نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسنده

دانشیار، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22041/ijbme.2010.13339

چکیده

در برخی از مطالعات پیشین تاثیر فشار بر سلول های دیسک بین مهره ای (IVD) در شرایط مختلف بارگذاری دینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است. با وجود این، در بسیاری از این مطالعات فشار هیدروستاتیک در مقادیر پایین استفاده شده و مطالعات کمی تاثیر اعمال فشار بالا را با فرکانس های مختلف بر سلول های IVD گزارش نموده اند. در این پژوهش و در ادامه این مطالعات، به منظور بررسی فرضیه وابستگی تحریک سنتز کلاژن در این گروه از سلول ها به فشار هیدروستاتیک اعمالی و فرکانس آن، آزمایش هایی بر مبنای سیستم کشت تک لایه ای طرح ریزی شد. برای اعمال فشار هیدروستاتیکی، سلول های IVD به صورت کشت تک لایه ای در یک مخزن تحت فشار طراحی شده تحت بارگذاری دینامیکی قرار گرفتند. سلول ها از IVD ناحیه ستون مهره های کمر خوک تهیه شده و در فلاسک کشت سلولی رشد داده و پس از جدایش با تریپسین، در ظروف 35 mm کشت، بارگذاری شدند. سلول ها به مدت 3 و 7 روز (هر روز 20 دقیقه) تحت بارگذاری هیدروستاتیک سیکلی، با فشار و فرکانس های مختلف قرار گرفتند (به نمونه کنترل نیرویی اعمال نمی شود)، کلاژن درون سلولی با 3 [[H-proline در روز دوم و ششم بارگذاری، نشان گذاری شد. پس از بارگذاری، در روز سوم و هفتم، محیط کشت و سلول ها به طور جداگانه منجمد شدند. شمارش گر جرقه ای مقدار کلاژن سلول ها و کلاژن آزاد شده در محیط را تعیین نمود؛ این مقادیر به وسیله DNA نرمالیزه شدند. در این سیستم، اختلاف قابل ملاحظه ای در نتایج واکنش سلولی در شرایط مختلف بارگذاری (p<0.05) مشاهده شد. در مقایسه با نمونه های کنترل، مقدار کلاژن آزاد شده در نیروی بالا و فرکانس پایین (MPa5 و Hz1)، کاهش و در فرکانس بالا (MPa5 و Hz15)، افزایش یافت که نشان دهنده واکنش آنابولیکی در فشار بالا و پاسخ کاتابولیکی در فرکانس بالاست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effects of Cyclic Hydrostatic Pressure on Intervertebral Disc Cells

نویسنده [English]

  • Mehran Kasra

Associate Professor, BioMedical Engineering School, Amir Kabir University of Technology

چکیده [English]

The influence of compression on intervertebral disc cells has been examined in a number of previous studies. However, in most of these studies hydrostatic pressure was used at low levels, and few studies reported the effects of high pressures within a large range of frequencies on intervertebral disc cells response. The aim of the study was to test the hypothesis that frequency dependent hydrostatic pressure stimulates collagen synthesis in the intervertebral disc cells to a certain level. Hydrostatic pressure was applied to the intervertebral disc cells in a monolayer culture using a custom-made piston chamber pressure vessel. Briefly, cells were harvested from the intervertebral discs in the lumbar region of a pig, plated, and grown to confluence in culture flasks; they were then trypsinized and re-attached to 35mm culture dishes. With cyclic, hydrostatic loading, the cells were exposed to varied pressures and frequencies for 20 minutes a day for 3 and 7 days (the controls received no loading). The intracellular collagen was labeled with 3[H]-proline after loading on days 2 and 6. Following treatments on days 3 and 7, both the media and cells were frozen separately. Scintillation counting determined the amount of collagen incorporated in the cells and released into the media; these values were normalized by DNA. In this culture system, the results indicated significant differences (P<0.05) in cell response at different loading conditions. Compared to the control group there was a significant decrease in released collagen at high loading amplitude and low frequency (5MPa, 1Hz) which increased significantly at high loading frequencies (5MPa, 15Hz) indicating anabolic response at high pressures which became catabolic at high frequencies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrostatic pressure
  • Dynamics
  • intervertebral disc
  • Disc cells
  • collagen

[1]     Pope M. H., Magnusson M., Wilder D. G., Kappa Delta Award. Low back pain and whole body vibration, Clin Orthop, 1998; 354: 241-248.

[2]     Hutton W. C., Elmer W. A., Boden S. D., Hyon S., Toribatake Y., Tomita K., Hair G. A., The effect of hydrostatic pressure on intervertebral disc metabolism, Spine, 1999; 24: 1507-1515.

[3]     Frymoyer J.W., Magnitude of the problem. In: (Eds). S. Wiesel, J.N. Weinstein, H. Herkowitz, J. Dvorak and G. Bell, The Lumbar Spine. W.B. Sanders company, Philadelphia, 1996: 8-16.

[4]     Kasra M., Wang S., Martin J., Wang S.T., Choi W., Buckwalter J., Effect of dynamic hydrostatic pressure on intervertebral disc cells: a rabbit model. J Orthop Res, 2003; 21: 597–603.

[5]     Sato K., Kikuchi S, Yonezawa T In vivo intradiscal pressure measurement in healthy individuals and in patients with ongoing back problems. Spine 1999; 24 (23): 2468-74.

[6]     Ranu H.S., Measurement of pressures in the nucleus and within the annulus of the human spinal disc: due to extreme loading, Proc Inst Mech Eng; 1991; 205 (1): 141-146.

[7]     Gruber H.E., Hanley E.N. Jr, Analysis of aging and degeneration of the human intervertebral disc. Comparison of surgical specimens with normal controls. Spine, 1998; 23 (7): 751-7.

[8]     Buckwalter J.A., Aging and degeneration of the human intervertebral disc. Spine, 1995; 20 (11):1307-14.

[9]     Guiot B.H., Fessler R.G., Molecular biology of degenerative disc disease. Neurosurgery, 2000; 47 (5): 1034-40.

[10] Lyons G., Eisenstein S.M., Sweet M.B., Biochemical changes in intervertebral disc degeneration. Biochim Biophys Acta, 1981; 673(4): 443-53.

[11] Kasra M., Merryman W.D., Loveless K.N., Goel V.K., Martin J.D., Buckwalter J.A., Frequency Response of Pig Intervertebral Disc Cells Subjected to Dynamic Hydrostatic Pressure, J Orthoaedic Research, 2006; 24: 1967-1973.

[12] Lotz J.C., Chin J.R., Intervertebral disc cell death is dependent on the magnitude and duration of spinal loading, Spine, 2000; 25 (12): 1477-83.

[13] Iatridis J.C., Mente P.L., Stokes I.A., Aronsson D.D., Alini M Compression-induced changes in intervertebral disc properties in a rat tail model, Spine, 1999; 24 (10): 996-1002.

[14] Handa T., Ishihara H., Ohshima H., Osada R., Tsuji H., Obata K., Effects of hydrostatic pressure on matrix synthesis and matrix metalloproteinase production in the human lumbar intervertebral disc, Spine, 1997; 15: 1085-1091.

[15] Ishihara H., McNally D. S., Urban J. P., Hall A. C., Effects of hydrostatic pressure on matrix synthesis in different regions of the intervertebral disk, J Appl Physiol, 1996; 80: 839-846.

[16] Thompson J.P., Oegema T.R. Jr, Bradford D.S., Stimulation of mature canine intervertebral disc by growth factors, Spine, 1991; 16 (3): 253-60.

[17] Gruber H.E., Norton H.J., Hanley E.N., Jr Antiapoptotic effects of IGF-1 and PDGF on human intervertebral disc cells in vitro. Spine, 2000; 25 (17): 2153-7.