Calvariaal model van bot augmentatie in konijn voor beoordeling van botgroei en neovascularisatie in Botsubstitutie materialen
Summary
Hier presenteren we een chirurgisch protocol bij konijnen met als doel om botsubstitutie materialen te beoordelen in termen van botregeneratie capaciteiten. Door het gebruik van PEEK cilinders bevestigd op konijn schedels, osteogelei ding, osteoinductie, osteogenesis en vasculogenese geïnduceerd door de materialen kunnen worden geëvalueerd op levende of geëdoseerde dieren.
Abstract
Het basisprincipe van het konijn calvarial model is het verticaal kweken van nieuw botweefsel bovenop het corticale deel van de schedel. Dit model maakt het mogelijk om botsubstitutie materialen voor orale en craniofaciale botregeneratie te beoordelen in termen van botgroei en neovascularisatie ondersteuning. Zodra dieren zijn verdoving en geventileerd (Endotracheale intubatie), worden vier cilinders gemaakt van polyether ether keton (PEEK) op de schedel geschroefd, aan beide zijden van de mediaan en coronale hechtingen. Vijf intramedullaire gaten worden geboord binnen het door elke cilinder gescheiden botgebied, waardoor de instroom van beenmergcellen mogelijk wordt. De materiaalmonsters worden in de cilinders geplaatst die vervolgens worden gesloten. Ten slotte wordt de operatieplaats gehecht en worden dieren wakker. Botgroei kan worden beoordeeld op levende dieren met behulp van microtomografie. Zodra de dieren worden geëoerd, kunnen botgroei en neovascularisatie worden geëvalueerd met behulp van microtomografie, immuunhistologie en immunofluorescentie. Aangezien de evaluatie van een materiaal een maximale standaardisatie en kalibratie vereist, lijkt het calvarial-model ideaal. De toegang is zeer eenvoudig, kalibratie en standaardisatie worden vergemakkelijkt door het gebruik van gedefinieerde cilinders en vier monsters kunnen tegelijkertijd worden beoordeeld. Bovendien kan Live tomografie worden gebruikt en kan uiteindelijk een grote afname van de te euthande dieren worden verwacht.
Introduction
Het calvariale model van botvergroting werd ontwikkeld in de jaren 90 met als doel het concept van geleide botregeneratie (GBR) in het orale en craniofaciale chirurgische domein te optimaliseren. Het basisprincipe van dit model is het verticaal kweken van nieuw botweefsel bovenop het corticale deel van de schedel. Hiervoor wordt een reactor (bijv. Titanium koepel,-cilinder of-kooi) op de schedel bevestigd om de botregeneratie te beschermen die door een transplantaat wordt uitgevoerd (bijv. hydrogel, botsubstituut, enz.). Met behulp van dit model, Titanium of keramische kooien1,2,3,4,5,6, GbR membranen7,8,9 ,10, osteogenic factoren11,12,13,14,15,16,17, nieuw bot substituten12,16,17,18,19,20,21,22,23 , 24 , 25 , 26 , 27 , 28 , 29 of het mechanisme van neovascularisatie tijdens het botregeneratie proces30 werden beoordeeld.
Vanuit een translationeel oogpunt vertegenwoordigt het calvariale model een defect van één wand dat kan worden vergeleken met een defect van klasse IV in de kaak31. Het doel is om nieuw bot te kweken boven een corticale gebied, zonder laterale steun van endogene botwanden. Het model is dus uiterst streng en beoordeelt het reële potentieel van verticale osteogelei ding over het corticale deel van het bot. Als het model dat hierin wordt beschreven primair gewijd is aan de beoordeling van osteogelei ding in botsubstituten, kunnen osteogenese en/of osteoinductie ook worden beoordeeld, evenals vasculogenese1,2,3, 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.
In essentie om ethische, praktische en economische redenen, werd het calvarial-model ontwikkeld in het konijn waarin het botmetabolisme en de structuur heel relevant zijn in vergelijking met humane32. Van de 30 bovengenoemde referenties gebruikte 80% het konijn 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, waardoor de relevantie van dit diermodel wordt aangetoond. In 2008, de Busenlechner groep overgedragen de calvarial model naar het varken, om de vergelijking van acht Bot substituten gelijktijdig20 (in vergelijking met twee botvervangers met het konijn). Aan de andere kant heeft onze fractie het konijn calvarial-model overgebracht naar schapen. Kort gezegd werden Titanium koepels op schapen schedels geplaatst om de osteogelei ding van een nieuwe 3D-gedrukte botsubstitutie te karakteriseren. Deze studies lieten ons het calvariale model en de analyse16,21ontwikkelen en beheersen.
De laatste drie studies aangehaald16,20,21, samen met een aantal andereonderzoeken 12,17,18,19,22, 23,24,26,27,28,29, bevestigde het grote potentieel van het calvariale model als een screening en karakterisering Model. Hoewel de behaalde resultaten behoorlijk bevredigend waren, wezen ze er echter ook op enkele beperkingen: (1) het gebruik van titanium koepels, die Röntgen diffusie en op zijn beurt Live micro-CT gebruik voorkomen. Deze kunnen niet worden verwijderd voor histologische verwerking, waardoor de onderzoekers de monsters in poly (methylmethacrylaat) hars (PMMA) insluiten. De daaruit voortvloeiende analyses waren dus grotendeels beperkt tot topografie. (2) hoge financiële kosten, vooral vanwege de kosten van de dieren, en kosten in verband met de logistiek, het onderhoud en de chirurgie van de dieren. (3) moeilijkheden bij het verkrijgen van ethische goedkeuringen voor grote dieren.
Een recente studie van Polo, et al.26 heeft het model op het konijn grotendeels verbeterd. Titanium koepels werden vervangen door afsluitbare cilinders die konden worden gevuld met een constante hoeveelheid materiaal. Vier van deze cilinders werden op konijn schedels geplaatst. Bij voltooiing konden de cilinders worden verwijderd zodat biopsieën Metaalvrij waren, wat veel meer flexibiliteit introduceerde met betrekking tot de monsterverwerking. Het konijn calvarial-model werd aantrekkelijk voor gelijktijdige tests met lagere kosten, gemakkelijke verwerking van dieren en vergemakkelijking van de monsterverwerking. Door gebruik te maken van deze recente ontwikkelingen hebben we het model verder verbeterd door titanium te vervangen door PEEK om cilinders te produceren, waardoor Röntgen diffusie en het gebruik van microtomografie op levende dieren mogelijk worden.
In dit artikel beschrijven we de anesthesie-en operatie processen en laten we voorbeelden zien van outputs die kunnen worden verkregen met behulp van dit protocol, d.w.z. (immuno-) histologie, histomorphometrie, Live en ex vivo microtomografie om de mechanismen van bot te evalueren regeneratie en Kwantificeer de nieuwe botsynthese, ondersteund door botafvervangende materialen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het model dat hierin wordt beschreven is eenvoudig en moet vrij gemakkelijk worden ontwikkeld, zolang alle stappen worden gevolgd en de apparatuur geschikt is. Aangezien het beschreven protocol een chirurgische methode is, worden alle stappen kritisch weergegeven en moeten ze goed worden opgevolgd. Het is van cruciaal belang om te worden getraind voor dierproeven, vooral in de behandeling van konijnen en anesthesie. Aarzel niet om professionele anesthesist en veterinaire hulp te vragen. Het is van cruciaal belang om te a…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dank verschuldigd aan Geistlich AG (Wolhusen, CH) en de osteologie Stichting (Luzern, CH) (Grant n ° 18-049) voor hun steun, evenals Global D (BRIGNAIS, FR) voor het leveren van de schroeven. Een bijzondere dank gaat uit naar Dr. B. Schaefer van Geistlich. We zijn ook Eliane Dubois en Claire Herrmann dankbaar voor hun uitstekende histologische verwerking en hun kostbare adviezen. Ten slotte erkennen we van harte Xavier Belin, Sylvie Roulet en het hele team van PR Walid Habre, “experimentele chirurgie dpt”, voor hun opmerkelijke technische assistentie.
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).
