överbelastningsinducerad tendinopati. Ingreppet består i att fästa råttans fotled vid ett ledställdon som utför passiv fotledsdorsalflexion med ett specialskrivet 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 arbete behandlar de biologiska mekanofaktorer som är involverade i initiering och progression av överbelastningsinducerad tendinopati. Frågorna vi försöker besvara är bland annat vilka träningsfaktorer, såsom frekvens, storlek och varaktighet av belastning, som påverkar senans svar på skada. Nuvarande verktyg som mekaniska mått, histologi och biologiska analyser för att utvärdera utfallsmått är centrerade och begränsade till vävnadsskörd i slutstadiet.Med denna modell kan vi utforska in vivo kontinuerliga mätningar med verktyg som ultraljud och MRI I fält belastar in vivo-modeller senan och fysiologiskt relevanta sätt, medan ex vivo-modeller möjliggör mätning av biologiska svar på skador. Vårt protokoll kombinerar dessa två mått för direkt mätning av senspänningar och töjningar under skador och tillhörande biologiska förändringar. Vi har etablerat ett adaptivt system för att inducera senskador, vilket gör det möjligt att samtidigt utforska mekaniska och biologiska faktorer.Efter att ha etablerat denna modell inkluderar framtida riktningar att bedöma olika parametrar, terapeutiska vägar och rehabiliteringsåtgärder.

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.