Calvarial model af knogle augmentation i kanin til vurdering af knoglevækst og Neovaskularisering i knogle substitutions materialer
Summary
Her præsenterer vi en kirurgisk protokol i kaniner med det formål at vurdere knogle substitutions materialer i form af knogle regenereringskapacitet. Ved at bruge Peek cylindre fastgjort på kanin kranier, osteoledning, osteoinduktion, osteogenesis og vasculogenesis induceret af materialerne kan evalueres enten på levende eller aflives dyr.
Abstract
Det grundlæggende princip for kanin calvarial model er at dyrke nye knoglevæv vertikalt på toppen af den kortikale del af kraniet. Denne model giver mulighed for vurdering af knogle substitutions materialer til oral og kraniofacial knogle regenerering i form af knoglevækst og neovascularization støtte. Når dyrene er bedøvet og ventileret (endotracheal intubation), er fire cylindre lavet af Polyether også ether keton (PEEK) skruet på kraniet, på begge sider af median og koronal suturer. Fem intramedullære huller er boret i knogle området afgrænset af hver cylinder, tillader tilstrømning af knoglemarvsceller. Materialeprøverne anbringes i cylindrene, som derefter lukkes. Endelig er operationsstedet sutureret, og dyrene vågner. Knoglevækst kan vurderes på levende dyr ved hjælp af mikrotomografi. Når dyrene er euthanized, knoglevækst og neovaskularisering kan evalueres ved hjælp af mikrotomografi, immun-histologi og immunofluorescens. Da vurderingen af et materiale kræver maksimal standardisering og kalibrering, synes den calvariale model at være ideel. Adgang er meget let, kalibrering og standardisering lettes ved brug af definerede cylindre og fire prøver kan vurderes samtidigt. Desuden kan levende tomografi anvendes, og i sidste ende kan der forventes et stort fald i dyr, der skal aflives.
Introduction
Den calvariale model af knogle augmentation blev udviklet i 90 ‘ er med det formål at optimere begrebet guidet knogle Regeneration (GBR) i den mundtlige og kraniofacial kirurgisk domæne. Det grundlæggende princip i denne model er at dyrke nye knoglevæv vertikalt på toppen af den kortikale del af kraniet. For at gøre dette fastgøres en reaktor (f. eks. titanium kuppel,-cylinder eller-bur) på kraniet for at beskytte knogle regenereringen udført af et transplantat (f. eks. hydrogel, knogle erstatning osv.). Ved hjælp af denne model, titanium eller keramiske bure1,2,3,4,5,6, GBR membraner7,8,9 ,10, osteogene faktorer11,12,13,14,15,16,17, ny knogle erstatninger12,16,17,18,19,20,21,22,23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 eller mekanismen for neovascularization under knogle regenereringsprocessen30 blev vurderet.
Fra et translationelt synspunkt repræsenterer den calvariale model en One-Wall defekt, der kan sammenlignes med en klasse IV defekt i kæben31. Målet er at dyrke nye knogler over et kortikalt område, uden nogen lateral støtte fra endogene knogle vægge. Modellen er således ekstremt stringent og vurderer det reelle potentiale af vertikal osteoledning over den kortikale del af knoglen. Hvis den model, der er beskrevet heri, primært er dedikeret til vurdering af osteoledning i knogle erstatninger, kan osteogenesen og/eller osteoinduktion også vurderes, samt vasculogenesis1,2,3, 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19,20,21,22 ,23,24,25,26,27,28,29,30.
Hovedsagelig af etiske, praktiske og økonomiske årsager, den calvariale model blev udviklet i kanin, hvor knogle metabolisme og struktur er ganske relevant i forhold til menneskelige32. Af de 30 nævnte henvisninger anvendte 80% kanin calvarial model1,2,3,4,5,6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15,17,22, 23,26,27,28,29,30,33, hvilket viser relevansen af denne dyremodel. I 2008 overførte Busenlechner-koncernen den kalvariale model til grisen for at muliggøre sammenligning af otte knogle erstatninger samtidigt20 (sammenlignet med to knogle erstatninger med kanin). På den anden side, vores gruppe overført kanin calvarial model til får. Kort sagt, titanium kupler blev placeret på får kranier til at karakterisere osteoconduction af en ny 3D-trykt knogle erstatning. Disse undersøgelser tillod os at udvikle og mestre calvarial model og dens analyse16,21.
De sidste tre undersøgelser henviste til16,20 og21sammen med flere andre undersøgelser12,17,18,19,22, 23,24,26,27,28,29, bekræftede det store potentiale af calvarial model som en screening og karakterisering Model. Men selv om de opnåede resultater var ganske tilfredsstillende, påpegede de også nogle begrænsninger: (1) brugen af titanium kupler, som forhindrede røntgen diffusion og til gengæld levende mikro-CT brug. Disse kunne ikke fjernes før histologisk behandling, hvilket tvinger forskerne til at integrere prøverne i poly (methylmethacrylat) harpiks (PMMA). De resulterende analyser var derfor i vid udstrækning begrænset til topografi. (2) høje finansielle omkostninger, især på grund af dyrenes omkostninger, og omkostninger i forbindelse med logistik, vedligeholdelse og kirurgi af dyrene. (3) vanskeligheder med at indhente etiske godkendelser for store dyr.
En nylig undersøgelse af Polo, et al.26 stort set forbedret modellen på kanin. Titanium kupler blev erstattet af tørre cylindre, der kunne fyldes med en konstant mængde materiale. Fire af disse cylindre blev anbragt på kanin kranier. Ved afslutningen kunne cylindrene fjernes, så biopsier var metalfri, hvilket indførte meget mere fleksibilitet i forbindelse med prøve behandling. Den kanin kalvariale model blev attraktiv for samtidige test med lavere omkostninger, nem håndtering af dyr og lettelse af prøve behandling. Ved at udnytte denne seneste udvikling har vi forbedret modellen yderligere ved at udskifte titanium med PEEK for at producere cylindre og derved tillade røntgen diffusion og brug af mikrotomografi på levende dyr.
I denne artikel vil vi beskrive anæstesi og kirurgi processer og vise eksempler på output, der kan opnås ved hjælp af denne protokol, dvs (immuno-) histologi, histomorphometry, levende og ex vivo mikrotomografi til at evaluere mekanismerne i knogle regenerering og kvantificere den nye knogle syntese understøttet af knogle erstatningsmaterialer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den model, der er beskrevet heri, er enkel og bør udvikles ganske let, så længe alle trinene følges, og udstyret er egnet. Da den beskrevne protokol er en kirurgisk metode, ser alle trinene ud til at være kritiske og skal følges korrekt. Det er afgørende at være uddannet til dyreforsøg, især i kanin håndtering og anæstesi. Tøv ikke med at bede om professionel bedøvelse og dyrlægehjælp. Det er afgørende at insistere på den daglige visuelle overvågning af dyr før og efter sutur fjernelse. Selv om huden …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne står i gæld til Geistlich AG (Wolhusen, CH) og osteology Foundation (Lucerne, CH) (Grant n ° 18-049) for deres støtte, samt global D (Brignais, FR) for at levere skruerne. En særlig tak går til Dr. B. Schaefer fra Geistlich. Vi er også taknemmelige for Eliane DuBois og Claire Herrmann for deres fremragende histologiske behandling og deres dyrebare råd. Endelig, vi varmt anerkender Xavier Belin, Sylvie roulet og hele holdet af pr Walid Habre, “eksperimentel kirurgi DPT”, for deres bemærkelsesværdige tekniske bistand.
Materials
| Drugs | |||
| Enrofloxacine Baytril 10% | Bayer | Antibiotic | |
| Fentanyl | Bischel | For analgesia | |
| Ketalar 50mg/ml | Pfizer | Ketamine for anesthesia | |
| Lidohex | Bichsel | Lubricating gel for the eyes | |
| Opsite | Smith and Nephew | 66004978 | Sprayable dressing |
| Povidone iodine 10%, Betadine | Mundipharma | anti-infective agent | |
| Propofol 2% | Braun | 3538710 | For anesthesia |
| Rapidocain 2% | sintetica | Local anesthesia | |
| Ringer-acetate | Fresenius Kabi | Volume compensation | |
| Rompun 2% | Bayer | Xylazin for anesthesia | |
| Sevoflurane 5% | Abbvie | For anesthesia | |
| Sterile saline | Sintetica | ||
| Temgesic | Reckitt Benckiser | Buprenorphine hydrochloride, analgesia | |
| Thiopental Inresa | Ospediala | For anesthesia | |
| Xylocaine 10% spray | Astra Zeneca | For intubation | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Fresenius Vial pilot C | Imexmed | Infusion pump | |
| Heated pad | Harvard Apparatus | ||
| Suction dominant 50 | Medela | ||
| Suction tubing Optimus | Promedical | 80342.2 | |
| Surgical motor | Schick dental | Qube | Drilling of intramedullary holes |
| Ventilation | Maquet Servo1 | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material | |||
| Cylinders and caps | Boutyplast | Customized | composition: PEEK (poly ether ether ketone) |
| Manual self-retaining shaft | GlobalD | ACT1K | |
| Mobile handle for self-retaining shaft | GlobalD | MTM | |
| Self- drilling screws | GlobalD | VA1.2KL4 | cross-drive screws composed by Titanium grade5, ISO 5832-3 |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Surgical tray | |||
| Endotracheal tube Shiley diameter 2,5mm | Covidien | 86233 | For intubation |
| Endotracheal tube Shiley diameter 4,9mm | Covidien | 107-35G | For intubation |
| Ethicon prolene 4-0 | Ehticon | 8581H | Non-resorbable suture |
| Forceps | Marcel Blanc | BD027R | 145 mm |
| Intubation catheter | Cook medical | Guide for intubation | |
| Needlle holder | Marcel Blanc | BM008R | |
| Needles BD Microlance3 | Becton Dickinson | 300300/304622 | 26G; 18G |
| Periosteal | HU-Friedy | P9X | |
| Round surgical burs | Patterson | 78000 | 0.8 mm in diameter, Drilling of intramedullary holes |
| Scalpel | Swann-Morton | n°10 and n°15 | |
| Scissors | Marcel Blanc | 00657 | 180 mm |
| Syringes Omnifix | Braun | 4616057V | 5ml, 10ml and 50ml |
| Venflon G22 | Braun | 42690985-01 | Vasofix safety for the ear iv line |
References
- Anderud, J., et al. Guided bone augmentation using a ceramic space-maintaining device. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology and Oral Radiology. 118 (5), 532-538 (2014).
- Lundgren, A. K., Lundgren, D., Hammerle, C. H., Nyman, S., Sennerby, L. Influence of decortication of the donor bone on guided bone augmentation. An experimental study in the rabbit skull bone. Clinical Oral Implants Research. 11 (2), 99-106 (2000).
- Lundgren, D., Lundgren, A. K., Sennerby, L., Nyman, S. Augmentation of intramembraneous bone beyond the skeletal envelope using an occlusive titanium barrier. An experimental study in the rabbit. Clinical Oral Implants Research. 6 (2), 67-72 (1995).
- Slotte, C., Lundgren, D. Impact of cortical perforations of contiguous donor bone in a guided bone augmentation procedure: an experimental study in the rabbit skull. Clinical Implant Dentistry and Relat Research. 4 (1), 1-10 (2002).
- Tamura, T., et al. Three-dimensional evaluation for augmented bone using guided bone regeneration. Journal of Periodontal Research. 40 (3), 269-276 (2005).
- Yamada, Y., et al. Correlation in the densities of augmented and existing bone in guided bone augmentation. Clinical Oral Implants Research. 23 (7), 837-845 (2012).
- Chierico, A., et al. Electrically charged GTAM membranes stimulate osteogenesis in rabbit calvarial defects. Clinical Oral Implants Research. 10 (5), 415-424 (1999).
- Ikeno, M., Hibi, H., Kinoshita, K., Hattori, H., Ueda, M. Effects of the permeability of shields with autologous bone grafts on bone augmentation. International Journal of Oral and Maxillofacial Implants. 28 (6), e386-e392 (2013).
- Ito, K., Nanba, K., Murai, S. Effects of bioabsorbable and non-resorbable barrier membranes on bone augmentation in rabbit calvaria. Journal of Periodontology. 69 (11), 1229-1237 (1998).
- Lee, Y. M., et al. Enhanced bone augmentation by controlled release of recombinant human bone morphogenetic protein-2 from bioabsorbable membranes. Journal of Periodontology. 74 (6), 865-872 (2003).
- Fugl, A., et al. S-nitroso albumin enhances bone formation in a rabbit calvaria model. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 43 (3), 381-386 (2014).
- Ikeno, M., Hibi, H., Kinoshita, K., Hattori, H., Ueda, M. Effects of self-assembling peptide hydrogel scaffold on bone regeneration with recombinant human bone morphogenetic protein-2. International Journal of Oral and Maxillofacial Implants. 28 (5), e283-e289 (2013).
- Ito, K., et al. Effects of ipriflavone on augmented bone using a guided bone regeneration procedure. Clinical Oral Implants Research. 18 (1), 60-68 (2007).
- Jung, R. E., Hammerle, C. H., Kokovic, V., Weber, F. E. Bone regeneration using a synthetic matrix containing a parathyroid hormone peptide combined with a grafting material. International Journal of Oral and Maxillofacial Implants. 22 (2), 258-266 (2007).
- Minegishi, T., et al. Effects of ipriflavone on bone augmentation within a titanium cap in rabbit calvaria. Journal of Oral Science. 44 (1), 7-11 (2002).
- Moussa, M., et al. Medium-Term Function of a 3D Printed TCP/HA Structure as a New Osteoconductive Scaffold for Vertical Bone Augmentation: A Simulation by BMP-2 Activation. Materials. 8 (5), 2174-2190 (2015).
- Thoma, D. S., Kruse, A., Ghayor, C., Jung, R. E., Weber, F. E. Bone augmentation using a synthetic hydroxyapatite/silica oxide-based and a xenogenic hydroxyapatite-based bone substitute materials with and without recombinant human bone morphogenetic protein-2. Clinical Oral Implants Research. 26 (5), 592-598 (2014).
- Busenlechner, D., et al. Resorption of deproteinized bovine bone mineral in a porcine calvaria augmentation model. Clinical Oral Implants Research. 23 (1), 95-99 (2012).
- Busenlechner, D., et al. Paste-like inorganic bone matrix: preclinical testing of a prototype preparation in the porcine calvaria. Clinical Oral Implants Research. 20 (10), 1099-1104 (2009).
- Busenlechner, D., et al. Simultaneous in vivo comparison of bone substitutes in a guided bone regeneration model. Biomaterials. 29 (22), 3195-3200 (2008).
- Carrel, J. P., et al. A 3D printed TCP/HA structure as a new osteoconductive scaffold for vertical bone augmentation. Clinical Oral Implants Research. 27 (1), 55-62 (2016).
- Murai, M., et al. Effects of different sizes of beta-tricalcium phosphate particles on bone augmentation within a titanium cap in rabbit calvarium. Dental Materials Journal. 25 (1), 87-96 (2006).
- Nishida, T., et al. Effects of bioactive glass on bone augmentation within a titanium cap in rabbit parietal bone. Journal of Periodontology. 77 (6), 983-989 (2006).
- Nyan, M., et al. Feasibility of alpha tricalcium phosphate for vertical bone augmentation. Journal of Investigating and Clinical Dentistry. 5 (2), 109-116 (2012).
- Polimeni, G., et al. Histopathological observations of a polylactic acid-based device intended for guided bone/tissue regeneration. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 10 (2), 99-105 (2008).
- Polo, C. I., et al. Effect of recombinant human bone morphogenetic protein 2 associated with a variety of bone substitutes on vertical guided bone regeneration in rabbit calvarium. Journal of Periodontology. 84 (3), 360-370 (2013).
- Slotte, C., Lundgren, D., Burgos, P. M. Placement of autogeneic bone chips or bovine bone mineral in guided bone augmentation: a rabbit skull study. International Journal of Oral and Maxillofacial Implants. 18 (6), 795-806 (2003).
- Tamimi, F. M., et al. Bone augmentation in rabbit calvariae: comparative study between Bio-Oss and a novel beta-TCP/DCPD granulate. Journal of Clinical Periodontology. 33 (12), 922-928 (2006).
- Torres, J., et al. Effect of solely applied platelet-rich plasma on osseous regeneration compared to Bio-Oss: a morphometric and densitometric study on rabbit calvaria. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 10 (2), 106-112 (2008).
- Yamada, Y., et al. Angiogenesis in newly augmented bone observed in rabbit calvarium using a titanium cap. Clinical Oral Implants Research. 19 (10), 1003-1009 (2008).
- Cordaro, L., Terheyden, H., Wismeijer, D., Chen, S., Buser, D. . ITI Treatment Guide. 7, (2014).
- Pearce, A. I., Richards, R. G., Milz, S., Schneider, E., Pearce, S. G. Animal models for implant biomaterial research in bone: A review. European Cells & Materials. 13, 1-10 (2007).
- Min, S., et al. Effects of marrow penetration on bone augmentation within a titanium cap in rabbit calvarium. Journal of Periodontology. 78 (10), 1978-1984 (2007).
- Braun, T. M., Giannobile, W. V., Nevins, M. Ch. 4. Osteology guidelines for oral and maxillofacial regeneration Preclinical models for translational research. , 31-43 (2011).
- Doro, D. H., Grigoriadis, A. E., Liu, K. J. Calvarial Suture-Derived Stem Cells and Their Contribution to Cranial Bone Repair. Frontiers in Physiology. 8, 956 (2017).
- Russel, W., Burch, R. . The principles of humane experimental technique. , (1959).
- Asvanund, P., Chunhabundit, P. Alveolar bone regeneration by implantation of nacre and B-tricalcium phosphate in guinea pig. Implant Dentistry. 21 (3), 248-253 (2012).
- Gielkens, P. F., et al. Gore-Tex as barrier membranes in rat mandibular defects: an evaluation by microradiography and micro-CT. Clinical Oral Implants Research. 19 (5), 516-521 (2008).
- Lioubavina, N., Kostopoulos, L., Wenzel, A., Karring, T. Long-term stability of jaw bone tuberosities formed by "guided tissue regeneration". Clinical Oral Implants Research. 10 (6), 477-486 (1999).
- Mardas, N., Kostopoulos, L., Stavropoulos, A., Karring, T. Osteogenesis by guided tissue regeneration and demineralized bone matrix. Journal of Clinical Periodontology. 30 (3), 176-183 (2003).
- Stavropoulos, A., Kostopoulos, L., Mardas, N., Nyengaard, J. R., Karring, T. Deproteinized bovine bone used as an adjunct to guided bone augmentation: an experimental study in the rat. Clinical Implant Dentistry and Related Research. 3 (3), 156-165 (2001).
- Stavropoulos, A., Kostopoulos, L., Nyengaard, J. R., Karring, T. Deproteinized bovine bone (Bio-Oss) and bioactive glass (Biogran) arrest bone formation when used as an adjunct to guided tissue regeneration (GTR): an experimental study in the rat. Journal of Clinical Periodontology. 30 (7), 636-643 (2003).
- Stavropoulos, A., Kostopoulos, L., Nyengaard, J. R., Karring, T. Fate of bone formed by guided tissue regeneration with or without grafting of Bio-Oss or Biogran. An experimental study in the rat. Journal of Clinical Periodontology. 31 (1), 30-39 (2004).
- Stavropoulos, A., Nyengaard, J. R., Kostopoulos, L., Karring, T. Implant placement in bone formed beyond the skeletal envelope by means of guided tissue regeneration: an experimental study in the rat. Journal of Clinical Periodontology. 32 (10), 1108-1115 (2005).
- Thomaidis, V., et al. Comparative study of 5 different membranes for guided bone regeneration of rabbit mandibular defects beyond critical size. Medical Science Monitor. 14 (4), (2008).
- Zhang, J. C., et al. The repair of critical-size defects with porous hydroxyapatite/polyamide nanocomposite: an experimental study in rabbit mandibles. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 39 (5), 469-477 (2010).
- Zhang, X., et al. Osteoconductive effectiveness of bone graft derived from antler cancellous bone: an experimental study in the rabbit mandible defect model. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 41 (11), 1330-1337 (2012).
- Bronoosh, P., et al. Effects of low-intensity pulsed ultrasound on healing of mandibular bone defects: an experimental study in rabbits. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 44 (2), 277-284 (2015).
- Gomes, F. V., et al. Low-level laser therapy improves peri-implant bone formation: resonance frequency, electron microscopy, and stereology findings in a rabbit model. International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 44 (2), 245-251 (2014).
- Lalani, Z., et al. Spatial and temporal localization of secretory IgA in healing tooth extraction sockets in a rabbit model. Journal of Oral and Maxillofacial Surgery. 62 (4), 466-472 (2004).
- Osorio, L. B., et al. Post-extraction evaluation of sockets with one plate loss–a microtomographic and histological study. Clinical Oral Implants Research. 27 (1), 31-38 (2014).
