Funktionale Ganganalyse zur Ergebnisbeurteilung verschiedener muriner Sehnenmodelle in einem automatisierten, quantitativen Kleintieranalysesystem

Abstract

Sehnen stellen einen wichtigen Bestandteil des Halteapparats dar und dienen der Kraftübertragung zwischen Muskeln und Knochen. Ihre Verletzungen machen einen Großteil der muskuloskelettalen Verletzungen weltweit aus und können insbesondere chronische Schmerzen verursachen. In den bisher publizierten Studien zu Sehnendefekten und deren Heilung standen bis dato die biomechanische Belastbarkeit sowie immunhistochemische und proteinanalytischen Methoden wie Western Blots im Fokus. Die Auswertung von Sehnenverletzungen durch eine Ganganalyse mittels eines automatisierten Ganganalysesystems wurde bisher nur wenig bis gar nicht genutzt, obwohl dies in anderen Forschungsbereichen bereits ein etabliertes und gängiges Verfahren ist. Ziel dieser Arbeit war es verschiedene Sehnendefekte in der Ganganalyse mittels CatWalk™ XT – einem automatisierten System für die quantitative Bewertung von Schritten und Ganganalysen bei Nagetieren – zu analysieren. Dazu wählten wir das Mausmodell und führten an 48 C57BL/6-Mäusen eine Tenotomie beziehungsweise partielle Tenotomie der Achilles-, Patellarsehne oder Sehne des M. flexor digitorum longus des linken Hinterlaufes durch. Die Auswertung über das CatWalk™ XT erfolgte einen Tag präoperativ sowie postoperativ an den Tagen 1, 3, 7, 14 und 36. Wir werteten dabei die Parameter maximale Kontaktfläche, Abdruckfläche, maximale Abdruckintensität, durchschnittliche Abdruckintensität, Schrittlänge, Laufdauer, Standphase, Schwungphase, Schrittfolge und prozentuale Standphase der linken Hinterpfote aus. Wir verglichen dabei partielle Tenotomien mit Tenotomien anhand der jeweilig verletzten Sehne, sowie die unterschiedlichen Sehnenverletzungen zueinander. Die Auswertung ergab signifikante Veränderungen bei der maximalen Kontaktfläche, maximalen und durchschnittlichen Abdruckintensität, Abdruckfläche, Standphase und prozentualen Standphase. Nach der Intervention zeigte sich zunächst ein Abfall der oben genannten Parameter, mit einem Minimum an Tag 3. Es folgte dann der sukzessive Anstieg der Parameter, bis nach 36 Tagen ähnliche Werte wie präoperativ festgestellt werden konnten. Besonders ausgeprägt war dieser Verlauf in den Gruppen der tenotomierten Achilles- und Patellarsehne, etwas weniger bei der Tenotomie der Flexor digitorum longus-Sehne. Die partiellen Tenotomien zeigten einen ähnlichen Verlauf. Dieser war jedoch geringer und nicht bei allen Parametern signifikant. Keine signifikanten Veränderungen über 36 Tage zeigten sich in allen Versuchsgruppen in der Laufdauer. Bei den Parametern Schwungphase, Schrittlänge und Schrittfolge waren nur gelegentlich signifikante Unterschiede erkennbar, die allerdings weder konkrete Rückschlüsse auf Veränderungen des Gangbildes durch die Defektsetzung noch auf eine resultierende Heilungsphase zuließen. Zusammenfassend lieferte die Ganganalyse mittels CatWalk™ XT aussagekräftige Ergebnisse über die verschiedenen Sehnendefekte und deren Heilungsprozess. Der Vorteil gleichzeitig eine Vielzahl an sowohl statischen als auch dynamischen Gangparametern auswerten zu können sowie die Möglichkeit einer unbegrenzten Anzahl an Versuchsläufen macht das CatWalk™ XT zu einem Tool, welches bewährte Methoden zu Sehnenverletzungen zukünftig sehr gut ergänzen könnte. Insbesondere die partiellen Tenotomien lassen standardisierte Defekte zu und eignen sich somit gut für die Untersuchung der Wirkung unterschiedlicher Therapeutika.

Tendons are an important part of the connective tissue. They transmit forces from muscles to bones. Tendon injuries represent a significant proportion of musculoskeletal disorders and especially can cause chronic pain. In previous publications researchers investigated tendon injuries and their regeneration by evaluating their biomechanical load-bearing capacity or analyzed them histologically, immunohistochemically or via western blot analysis. Up to now there is no literature describing the assessment of different tendon defect models in animals using an automated quantitative gait analysis system, despite it is already an established and common tool in other research projects. In this study we investigated whether different tendon defect models can be assessed properly via gait analysis using the CatWalk™ XT. The CatWalk™ XT is a system for the quantitative assessment of footfalls and motor performance in rodents. We performed a tenotomy or partial tenotomy of the achilles tendon, patellar tendon, or tendon of the flexor digitorum longus muscle of the left hind limb in 48 C57BL/6 mice, respectively. We measured gait analysis data via CatWalk™ XT one day preoperative and postoperative on day 1, 3, 7, 14 and 36. We analyzed the parameters max contact area, print area, max contact max intensity, max contact mean intensity, stride length, run duration, stand, swing, step cycle and duty cycle of the left hind. We compared the partial tenotomy versus tenotomy and the tenotomies and partial tenotomy of different tendons among each other. We found significant changes for stand, max contact area, max contact max intensity, max contact mean intensity, print area und duty cycle. There was a decrease of these parameters right after the intervention with a minimum at day 3. Then the measurements had a gradual increase nearly up to preoperative values after 36 days. The course of the parameters was particularly distinctive in mice who received either a tenotomy of the achilles or the patellar tendon. This effect was less apparent in the flexor digitorum longus group. The partial tenotomy showed likewise results, however, with clearly fewer changes in total. No significant changes were found over 36 days in all intervention groups by assessing the run duration. The assessment of the parameters swing, stride length and step cycle showed significant changes occasionally. However, these results where neither suitable to make concrete conclusions about changes in gait analysis caused by the injury nor by a resulting regeneration phase. Finally, we conclude that the CatWalk™ XT gait analysis system is a reliable tool to assess different tendon defect models and their phase of regeneration. Especially the advantage of analyzing a multiplicity of both static and dynamic gait parameters and the possibility to perform an infinite number of runs makes the CatWalk™ XT gait analysis system a reliable addition to already approved methods. Especially the partial tenotomy can be used to create standardized defects and might be suitable for further investigations of therapeutics.