Multi-body simulation of a canine hind limb: model development, experimental validation and calculation of ground reaction forces

Background: Among other causes the long-term result of hip prostheses in dogs is determined by aseptic loosening. A prevention of prosthesis complications can be achieved by an optimization of the tribological system which finally results in improved implant duration. In this context a computerized model for the calculation of hip joint loadings during different motions would be of benefit. In a first step in the development of such an inverse dynamic multi-body simulation (MBS-) model we here present the setup of a canine hind limb model applicable for the calculation of ground reaction forces. Methods: The anatomical geometries of the MBS-model have been established using computer tomography- (CT-) and magnetic resonance imaging- (MRI-) data. The CT-data were collected from the pelvis, femora, tibiae and pads of a mixed-breed adult dog. Geometric information about 22 muscles of the pelvic extremity of 4 mixed-breed adult dogs was determined using MRI. Kinematic and kinetic data obtained by motion analysis of a clinically healthy dog during a gait cycle (1 m/s) on an instrumented treadmill were used to drive the model in the multi-body simulation. Results and Discussion: As a result the vertical ground reaction forces (z-direction) calculated by the MBS-system show a maximum deviation of 1.75%BW for the left and 4.65%BW for the right hind limb from the treadmill measurements. The calculated peak ground reaction forces in z- and y-direction were found to be comparable to the treadmill measurements, whereas the curve characteristics of the forces in y-direction were not in complete alignment. Conclusion: In conclusion, it could be demonstrated that the developed MBS-model is suitable for simulating ground reaction forces of dogs during walking. In forthcoming investigations the model will be developed further for the calculation of forces and moments acting on the hip joint during different movements, which can be of help in context with the in silico development and testing of hip prostheses.

Analysis of a stochastic SIR epidemic on a random network incorporating household structure

This paper is concerned with a stochastic SIR (susceptible-infective-removed) model for the spread of an epidemic amongst a population of individuals, with a random network of social contacts, that is also partitioned into households. The behaviour of the model as the population size tends to infinity in an appropriate fashion is investigated. A threshold parameter which determines whether or not an epidemic with few initial infectives can become established and lead to a major outbreak is obtained, as are the probability that a major outbreak occurs and the expected proportion of the population that are ultimately infected by such an outbreak, together with methods for calculating these quantities. Monte Carlo simulations demonstrate that these asymptotic quantities accurately reflect the behaviour of finite populations, even for only moderately sized finite populations. The model is compared and contrasted with related models previously studied in the literature. The effects of the amount of clustering present in the overall population structure and the infectious period distribution on the outcomes of the model are also explored.

Étude du rôle de la membrane basale spécialisée dans la maturation de l'émail

Les cellules épithéliales qui produisent l’émail, les améloblastes, sont séparées de l'émail au niveau de la zone de maturation par une membrane basale spécialisée (MBS) enrichie en laminine 332 (LM-332). Cette protéine hétérotrimérique (composée des chaînes α3, ß3 et γ2) assure l'intégrité structurelle des membranes basales (MB) et influence divers processus cellulaires épithéliaux tels que l'adhésion et la différenciation cellulaire. Des modèles de souris « knockout » (KO), où les gènes codant pour LM-332 ont été supprimés, meurent peu après la naissance. Néanmoins, ce phénotype létal peut être contourné en substituant chez la souris le gène produisant la chaîne γ2 de la laminine (LAMC2) par sa forme humaine, sous le contrôle de l’expression du promoteur-rtTA, de la cytokératine 14, inductible par la prise de doxycycline (Dox) - (Tet-on). Le but de ce projet est d’examiner si l’utilisation de cette protéine humaine chez la souris a un effet sur la structuration de la MBS ainsi que sur la maturation de l'émail. La phase de maturation de l’organe de l’émail chez la souris transgénique a été sévèrement altérée par rapport à une souris normale (WT). La MBS n’est plus visible, une matrice dystrophique s’est formée dans la couche d'émail dans la phase de maturation, et la présence d’une matrice résiduelle de l'émail est observée durant la phase tardive de maturation. Des micro-analyses tomographiques ont révélé une usure excessive des surfaces occlusales des molaires, un écroulement de l'émail sur les pointes des incisives et une hypominéralisation de l'émail. Cependant, aucune altération structurale due à cette recombinaison transgénique n’a été observée dans d'autres sites épithéliaux, tels que la peau, le palais et la langue. Ces résultats indiquent que, bien que ce modèle de souris humanisée soit capable de rétablir ses fonctions dans divers tissus épithéliaux, il est incapable de soutenir la structuration d'une MBS à l'interface entre les améloblastes et l’émail en maturation. Cet échec peut être lié à la composition spécifique de la MBS dans la phase de maturation et supporte l’hypothèse que la MBS est essentielle pour la maturation adéquate de l'émail.

Étude du rôle de la membrane basale spécialisée dans la maturation de l'émail

Les cellules épithéliales qui produisent l’émail, les améloblastes, sont séparées de l'émail au niveau de la zone de maturation par une membrane basale spécialisée (MBS) enrichie en laminine 332 (LM-332). Cette protéine hétérotrimérique (composée des chaînes α3, ß3 et γ2) assure l'intégrité structurelle des membranes basales (MB) et influence divers processus cellulaires épithéliaux tels que l'adhésion et la différenciation cellulaire. Des modèles de souris « knockout » (KO), où les gènes codant pour LM-332 ont été supprimés, meurent peu après la naissance. Néanmoins, ce phénotype létal peut être contourné en substituant chez la souris le gène produisant la chaîne γ2 de la laminine (LAMC2) par sa forme humaine, sous le contrôle de l’expression du promoteur-rtTA, de la cytokératine 14, inductible par la prise de doxycycline (Dox) - (Tet-on). Le but de ce projet est d’examiner si l’utilisation de cette protéine humaine chez la souris a un effet sur la structuration de la MBS ainsi que sur la maturation de l'émail. La phase de maturation de l’organe de l’émail chez la souris transgénique a été sévèrement altérée par rapport à une souris normale (WT). La MBS n’est plus visible, une matrice dystrophique s’est formée dans la couche d'émail dans la phase de maturation, et la présence d’une matrice résiduelle de l'émail est observée durant la phase tardive de maturation. Des micro-analyses tomographiques ont révélé une usure excessive des surfaces occlusales des molaires, un écroulement de l'émail sur les pointes des incisives et une hypominéralisation de l'émail. Cependant, aucune altération structurale due à cette recombinaison transgénique n’a été observée dans d'autres sites épithéliaux, tels que la peau, le palais et la langue. Ces résultats indiquent que, bien que ce modèle de souris humanisée soit capable de rétablir ses fonctions dans divers tissus épithéliaux, il est incapable de soutenir la structuration d'une MBS à l'interface entre les améloblastes et l’émail en maturation. Cet échec peut être lié à la composition spécifique de la MBS dans la phase de maturation et supporte l’hypothèse que la MBS est essentielle pour la maturation adéquate de l'émail.