Visualisation de la dégénérescence de l'articulation du genou après une blessure non invasive du LCA chez le rat

Source: Lindsey K. Lepley^1,2, Steven M. Davi¹, Timothy A. Butterfield^3,4 et Sina Shahbazmohamadi⁵,

¹ Fois Département de kinésiologie, Université du Connecticut, Storrs, CT; ^{2 (en)} Department of Orthopaedic Surgery, University of Connecticut Health Center, Farmington, CT; ^{3 (en)} Department of Rehabilitation Sciences, University of Kentucky, Lexington, KY; ^{4 ( en} plus) Center for Muscle Biology, Department of Physiology, University of Kentucky, Lexington, KY; ^{5 Annonces} Département de génie biomédical, Université du Connecticut, Storrs, CT

Les lésions du ligament croisé antérieur (LCA) au genou augmentent considérablement le risque d'arthrose post-traumatique (PTOA), car environ un tiers des personnes démontreront une PTOA radiographique au cours de la première décennie suivant une lésion cérébrale. Bien que la reconstruction d'ACL (ACLR) redonne avec succès la stabilité d'articulation de genou, ACLR et les techniques actuelles de réadaptation n'empêchent pas le début de PTOA. Par conséquent, la blessure d'ACL représente le modèle idéal pour étudier le développement de PTOA après des dommages articulaires traumatiques.

Les modèles de rat ont été largement utilisés pour étudier l'encours et l'effet des dommages d'ACL sur PTOA. Le modèle le plus largement utilisé des dommages d'ACL est transection d'ACL, qui est un modèle aigu qui déstabilise chirurgicalement l'articulation. Bien que pratique, ce modèle n'imite pas fidèlement les blessures humaines de LCA dues aux procédures envahissantes et non physiologiques de dommages qui masquent la réponse biologique indigène aux dommages. Pour améliorer la traduction clinique de nos résultats, nous avons récemment développé un nouveau modèle non-invasif des dommages d'ACL où l'ACL est rompu par une charge simple de compression tibial. Cette blessure reproduit étroitement les conditions de blessure pertinentes pour l'homme et est fortement reproductible.

La visualisation de la dégénérescence articulaire par la tomographie micro-calculée (CT) fournit plusieurs avancées majeures par rapport aux techniques traditionnelles de coloration de l'arthrose, y compris l'imagerie 3D rapide, à haute résolution et non destructive de la dégénérescence articulaire entière. L'objectif de cette démonstration est d'introduire l'état de l'art des lésions non invasives ACL dans un modèle de rongeur et d'utiliser cT pour quantifier la dégénérescence des articulations du genou.

L'ACL est une structure en bande de tissu conjonctif dense qui provient de l'espace intercondylar antérieur du tibia et s'étend de façon supérieure et latérale à l'aspect postérieur du condyle latéral du fémur. Structurellement, l'ACL sert à la fois de stabilisateur passif du genou, travaillant de concert avec d'autres ligaments ainsi que la musculature des cuisses pour aider à contrôler l'articulation pendant le mouvement dynamique. L'ACL est la principale contrainte au déplacement tibial antérieur et joue un rôle essentiel dans le maintien de la stabilité de l'articulation du genou. Au-delà du soutien structurel, l'ACL agit également comme une voie pour l'information neuronale entre l'articulation du genou et le système nerveux central. Le plus grand stress sur l'ACL se produit lorsque le genou est près de l'extension, et c'est pendant ce temps que l'ACL est le plus à risque de blessure.

L'ACL est le ligament du genou le plus souvent blessé lors d'activités sportives et professionnelles. Les blessures de LCA sans contact représentent près de 70 % de toutes les blessures au LCA, et elles surviennent lorsqu'une personne génère suffisamment de forces et/ou de moments au genou, ce qui entraîne un chargement excessif du LCA. Bien que le mécanisme des dommages de LCA sans contact ait été étudié à l'aide d'une variété de modèles de recherche (prospective, rétrospective, observationnelle, in vivo et in vitro),une détermination directe de la façon dont les blessures se produisent demeure insaisissable. La reconstruction d'ACL est souvent exécutée en insérant chirurgicalement une partie des individus ischio-jambiers ou tendon rotulien dans la zone de l'ACL. Le but de la reconstruction chirurgicale est de maximiser la stabilité du genou et la capacité fonctionnelle qui ont été perdus après la blessure. La reconstruction chirurgicale facilite un retour sûr au sport et favorise la santé à long terme d'articulation de genou. Cependant, malgré les meilleurs efforts des cliniciens et des chercheurs, près des deux tiers des patients atteints d'un ACL reconstruit reconstruit patients ne retournent pas à l'activité à 12 mois après la reconstruction et plus de 50% des genoux reconstruits ACL ont des signes radiographiques de PTOA 5-14 ans après les blessures.

Les modèles animaux offrent à la fois un moyen pratique et cliniquement pertinent d'étudier l'histoire naturelle et la réponse du traitement à la santé articulaire. Il est important que le genou d'un rat ait une anatomie et une fonction similaires aux genoux chez l'homme, ce qui fait du genou rat un modèle utile pour étudier la PTOA après une blessure au LCA. Pour améliorer la traduction clinique de nos résultats, nous avons récemment développé un nouveau modèle non-invasif des dommages d'ACL, où l'ACL est rompu par une charge simple de compression tibial. Cette blessure reproduit étroitement les conditions de blessure pertinentes pour l'homme et est fortement reproductible.

Le dispositif de chargement se compose de deux plates-formes de chargement sur mesure (figure 1); l'étage supérieur du genou est monté de façon rigide sur un actionneur linéaire (actionneur linéaire L16-63-12-P, Phidgets, Alberta, CA) qui positionne le membre postérieur droit dans une période de dorsiflexion de 30 degrés^{1 à} 1 et de 100 ๠de flexion du genou tout en offrant de la place pour la subluxation antérieure du tibia par rapport au fémur; l'étage inférieur tient le genou fléchi et est monté directement au-dessus d'une cellule de charge (HDM Inc., PW6D, Southfield, MI). Pendant la blessure, les rats sont anesthésiés, puis le membre postérieur droit est soumis à une seule charge de compression tibiale à une vitesse de 8 mm/s.¹ blessure ACL est noté e par un dégagement de force compressive pendant les blessures qui est surveillée par l'intermédiaire d'un programme personnalisé (LabVIEW, Instruments nationaux, Austin, TX). Après la blessure, la rupture d'ACL est médicalement confirmée par l'essai de Lachman, où le fémur est fixé tandis qu'une force antérieure est appliquée au tibia. La traduction tibiale antérieure excessive indique l'insuffisance d'ACL. L'aCL blessé postérieur peut alors être étendu et fixé dans un dispositif imprimé 3D personnalisé pour visualiser la dégénérescence d'articulation de genou. Les images sont acquises pour caractériser les changements dans la structure trabeculaire liés au développement de PTOA. ^{4 ( en} plus)

Figure 1 : Charge compressive tibiale causant des blessures aCL non invasives isolées.

Blessures non invasives au LCA

1. Portez un équipement de protection personnelle approprié. Vous pouvez utiliser un masque respiratoire, mais il n'est pas obligatoire pour ce protocole.
2. Anesthésiez les rats à l'aide d'une chambre à induction avec 5% d'isoflurane et 1 L/min d'oxygène. Maintenir le flux d'anesthésie à l'aide d'un cône nasal avec 1 - 3% isoflurane et 500 ml/min d'oxygène. Si l'appareil n'est pas installé sur une table à courant arrière ou à contre-courant, assurez-vous que les déchets de gaz sont récupérés à l'aide d'un système de table et de filtres à charbon de bois.
3. Effectuer un pincement d'orteil pour s'assurer qu'une profondeur adéquate d'anesthésique a été atteinte. Notez qu'il n'est pas nécessaire d'appliquer du lubrifiant pour les yeux, le protocole est exécuté rapidement (3 min) et qu'il y a un risque minimal de sécheresse de la cornée.
4. Placez le membre arrière droit à 30 degrés de dorsiflexion et à 100 degrés de flexion du genou tout en offrant de la place pour la subluxation antérieure du tibia par rapport au fémur.
5. Montez rigoureusement l'étage supérieur du genou à un actionneur linéaire.
6. Placez le genou fléchi sur l'étage inférieur, qui est monté directement au-dessus d'une cellule de charge.
7. Induire une blessure au LCA à l'aide d'une seule charge de compression tibiale à une vitesse de 8 mm/s.
8. Les dommages d'ACL sont notés par un dégagement de force compressive. Ceci est surveillé via un programme personnalisé.
9. Après la blessure, alors que l'animal est encore sous le plan de l'anesthésie, effectuer un test lachman pour confirmer cliniquement une rupture de LCA a eu lieu. Un test de Lachman est un test clinique utilisé pour évaluer l'intégrité de l'ACL en évaluant la stabilité du plan sagittal. Tout en stabilisant le fémur, tirez le tibia vers l'avant (dans une direction antérieure) pour évaluer la quantité de mouvement. Un LCA intact produira une « fin-sentir ferme » où le chercheur ne sera pas en mesure de traduire le tibia vers l'avant. Un ACL blessé produira une « sensation de fin douce ou molle », indicatif d'un LCA déchiré.
10. Palpate le fémur et le tibia pour détecter tout dommage grave osseux. Si aucune contre-indication n'est identifiée, transférez l'animal dans sa cage et laissez-le récupérer. Pendant ce temps, surveillez l'animal pour vous assurer qu'il ne présente aucun signe de douleur, comme une réticence à se déplacer, une vocalisation ou une posture anormale.

Imagerie cT de la dégénérescence articulaire

Les images 2D sont obtenues à l'aide de réglages de scanner de 70 kV, courant 85,5 'A (Figure 2B). Les données sont recueillies chaque étape de rotation de 0,6 degrés à une résolution de 11,5 m à travers un 180 'complet. Les images transversales sont reconstruites à l'aide d'un algorithme de rétroprojection lissé et sur la pile d'images reconstruites (Figure 2C). La structure trabéculaire est ensuite analysée par segmentation dans un logiciel, où une sphère de 1,53 mm est centrée dans la plaque épiphysaire des plateaux tibials et du fémur médial et latéral pour déterminer l'épaisseur trabéculaire (m), la séparation trabéculaire (m) et le nombre trabeculaire (1/mm). ^5,6

1. À 4 semaines de dommages post-ACL, euthanasiez le rat avec l'exposition prolongée au CO₂ dans la chambre d'induction.
2. Étendre et sécuriser l'ACL blessé dans un appareil imprimé en 3D personnalisé (figure 2A).
3. Acquérir des images à l'aide de cT.
4. Obtenir des radiographies de plan frontal pour déterminer l'espace articulaire. rétrécissement (entre le condyle fémoral et le plateau tibial [mesuré en mm]) par rapport au membre non blessé.
5. Obtenir des images 2D en utilisant les paramètres suivants du scanner : 70 kV et courant 85,5 'A.
6. Recueillir les données chaque étape de rotation de 0,6 degrés à une taille de pixel de 11,5 m à travers un 180 'complet.
7. Reconstruire des images transversales à l'aide d'un algorithme de rétroprojection lissé sur la pile d'images reconstruites.
8. Pour s'assurer qu'une région d'intérêt cohérente est mesurée, placez une sphère de 1,53 mm dans la plaque épiphysée des plateaux tibials et du fémur médial et latéral pour déterminer l'épaisseur trabeculaire (m), la séparation trabéculaire (m) et le nombre trabeculaire (1/mm).

Figure 2 : A) Appareil imprimé personnalisé pour tenir le membre postérieur pendant les images 2D de CT, B) et C) 3-D 'CT.

Un nombre trabeculaire plus petit, une épaisseur trabéculaire réduite et un espacement trabeculaire plus grand, toutes caractéristiques caractéristiques de l'entrée en PTOA, étaient évidents 4 semaines après la déchirure non invasive de l'ACL(tableau 1 et figure 3). Une image d'un ACL disséqué de membre sain par rapport à un membre blessé aigu est montrée dans la figure 5. Le nouveau modèle non-invasif des dommages d'ACL, où l'ACL est rompu par une charge simple de compression tibial, a pu produire une déchirure proximale d'isolement de l'ACL.

Figure 3: Image 3-D reconstruite de l'ACL-injury (gauche) et 4 semaines après l'ACL (à droite) chez un rat.

Tableau 1: Mesures caractéristiques de l'encours de la PTOA.

Figure 4: Image d'un membre aCL blessé aigu (à gauche) et image d'ACL intact et sain (à droite).

Cette vidéo montre comment un actionneur linéaire peut être utilisé pour produire une rupture non invasive isolée de LCA chez les rats. Cette blessure reproduit étroitement les conditions de blessure pertinentes pour l'homme et est fortement reproductible. Pour surmonter plusieurs des principales limitations des techniques traditionnelles de coloration de l'arthrose, cette méthode utilise le CT pour quantifier la dégénérescence articulaire entière et la structure trabeculaire.

Les interventions fondées sur des données probantes visant à améliorer les résultats de la réadaptation musculo-squelettique sont un domaine très important qui a peu changé au cours des deux dernières décennies, même si des progrès significatifs en biologie de base ont suggéré que des modifications à la réadaptation protocoles sont attendus depuis longtemps. Le problème est que les spécialistes de la réadaptation classique ont utilisé des rapports anecdotiques pour façonner la pratique clinique plutôt que la science fondamentale pour fournir des hypothèses éclairées qui sont testées dans des organismes modèles avant la traduction à la clinique. Les procédures décrites ici fournissent aux scientifiques une méthode pour reproduire de près une blessure articulaire traumatique qui est pertinente pour les humains et l'utilisation de cT pour suivre la progression de la santé articulaire.

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