Athymischen Rattenmodell für die Bewertung von Engineered vorderen Kreuzbandes Grafts
Summary
Animal models are important tools for the evaluation of tissue-engineered grafts. This paper presents the protocol for preparing an electrospun biodegradable polymer graft for use in anterior cruciate ligament tissue engineering, as well as a surgical protocol for implantation in a rat model.
Abstract
Anterior cruciate ligament (ACL) rupture is a common ligamentous injury that often requires surgery because the ACL does not heal well without intervention. Current treatment strategies include ligament reconstruction with either autograft or allograft, which each have their associated limitations. Thus, there is interest in designing a tissue-engineered graft for use in ACL reconstruction. We describe the fabrication of an electrospun polymer graft for use in ACL tissue engineering. This polycaprolactone graft is biocompatible, biodegradable, porous, and is comprised of aligned fibers. Because an animal model is necessary to evaluate such a graft, this paper describes an intra-articular athymic rat model of ACL reconstruction that can be used to evaluate engineered grafts, including those seeded with xenogeneic cells. Representative histology and biomechanical testing results at 16 weeks postoperatively are presented, with grafts tested immediately post-implantation and contralateral native ACLs serving as controls. The present study provides a reproducible animal model with which to evaluate tissue engineered ACL grafts, and demonstrates the potential of a regenerative medicine approach to treatment of ACL rupture.
Introduction
Ruptur des vorderen Kreuzbandes (ACL) ist eine der häufigsten Verletzungen der Bänder des Knies 1. Da die gerissenen ACL nicht ohne chirurgischen Eingriff zu heilen ist, die Einschränkungen in Aktivitäten des täglichen Lebens, sowie die Teilnahme an Sport fahren mehr als 175.000 Patienten einer Operation unterziehen jedes Jahr 2, mit geschätzten Kosten von einer Milliarde Dollar jährlich 3. Derzeit wird entweder autologe oder Allograft-Sehne für Bandrekonstruktion verwendet. Obwohl hohe Erfolgsraten kann sowohl mit Autograft und Transplantatersatz erreicht werden, sind schwere Komplikationen mit diesen Wiederaufbau Optionen 4 verbunden. Autologe Gewebe mit Entnahmemorbidität assoziiert und ist im Lieferumfang beschränkt, vor allem in Fällen von Wieder Bruch oder Mehrbandverletzung. Auf der anderen Seite wird Allotransplantatgewebe mit verzögerter Transplantatintegration, schädliche Entzündungsreaktion, theoretische Infektionsrisiko und begrenzte supp verbundenly 5. Synthetische nicht abbaubaren Transplantate wurden in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt wurden aber von vorzeitigen Bruch Transplantat, Fremdkörperreaktionen, Osteolyse und Synovitis 6 behindert. Als Ergebnis dieser ernsthaften Bedenken gibt es noch keine synthetische Transplantate für den klinischen Einsatz in den Vereinigten Staaten zur Verfügung.
Aufgrund dieser Einschränkungen mit bestehenden Transplantat-Optionen und die jüngsten Entwicklungen in der Biologie, Technik und regenerative Medizin, gab es ein großes Interesse an einer Tissue Engineering Lösung für ACL Pfropfen. Aktuelle Tissue-Engineering-Strategien beschäftigen abbaubaren biologischen und synthetischen Materialien, um für Host Einwachsen von Gewebe zu ermöglichen, während die Vermeidung der Einschränkungen mit Permanent Kunststoff Implantation 7 verbunden.
Polycaprolacton (PCL) ist ein biologisch abbaubares Polymer, das von der FDA für eine Reihe von medizinischen Anwendungen einschließlich Adhäsionsbarriere und Wundverband 8 ist, dass u gewesen istin einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Gefäß, Knochen, Knorpel, Nerven, Haut, und Speiseröhrenkrebs Tissue Engineering 5,9-16 sed. Günstige Biokompatibilität relativ lange in-vivo-Halbwertszeit, eine ausreichende mechanische Festigkeit und hohe Elastizität tragen zur Popularität dieses Polymer in Tissue Engineering. In einem Nagetiermodell der Wundheilung wurde implantierten elektro PCL gezeigt, dass nicht-immunogen und in lokale Gewebe ohne Nebenwirkungen bei 13 zu integrieren. Ein SEM-Bild von elektro PCL ist in Abbildung 1 dargestellt.
Mit aktuellen FDA regulatorischen Standards, Wirksamkeit und Sicherheit in kleinen und großen Tiermodellen würde bei einer PCL oder andere technisch ACL Transplantat benötigt, um in klinischen Studien in den Vereinigten Staaten zu bewegen. Darüber hinaus können in vivo-Bedingungen oft erweitern die Eigenschaften eines in vitro Gewebezüchtung ACL Transplantat. Ein Rattenmodell der autologen ACL-Rekonstruktion mit Beuge digitorum longus wurde bereits beschrieben, in dem die Mutter ACL wurde abgetrennt, Oberschenkel- und Schienbein Tunnel wurden gebohrt, und das Transplantat wurde verabschiedet und an Ort und Stelle mit Naht 17-22 gesichert. In dieser Arbeit werden wir eine Änderung des Modells für die Auswertung von technischen ACL Ersetzungen nicht für Autograft-basierte Rekonstruktion (Abbildung 2) zu beschreiben.
Obwohl viele Tiermodelle für Bandgewebetechnik vorhanden sind, ist die Ratte vorteilhaft im Vergleich zu größeren Modelle für eine Reihe von Gründen. Zu diesen Vorteilen gehören einfacher Haltung und Handhabung, weniger ethische Überlegungen und reduzierte Kosten 17,23. Darüber hinaus ist die Ratten-Modell wurde umfangreich als ein Modell für orthopädische Geweberegeneration, einschließlich Knorpel, Sehnen und Knochengewebe 24 verwendet. Insbesondere wurden athymische Nacktratten aufgrund ihrer mangel der zellvermittelten Immunantwort 25 gewählt, so dass für die spätere Implantation of xenogenen Spenderzellen in diesem Modell zur weiteren Verbesserung der technisch Transplantat in der Zukunft. In diesem Verfahren Papier beschreiben wir die Herstellung und chirurgischen Implantation einer zellfreien, biologisch abbaubaren Polymer Transplantat in einer athymischen Rattenmodell der ACL-Rekonstruktion.
Protocol
Representative Results
Discussion
ACL Verletzungen sind eine häufige Erkrankung in der orthopädischen Sportchirurgie, mit begrenzten Möglichkeiten für den Wiederaufbau in der heutigen Zeit. Um einen geeigneten Tissue-Engineering Ersatz für die ACL, die Regeneration in vivo ermöglicht entwickeln wird ein geeignetes Tiermodell erforderlich. In dieser Studie wird die Herstellung eines biologisch abbaubaren Werk Transplantats beschrieben, so ist seine in vivo-Implantation unter Verwendung eines reproduzierbaren Modell ACL-Rekonstrukt…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Gabriel Arom und Michael Yeranosian für ihre technischen Beiträge zu früheren Iterationen dieses Projekts danken. Dieses Projekt wurde von der OREF Kliniker Scientist Ausbildung Grant (NL) finanziert, HH Lee Surgical Research Grant (NL), Veterans Administration BLR & E Merit Bewertung 1 I01 BX00012601 (DM) und Muskel-Skelett-Stiftung für Transplantation Young Investigator Award (FP).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Medical grade ester terminated poly (ε-caprolactone), granule form (MW = 110,000) | Lactel Absorbable Polymers | Custom synthesized polymer to desired molecular weight | |
| 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol | Sigma-Aldrich | 105228 | Solvent for PCL polymer |
| 18G x 1 1/2"bevel needle | BD Medical | 305196 | |
| Remote Infuse/Withdraw Programmable Syringe Pump | Harvard Apparatus | 702101 | |
| VersaLaser VLS2.30 Laser Engraver | Microgeo USA | VLS2.30 | |
| Expanded Plasma Cleaner 115V | Harrick Plasma | PDC-001 | Plasma etch just prior to collagen coating for surface modification |
| PureCol Collagen Standard Solution, 3 mg/ml | Advanced Biomatrix | 5015-A | Mix 8:1:2.5 solution of PureCol, 10x PBS, 0.1N NaOH 1:9 in 1x PBS |
| Suture, 5-0 Vicryl | Henry Schein | 1086471 | |
| Suture, 4-0 Vicryl | Henry Schein | 6540072 | |
| Sharp-pointed Dissecting Scissors (Straight; 4.5 inch) | Fisher Scientific | 8940 | |
| Buphrenorphine hydrochloride | Sigma-Aldrich | B9275 | Use 0.03 mg/kg for both intra- and post-operatively for pain control |
| Ampicillin, injectable | Henry Schein | 1185678 | Use 25 mg/kg subcutaneously during the procedure |
| K-wire, 1.6 mm | Spectrum Surgical | SI040062 | |
| Keith Needle, Straight 1 1/2" | Delasco Dermatology Lab & Supply | KE-112 | |
| Immunocal Decalcifying Solution | Fisher Scientific | NC9491030 | |
| Opticryl Acrylic Resin Bone Cement (PMMA) (Monomer and polymer) | US Dental Depot | OPTICRYL 100410 | |
| Instron Model 5564 Tensile Testing Machine | Instron | 5564 | Any comparable tensile testing apparatus is suitable |
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