Antonio Pozzi

1 Laborator de biomecanică ortopedică comparată, Departamentul de științe clinice la animale mici, Universitatea din Florida, Gainesville, Florida, Statele Unite ale Americii,

Stanley E. Kim

1 Laborator de biomecanică de ortopedie comparată, Departamentul de științe clinice la animale mici, Universitatea din Florida, Gainesville, Florida, Statele Unite ale Americii,

Bryan P. Conrad

2 Laborator de biomecanică de ortopedie comparată, Departamentul de ortopedie și reabilitare, Universitatea din Florida, Gainesville, Florida, Statele Unite ale Americii,

MaryBeth Horodyski

2 Laborator de biomecanică de ortopedie comparată, Departamentul de ortopedie și reabilitare, Universitatea din Florida, Gainesville, Florida, Statele Unite ale Americii,

Scott A. Banks

3 Laborator de biomecanică ortopedică comparată, Departamentul de inginerie mecanică și aerospațială, Universitatea din Florida, Gainesville, Florida, Statele Unite ale Americii,

Conceput și proiectat experimentele: AP SK SB BC. Au efectuat experimentele: AP SK BC. Analiza datelor: AP SK MBH. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: SB MBH. A scris lucrarea: AP SK.

Abstract

fundal

Tranșația ligamentului încrucișat cranian canin (CCL) este un model de osteoartrita bine stabilit (OA). Efectul pierderii CCL asupra presiunii de contact și a alinierii articulațiilor nu a fost cuantificat pentru încărcarea înăbușită în picioare. Scopul studiului a fost de a măsura zonele și tensiunile de contact femorotibiale și alinierea articulațiilor după tranziția CCL într-un model ex vivo. Am emis ipoteza că tranziția CCL ar duce la cinematică anormală, precum și la modificări ale mecanicii de contact ale articulației femorotibiale.

Metodologie/Constatări principale

Opt membre posterioare canine au fost testate într-o mașină de testare a materialelor servo-hidraulice folosind un dispozitiv femural personalizat. Măsurători ale suprafeței de contact și ale presiunii, precum și rotații și translații femorotibiale au fost măsurate în stângul normal și în deficitul CCL atât în ​​unghiurile de flexie în picioare, cât și în cele profunde.

Am constatat că, la unghiul în picioare, tranziția CCL a provocat translarea craniană și rotația internă a tibiei cu o deplasare concomitentă caudală a zonei de contact, o creștere a presiunii de vârf și o scădere a zonei de contact. Aceste modificări nu au fost observate în flexia profundă. În picioare, pierderea CCL a provocat o redistribuire a presiunii articulare, regiunea caudală a compartimentului fiind supraîncărcată, iar restul articulației fiind subîncărcat.

Concluzie

În modelul Pond-Nuki, modificările alinierii articulațiilor sunt corelate cu deplasarea punctelor de contact în zonele încărcate rar din platoul tibial. Rezultatele acestui studiu sugerează că acest model cadaveric Pond-Nuki simulează modificările biomecanice raportate anterior în modelul Pond-Nuki in-vivo.

Introducere

Transecția ligamentului încrucișat cranian unilateral (CCL) a fost cel mai frecvent utilizat model pentru producerea osteoartritei (OA), deoarece a fost descris pentru prima dată de Pond și Nuki la începutul anilor 1970 [1]. Diferite grade de modificări ale cartilajului, formarea osteofitelor și fibrilația meniscală apar în urma tranziției CCL [2], [3], [4], [5]. Un studiu in vivo, pe termen lung, care a evaluat cinematica tridimensională la câini, a raportat un model consistent de translație tibială craniană și instabilitate în plan frontal imediat după tranziția CCL, care nu s-a îmbunătățit cu timpul [6]. Fără stabilitatea oferită de CCL, condilii femurali alunecă pe platoul tibial înclinat caudal, rezultând deplasarea craniană a tibiei în raport cu femurul [7]. Funcția articulară dinamică anormală ca urmare a pierderii integrității CCL se pretinde a contribui la dezvoltarea OA prin influențarea mecanobiologiei cartilajului articular, deși relația exactă nu a fost clarificată [8]. Un studiu recent efectuat pe câini cu deficit de CCL a arătat că interacțiunile anormale ale suprafeței articulare pot fi un mecanism care inițiază dezvoltarea OA [9].

Cauzele degenerării cartilajului articular sunt complexe și implică căi biologice, mecanice și structurale interdependente [10], [11], [12]. Patomecanica ex vivo a OA a fost descrisă de Andriacchi ca un cadru împărțit într-o fază de inițiere și progresie [13]. Faza de inițiere este caracterizată de modificări cinematice asociate cu o schimbare a regiunilor portante, în timp ce faza de progresie apare pe măsură ce boala progresează mai rapid cu sarcini crescute [13], [14]. Metabolismul cartilajului este dependent de menținerea stimulilor mecanici pentru care sunt adaptate condrocitele [11], [15]. Prin urmare, OA poate fi declanșat prin încărcarea redusă, care activează frontul de creștere subcondrală prin reducerea presiunii fluidului sau prin încărcarea crescută provocând daune mecanice la suprafețele articulate [13]. O înțelegere a modului în care cinematica articulației și mecanica de contact a stifleului sunt modificate prin tranziția CCL poate fi importantă pentru a relaționa biomecanica aberantă cu procesul de degenerare observat în modelul Pond-Nuki [1]. Dacă factorii mecanici asociați cu OA pot fi identificați la scurt timp după dezvoltarea instabilității articulare, poate că se pot dezvolta strategii de tratament pentru a opri progresia OA în faza incipientă a bolii.

Efectul modificării conformaționale a osteotomiei tibiale asupra mecanicii de contact și a alinierii articulațiilor au fost studiate recent într-un model cadavric canin [16]. În timp ce datele preliminare privind efectul tranziției CCL au fost colectate în acel studiu, s-a efectuat o osteotomie simulată înainte de colectarea datelor. Ar fi important să se măsoare în mod specific efectul transecției CCL asupra sufocării canine, fără interacțiunea cu alte tratamente. Scopul studiului a fost de a evalua efectele transecției CCL asupra zonelor de contact femorotibiale și a tensiunilor și a alinierii articulațiilor în sufocare. Am emis ipoteza că tranziția CCL ar duce la modificări ale mecanicii de contact ale articulației femorotibiale secundare subluxației craniene și rotației interne a tibiei.

Materiale și metode

Declarație de etică

Acest studiu a fost realizat în strictă conformitate cu recomandările din Ghidul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator de la Institutele Naționale de Sănătate. Toate procedurile din studiu au fost aprobate de Comitetul instituțional de îngrijire și utilizare a animalelor de la Universitatea din Florida (numărul IACUC: E810). Membrele posterioare utilizate în acest studiu au fost obținute de la câini care au fost eutanasiați în cadrul unui alt proiect (numărul IACUC: 200902382). IP al acestui studiu a obținut permisiunea de a folosi câini eutanasiați la adăpostul local. Eutanasia a fost efectuată uman folosind soluție de pentobarbital și fenitoină.

Pregătirea eșantionului

Opt membre posterioare (patru perechi) au fost recoltate prin dezarticularea articulației coxofemorale de la patru câini adulți cu greutatea cuprinsă între 28 și 35 kg, care au fost eutanasiați din motive care nu au legătură cu studiul. Au fost făcute radiografii cu vedere frontală și sagitală a fiecărui membru pentru a se asigura că nu există dovezi radiografice ale patologiei înăbușite. Unghiul platoului tibial a fost măsurat pentru fiecare membru pe radiografiile de vedere sagitală, utilizând metode raportate anterior [17]. După imagistică, toată musculatura a fost disecată de pe membre, păstrând în același timp cu atenție capsulele articulare stifle și hock, ligamentele colaterale și toate țesuturile moi distale de articulația hock. Eșantioanele au fost înfășurate în prosoape îmbibate cu soluție salină și depozitate la -20 ° Celsius până la testare.

În pregătirea pentru testare, membrele au fost decongelate la temperatura camerei. Țesuturile au fost menținute umede pe tot parcursul experimentului prin pulverizarea specimenelor cu soluție salină izotonică. În fiecare specimen, cablul de oțel împletit a fost trecut printr-o gaură cu diametrul de 2,5 mm găurită transversal prin cea mai lată porțiune a rotulei și fixată într-o buclă mică. Pentru a imita mecanismul cvadriceps și mușchiul gastrocnemius s-au folosit legături de tensiune și cabluri de oțel împletite. Trei șuruburi din nailon (compania McMaster-Carr Supply, Cleveland, OH) au fost implantate în femur și tibie ca repere pentru determinarea poziției tridimensionale, statice a îngrășământului în timpul testării. Eșantionul de testat a fost legat de un jig femural personalizat cu două tije filetate de 4 mm plasate într-o direcție lateral-medială la nivelul gâtului și diafiza mijlocie a femurului. Jigul femural, montat direct pe o mașină de testare a materialelor servo-hidraulice, a fost proiectat pentru a permite ajustarea flexiei „șoldului”, a aducției/răpirii și a unghiului de rotație axială (Figura 1). În timpul încărcării, balamalele de flexie și aducție/abducție de pe jigul femural au fost constrânse, în timp ce rotația axială a fost lăsată fără restricții.

modelului

Unghiurile de înăbușire și joncțiune de 135 ± 5 ° au fost atinse cu membrul supus unei sarcini axiale de 30% greutate corporală.

Măsurarea instantanee a zonei de contact intraarticular și a presiunii au fost obținute utilizând sistemul I-Scan (Tekscan Inc., Sounth Boston, MS), constând dintr-un senzor de presiune electronic laminat din plastic, film subțire (0,1 mm), mâner senzor, și software Tekscan. Senzorii aveau două zone de detectare de 30,9 mm × 12,0 mm, o sensibilitate la presiune de 0,01 MPa și un domeniu de presiune de 0,5 până la 30,0 MPa. Fiecare senzor nou a fost condiționat și calibrat conform instrucțiunilor producătorului imediat înainte de testarea fiecărui specimen. După calibrare, senzorul a fost plasat sub formă de meniscuri prin crearea capsulotomiilor orizontale craniene și caudale în compartimentele de înălțare mediale și laterale și la locul lor prin lipirea și suturarea filelor periferice de firele Kirschner implantate la aspectul cranian al platoului tibial.

Protocol de testare

Cu specimenul montat pe Instron într-o stare descărcată, locațiile marginilor craniene și caudale ale condililor tibiali mediali și laterali de pe hărțile de contact au fost identificate cu software-ul I-scan prin aplicarea unei presiuni ușoare elementelor de detectare suprapuse cu un repetiții. Închizătoarele ar putea fi ajustate pentru a obține un unghi de înăbușire și gleznă de 135 ± 5 ° (unghiul de fază al poziției), corespunzător punctului mediu al fazei de poziție a mersului în timpul mersului sau 90 ± 5 ° (unghiul de flexie ridicat) corespunzător o poziție flexată a membrului posterior. Unghiurile articulațiilor au fost măsurate cu un goniometru din plastic în timpul încărcării, cu brațele goniometrului aliniate cu diafizele tibiale și femurale. Laba specimenului a fost în contact cu, dar nu a fost fixată pe masa de acționare Instron în timpul încărcării. Pentru a reproduce în picioare, Instron a aplicat o sarcină axială statică de 30% din greutatea corporală. Înainte de achiziționarea datelor, membrul a fost încărcat inițial cu balama de aducție/abducție a jigului femural fără restricții. Prin monitorizarea ieșirii în timp real a sistemului de scanare I, balama de aducție/abducție a fost apoi blocată într-o poziție care a dus la o distribuție a forței medial-laterală de 50 %50 ± 10% prin înăbușirea normală.

Încărcarea fiecărui specimen a fost efectuată înainte și după tranziția CCL la originea sa printr-o abordare caudală a sufocatorului. Turnbuckles au fost ajustate pe tot parcursul experimentului pentru a menține unghiurile de înăbușire și gleznă fie de 135 ± 5 °, fie de 90 ± 5 °. Încărcarea și achiziția datelor au fost efectuate în secvența: 1) CCL intact/flexie mare; 2) unghiul de fază CCL intact/poziție; 3) deficitul CCL/unghiul de fază al poziției; 4) CCL deficient/unghi de mare flexiune. Pentru fiecare condiție, zona de contact și măsurătorile de presiune au fost dobândite după menținerea forței maxime timp de 5 secunde. În timp ce specimenul a fost încărcat, poziția statică, tridimensională a șuruburilor de nailon tibial și femural au fost digitalizate folosind un braț de digitizare Microscribe 3DX (Immersion Corp., San Jose, CA), care posedă o precizie de 0,23 mm.

Analiza datelor

Software-ul I-scan a fost utilizat pentru a genera o hartă de contact și pentru a măsura zona de contact, presiunea medie de contact și presiunea maximă de contact în compartimentele combinate (medial + lateral), medial și lateral (Figura 2). Zona de contact a fost definită ca zona de contact dintre platoul tibial, condilul femural și porțiunea de menisc încărcată de femur. Presiunea maximă de contact a fost definită ca fiind cea mai mare presiune măsurată în zona de contact, în timp ce presiunea medie de contact a reprezentat media presiunilor din zona de contact. Distribuția presiunii a fost descrisă în funcție de locația presiunii de vârf în fiecare compartiment de înăbușire: locația relativă a presiunii de vârf pentru fiecare afecțiune a fost definită ca distanța de la senzorul de presiune de vârf la marginea caudală a condilului tibial (medial sau lateral) în planul sagital, împărțit la întreaga lungime a condilului tibial în planul sagital (Figura 2). Distribuția presiunii a fost caracterizată în continuare prin împărțirea fiecărui compartiment stifle în trei regiuni de dimensiuni egale (craniană, centrală, caudală) și măsurarea forței absolute de contact în fiecare regiune.

Tibia (gri deschis) este deplasată cranial și rotită intern față de femur (gri închis) după tranziția CCL. Transecția CCL a dus la deplasarea caudală, zona redusă și presiunea crescută a contactului femorotibial; Stânga = laterală, sus = craniană.

În urma testării, au fost achiziționate imagini CT cu femurele și tibiile, cu șuruburi de nailon în poziție. Segmentarea osoasă a fost efectuată pe pachetul software Slicomatic (Tomovision, Montreal, QC, Canada) și s-au creat modele tridimensionale osoase pentru tibia și femurele fiecărui specimen folosind software-ul Geomagic (Goemagic Inc., Research Triangle Park, NC). Locații ale reperelor anatomice pentru femur (centrul condililor laterali și mediali, centrul capului femural și originea CCL) și tibia (marginea exterioară a condililor laterali și mediali, centrul capătului distal al tibiei, inserția de CCL), iar locațiile șuruburilor de nailon femural și tibial au fost identificate în modelele osoase 3D. Rotațiile tibiei în raport cu femurul au fost calculate folosind axe fixate pe corp în ordine (flexie/extensie, aducție/abducție, rotație internă/externă), corespunzătoare componentei de rotație a sistemului de coordonate articulare descris de Grood și Suntay [18]. ]. Traducerile tibiei în raport cu femurul au fost măsurate de la originea CCL până la inserție și exprimate într-un sistem de coordonate anatomice ortogonale fixat pe tibie [6]. Calculele au fost efectuate pe un program de calculator scris personalizat folosind Matlab (The MathWorks Inc., Natick, MA).

Analize statistice

*) indicați diferențe semnificative (P Tabelul 2. La unghiul de fază al poziției, tranziția CCL a dus la modificări semnificative la toți parametrii pentru compartimentele combinate și mediale, în timp ce diferențele semnificative au fost mai puțin evidente în compartimentul lateral. Transecția CCL a dus la o scădere semnificativă în zona de contact totală și medială și creșterea semnificativă a presiunii maxime compartimentale totale și mediale (P Pond MJ, Nuki G (1973) Osteoartrita indusă experimental la câine. Ann Rheum Dis 32: 387–388. [Articol gratuit PMC] [PubMed ] [Google Scholar]