腰椎不安定性のマウスモデル
Summary
L3-L5棘間プロセスの切除、上頭およびスピン間靭帯、麻痺性筋肉の剥離による腰椎間椎間板変性マウスモデルを開発しました。
Abstract
椎間板変性(IDD)は、腰痛につながる一般的な病理学的変化である。病理過程を理解し、新薬を評価するためには、適切な動物モデルが望まれている。ここでは、手術後1週間からIDDを発症する、外科的に誘発された腰椎不安定性(LSI)マウスモデルを導入した。詳細には、麻酔下のマウスは、腰部皮膚切開、L3-L5棘プロセス暴露、麻痺性筋肉の剥離、プロセスおよび靭帯の切除、および皮膚閉鎖によって手術された。L4–L5 IVDが観測に選ばれました。LSIモデルは、初期段階でのエンドプレート内の空隙率および肥大による腰体IDDを開発し、椎間板容積の減少、中間段階でのパルポスの核の収縮、腰椎(L5)の骨損失を後段階で発症する。LSIマウスモデルは、強力な操作性、特殊な機器の要件、再現性、安価で比較的短い期間のIDD開発の利点を有します。しかし、LSI手術は、手術後最初の1週間以内に炎症を引き起こす外傷である。したがって、この動物モデルは、腰椎IDDの研究に適している。
Introduction
椎間板変性(IDD)は、老化や若者の多くの要因によって引き起こされる一般的に見られる1.IDDに苦しむ患者のための手術は、腰痛や運動障害を引き起こし、通常は後の段階で、または重症例で行われ、非ユニオンまたは感染症などの潜在的なリスクを有する2。理想的な非手術治療は、IDD機構の包括的な理解を必要とする。IDD動物モデルは、IDDのメカニズムとIDD治療の評価の研究のための重要なツールとして機能します。
大きな動物は、霊長類、羊、ヤギ、イヌ、ウサギなどのIDDモデルに、人間の解剖学的構造との類似性が大きく、椎間板(IVD)3、4、5、6、7、8のサイズの面で強い操作性のために選ばれました。しかし、これらの動物モデルは時間がかかり、コストがかかる9.マウスIVDは、アスペクト比の幾何学的測定に基づくヒトIVDの表現が悪く、パルポス核対ディスク面積比、および正規化高さ10。サイズの差にもかかわらず、マウス腰椎IVDセグメントは、圧縮およびトーション剛性11のようなヒトIVDに類似した機械的特性を示す。また、マウスIDDモデルは、低コスト、比較的短いIDD開発、および更なる機械学的研究12、13、14、15で利用される遺伝子組み換え動物および抗体のためのより多くの選択肢の利点を有する。
実験的に誘発されたIDDモデルは、インデューサーやアプリケーションとは異なります。例えば、コラゲラーゼ誘導細胞外マトリックス(ECM)変性は、ECM再生研究16に適している。遺伝子組換え表現型は、IDDプロセスおよび遺伝療法における遺伝子機能の研究に適している。アヌラス線維症切開および煙モデルは、外傷および非炎症誘発IDD12,18を模倣する。
脊髄不安定性(SI)は、平衡状態にあっては不調の不安定な脊柱を引き起こします。これは、靭帯や筋肉などの周囲の支持組織の弱さによる腰部運動セグメントの異常な動きによって引き起こされる可能性があります。脊髄融合後の手術19も一般的に見られる。SIはIDDの主な原因と考えられています。そこで、ヒトIDDプロセス20,21を模したSIマウスモデル(腰椎に焦点を当てた)の開発を目指す。
プロトコルでは、腰椎3番目(L3)を腰椎第5(L5)の切除によって腰椎不安定性(LSI)マウスモデルを確立する手順を、上腕および内棘靭帯と共に第5(L5)の脊椎プロセスを腰椎に設定する手順を導入した(図1A,B)。この動物モデルは、エンドプレート(EPs)の肥大および多孔性によって示されるように、手術後早くも1週間のIDDを発症する。IVD容積は、IDDの程度を示す増加したIVDスコアと共に、16週間を通じて手術後2週間減少し始める。詳細で視覚化された手順は、研究者が研究室でLSIマウスモデルを確立し、必要に応じてIDD研究に適用するのに役立つと考えています。
Protocol
Representative Results
Discussion
椎骨の後部椎筋を剥離し、上頭突性靭帯と副鼻腔間靭帯を切除した脊椎不安定性マウスモデルを開発しました。我々は、より顕著な棘プロセスを有する腰椎に同様の手術を行った。LSIマウスモデルは、腰椎に同様のIDDを開発しました。
LSIモデルの利点は、強力な操作性、特別な機器の要件、再現性、およびIDD開発の比較的短い期間が含まれます。
<p …Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は中国の国立自然科学財団(81973607)と中国科学技術省の必須医薬品研究開発(2019ZX09201004-003-032)によって支援されました。
Materials
| Chlortetracycline Hydrochloride Eye Ointment | Shanghai General Pharmaceutical Co., Ltd. | H31021931 | Prevent eye dry, Prevent wound infection |
| C57BL/6J male mice | Tian-jiang Pharmaceuticals Company (Jiangsu, CN) | SCXK2018-0004 | Animal model |
| Disposable medical towel | Henan Huayu Medical Devices Co., Ltd. | 20160090 | Platform for surgical operation |
| Inhalant anesthesia equipment | MIDMARK | Matrx 3000 | Anesthesia |
| Isoflurane | Shenzhen RWD Life Technology Co., Ltd. | 1903715 | Anesthesia |
| Lidocaine hydrochloride | Shandong Hualu Pharmaceutical Co., Ltd. | H37022839 | Pain relief |
| Medical suture needle | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 20S0401J | Suture skin |
| Ophthalmic forceps | Shanghai Medical Devices (Group) Co., Ltd. Surgical Instruments Factory | JD1050 | Clip the skin |
| Ophthalmic scissors(10cm) | Shanghai Medical Devices (Group) Co., Ltd. Surgical Instruments Factory | Y00030 | Skin incision |
| silk braided | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 11V0820 | Suture skin |
| Small animal trimmer | Shanghai Feike Electric Co., Ltd. | FC5910 | Hair removal |
| Sterile surgical blades(12#) | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 35T0707 | Muscle incision |
| Veet hair removal cream | RECKITT BENCKISER (India) Ltd | NA | Hair removal |
| Venus shears | Mingren medical equipment | Length:12.5cm | Clip the muscle and spinous process |
References
- Makino, H., et al. Lumbar disc degeneration progression in young women in their 20’s: a prospective ten-year follow up. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 22 (4), 635-640 (2017).
- Lee, Y. C., Zotti, M. G. T., Osti, O. L. Operative management of lumbar degenerative disc disease. Asian Spine Journal. 10 (4), 801-819 (2016).
- Wei, F., et al. In vivo experimental intervertebral disc degeneration induced by bleomycin in the rhesus monkey. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 340 (2014).
- Lim, K. Z., et al. Ovine lumbar intervertebral disc degeneration model utilizing a lateral retroperitoneal drill bit injury. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (123), e55753 (2017).
- Zhang, Y., et al. Histological features of the degenerating intervertebral disc in a goat disc-injury model. Spine. 36 (19), 1519-1527 (2011).
- Bergknut, N., et al. The dog as an animal model for intervertebral disc degeneration. Spine. 37 (5), 351-358 (2012).
- Kong, M. H., et al. Rabbit Model for in vivo Study of Intervertebral Disc Degeneration and Regeneration. Journal of Korean Neurosurgical Society. 44 (5), 327-333 (2008).
- Gullbrand, S. E., et al. A large animal model that recapitulates the spectrum of human intervertebral disc degeneration. Osteoarthritis and Cartilage. 25 (1), 146-156 (2017).
- Jin, L., Balian, G., Li, X. J. Animal models for disc degeneration-an update. Histology and Histopathology. 33 (6), 543-554 (2018).
- O’Connell, G. D., Vresilovic, E. J., Elliott, D. M. Comparative intervertebral disc anatomy across several animal species. 52nd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. , (2006).
- Elliott, D. M., Sarver, J. J. Young investigator award winner: validation of the mouse and rat disc as mechanical models of the human lumbar disc. Spine. 29 (7), 713-722 (2004).
- Ohnishi, T., et al. In vivo mouse intervertebral disc degeneration model based on a new histological classification. Plos One. 11 (8), 0160486 (2016).
- Vo, N., et al. Accelerated aging of intervertebral discs in a mouse model of progeria. Journal of Orthopaedic Research. 28 (12), 1600-1607 (2010).
- Oichi, T., et al. A mouse intervertebral disc degeneration model by surgically induced instability. Spine. 43 (10), 557-564 (2018).
- Ohnishi, T., Sudo, H., Tsujimoto, T., Iwasaki, N. Age-related spontaneous lumbar intervertebral disc degeneration in a mouse model. Journal of Orthopaedic Research. 36 (1), 224-232 (2018).
- Stern, W. E., Coulson, W. F. Effects of collagenase upon the intervertebral disc in monkeys. Journal of Neurosurgery. 44 (1), 32-44 (1976).
- Silva, M. J., Holguin, N. LRP5-deficiency in OsxCreERT2 mice models intervertebral disc degeneration by aging and compression. bioRxiv. , (2019).
- Nemoto, Y., et al. Histological changes in intervertebral discs after smoking and cessation: experimental study using a rat passive smoking model. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 11 (2), 191-197 (2006).
- Mulholland, R. C. The myth of lumbar instability: the importance of abnormal loading as a cause of low back pain. European Spine Journal. 17 (5), 619-625 (2008).
- Bian, Q., et al. Mechanosignaling activation of TGFβ maintains intervertebral disc homeostasis. Bone Research. 5, 17008 (2017).
- Bian, Q., et al. Excessive activation of tgfβ by spinal instability causes vertebral endplate sclerosis. Scientific Reports. 6, 27093 (2016).
- Ni, S., et al. Sensory innervation in porous endplates by Netrin-1 from osteoclasts mediates PGE2-induced spinal hypersensitivity in mice. Nature Communications. 10 (1), 5643 (2019).
- Liu, S., Cheng, Y., Tan, Y., Dong, J., Bian, Q. Ligustrazine prevents intervertebral disc degeneration via suppression of aberrant tgfβ activation in nucleus pulposus cells. BioMed Research International. 2019, 5601734 (2019).
- Boos, N., et al. Classification of age-related changes in lumbar intervertebral discs: 2002 Volvo Award in basic science. Spine. 27 (23), 2631-2644 (2002).
- Miyamoto, S., Yonenobu, K., Ono, K. Experimental cervical spondylosis in the mouse. Spine. 16, 495-500 (1991).
