Sonoelastography Can Be Used to Monitor the Restoration of Achilles Tendon Elasticity after Injury

Abstract

Purpose: The aim of the current study was to evaluate an ultrasound approach for depicting elastic recovery after stem cell application on injured Achilles tendons.

Materials and Methods: A rabbit Achilles tendon injury model was used and randomized hind limbs received an extracellular matrix either with autologous mesenchymal stem cells (group 2, n = 6) or without (group 3, n = 6). The cells were harvested from the rabbits’ nuchal fat body. Untreated Achilles tendons (group 1, n = 6) served as controls. Specimens were harvested after 8 weeks and analyzed longitudinally for elasticity using a high resolution 6 – 15 MHz matrix linear probe. For each tendon, real-time color-coded sonoelastography sequences were recorded for 20 seconds and 10 color histogram frames were obtained. Defined regions of interest (ROIs) were placed on the injury (n = 3) and on the adjacent uninjured tendon tissue (n = 3). In total, 180 measurements were obtained for semi-quantitative analysis.

Results: Repeated measures ANOVA demonstrated a higher elasticity for the stem cell-seeded matrix (group 2) in comparison to the unseeded matrix (group 3) (p < 0.001). No significant difference was found between the injured tendon tissue treated with stem cell-seeded matrix (group 2) and the uninjured Achilles tendons (group 1) (p > 0.05). Moreover, no differences were found between the measurements at different points in time (p > 0.05).

Conclusion: Our results indicate that autologous mesenchymal stem cell application successfully restores the mechanical properties of injured tendon tissue. Furthermore, sonoelastography makes it possible to monitor the elasticity of injured Achilles tendons.

Zusammenfassung

Ziel: Ziel der Studie war es, die Elastizität von Achillessehnengewebe nach autologer mesenchymaler Stammzellapplikation unter Verwendung der Sonoelastografie zu untersuchen.

Material und Methoden: Die Achillessehne beider Hinterläufe wurde in neun Neuseelandkaninchen durchtrennt und randomisiert drei Gruppen zugeteilt, wobei eine extrazelluläre Matrix mit Stammzellen (Gruppe 2, n = 6) und ohne Stammzellen (Gruppe 3, n = 6) verwendet wurde. In der Kontrollgruppe wurde eine Shame-Operation durchgeführt (Gruppe 1, n = 6). Die Extraktion der Stammzellen erfolgte aus dem nuchalen Fettkörper. Nach 8 Wochen die Elastizität der Sehnen mit einer hochauflösenden 6 – 15 MHz Matrix-Linear-Sonde untersucht. Für jede Sehne wurde eine 20 Sekunden farbkodierte Sonoelastografiesequenz aufgezeichnet und 10 Farbhistogramme untersucht. Definierte Regions of Interests (ROIs) wurden über den Sehnendefekt (n = 3) und über angrenzendes vitales Sehnengewebe (n = 3) gelegt. Für die semiquantitativen Auswertungen wurden 180 Einzelmessungen aufgezeichnet und ausgewertet.

Ergebnisse: In Gruppe 2 konnte für Achillessehnen mit beladener Matrix eine höhere Elastizität im Vergleich zu Achillessehnen mit unbeladener Matrix in Gruppe 3 gemessen werden (p < 0,001; ANOVA). Hinsichtlich des Elastizitätsindex (EI) von unbehandeltem Sehnengewebe (Gruppe 1) und Sehnengewebe mit beladener Matrix (Gruppe 2) konnte kein Unterschied gefunden werden (p > 0,05). Für alle Einzelmessungen der verschiedenen Messzeitpunkte konnte kein signifikanter Unterschied festgestellt werden (p > 0,05).

Schlussfolgerung: Die Applikation von autologen mesenchymalen Stammzellen aus Fettgewebe hat zu einer vollständigen Wiederherstellung der Elastizität des Sehnengewebes nach Achillessehnenverletzung geführt. Die Sonoelastografie eignet sich die Regeneration der Elastizität nach Achillessehnenverletzung zu beurteilen.

Key words

tendons - ultrasound - animal investigations - adipose tissue-derived stem cells

• References

• 1 Möller A, Astron M, Westlin N. Increasing incidence of Achilles tendon rupture. Acta Orthop Scand 1996; 67: 479-481
• 2 Majewski M, Widmer KH, Steinbrück K. Die Achillessehnenruptur ─ Erfahrungen aus 25 Jahren sportorthopädischer Behandlung. Sportverletz Sportschaden 2002; 16: 167-173
• 3 Majewski M, Porter RM, Betz OB et al. Improvement of tendon repair using muscle grafts transduced with TGF-β1 cDNA. Eur Cell Mater 2012; 23: 94-101
• 4 Gehmert S, Gehmert S, Hidayat M et al. Angiogenesis: the role of PDGF-BB on adipose-tissue derived stem cells (ASCs). Clin Hemorheol Microcirc 2011; 48: 5-13
• 5 Kern S, Eichler H, Stoeve J et al. Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow, umbilical cord blood, or adipose tissue. Stem Cells 2006; 24: 1294-1301
• 6 Oedayrajsingh-Varma MJ, van Ham SM, Knippenberg M et al. Adipose tissue-derived mesenchymal stem cell yield and growth characteristics are affected by the tissue-harvesting procedure. Cytotherapy 2006; 8: 166-177
• 7 Schreml S, Babilas P, Fruth S et al. Harvesting human adipose tissue-derived adult stem cells: resection versus liposuction. Cytotherapy 2009; 11: 947-957
• 8 Uysal AC, Mizuno H. Tendon regeneration and repair with adipose derived stem cells. Curr Stem Cell Res Ther 2010; 5: 161-167
• 9 Chong AKS, Ang AD, Goh JCH et al. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells influence early tendon-healing in a rabbit achilles tendon model. J Bone Joint Surg Am 2007; 89: 74-81
• 10 Young RG, Butler DL, Weber W et al. Use of mesenchymal stem cells in a collagen matrix for Achilles tendon repair. J Orthop Res 1998; 16: 406-413
• 11 Stoll C, John T, Conrad C et al. Healing parameters in a rabbit partial tendon defect following tenocyte/biomaterial implantation. Biomaterials 2011; 32: 4806-4815
• 12 Schepull T, Kvist J, Andersson C et al. Mechanical properties during healing of Achilles tendon ruptures to predict final outcome: a pilot Roentgen stereophotogrammetric analysis in 10 patients. BMC Musculoskelet Disord 2007; 8: 116-127
• 13 Klauser AS, Faschingbauer R, Jaschke WR. Is sonoelastography of value in assessing tendons?. Semin Musculoskelet Radiol 2010; 14: 323-333
• 14 Tan S, Kudaş S, Özcan A et al. Real-time sonoelastography of the Achilles tendon: pattern description in healthy subjects and patients with surgically repaired complete ruptures. Skeletal Radiology 2011; 11: 1-6
• 15 Barr RG, Zhang Z. Effects of precompression on elasticity imaging of the breast: development of a clinically useful semiquantitative method of precompression assessment. J Ultrasound Med 2012; 31: 895-902
• 16 Kwon DR, Park GY. Diagnostic value of real-time sonoelastography in congenital muscular torticollis. J Ultrasound Med 2012; 31: 721-727
• 17 Mansour N, Stock KF, Chaker A et al. Untersuchung von Parotisläsionen mittels Ultraschall, farbkodierter Duplex-Sonografie, Sonoelastografie und Acoustic-Radiation-Force-Impulse-Technologie – eine Pilotstudie. Ultraschall in der Medizin 2012; [Epub ahead of print]
• 18 Bai M, Du L, Gu J et al. Virtual touch tissue quantification using acoustic radiation force impulse technology: initial clinical experience with solid breast masses. J Ultrasound Med 2012; 31: 289-294
• 19 Barr RG, Destounis S, Lackey LB et al. Evaluation of breast lesions using sonographic elasticity imaging: a multicenter trial. J Ultrasound Med 2012; 31: 281-287
• 20 Jung HJ, Hahn SY, Choi HY et al. Breast sonographic elastography using an advanced breast tissue-specific imaging preset: initial clinical results. J Ultrasound Med 2012; 31: 273-280
• 21 Frank C, McDonald D, Wilson J et al. Rabbit medial collateral ligament scar weakness is associated with decreased collagen pyridinoline crosslink density. J Orthop Res 1995; 13: 157-165
• 22 Birk DE, Mayne R. Localization of collagen types I, III and V during tendon development. Changes in collagen types I and III are correlated with changes in fibril diameter. Eur J Cell Biol 1997; 72: 352-361
• 23 Parry DA. The molecular and fibrillar structure of collagen and its relationship to the mechanical properties of connective tissue. Biophys Chem 1988; 29: 195-209
• 24 Awad HA, Boivin GP, Dressler MR et al. Repair of patellar tendon injuries using a cell-collagen composite. J Orthop Res 2003; 21: 420-431
• 25 Khan RJ, Carey SmithRL. Surgical interventions for treating acute Achilles tendon ruptures. Cochrane Database Syst Rev 2010; CD003674