I denne protokollen er to tilnærminger beskrevet for å gjøre uniaxial kompresjonstesting av musens lumbale ryggvirvler mer oppnåelig. Først beskrives konverteringen av en trepunkts bøyemaskin til en kompresjonstestmaskin. For det andre er en innebyggingsmetode for å forberede lasteflaten som bruker beinsement tilpasset musens lumbale ryggvirvler.
Det er økende bevissthet om at kortikal og avbrytende bein er forskjellig i regulering og respons på farmasøytiske terapier, hormonbehandlinger og andre behandlinger for aldersrelatert bentap. Trepunktsbøyning er en vanlig metode som brukes til å vurdere påvirkning av en behandling på midtdiafyseområdet av lange bein, som er rik på kortikal bein. Uniaxial kompresjonstesting av musevirvler, selv om de er i stand til å vurdere bein rik på kansellerende bein, utføres mindre vanlig på grunn av tekniske utfordringer. Enda mindre vanlig utført er sammenkoblingen av trepunkts bøyning og kompresjonstesting for å bestemme hvordan en behandling kan påvirke et langt beins midtdiafyseregion og et vertebralt centrum på samme måte eller annerledes. Her beskriver vi to prosedyrer for å gjøre kompresjonstesting av musens lumbale ryggvirvler til en mindre utfordrende metode å utføre parallelt med trepunktsbøying: For det første en prosedyre for å konvertere en trepunkts bøyemaskin til en kompresjonstestmaskin, og for det andre en innebyggingsmetode for å forberede en lumbal ryggvirvelbelastningsflate for mus.
Aldersrelaterte beinendringer er allment anerkjent som problematiske på grunn av økt risiko for beinfrakturer forbundet med disse endringene. Benbrudd hos mennesker kan føre til kroniske smerter, redusert bevegelighet, langvarig uførhet, økt risiko for død og økonomiske byrder1. Vanlige terapier undersøkt for å håndtere symptomene på aldersrelaterte beinendringer inkluderer kosttilskudd, hormonbehandlinger og narkotika 2,3,4,5,6,7,8,9. Innledende undersøkelser av slike behandlinger for mennesker gjøres vanligvis ved hjelp av små dyremodeller (f.eks. Laboratorierotter og mus), som har de to hovedtyper av bein som finnes i det menneskelige skjelettet10. Appendikulære lange bein, som humerus, lårben og tibia, er rike på kortikale (dvs. kompakte) bein, mens ryggvirvler er rike på kansellerende bein (dvs. vevd, svampete eller trabekulært bein)4. Det er økende kunnskap om at mekanismene for benregulering og signalveier varierer mellom kortikale bein (f.eks. langt ben midt i diafysen) og avbrutt ben (f.eks. vertebralt centrum)2. På grunn av dette kan terapier ha differensielle effekter som er beinspesifikke eller til og med stedsspesifikke i samme bein 2,3,4.
Anvendelsen av kraft til et objekt (f.eks. bein) fører til at objektet gjennomgår akselerasjon, deformasjon eller begge deler, avhengig av objektets grenseforhold. Når beinet er begrenset, motstår en motsatt kraft av samme størrelse akselerasjonen av beinet, og deformasjon oppstår. Når beinet opprettholder deformasjon, genereres indre motstand kalt stress, hvorav det er to grunnleggende typer: Normal kraft, i form av spenning eller kompresjon, og skjærkraft10. Ofte genereres en kombinasjon av de grunnleggende typer stress, avhengig av det påførte kraftsystemet10. Styrken til et materiale er dets evne til å motstå stress uten å svikte. Etter hvert som stadig større krefter påføres et materiale, gjennomgår det til slutt permanent deformasjon, og da sies det å ha gått over fra en elastisk tilstand (dvs. vil gå tilbake til sin opprinnelige form hvis kraften fjernes) til en plastisk tilstand (dvs. vil ikke gå tilbake til sin opprinnelige form hvis kraften fjernes)11. Punktet hvor overgangen fra en elastisk tilstand til en plastisk tilstand oppstår kalles utbyttepunktet. Etter hvert som enda større krefter påføres materialet utenfor flytepunktet, opprettholder det i økende grad mikrofrakturer (dvs. skade) til total fraktur oppstår; På dette punktet skal materialet ha sviktet11,12. Brudd på et bein representerer en svikt både på strukturelt nivå og vevsnivå10. Som et eksempel skjer brudd på et vertebralt bein fordi ikke bare flere trabeculae mislykkes på et strukturelt nivå, men det er også en svikt i ekstracellulære matrikselementer som kollagen og hydroksyapatitt krystaller i en individuell trabecula på vevsnivå.
De mekaniske hendelsene som fører til svikt i et materiale kan måles ved hjelp av en rekke testmetoder. Trepunktsbøyning er en vanlig metode for å teste de mekaniske egenskapene til lange bein fra det appendikulære skjelettet. Denne metoden er enkel og reproduserbar, noe som gjør den til den foretrukne metoden for biomekanisk testing for mange forskere13. Ved å senke en krysshodebjelke på midtdiafysen av et langt bein som hviler på to nedre støttebjelker, tester denne metoden spesifikt de mekaniske egenskapene til midtdiafyseområdet, som er tett organisert kortikal bein. Fra last-forskyvningskurver kan strekkkrafteffekter på elastisitet, seighet, kraft til svikt og overgangen fra elastisk til plastisk oppførsel av beinmaterialer, blant andre egenskaper, bestemmes.
I den andre typen bein, referert til som trabekulær, svampete, vevd eller avstøtende bein, dannes beinelementer til en rekke stenger og bjelker kalt trabeculae, noe som gir et “svampete” utseende. De viktigste vertebrale legemene (dvs. centra) er rike på avbrytende bein og er ofte stedet for aldersrelaterte kompresjonsbenfrakturer hos mennesker14. Lumbale (dvs. nedre rygg) ryggvirvler er de største ryggvirvlene, bærer mesteparten av kroppens vekt, og er det vanligste stedet for vertebrale brudd15,16. De mekaniske egenskapene til virvellegemer kan best vurderes direkte ved hjelp av uniaxiale kompresjonstestmetoder, siden aksial kompresjon er den normale kraftbelastningen som påføres vertebrale kolonner in vivo17. Kompresjon av vertebrale legemer in vivo oppstår som et resultat av muskel- og ligamentkontraksjoner, tyngdekraften og jordreaksjonskrefter18.
Ex vivo kompresjonstesting av vertebra for små dyr kan være vanskelig på grunn av deres lille størrelse, uregelmessige form og skjøthet. Formen på virvellegemene kan beregnes som et parallellogram med lett ventral helning og lett kranial konkavitet17. Denne formen gir utfordringer for å oppnå uniaxial kompresjonstesting ex vivo fordi uten tilstrekkelig forberedelse til lasteoverflaten vil trykkkrefter bli påført bare en del av lasteoverflaten, noe som resulterer i en “lokal kontakt”17,19. Dette kan føre til inkonsekvente resultater og for tidlig svikt19. Dette er ikke tilfelle in vivo fordi lasteflaten er omgitt av mellomvirvelskiver i vertebralleddene, noe som gjør at lasten kan fordeles gjennom kranialenden. Det intervertebrale skivekraniale endeplatekomplekset spiller en viktig rolle i anvendelsen av kraft gjennom vertebrallegemet og biomekanikken til brudd på vertebrallegemet14,20. Selv om kompresjonstesting ikke er nytt innen biologi, er det begrensninger i dagens metoder for mekanisk testing av bein. Disse begrensningene inkluderer mangelen på prediktormodeller og simuleringer for beinmekanikk, unik geometrisk romlig arkitektur og til og med iboende prøvebaserte biologiske variasjoner21. Enda viktigere er det at feltet utfordres av manglende standardisering mellom metoder og generell mangel på rapporterte metoder i litteraturen22.
Det er to metoder rapportert i litteraturen for fremstilling av lumbale ryggvirvler hos gnagere for å oppnå uniaxial kompresjonstesting: skjæremetoden og innebyggingsmetoden 17,19,23,24,25,26. Skjæremetoden krever at vertebrale prosesser, kraniale endeplater og kaudale endeplater kuttes fra vertebrallegemet. Pendleton et al.19 har tidligere rapportert en detaljert metode for bruk av denne metoden på musens lumbale ryggvirvler. Denne metoden gir utfordringene med å oppnå perfekt parallelle kutt på både kaudale og kraniale endeplater, samtidig som man unngår skade på prøven. Det har også begrensningen at kranialendeplaten fjernes. Den kraniale endeplaten inneholder et tett skall av kortikalt ben og spiller en viktig rolle i fordelingen av belastninger fra mellomvirvelskivene in vivo og er involvert i svikt i benet for in vivo frakturer 17,20,27. I motsetning til dette innebærer innebyggingsmetoden å fjerne vertebrale prosesser mens den kraniale endeplaten til vertebrallegemet holdes intakt. Lasteflaten gjøres deretter omtrent horisontal ved å plassere en liten mengde beinsement på kranialenden av virvellegemet. Denne metoden har fordelen at den overvinner de tekniske utfordringene forbundet med skjæremetoden og kan bedre etterligne mekanismen for belastningsapplikasjon og beinsvikt in vivo på grunn av bevaring av kranialendeplaten. Denne tilnærmingen har tidligere blitt dokumentert i studier som involverer uniaxial kompresjonstesting på rottebein. Men så vidt vi vet, er det ikke tidligere dokumentert i sammenheng med mindre mus lumbale ryggvirvler 17,25,26. Den aktuelle metoden ble tidligere beskrevet av Chachra et al.25 og brukte opprinnelig en beinprøve holdt mellom to plater, hver med et sylindrisk hulrom, som deretter ble fylt med polymetylmetakrylat (PMMA). Den samme forskergruppen forbedret senere metoden der den ene enden er forsiktig slipt (caudal), og den andre enden har en liten flekk av beinsement tilsatt (kranial)26. Denne metoden er en forbedring av den forrige metoden fordi den minimerer materialet mellom platenene og er fokus for denne artikkelen. Til tross for utfordringene knyttet til uniaxial vertebral kompresjonstesting, er det en metode som kan gi verdifull informasjon om effekten av en foreslått terapi på bein, spesielt når den er parret med trepunktsbøyning.
Her presenteres bruken av en konvertibel trepunkts bøynings-/kompresjonstestmaskin for enkel testing av både lange bein og vertebrale legemer ved hjelp av en enkelt maskin. Videre presenteres bruk av en innebyggingsmetode for å oppnå uniaxial kompresjonstesting av musens lumbale ryggvirvler. Denne studien ble utført som en del av en større studie som hadde som mål å undersøke påvirkningen av kosttilskudd av hampfrøtilskudd på egenskapene til skjelettben hos unge, voksende kvinnelige C57BL / 6-mus 5,6. Den trepunkts bøyetesteren ble opprinnelig konstruert av fakultet og studenter i Engineering Dept. ved Colorado State University-Pueblo og brukt av vår forskningsgruppe i trepunkts bøyetester på lange bein [rotte femur og tibia7 og mus humerus, lårben og tibia 5,6,8,9 ]. Imidlertid ble dens modifikasjon og anvendelse for bruk i musens vertebrale kroppskompresjonstesting ikke blitt utforsket. Utformingen og konstruksjonen av trepunkts bøyemaskinen er tidligere beskrevet7. Denne rapporten vil fokusere på metoder som brukes til å modifisere maskinen for komprimeringstesting og korrigere for systemforskyvning. For det andre beskrives innebyggingsmetoden for overflatebehandling av musens vertebrale kroppsbelastning, sammen med metoder for uniaxial kompresjonstesting og analyse av lastforskyvningsdata.
Målet med denne studien var å beskrive konstruksjonen av en konvertibel trepunkts bøyemaskin / kompresjonstestmaskin, samt bruk av en PMMA beinsementinnebyggingsmetode for fremstilling av musens lumbale ryggvirvlprøver før uniaxial kompresjonstesting. Deskriptiv statistikk ble innhentet og rapportert for beinprøvene, noe som vil være nyttig for sammenligning i fremtidige studier. Noen av de mest rapporterte helbensmekaniske egenskapene ble analysert i denne studien. Det er imidlertid verdt å merke seg at det er flere ekstra mekaniske egenskaper på hele bein og vevsnivå som ikke ble undersøkt her.
Det er fortsatt uklart hvordan de mekaniske egenskapene oppnådd fra prøver fremstilt ved hjelp av innebyggingsmetoden sammenligner med de som er fremstilt ved bruk av skjæremetoden for mus lumbale ryggvirvler. Schumancher17 har tidligere vurdert de mekaniske egenskapene til rottevirvler fremstilt ved hjelp av de to forskjellige metodene og fant at ryggvirvler fremstilt ved hjelp av innebyggingsmetoden hadde signifikant lavere stivhet, høyere utbytteforskyvning og høyere utbyttebelastning enn prøver fremstilt ved hjelp av skjæremetoden. Ytterligere karakterisering er nødvendig for å forstå hvordan de vertebrale mekaniske egenskapene til mus eller andre dyremodeller sammenligner når de måles ved hjelp av de to forskjellige metodene for lasting av overflatebehandling. Det forventes at noen parametere varierer mellom ryggvirvler fremstilt ved hjelp av forskjellige metoder, gitt at innebyggingsmetoden legger materiale til prøven, men bevarer endeplaten, som er en viktig struktur i vertebrale brudd in vivo17,27. Tilsetningen av beinsement til kranieenden gir høyde til prøven, mens kutting av endeplatene fjerner høyde, endrer størrelsesforholdet og endrer dermed mekaniske egenskaper som stivhet. Videre, selv om PMMA er stivere enn vertebral avbrytende bein, er det mulig at PMMA gjennomgår forskyvning, og omfanget av denne forskyvningen trenger ytterligere karakterisering. I tillegg er det uklart hvordan resultatene oppnådd fra enten innebyggingsmetoden eller skjæremetoden sammenligner med spådommer om beinparametere ved bruk av endelig elementanalyse for musevirvler eller hvordan resultatene varierer under forskjellige forhold (f.eks. Senkingshastighet, forskjellige vertebrale nivåer, PMMA-sammensetninger). Likevel, fordi alle prøver er fremstilt på samme måte, er denne metoden hensiktsmessig og muliggjør en enkel og kostnadseffektiv måte å sammenligne mellom behandlingsgrupper i en enkelt studie der prøver fremstilles og testes under lignende forhold.
Når det gjelder prøvepreparering før kompresjonstesting, er det viktig å forberede prøver på en reproduserbar måte. En mulig begrensning av metoden beskrevet i denne studien er bruken av et roterende verktøy for å fjerne vertebrale prosesser. En annen metode for å fjerne vertebrale prosesser av mus lumbale vertebrae har blitt beskrevet av Pendleton et al.19, noe som kan muliggjøre mer konsistent prøvepreparering. Videre kan det oppstå uoverensstemmelser ved påføring av PMMA beinsement. Derfor er det viktig å påføre beinsementen konsekvent når det gjelder volum, plassering og herdetid. Innebyggingsmetoden kan imidlertid gi en enklere måte å oppnå konsistent prøvepreparering på sammenlignet med skjæremetoden, da det kan være utfordrende å oppnå helt jevne, parallelle kutt konsekvent mellom alle prøvene på grunn av deres lille størrelse og skjørhet. Fremtidige studier vil være nødvendig for å vurdere presisjonen av resultater oppnådd fra prøver utarbeidet ved hjelp av innebygging vs. skjæremetode.
Som nevnt er det behov for ytterligere karakterisering og undersøkelse av innebyggingsmetoden for prøvepreparering av musens lumbale ryggvirvler før uniaxial kompresjonstesting. Likevel viser denne studien at en slik metode kan benyttes, gir en detaljert beskrivelse av den foreslåtte metoden, og gir beskrivende statistikk over parametrene målt fra prøver utarbeidet ved hjelp av metoden. Denne protokollen er verdifull for feltet på grunn av den nåværende mangelen på tilgjengelig metodikk. Videre kan denne metoden bedre etterligne mekanismen der in vivo vertebrale frakturer oppstår sammenlignet med andre metoder17,27. Metoden har også fordelen av å overvinne de tekniske vanskelighetene forbundet med andre for tiden rapporterte metoder, noe som gjør uniaxial kompresjonstesting mer gjennomførbar i beinforskning. Dette er spesielt viktig fordi narkotika, dietter eller andre inngrep kan påvirke kortikale rike bein (f.eks. Lang bein midt i diafysen) og trabekulære bein (f.eks. Vertebrale legemer) annerledes, men trepunktsbøyning er den dominerende metoden for å vurdere de mekaniske egenskapene til bein13. Kombinasjonen av trepunkts bøying og uniaxial kompresjonstesting kan bli enda lettere oppnåelig ved bruk av en konvertibel trepunkts bøying / kompresjonstestmaskin. Dermed foreslår denne studien to mulige måter å gjøre vurderingen av både kortikal rik og trabekulært bein i samme studie mer tilgjengelig for forskere, noe som potensielt fører til en bedre forståelse av hvordan en gitt behandling påvirker forskjellige beintyper mellom eksperimentelle grupper.
The authors have nothing to disclose.
Vi er takknemlige for den betydelige innsatsen som Colorado State University-Pueblo Dept. of Engineering ga i konstruksjonen av trepunkts bøyemaskinen og dens modifikasjon til en konvertibel trepunkts bøynings- / kompresjonstestmaskin. Vi er spesielt takknemlige for Mr. Paul Wallace, maskinverkstedskoordinator, for hans innsats i planlegging og gjennomføring av konstruksjon og modifikasjon av maskinen. Kompetanse og tilbakemeldinger fra Dr. Bahaa Ansaf (Colorado State University-Pueblo, Dept. of Engineering) og Dr. Franziska Sandmeier (Colorado State University-Pueblo, Dept. of Biology) bidro også betydelig til dette prosjektet. Institute of Cannabis Research Grant ved Colorado State University-Pueblo finansierte det større prosjektet som dette eksperimentet var en del av og tillot kjøp av mus, reagenser og noe av utstyret som ble brukt.
120-Grit Sand Paper | N/A | N/A | For removal of caudal end plate soft tissues and irregularities |
24-bit Load Cell Interface | LoadStar Sensors, Freemont, California, USA | DQ-1000 | To connect load and displacement sensors to personal coputer |
Base Mouse Diet | Dyets, Inc, Bethlehem, PA, USA | AIN-93G | Diet the mice were fed, without added hempseed |
Diamond Cutoff Wheel w/ Rotary Tool | Dremel US, Mt. Prospect, Illinois, USA | F0130200AK | To remove vertebral proccesses |
Displacement Sensor | Mitutoyo, Aurora, Illinois, USA | ID-S112EX | Displacement sensor with 0.001 mm resolution and 0.00305 mm accuracy |
External Variable Voltage Power Source | Extech Instruments, Nashua, New Hampshire, USA | 382213 | To provide power to compression testing machine |
Female C57BL/6 Mice | Charles River Laboratories, Wilmington, Massachusetts, USA | 027 (Strain Code) | Mouse model used in present study |
Hempseed | Natera, Pitt Meadows, Canada | 670834012199 | Hempseed added to Base Mouse Diet |
Igor Pro Software (Version 8.04) | Wave Metrics, Portland, Oregon, USA | N/A | Sofware used for load-displacement curve analysis |
iLoad Mini Force Sensor | LoadStar Sensors, Freemont, California, USA | MFM-010-050-S | Load (force) sensor with 1.0% accuracy |
Isotonic (0.9%) Saline Solution | N/A | N/A | To keep bone sampels hydrated |
Leica EZ4 W Miscoscope | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | NC1601884 | For bone dissections and vertebral process removal |
Microsoft Excel Software | Microsoft Corporation, Redmond, Washington, USA | N/A | For data transfer from SensorVue software |
PALACOS R Bone Cement | Hareus Medical, Wehreim, Germany | 00-1112-140-01 | PMMA bone cement for embedding of the loading surface |
Personal Computer | N/A | N/A | For data recording (see 24-bit Load Cell Interface, SensorVue Software, Microsoft Excel Software) and analysis (see Igor Pro Software) |
SensorVue Software | LoadStar Sensors, Freemont, California, USA | N/A | Software used for real-time data collection during compression testing |
Small Animal Dissecting Kit | N/A | N/A | Dissecting scissors, forceps, scalpel, blades, pins, gauze pads |
Stainless Steel Top Platen (Self-Alligning) and Bottom Platen Pair | N/A | N/A | Constructed by Colorado State University-Pueblo Dept. of Engineering |
Three-Point Bending Machine | N/A | N/A | Constructed by Colorado State University-Pueblo Dept. of Engineering. Refer to Sarper et al. (2014) for further details regarding construction |