En musemodel af ustabilitet i lændehvirvelsøjlen
Summary
Vi udviklede en lændehvirvel intervertebral disk degeneration mus model ved resektion af L3-L5 spinous processer sammen med supra- og inter-spinous ledbånd og løsrivelse af paraspinous muskler.
Abstract
Intervertebral disk degeneration (IDD) er en almindelig patologisk ændring, der fører til lændesmerter. Passende dyremodeller ønskes til at forstå de patologiske processer og evaluere nye lægemidler. Her introducerede vi en kirurgisk induceret lændehvirvelsøjlen ustabilitet (LSI) mus model, der udvikler IDD fra 1 uge efter drift. I detaljer blev musen under anæstesi drevet af lav ryg hud snit, L3-L5 spinous processer eksponering, løsrivelse af paraspinous muskler, resektion af processer og ledbånd, og hud lukning. L4-L5 IVD’er blev udvalgt til observationen. LSI-modellen udvikler lændehvirvelSE-IDD ved porøsitet og hypertrofi i slutplader på et tidligt stadium, fald i intervertebrale skivevolumen, svind i kernen pulposus på et mellemstadium og knogletab i lændehvirvler (L5) på et senere tidspunkt. LSI-musemodellen har fordelene ved stærk operabilitet, intet krav om specialudstyr, reproducerbarhed, billig og relativt kort periode med IDD-udvikling. Men, LSI operation er stadig et traume, der forårsager betændelse inden for den første uge efter operationen. Således er denne dyremodel egnet til undersøgelse af lænde-IDD.
Introduction
Intervertebral disk degeneration (IDD) ses almindeligvis i aldring og endda unge forårsaget af mange faktorer1. Kirurgi for patienter, der lider af IDD, forårsager lændesmerter og nedsat bevægelse, udføres normalt på et senere tidspunkt eller i alvorlige tilfælde og har potentielle risici såsom nonunion eller infektion2. Ideel ikke-operativ behandling kræver omfattende forståelse af IDD-mekanismen. IDD-dyremodellen fungerer som et afgørende redskab til undersøgelser af IDD-mekanisme og evaluering af IDD-behandling.
Større dyr er blevet valgt til IDD-modeller som primater, får, geder, hunde og kaniner på grund af deres lighed med menneskets anatomiske struktur i vid udstrækning og den stærke operabilitet med hensyn til størrelsen af intervertebral diske (IVDs)3, 4,5,6,7,8. Disse dyremodeller er imidlertid tidskrævende og omkostningstunge9. Mus IVD er en dårlig repræsentation af den menneskelige IVD baseret på geometriske målinger af højde-bredde-forholdet, kernen pulposus til disken område ratio, og normaliseret højde10. På trods af forskellen i størrelse udviser musens lændehvirvel IVD-segment mekaniske egenskaber svarende til menneskelig IVD, såsom kompression og torsionsstivhed11. Derudover har muse-IDD-modellen fordelen ved lavprisudvikling, relativt kort IDD-udvikling og flere muligheder for genetisk modificerede dyr og antistoffer, der anvendes i yderligere mekanistiske undersøgelser12,13,14,15.
Eksperimentel-induceret IDD-modeller varierer fra inducere og applikationer. For eksempel er kollagen-induceret ekstracellulær matrix (ECM) degeneration egnet til ECM regenerering forskning16. Genetisk modificeret fænotype er egnet til at studere genfunktionen i IDD-processen og i genetiske terapier17. Annulus fibrosus snit og røg modeller efterligne traumer og ikke-inflammation induceret IDD12,18.
Spinal ustabilitet (SI) fører til en ustabil rygsøjle, der ikke er i en optimal tilstand af ligevægt. Det kan være forårsaget af unormal bevægelse af en lændehvirvelsøjlen bevægelse segment på grund af svagheden i de omkringliggende støttende væv såsom ledbånd og muskler. Det er også almindeligt set efter spinal fusion operation19. SI betragtes som hovedårsagen til IDD. Derfor sigter vi mod at udvikle en SI-musmodel (fokuseret på lændehvirvelsøjlen), der efterligner den menneskelige IDD-proces20,21.
I protokollen indførte vi proceduren for etablering af lændehvirvelsøjlen ustabilitet (LSI) mus model ved resektion af lændehvirvelsøjlen tredje (L3) til lændehvirvel femte (L5)spinøse processer sammen med supraspinous og interspinous ledbånd (Figur 1A, B). Dyremodellen udvikler IDD allerede 1 uge efter operationen som vist ved hypertrofi og porøsitet i endplates (EP’er). IVD volumen begynder at falde 2 uger efter operationen gennem 16 uger sammen med øget IVD score, hvilket indikerer graden af IDD. Vi mener, at den detaljerede og visualiserede procedure er nyttig for forskere at etablere LSI-musemodellen i deres laboratorium og ansøge om IDD-forskning efter behov.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi udviklede lændehvirvelsøjlen ustabilitet mus model baseret på livmoderhalskræft spondylosis mus model, hvor den bageste paravertebral muskler fra ryghvirvlerne blev løsrevet og spinous processer sammen med supraspinous og interspinous ledbånd blev resected25. Vi udførte en lignende operation på lændehvirvelsøjlen, som har mere fremtrædende spinøse processer. LSI-musemodellen udviklede lignende IDD i lændehvirvelsøjlen.
Fordelene ved LSI-modellen omfatte…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (81973607) og Essential Drug Research and Development (2019ZX09201004-003-032) fra Kinas videnskabs- og teknologiministerium.
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).
