جيل كسور الفخذ مغلقة في الفئران: نموذج لدراسة شفاء العظام
Summary
نموذج كسر فخذي مغلقة مورين هو منصة قوية لدراسة شفاء الكسر ورواية الاستراتيجيات العلاجية للتعجيل بتجديد العظام. والهدف من هذا البروتوكول الجراحية توليد الانفرادية كسور الفخذ مغلقة في الفئران باستخدام قضبان الصلب إينتراميدولاري لتحقيق الاستقرار في عظم الفخذ.
Abstract
كسور العظام تفرض عبئا اقتصادية هائلة على المرضى، بالإضافة إلى درجة كبيرة تؤثر على نوعية حياتهم. الاستراتيجيات العلاجية التي تعزز كفاءة العظام شفاء غير موجودة، وفي ارتفاع الطلب. النماذج الحيوانية فعالة واستنساخه من كسور شفاء ضرورية لفهم العمليات البيولوجية المعقدة المرتبطة بتجديد العظام. تم إنشاء العديد من نماذج حيوانية لشفاء الكسر على مر السنوات؛ ومع ذلك، ظهرت مؤخرا نماذج كسر مورين كأدوات قوية لدراسة شفاء العظام. وقد وضعت مجموعة متنوعة من نماذج مفتوحة ومغلقة، ولكن نموذج كسر فخذي مغلقة وتبرز كطريقة بسيطة لتوليد نتائج سريعة واستنساخه بطريقة ذات صلة فسيولوجيا. والهدف من هذا البروتوكول الجراحية هو توليد الانفرادية كسور الفخذ مغلقة في الفئران وتيسير استقرار بعد كسر في عظم الفخذ بإدراج قضبان الصلب إينتراميدولاري. على الرغم من أن أجهزة مثل مسمار أو برغي توفر قدر أكبر من الاستقرار المحوري والتناوب، ويوفر استخدام رود إينتراميدولاري استقرار كاف لنتائج متسقة الشفاء دون إنتاج العيوب الجديدة في نسيج العظام أو إتلاف القريبة لينة الأنسجة. ويستخدم التصوير الشعاعي لرصد تطور تشكيل دشبذ والاتحاد عظمى، ويعيد البناء اللاحقة من دشبذ عظمى. نتائج شفاء العظام عادة المقترنة بقوة العظام تلتئم ويقاس باختبار اﻻلتوائية. لا يزال، فهم الأحداث الخلوية والجزيئية المبكرة المرتبطة بإصلاح كسر أمر بالغ الأهمية في دراسة تجديد أنسجة العظام. نموذج كسر فخذي مغلقة في الفئران مع التثبيت إينتراميدولاري بمثابة منصة جذابة لدراسة شفاء كسور العظام وتقييم الاستراتيجيات العلاجية للتعجيل بالشفاء.
Introduction
كسور من بين الإصابات الأكثر شيوعاً التي تحدث لنظام العضلات والعظام وترتبط بعبء الاجتماعية واقتصادية هائلة، بما في ذلك تكاليف العلاج التي من المتوقع أن تتجاوز مبلغ 25 بیلیون سنوياً في الولايات المتحدة1، 2. على الرغم من أن غالبية الكسور تشفي دون وقوع أي حادث، شفاء يرتبط بالتوقف كبيرة وخسارة في الإنتاجية. 5-10% تقريبا من جميع الكسور يؤدي تأخر الشفاء أو غير الأعضاء في الاتحاد، بسبب العمر أو الظروف الصحية المزمنة الكامنة وراء الأخرى، مثل هشاشة العظام والسكري3،،من45. لا العلاجات الدوائية التي وافقت عليها إدارة الأغذية والعقاقير متوفرة حاليا التئام العظام تتسم بالكفاءة، وتقصير وقت الاسترداد.
شفاء الكسر عملية معقدة وديناميكية للغاية تشمل التنسيق بين أنواع متعددة من الخلايا. ومن ثم، فهم شامل للأحداث الخلوية والجزيئية المرتبطة بتجديد العظام أمر حاسم لتحديد الأهداف العلاجية أن التعجيل بهذه العملية. كما مع غيرها من الأمراض البشرية، إنشاء نموذج الحيوان قابلة للغاية واستنساخه أمر حاسم في دراسة شفاء العظام. الحيوانات الكبيرة، مثل الأغنام والخنازير، خصائص يعيد العظام والميكانيكا الحيوية مشابهة للبشر، ولكن غالية الثمن، وتتطلب وقتاً كبيرا في الشفاء، وليست سهولة قابلة للتلاعب بالجينات6. من ناحية أخرى، تقدم نماذج الحيوانات الصغيرة، مثل الفئران والجرذان، العديد من المزايا، بما في ذلك سهولة المناولة، وانخفاض تكاليف الصيانة ودورات تربية قصيرة وأقصر وقت شفاء7. وعلاوة على ذلك، جينوم الفأر هو تماما متتابعة، مما يسمح للتلاعب السريع والجيل من المتغيرات الجينية. وهكذا، الفأر نظام نموذجي قوية لدراسة الأمراض البشرية، الإصابات، وإصلاح8. في البشر، وكانوا مثل هشاشة العظام والسكري تزيد من احتمال تأخر شفاء. عدد من النماذج القائمة الماوس المتاح لدراسة آثار كانوا مثل هشاشة العظام والسكري على إصابات العظام والشفاء. المرضى الذين يعانون من مرض هشاشة العظام قد تشكيل العظام انخفاض ملحوظ خلال المراحل اللاحقة من كسر الشفاء9. معرض ovariectomized الفئران (أف) فقدان العظام السريع والعظام تأخر التئام مماثلة للتي لوحظت في مرض هشاشة العظام بعد سن إلياس10،11. بالإضافة إلى ذلك، العديد من نماذج الماوس من النوع الأول والنوع الثاني من السكري تقليد تعمل كتلة العظم منخفضة وشفاء الكسر البصر ينظر في11من البشر. وعلاوة على ذلك، نماذج كسر مورين بمثابة منصة متعددة لدراسة العمليات البيولوجية المعقدة التي تحدث في دشبذ واستكشاف استراتيجيات علاجية الرواية أن الإسراع بتجديد أنسجة العظام.
على الرغم من الاختلافات في بنية العظام والايض، العملية الشاملة لكسر العظام شفاء تظل متشابهة جداً في الفئران والبشر، والتي تنطوي على مزيج من اندوتشوندرال والتحجر intramembranous متبوعاً بإعادة عرض العظام. التحجر Endochondral ينطوي على تجنيد خلايا السلف مستقرة أقل ميكانيكيا المناطق المحيطة بالفجوة الكسر، حيث أنها تفرق في chondrocytes التي تضخم وطاغية الغضروف لإنتاج دشبذ ناعمة. الموجه الثانية من الخلايا السلف التسلل دشبذ وتفرق في خلايا الاوستيوبلاستس الناضجة التي تفرز جديدة العظام مصفوفة12،13،،من1415. خلال intramembranous التحجر، المتكفل على السطوح بيريوستيل وبطانة العظم مباشرة تفرق في مصفوفة إفراز خلايا الاوستيوبلاستس وتيسير سد كسر الفجوة9،11،12 ،13. معا، اندوتشوندرال وأوسيفيكيشنز إينتراميمبرانوس يسفر عن وضع دشبذ الثابتة، التي يتم تشكيلها كذلك على مر الزمن لتشكيل العظام ثانوي قوية قادرة على دعم الأحمال الميكانيكية13،14 ،15. في صحة البشر، وتستغرق عملية الشفاء 3 أشهر تقريبا، بالمقارنة مع 35 يوما فقط في الفئران16.
شفاء الكسر عادة ودرست باستخدام أما نماذج العمليات الجراحية المفتوحة أو المغلقة17. فتح النهج الجراحية، مثل الجيل من وجود عيوب خطيرة الحجم أو إكمال العظم، وتوحيد مكان الإصابة والهندسة للحد من الانحرافات الناجمة عن كسور المسحوقة. أوستيوتوميس بمثابة نموذجا ممتازا لدراسة الآلية الكامنة وراء غير الأعضاء في اتحاد لأنه غالباً ما يتم تأخير الشفاء بالمقارنة مع كسور مغلقة. وعلاوة على ذلك، مطلوب تثبيت خارجية صلبة لتثبيت العظم أوستيوتوميزيد، بمعنى التجديد سيعتمد أساسا على التحجر intramembranous. النهج الجراحية المفتوحة استخدام الأجهزة مثل تأمين المسامير ودبوس-مقاطع ولوحات تأمين توفير الاستقرار المحوري والتناوبية لكسر أطرافه؛ ولكن مثل هذه الأجهزة مكلفة وتتطلب إلى حد كبير مزيدا من الوقت في عملية جراحية18،19،،من2021. من ناحية أخرى، استقرت النماذج المغلقة مع جهاز تثبيت إينتراميدولاري بسيطة، مما يسمح لعدم الاستقرار ما يكفي لحفز شفاء endochondral. نتيجة لذلك لا تحاكي نماذج الكسور المغلقة سهولة شروط غير الأعضاء في الاتحاد. تقنيات التثبيت الداخلية، مثل إينتراميدولاري دبابيس ومسامير ومسامير ضغط، ومفيدة كما رخيصة وسهلة الاستخدام، وتقليل الوقت في الجراحة21،،من2223. في بعض الحالات، يتم إدراج دبابيس إينتراميدولاري قبل الكسر، ولكن الانحناء دبوس إينتراميدولاري يمكن أن تؤدي إلى أنجوليشن أو التشريد من كسر عظم الفخذ، المساهمة في حجم متغير دشبذ والشفاء. موقع الكسر والهندسة أكثر صعوبة لتوحيد النماذج المغلقة، كما أنها يتم إنشاؤها باستخدام جهاز الانحناء ثلاث نقاط، حيث يتم إسقاط وزن في diaphysis. ومع ذلك، يوفر هذا النهج الجراحية بالأسلوب السليم، نتائج سريعة ومتناسقة. وعلاوة على ذلك، يخدم نموذج كسر مغلق كأداة ذات صلة سريرياً لدراسة الكسور الناجمة عن تأثير قوة عالية أو الإجهاد الميكانيكي22.
وكان هذا البروتوكول الجراحية مقتبس من الأساليب المذكورة سابقا باستخدام دبوس إينتراميدولاري استقرار قصبة كسور في الجرذان والفئران22،،من2425. أولاً، يتم إدراج إبرة إينتراميدولاري من قطره صغيرة من خلال الشق إينتراكونديلار ﻹنشاء نقطة دخول، وهو عرض جويديويري قبل توليد كسر عرضية في ميدشافت فخذي استخدام الجاذبية تعتمد على ثلاث نقاط جهاز الانحناء. في أعقاب نجاح توليد كسر فخذي مغلقة، أدرج قضيب إينتراميدولاري من قطر أكبر عبر الأسلاك دليل على استقرار كسر عظم الفخذ. هذا الأسلوب يتجنب خطر تأخر تضميد الجراح الناجمة عن أنجوليشن دبوس إينتراميدولاري أثناء الكسر، كما يسمح موضع الكسر بعد رود لتثبيت إعادة التنظيم والأمثل لعظم الفخذ المصاب.
Protocol
Representative Results
Discussion
والهدف من هذا الإجراء الجراحي توليد موحدة كسور الفخذ مغلقة في الفئران. مزايا رئيسية لهذا النموذج أن تثبيت الداخلية تجري بعد جيل الكسر، متجنبة بذلك أنجوليشن رود إينتراميدولاري. ربما الجانب الأكثر أهمية من هذا البروتوكول هو الجيل من كسر عرضية موحدة في ميدشافت فخذي، كما تعتمد على قوة الانحن…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
كان يؤيد هذا العمل من المنح المقدمة من وزارة الدفاع (وزارة الدفاع) لنا الجيش الأبحاث الطبية والعتاد الأوامر (أوسامرمك) الكونغرس موجه الطبية البحوث البرامج (كدمرب) (PR121604)، والمعاهد الوطنية لالتهاب المفاصل و Musculoskeletal والأمراض (نيامس)، AR068332 R01 المعاهد الوطنية للصحة لاتحاد المغرب العربي سنكار الجلدية.
Materials
| Oster Minimax Trimmer | Animal World Network | 78049-100 | |
| POVIDONE-IODINE | Thermo Fisher Scientific | 395516 | |
| OPHTHALMIC OINTMENT | Thermo Fisher Scientific | NC0490117 | |
| Styker T/Pump Warm Water Recirculator | Kent Scientific Corporation | TP-700 | |
| 1ml Sub-Q Syringe | Thermo Fisher Scientific | 309597 | |
| ENCORE Sensi-Touch PF | Moore Medical LLC | 30347 | Latex, powder-free surgical glove |
| PrecisionGlide 25G Hypodermic Needles | Thermo Fisher Scientific | 14-826-49 | |
| Ultra-High-Temperature Tungsten Wire, | McMaster-Carr | 3775K37 | 0.005" Diameter, 1/16 lb. Spool, 380' Long |
| 304 stainless steel, 24G thin walled tubing | Microgroup Inc | 304h24tw-5ft | |
| #15 Scalpel Blades | Fine Science Tools | 10015-00 | |
| #10 Scalpel Blades | Fine Science Tools | 10010-00 | |
| Narrow Pattern Forceps | Fine Science Tools | 11002-12 | Serrated/Straight/12cm |
| Iris Forceps | Fine Science Tools | 11066-07 | 1×2 Teeth/Straight/7cm |
| Dissector Scissors | Fine Science Tools | 14081-09 | Slim Blades/Angled to Side/Sharp-Sharp/10cm |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | ToughCut/Straight/Sharp-Sharp/11.5cm |
| Olsen-Hegar Needle Holder with Suture Cutter | Fine Science Tools | 12002-12 | Straight/Serrated/12cm/with Lock |
| Crile Hemostat | Fine Science Tools | 13004-14 | Serrated/Straight/14cm |
| Tungsten Wire Cutter | ACE Surgical Supply Co., Inc. | 08-051-90 | ACE #150 Wire Cutter, tungsten carbide tips |
| 3-0 VICRYL Suture | Ethicon Suture | J423H | 3-0 VICRYL UNDYED 27" FS-2 CUTTING |
| piXarray 100 Digital Specimen Radiography System | Bioptics, Inc | Cabinet x-ray system | |
| Einhorn 3-Point Bending Device | N/A | N/A | Custom Built |
Referencias
- Schnell, S., Friedman, S. M., Mendelson, D. A., Bingham, K. W., Kates, S. L. The 1-Year Mortality of Patients Treated in a Hip Fracture Program for Elders. Geriatric Orthopaedic Surgery & Rehabilitation. 1 (1), 6-14 (2010).
- Burge, R., et al. Incidence and economic burden of osteoporosis-related fractures in the United States, 2005-2025. Journal of Bone and Mineral Research. 22 (3), 465-475 (2007).
- Cunningham, B. P., Brazina, S., Morshed, S., Miclau, T. Fracture healing: A review of clinical, imaging and laboratory diagnostic options. Injury. 48, S69-S75 (2017).
- Einhorn, T. A. Can an anti-fracture agent heal fractures?. Clinical Cases in Mineral and Bone Metabolism. 7 (1), 11-14 (2010).
- Hak, D. J., et al. Delayed union and nonunions: epidemiology, clinical issues, and financial aspects. Injury. 45, S3-S7 (2014).
- Decker, S., Reifenrath, J., Omar, M., Krettek, C., Muller, C. W. Non-osteotomy and osteotomy large animal fracture models in orthopedic trauma research. Orthopaedic Reviews (Pavia). 6 (4), 5575 (2014).
- Histing, T., et al. Small animal bone healing models: standards, tips, and pitfalls results of a consensus meeting. Bone. 49 (4), 591-599 (2011).
- Jacenko, O., Olsen, B. R. Transgenic mouse models in studies of skeletal disorders. Journal of Rheumatology Supplement. 43, 39-41 (1995).
- Nikolaou, V. S., Efstathopoulos, N., Kontakis, G., Kanakaris, N. K., Giannoudis, P. V. The influence of osteoporosis in femoral fracture healing time. Injury. 40 (6), 663-668 (2009).
- Bain, S. D., Bailey, M. C., Celino, D. L., Lantry, M. M., Edwards, M. W. High-dose estrogen inhibits bone resorption and stimulates bone formation in the ovariectomized mouse. Journal of Bone and Mineral Research. 8 (4), 435-442 (1993).
- Haffner-Luntzer, M., Kovtun, A., Rapp, A. E., Ignatius, A. Mouse Models in Bone Fracture Healing Research. Current Molecular Biology Reports. 2 (2), 101-111 (2016).
- Einhorn, T. A., Gerstenfeld, L. C. Fracture healing: mechanisms and interventions. Nature Reviews in Rheumatology. 11 (1), 45-54 (2015).
- Schindeler, A., McDonald, M. M., Bokko, P., Little, D. G. Bone remodeling during fracture repair: The cellular picture. Seminar in Cellular and Developmental Biology. 19 (5), 459-466 (2008).
- Ai-Aql, Z. S., Alagl, A. S., Graves, D. T., Gerstenfeld, L. C., Einhorn, T. A. Molecular mechanisms controlling bone formation during fracture healing and distraction osteogenesis. Journal of Dental Research. 87 (2), 107-118 (2008).
- Gerstenfeld, L. C., et al. Three-dimensional Reconstruction of Fracture Callus Morphogenesis. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 54 (11), 1215-1228 (2006).
- Marsell, R., Einhorn, T. A. Emerging bone healing therapies. Journal of Orthopaedic Trauma. 24, S4-S8 (2010).
- Lybrand, K., Bragdon, B., Gerstenfeld, L. Mouse models of bone healing: fracture, marrow ablation, and distraction osteogenesis. Current Protocols of Mouse Biology. 5 (1), 35-49 (2015).
- Garcia, P., et al. The LockingMouseNail–a new implant for standardized stable osteosynthesis in mice. Journal of Surgical Research. 169 (2), 220-226 (2011).
- Histing, T., et al. An internal locking plate to study intramembranous bone healing in a mouse femur fracture model. Journal of Orthopaedic Research. 28 (3), 397-402 (2010).
- Garcia, P., et al. A new technique for internal fixation of femoral fractures in mice: impact of stability on fracture healing. Journal of Biomechistry. 41 (8), 1689-1696 (2008).
- Holstein, J. H., et al. Advances in the establishment of defined mouse models for the study of fracture healing and bone regeneration. Journal of Orthopaedic Trauma. 23 (5 Suppl), S31-S38 (2009).
- Bonnarens, F., Einhorn, T. A. Production of a standard closed fracture in laboratory animal bone. Journal of Orthopaedic Research. 2 (1), 97-101 (1984).
- Holstein, J. H., Menger, M. D., Culemann, U., Meier, C., Pohlemann, T. Development of a locking femur nail for mice. Journal of Biomechistry. 40 (1), 215-219 (2007).
- McBride-Gagyi, S. H., McKenzie, J. A., Buettmann, E. G., Gardner, M. J., Silva, M. J. Bmp2 conditional knockout in osteoblasts and endothelial cells does not impair bone formation after injury or mechanical loading in adult mice. Bone. 81, 533-543 (2015).
- Williams, J. N., et al. Inhibition of CaMKK2 Enhances Fracture Healing by Stimulating Indian Hedgehog Signaling and Accelerating Endochondral Ossification. Journal of Bone and Mineral Research. , (2018).
