Ana Barbir

* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT

Carolyn E. Godburn

* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT

Arthur J. Michalek

* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT

Alon Lai

† Departamentul de tehnologie și informatică a sănătății, Universitatea Politehnică din Hong Kong, Hong Kong, China

Robert D. Monsey

‡ Departamentul de Ortopedie și Reabilitare, Universitatea din Vermont, Burlington, VT

James C. Iatridis

* Școala de inginerie, Universitatea din Vermont, Burlington, VT

‡ Departamentul de Ortopedie și Reabilitare, Universitatea din Vermont, Burlington, VT

Abstract

Design de studiu

Model de coadă de șobolan in vitro și in vivo pentru a evalua efectele torsiunii asupra biomecanicii discului intervertebral și a expresiei genice.

Obiectiv

Investigați efectele torsiunii asupra promovării biosintezei și a producerii leziunilor pe discurile intervertebrale caudale de șobolan.

Rezumatul datelor de fundal

Torsiunea este un mod important de încărcare pe disc și creșterea intervalului de mișcare torsională este asociată cu simptome clinice de la întreruperea discului. Conținutul modificat de elastină este implicat în degenerarea discului, dar efectele sale asupra încărcării torsionale sunt necunoscute. Deși efectele compresiei au fost studiate, efectul torsiunii asupra expresiei genei discului intervertebral este necunoscut.

Metode

Testele biomecanice in vitro au fost efectuate în torsiune pe segmente de mișcare a cozii șobolanilor supuse la 4 tratamente: elastază, colagenază, genipină, martor. Testele in vivo au fost efectuate pe șobolani cu fixatoare de tip Ilizarov implantate pe segmente de mișcare caudală cu cinci grupuri de încărcare de 90 de minute: 1 Hz torsiune ciclică la ± 5 °, ± 15 ° și ± 30 °, torsiune statică la + 30 °, și fals. Anulusul și țesuturile nucleului au fost analizate separat folosind qRT-PCR pentru expresia genică a markerilor citokinici anabolici, catabolici și proinflamatori.

Rezultate

Testele in vitro au arătat o rigiditate torsională scăzută după tratamentul cu elastază și nicio modificare a rigidității cu frecvența. Testele in vivo nu au arătat modificări semnificative ale rigidității dinamice în timp. Expresia elastică a torsiunii ciclice reglată în sus în anulus fibrosus. Reglarea în sus a TNF-a și IL-1β a fost măsurată la ± 30 °.

Concluzie

Concluzionăm că diferențele puternice în răspunsul discului la torsiunea și compresia ciclică sunt evidente cu torsiunea crescând expresia și compresia elastinei, rezultând o creștere mai substanțială a metabolismului discului în nucleul pulpos. Rezultatele evidențiază importanța elastinei în încărcarea torsională și sugerează că elastina se remodelează ca răspuns la forfecare. Încărcarea torsională poate provoca leziuni ale discului la amplitudini excesive care sunt detectabile biologic înainte de a fi biomecanice.

Cauzele degenerării discului intervertebral (IVD) sunt polifacetice, cu contribuții ale factorilor de îmbătrânire, mecanici, genetici și nutriționali. 1 Degenerarea IVD se manifestă biochimic prin pierderea glicozaminoglicanilor, modificări regionale în compoziția matricei de colagen 2, precum și modificări ale structurii elastinei 3, 4 și ale conținutului. 5 O creștere a expresiei proteazei și a inhibitorilor acestora, 6, 7 incluzând MMP-3, ADAMTS-4 și TIMP-1, precum și citokinele IL-1β 8 și TNF-α 9 au fost, de asemenea, asociate cu degenerarea. Din punct de vedere biomecanic, degenerarea IVD se caracterizează printr-o scădere a presiunii intradiscale și osmotice, 10, 11 o gamă modificată de mișcare și o zonă neutră redusă, 12 - 14 și o scădere a vitezei de fluare și fluaj. 15, 16

Articulațiile fațetelor coloanei lombare limitează rotația numai

2 ° pe nivel IVD în fiecare direcție, totuși rotațiile pot fi la fel de mari ca 10 ° pe nivel în regiunile toracice și cervicale. 31, 32 Pentru a studia efectele unor mărimi de torsiune mai mari, studiile in vitro la om au îndepărtat elementele posterioare. Studiile caudale de șobolan in vivo sunt un model util, deoarece gama de mișcare torsională nu este limitată de articulațiile fațetei, sunt ușor accesibile și oferă un nivel ridicat de control asupra condițiilor de limitare mecanică. Eșecul torsional 23 în discurile lombare umane sănătoase in vitro a fost găsit la ± 10 ° provocând „scindări circumferențiale în anulus” similare cu cele din degenerescență. Acest lucru sugerează că încărcarea torsională a IVD lombare cu articulații apofizare intacte nu ar pune IVD la risc de rănire. 33 Cu toate acestea, creșterea intervalului de mișcare torsională s-a corelat cu simptomele clinice din perturbarea IVD. 34

Torsiunea supune fibrele AF la tensiunea 26 și, în timp ce majoritatea țesutului fibros AF este colagen, s-a demonstrat că elastina joacă un rol important în tensiunea țesuturilor, cum ar fi plămânii, pielea și ligamentele. Studii recente ale elastinei în IVD au constatat că este concentrat de-a lungul direcției fibrelor de colagen, precum și între lamele și în punțile încrucișate de-a lungul lamelelor. 35 - 37 O creștere a elastinei a fost observată în AF internă cu degenerare, arătând potențial funcția sa de a restabili structura lamelară sub sarcini radiale în delaminare. 5 Studiile biomecanice ale țesuturilor FA izolate tratate cu elastază s-au dovedit a crește semnificativ deformările din lamelele AF 38 și extensibilitatea în tensiunea radială. 39 Deși există o cunoaștere tot mai mare a rolului biomecanic al elastinei în IVD, impactul biomecanicii asupra expresiei sale genetice nu a fost încă explorat.

Scopul acestui studiu este de a investiga efectele digestiilor enzimatice asupra proprietăților mecanice de torsiune in vitro și efectele torsiunii asupra promovării biosintezei și producerea de leziuni în IVD caudale de șobolan in vivo. Ipotezăm că: (1) proprietățile mecanice de torsiune vor fi sensibile la modificările colagenului și elastinei, în timp ce torsiunea in vivo va regla expresia mARN-ului colagenului și elastinei în AF; (2) torsiunea cu amplitudine mare va induce leziuni detectabile prin expresia crescută a citokinelor proinflamatorii și comportamentele biomecanice modificate în timp; și (3) torsiunea ciclică va promova o expresie a ARNm mai mare decât torsiunea statică.

Materiale și metode

Biomecanică in vitro

În Vivo Mechanobiology

Model animal

După cum a fost aprobat de Universitatea IACUC, 50 de șobolani Sprague-Dawley maturi din punct de vedere scheletic au fost echipați cu dispozitive de tip Ilizarov pe discul caudal 8-9, așa cum s-a descris anterior. 30 Fiecare animal a fost plasat sub anestezie generală și inelele din fibră de carbon au fost atașate la vertebra c8 și c9, folosind fire Kirschner de 0,8 mm sterile ortogonale (Figura 1). Fiecare operație a fost finalizată în mai puțin de 30 de minute și un analgezic subcutanat (buprenorfină) a fost administrat înainte de operație, precum și la 12, 24 și 36 de ore după operație. Protocoalele de încărcare mecanică au fost aplicate cozilor de șobolan după o recuperare chirurgicală de 4 zile.

efectele

A, Testarea in vivo a implicat instrumentarea unui aparat de tip Ilizarov format din inele din fibră de carbon atașate la cozile de șobolan, cu inelul proximal ținut în placa de cuplu și inelul distal rotit în suportul cozii. B, Dispozitiv nou conceput pentru a aplica încărcare torsională care arată suportul pentru șobolani, placa de cuplu și suportul cozii. Carcasa motorului conține un motor pas cu pas montat pe un rulment liniar, astfel încât încărcarea torsională să poată fi aplicată fără sarcină axială și un controler al motorului.

Încărcare mecanică

Șobolanii au fost împărțiți în 5 grupuri (Tabelul 1): pe baza rezultatelor in vitro, rotația ciclică la ± 5 °, ± 15 ° și ± 30 °, rotația statică la + 30 ° (statică) și fals (inele din fibră de carbon) ) au fost implantate dar nu s-a aplicat nicio încărcare). Toate animalele au fost anesteziate folosind un anestezic gazos (Isofluran) timp de 90 de minute de încărcare. Toate animalele, în afară de falsuri, au fost încărcate folosind un dispozitiv de torsiune nou proiectat (Figura 1). Inelul proximal a fost atașat la o placă de cuplu și inelul distal a fost atașat la suportul cozii care a fost cuplat la un motor pas cu pas. Rotațiile ciclice au fost aplicate la 1 Hz sinusoidal, iar în grupul static s-a ținut o rotație de 30 ° timp de 90 de minute. Rotațiile motorului au fost controlate de cod LabView personalizat, în timp ce cuplul rezultat a fost înregistrat de o celulă de încărcare atașată la placa de cuplu. Datele cuplului și unghiului au fost înregistrate timp de 10 cicluri la intervale de 15 minute și aceste date au fost analizate în continuare pentru rigiditate utilizând codul Matlab personalizat.