Elección de ovejas (Ovis aries) como modelo animal para la investigación de la articulación temporomandibular: Caracterización morfológica, histológica y biomecánica del disco articular

Resumen

Los ensayos preclínicos son esenciales para el desarrollo de tecnologías científicas. Se ha realizado una investigación molecular y celular notable utilizando modelos de animales pequeños. Sin embargo, existen diferencias significativas en el comportamiento articular entre estos modelos y los humanos. Por lo tanto, los modelos de animales grandes pueden ser más apropiados para realizar ensayos que involucren la articulación temporomandibular (ATM). El objetivo de este trabajo fue realizar una caracterización morfológica (disección anatómica y sistema de escaneo 3D con luz blanca), histológica (la ATM en bloque fue extraída para análisis histológico) y biomecánica (pruebas de tensión y compresión) de la ATM de ovejas comparando los resultados obtenidos con datos humanos. Los resultados mostraron que el proceso condilar y la fosa mandibular de las ovejas son anatómicamente similares a las mismas estructuras humanas. El disco de la ATM tiene un perímetro elíptico, más delgado en el centro que en la periferia. El área periférica actúa como una estructura de anillo que soporta la zona central. Las células del disco presentan morfología tanto de fibroblastos como de condrocitos. El área marginal está formada por tejido conectivo laxo, con algunas células similares a condrocitos y fibras de colágeno en diversas orientaciones. Los discos obtuvieron un módulo de tensión de 3.97 ± 0.73 MPa y 9.39 ± 1.67 MPa, para la evaluación anteroposterior y mediolateral. Los discos de la ATM presentaron un módulo de compresión (E) de 446.41 ± 5.16 MPa y su valor máximo de tensión (σmax) fue de 18.87 ± 1.33 MPa. Los resultados obtenidos sugieren que estos animales deberían ser considerados como un modelo principal para la investigación de la ATM y la formación en procedimientos. Investigaciones adicionales en el campo de la cirugía oromaxilofacial que involucren la ATM deberían considerar a las ovejas como un buen modelo animal debido a su semejanza con la misma articulación en los humanos.

Introducción

Para mejorar la salud humana, los descubrimientos científicos y las tecnologías deben traducirse en aplicaciones prácticas. Tales avances clásicamente comienzan con la investigación básica y luego progresan al nivel clínico. Inherente al desarrollo de nuevas tecnologías es el papel de los ensayos preclínicos utilizando modelos animales. Aunque ningún modelo animal puede replicar completamente las condiciones humanas, los modelos animales son clave para la evaluación de los mecanismos de la enfermedad, la prueba de nuevas tecnologías y la aplicación de nuevos procedimientos. La articulación temporomandibular (ATM) es la articulación más utilizada en el cuerpo humano. La ATM se abre y se cierra de 1500 a 2000 veces al día y es esencial para las funciones cotidianas de la boca, como la masticación, el habla, la deglución, el bostezo y el ronquido, involucrando una sinergia especial y obligatoria de ambos lados articulares. Las superficies articulares son convexas y, por lo tanto, los movimientos articulares suaves solo son posibles gracias a un disco intraarticular entre ellas. El disco de la ATM es un componente esencial en la ATM normal y tiene las siguientes funciones: distribuye la carga intraarticular, estabiliza las articulaciones durante la traducción y disminuye el desgaste de la superficie articular. Un disco de la ATM desplazado, malformado o dañado puede inducir procesos patológicos de desarreglo interno y/o osteoartritis. Actualmente, los pacientes que sufren de disfunción temporomandibular severa (DTM) tienen pocas opciones de tratamiento. Sin implantes de disco de ATM seguros y efectivos, muchos pacientes se someten a discectomía: un procedimiento quirúrgico que elimina el disco de la ATM lesionado con el objetivo de reducir los síntomas severos de DTM. Este procedimiento puede no ser el ideal, ya que la ATM queda sin una estructura funcional importante. Debido a los problemas anteriores asociados con los materiales aloplásticos utilizados para sustituir el disco de la ATM, como silicona y Proplast-Teflón (PTIPI, Vitek, Inc, Houston, Texas, EE. UU.), muchos grupos descartaron la investigación en este campo. Sin embargo, el impacto potencial de un implante interposicional temporomandibular sintético (IITS) es inmenso. Los fracasos del IITS sintético generalmente se han atribuido a la falta de conocimiento sobre los aspectos biomecánicos y bioquímicos de la ATM. El desarrollo de nuevas tecnologías para la ingeniería de andamiajes en relación con el disco de la ATM está creciendo y el modelo animal ideal para la investigación de la ATM debe estar bien caracterizado. La elección de un animal para el diseño experimental no es sencilla. Debido a las diferencias fisiológicas y anatómicas entre la ATM humana y la de los animales experimentales, no hay un modelo animal que sea válido por sí mismo. La ATM es una característica cardinal que define la clase Mammalia y separa a los mamíferos de otros vertebrados. La ATM muestra una notable variación morfológica y funcional entre diferentes especies, reflejando no solo la gran adaptación de los mamíferos a los mecanismos de alimentación, sino también diferentes comportamientos biomecánicos. Las variaciones morfológicas son correlatos de carga (por ejemplo, tamaño de las superficies articulares) o movimiento (por ejemplo, orientación de la articulación), o ambos. La carga de la ATM es una fuerza de reacción que surge de la contracción de los músculos masticatorios; su magnitud depende en gran medida de la posición del punto de mordida en relación con la línea de acción del músculo. Muchos animales de laboratorio comúnmente utilizados, especialmente los roedores, caen en la categoría de carga mínima de la ATM, especialmente durante la masticación. En contraste, los carnívoros como los perros soportan cargas de la ATM que son más altas que las de los primates. La apertura de la mandíbula generalmente implica una combinación de rotación y deslizamiento hacia adelante (traducción), pero algunos carnívoros han perdido la capacidad de deslizarse y algunos osos hormigueros especializados en su lugar utilizan una rotación alrededor del eje largo de la mandíbula curva. Las variantes evolutivas más extremas incluyen:

• pérdida de la cavidad sinovial en algunas ballenas de barbas;

• pérdida (o posiblemente ausencia primitiva) del disco en monotremas, algunos marsupiales y algunos edentados (oso hormiguero y perezosos);

• variaciones en la orientación de la cavidad articular desde sagital (muchos roedores) hasta transversal (muchos carnívoros);

• inversión de la relación convexa/concava habitual de modo que el processus condylaris se convierte en el elemento femenino (muchos ungulados artiodáctilos como ovejas y ganado).

Además, el tamaño relativo de la articulación es extremadamente variable. Se han utilizado ovejas, conejos y monos como modelos de defecto del disco de la ATM en muchos estudios. El modelo de mono se utiliza poco en los últimos años, considerando el alto costo, la difícil operación quirúrgica y la aprobación ética. El conejo es una excelente opción para estudios de dislocación anterior del disco de la ATM, pero el pequeño tamaño de la ATM aumenta la dificultad para el abordaje quirúrgico y la manipulación del disco. Los autores coinciden con otros estudios en considerar que las ovejas son una opción válida para estudios de la ATM debido al tamaño de la ATM, la forma del processus condylaris y la fossa mandibularis, el tamaño del disco, la morfología y los puntos de unión. Sin embargo, falta una caracterización bioquímica y biomecánica profunda de la ATM de las ovejas en la literatura disponible. Por lo tanto, el objetivo del presente estudio fue examinar las propiedades morfológicas, histológicas y biomecánicas de los discos de la ATM extraídos de ovejas (Ovis aries). Se hipotetizó que estos discos presentarían una alta similitud con los datos disponibles sobre la ATM humana.

Materiales y métodos

El material utilizado para este estudio fue obtenido de ovejas sacrificadas para el consumo de carne. Se utilizaron un total de 15 cabezas de ovejas hembras Black Merino, de 40 a 50 kg: 6 para la caracterización morfológica, 4 para la caracterización histológica y 5 para pruebas biomecánicas. Uno de los principales requisitos para este estudio fue utilizar discos de ATM frescos; por esa razón, un equipo de cirujanos certificados estuvo disponible 5 días a la semana para recolectar discos de ATM frescos hasta un máximo de 5 horas después de la muerte.

En cuanto a las consideraciones éticas sobre los animales, el diseño del presente estudio fue aprobado por la Autoridad Nacional Portuguesa de Salud Animal.

Caracterización morfológica

Para la caracterización morfológica se recolectaron 12 discos de ATM frescos de seis cabezas de oveja. Se realizó una discectomía quirúrgica exponiendo e identificando las estructuras anatómicas de la ATM. Se eliminaron todos los puntos de inserción muscular para obtener discos de ATM limpios. Los discos se sumergieron durante 5 minutos en una solución ColorBond, un infiltrante de curado extremadamente rápido, diseñado para fortalecer rápidamente las piezas impresas en 3D. Esta inmersión fue esencial para mantener la morfología correcta para el escaneo 3D. Se utilizó un sistema de escaneo 3D de luz blanca (Steinbichler — COMET 5^®) y el software apropiado para replicar los discos en un modelo virtual 3D. Una vez retirados los discos, dos de los cráneos se hirvieron en agua (120ºC) durante 2 horas para permitir la obtención de cráneos limpios completos.

Caracterización histológica

Se utilizaron cuatro cabezas de oveja para llevar a cabo la investigación histológica. Las TMJ se extrajeron utilizando una sierra oscilante de hueso de necropsia de acuerdo con las siguientes referencias anatómicas: craneal — aspecto craneal del proceso coronoides en la sección del arco cigomático; caudal — externo al meato acústico. La referencia dorsal se estableció en el hueso temporal escamoso. La referencia ventral fue 2 cm ventral al meato acústico en la zona del ángulo estilohioideo.

Las articulaciones se fijaron en formalina tamponada al 10% durante diez días. La descalcificación se obtuvo mediante inmersión en ácido fórmico al 10% durante tres semanas, después de lo cual las articulaciones se cortaron sagital y transversalmente a través de todo el proceso condilar. Después de un lavado intensivo, los fragmentos se sometieron a un procesamiento rutinario de tejidos con inclusión en parafina. Se realizaron secciones de cuatro micrones que se tiñeron con hematoxilina y eosina (H&E) y con orceína para mostrar fibras elásticas en el disco. Se obtuvieron imágenes digitales con una cámara Olympus DP21.

Pruebas biomecánicas

Se utilizaron cinco cabezas de oveja para estudios biomecánicos. Se retiraron los discos de la ATM y se sumergieron en una solución salina para su transporte hasta las instalaciones de bioingeniería (máximo 1 hora). Se eliminaron todos los músculos y ligamentos para obtener un disco fibrocartilaginoso limpio. Se obtuvieron diez discos limpios, pero uno fue excluido debido a daños quirúrgicos. En consecuencia, 9 discos fueron aleatorizados en 3 grupos y se probaron en diferentes pruebas mecánicas: el módulo de tensión (E), la resistencia a la tracción y la elongación se probaron en: pruebas anteroposteriores (APT) y pruebas mediolaterales (MDT).

Se realizaron pruebas de compresión (CT) utilizando pruebas de esfuerzo-deformación. En el caso de la prueba de tracción anteroposterior, durante la carga, los discos de la ATM se estiraron en la dirección representada en Fig. 1A, mientras que en la prueba de tracción mediolateral la dirección de estiramiento fue como se muestra en Fig. 1B.

Resultados

Caracterización morfológica

En las cabezas de oveja estudiadas, la ATM se localizó, como se esperaba, en el segmento posterior del lado de la cara, cranioventral al meato acustico externo, siendo una articulación diartrodial, bicondilar que permite la apertura y cierre normal de la mandíbula. Comprendía la cara articular superior, la fosa mandibularis del hueso temporal, y el processus condylaris, como la superficie articular inferior (Figs. 2 y 6). Se observó un processus coronoideus protruyente (Fig. 2).

La superficie articular superior (fosa mandibularis) se localizó en la zona inferior del hueso temporal, lateral al foramen ovale y anterior al meato acustico externo. La fosa mandibularis era anteroposteriormente más grande que mediolateralmente, con una convexidad hacia abajo. La superficie articular inferior (Fig. 3) está representada por el processus condylaris, con forma elipsoidal con el eje más largo en la posición mediolateral, siendo las medidas medias de 23.47 mm de largo (σ = 0.87) y 8.32 mm de ancho (σ = 1.54). El processus condylaris era cóncavo mediolateralmente. La fosa mandibularis recibe el processus condylaris.

Con un enfoque quirúrgico fácil, los autores localizaron el disco articular fibrocartilaginoso interpuesto entre la fosa mandibularis y el processus condylaris (Fig. 4). Este disco separa una cavidad articular superior de una inferior. La primera era consistentemente más grande que la segunda. Las estructuras óseas estaban recubiertas de cartílago, más evidente en el processus condylaris.

En las ovejas estudiadas, el disco articular tenía una forma elíptica, siendo sustancialmente más delgado en el centro que en la periferia. Las regiones del disco de la ATM se clasifican comúnmente como banda anterior, banda posterior y zona intermedia (Fig. 5). La zona intermedia presenta diferencias de sus aspectos lateral a medial, siendo a menudo subdividida en región lateral, medial y central. Las bandas del disco son más gruesas que la zona intermedia.

La longitud y el ancho medios de los 12 discos frescos de la ATM analizados fueron de 21.23 mm (σ = 1.53) y 11.49 mm (σ = 0.62), respectivamente. Los grosores de las bandas anterior y posterior fueron de 1.05 mm (σ = 0.07) y 1.27 mm (σ = 0.04), respectivamente. El grosor central medio fue de 0.76 mm (σ = 0.09).

Las mismas medidas obtenidas de los modelos virtuales en 3D fueron totalmente similares a las registradas en los discos frescos. Un informe importante y consistente con toda la ATM fue la presencia de líquido viscoso en el compartimento superior e inferior. Este líquido no fue analizado.

Caracterización histológica

El estudio histológico de la ATM de oveja reveló que el disco articular estaba unido anterior y posteriormente a la cápsula articular compuesta por tejido fibroso. Tanto las superficies de la fosa mandibularis como del processus condylaris estaban cubiertas por una capa fibrocartilaginosa. Sin embargo, la capa fibrocartilaginosa que cubre el processus condylaris era considerablemente más gruesa que la capa que cubre la fosa mandibularis (Fig. 6).

La parte central delgada del disco consistía en fibroblastos dispersos y haces de fibras de colágeno gruesas y densamente empaquetadas dispuestas principalmente en dirección anteroposterior. Las fibras de colágeno no eran rectas, sino que mostraban evidencia de un contorno ondulado. Las porciones anterior y posterior del disco estaban ocupadas a su vez por haces de fibras de colágeno con diversas orientaciones (Fig. 7). En algunas áreas, estas dos porciones mostraban células similares a condrocitos residiendo en lagunas distribuidas entre fibras de colágeno menos compactas (Fig. 7). Cada laguna estaba rodeada por una mínima cantidad de matriz amorfa. La banda posterior se mezclaba, en el espacio retrodiscal, con tejido conectivo laxo con abundante suministro de sangre y nervios. Se observaron algunos vasos sanguíneos de pequeño calibre, rodeados de tejido conectivo laxo, en todas las partes del disco (Fig. 7). También estaban presentes ocasionales adipocitos uniloculares tanto en los anclajes anterior como posterior del disco.

Se encontraron fibras elásticas positivas a orceína en todo el disco, siendo aparentemente más abundantes en la porción central más delgada. En esta área del disco, las fibras elásticas estaban dispuestas principalmente en paralelo a los paquetes de colágeno (Fig. 8). En cambio, en las porciones anterior y posterior del disco, las fibras elásticas mostraron una distribución reticular entre las fibras de colágeno y las células similares a condrocitos (Fig. 8).

Caracterización biomecánica

En la Tabla 1, se presentan las medidas de los discos utilizados en las pruebas mecánicas.

Las pruebas de tracción realizadas revelaron que los discos de la articulación temporomandibular (ATM) presentaron diferentes comportamientos en las direcciones anteroposterior y mediolateral (Fig. 9).

Los resultados obtenidos demostraron que el módulo de tensión de las pruebas de tracción mediolateral es mayor que el de las pruebas de tracción anteroposterior, así como la resistencia a la tracción y la elongación en el punto de ruptura (Figs. 10 y 11).

En la Tabla 2 se resumen los resultados obtenidos para los discos probados en cuanto a módulo de tensión, resistencia a la tracción y elongación a la ruptura.

Se realizaron pruebas mecánicas bajo compresión para evaluar el rendimiento macro-mecánico de los discos de la ATM.Fig. 12 demuestra las curvas de tensión-deformación por compresión de los discos probados.

Los discos de la ATM presentaron un módulo de compresión (E) de 446.41 ± 5.16 MPa y su valor máximo de estrés (σmax) fue de 18.87 ± 1.33 MPa.

Discusión

El disco de la ATM es un tejido fibrocartilaginoso especializado, ubicado entre el proceso condilar y la fosa mandibular, como se muestra en nuestra caracterización morfológica de ovejas. En los humanos, el disco de la ATM tiene un perímetro elíptico, más delgado en el centro que en la periferia. La periferia del disco actúa como una estructura de anillo que soporta la zona central. Lo mismo se observó en la morfología del disco de oveja. Las funciones del disco de la ATM son:

• mejorar el ajuste entre las superficies óseas;

• proporcionar estabilidad durante los movimientos mandibulares;

• distribuir las fuerzas masticatorias.

Esta capacidad se debe a la alta concentración de fibras de colágeno. Esta estructura en forma de anillo alrededor del disco es un aspecto estructural importante para soportar las conexiones del disco. El área de conexión es rica en fibras elásticas, lo cual es esencial para la movilidad del disco en la articulación. Como se mostró en la caracterización morfológica de la ATM de oveja, esta estructura anatómica reveló varias características similares con la ATM en humanos, incluyendo que el diámetro mediolateral es más largo que el anteroposterior, el eje largo del processus condylaris se dirige hacia atrás, y una mayor pendiente condilar anterior. Una de las principales diferencias es la forma cóncava del processus condylaris mediolateral que es convexa en humanos. El processus condylaris forma una pequeña depresión anteroposterior y mediolateral para encajar exactamente en la fossa mandibularis, a diferencia del processus condylaris humano, que es redondeado anteroposterior y mediolateral. La fossa mandibularis es anteroposteriormente más grande que mediolateralmente con una convexidad hacia abajo, contrariamente a la fossa mandibularis en humanos que es cóncava hacia arriba. La fossa mandibularis permite el libre movimiento mediolateral del processus condylaris para la rumia. El tubérculo articular, una característica especial en humanos, es rudimentario en la oveja, ya que la trayectoria del movimiento del processus condylaris es mediolateral, a diferencia de la de los humanos, que es mayormente anteroposterior. Comparativamente, la fossa y el processus condylaris de la oveja son muy similares a la ATM humana edéntula, siendo mucho más planos. Arquitectónicamente, el processus condylaris en ambas especies también tiene una delgada corteza externa que rodea el hueso medular que está compuesto de hueso trabecular. También hay una delgada capa de fibrocartílago que cubre la superficie condilar y toda la fossa mandibularis, indicando partes de la articulación temporomandibular que están sujetas a la mayor carga. La relación de la ATM con el meato acústico externo, el foramen oval y la posición del disco articular que interponen el processus condylaris y la fossa mandibularis son similares a la anatomía de la ATM humana. La morfología del disco de la ATM es muy similar a la del disco de la ATM humana. La elección de la oveja como modelo animal para estudios de la ATM se ha utilizado durante varios años. Los implantes de disco de la ATM pueden ser un complemento eficaz en la reconstrucción articular bioingeniería y los modelos animales pueden ofrecer la posibilidad de realizar estudios preclínicos informativos. Uno de los problemas más importantes para crear un TII efectivo es replicar las características biomecánicas del disco nativo. Por lo tanto, la información sobre las propiedades biomecánicas del material sustituto es indispensable para investigaciones futuras en ingeniería de tejidos del disco de la ATM. Durante los movimientos mandibulares, el disco de la ATM está sujeto a una multitud de diferentes regímenes de carga. El disco de la ATM se comporta como una estructura viscoelástica actuando como un absorbente de estrés y un distribuidor de estrés. Las fibras elásticas juegan un papel importante proporcionando al disco la estructura viscoelástica necesaria. Durante cada tipo de carga, el disco sufre una deformación, mientras se producen fuerzas internas dentro del tejido. Las fuerzas internas se cuantifican por la cantidad de estrés, que se define como fuerza por unidad de área en Pa (1 Pa = 1 N/m2). Solo hay dos estudios disponibles sobre el disco de la ATM bovina en los que se han comparado el módulo de tensión y el módulo de compresión utilizando el mismo protocolo experimental y material. En estos estudios, el módulo de tensión varió entre 22 y 26 MPa, y el módulo de compresión entre 14 y 17 MPa. Hay datos sobre los discos de la ATM porcinos, caninos y humanos disponibles en la literatura, pero los métodos utilizados para la obtención y procesamiento del disco no siempre son claros. Los módulos de tensión reportados son aproximadamente 0.5—80 MPa, 20—25 MPa y 40—100 MPa, respectivamente, para los modelos animales mencionados anteriormente. Para evaluar el comportamiento mecánico de los discos de la ATM de oveja, los autores informan, por primera vez, que fue posible estimar, el módulo de tensión anteroposterior y mediolateral y el módulo de compresión. El uso de discos de la ATM frescos ha contribuido a que los resultados sean representativos de la realidad. Los movimientos mandibulares de la oveja son mayormente mediolaterales, lo que explica el mejor rendimiento del disco de la ATM soportando tensión en la dirección mediolateral. En conclusión, la oveja parece ser un excelente modelo experimental para estudios de la ATM, siendo una especie grande con muchas similitudes anatómicas con la estructura humana en relación con el enfoque quirúrgico, el tamaño, la forma y la posición de las estructuras anatómicas del processus condylaris. El disco de la ATM parece ser muy similar al disco de la ATM humana en cuanto a morfología, histología y biomecánica. Es propósito del autor que el presente trabajo ayude a futuras investigaciones en el campo de la oromaxilofacial realizadas en ovejas como una excelente alternativa a otras especies animales experimentales más convencionales, también más adecuadas para la formación quirúrgica procedimental.

D.F. Angelo, P. Morouço, N. Alves, T. Viana, F. Santos, R. González, F. Monje, D. Macias, B. Carrapiço, R. Sousa, S. Cavaco-Gonçalves, F. Salvado, C. Peleteiro, M. Pinho

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