Summary

Un modello di topo di instabilità della colonna lombare

Published: April 23, 2021
doi:

Summary

Abbiamo sviluppato un modello di topo di degenerazione del disco intervertebrale lombare per resezione dei processispinosiL 3 –L5 insieme a legamenti sovra- e inter-spinosi e distacco di muscoli paraspinosi.

Abstract

La degenerazione del disco intervertebrale (IDD) è un cambiamento patologico comune che porta alla lombracato. Si desidera modelli animali appropriati per comprendere i processi patologici e valutare nuovi farmaci. Qui, abbiamo introdotto un modello di topo di instabilità della colonna lombare (LSI) indotto chirurgicamente che sviluppa IDD a partire da 1 settimana dopo l’operazione. Nel dettaglio, il topo in anestesia è stato azionato da incisione della pelle posteriore bassa, esposizione ai processi spinosi L3-L5, distacco dei muscoli paraspinosi, resezione dei processi e dei legamenti e chiusura della pelle. Perl’osservazionesonostati scelti 4 -L 5 IVD. Il modello LSI sviluppa l’IDD lombare per porosità e ipertrofia nelle piastre finali in una fase precoce, diminuzione del volume del disco intervertebrale, restringimento del pulposo del nucleo in uno stadio intermedio e perdita ossea nelle vertebre lombari (L5)in una fase successiva. Il modello di mouse LSI ha i vantaggi di una forte operabilità, nessun requisito di attrezzature speciali, riproducibilità, poco costoso e un periodo relativamente breve di sviluppo IDD. Tuttavia, l’operazione LSI è ancora un trauma che causa infiammazione entro la prima settimana dopo l’operazione. Pertanto, questo modello animale è adatto per lo studio dell’IDD lombare.

Introduction

La degenerazione intervertebrale del disco (IDD) è comunemente osservata nell’invecchiamento e persino nei giovani causati da molti fattori1. L’intervento chirurgico per i pazienti che soffrono di IDD, causando lo mal di schiena e movimenti compromessi, viene solitamente eseguito in una fase successiva o in casi gravi e ha potenziali rischi come non unione o infezione2. Il trattamento non operativo ideale richiede una comprensione completa del meccanismo IDD. Il modello animale IDD funge da strumento cruciale per gli studi sul meccanismo IDD e la valutazione del trattamento IDD.

Animali più grandi sono stati scelti per modelli IDD come primati, pecore, capre, cani e conigli a causa della loro somiglianza con la struttura anatomica umana in larga misura e della forte operabilità in termini di dimensioni dei dischi intervertebrali (IVD)3,4,5,6,7,8. Tuttavia, questi modelli animali richiedono molto tempo e costi aggiuntivi9. Mouse IVD è una scarsa rappresentazione dell’IVD umano basata su misurazioni geometriche delle proporzioni, del rapporto nucleo pulposo/area del disco e dell’altezzanormalizzata 10. Nonostante la differenza di dimensioni, il segmento IVD lombare del mouse presenta proprietà meccaniche simili all’IVD umano come la compressione e la rigidità della torsione11. Inoltre, il modello IDD del topo ha il vantaggio di uno sviluppo IDD a basso costo e relativamente breve e più opzioni per animali e anticorpi geneticamente modificati utilizzati in ulteriori studimeccanicistici 12,13,14,15.

I modelli IDD indotti dalla sperimentalità variano dagli induttori e dalle applicazioni. Ad esempio, la degenerazione della matrice extracellulare indotta dalla collagenasi (ECM) è appropriata per la ricerca sulla rigenerazione dell’ECM16. Il fenotipo geneticamente modificato è adatto per lo studio della funzione genica nel processo IDD e nelle terapie genetiche17. I modelli di incisione fibrosa e fumo delle annulus imitano il trauma e l’IDD12,18 .

L’instabilità spinale (SI) porta a una colonna vertebrale instabile che non si trova in uno stato ottimale di equilibrio. Può essere causato da movimenti anomali di un segmento di movimento lombare a causa della debolezza del tessuto di supporto circostante come legamenti e muscoli. È anche comunemente visto operazione post fusione spinale19. SI è considerata la causa principale dell’IDD. Pertanto, miriamo a sviluppare un modello di topi SI (focalizzato sulla colonna lombare) che imita il processo di IDDumano 20,21.

Nel protocollo, abbiamo introdotto la procedura per stabilire il modello di topo di instabilità spinale lombare (LSI) mediante la resezione del terzo lombare (L3)al quinto lombare (L5)processi spinosi insieme ai legamenti sopraspinosi e interspinosi(figura 1A,B). Il modello animale sviluppa L’IDD già 1 settimana dopo l’intervento chirurgico, come dimostrato da ipertrofia e porosità nelle piastre finali (EP). Il volume dell’IVD inizia a diminuire 2 settimane dopo l’intervento chirurgico attraverso 16 settimane insieme all’aumento del punteggio IVD, che indica il grado di IDD. Riteniamo che la procedura dettagliata e visiva sia utile per i ricercatori per stabilire il modello di mouse LSI nel loro laboratorio e applicare alla ricerca IDD se necessario.

Protocol

Le indagini descritte sono conformi alle Linee guida per la cura e l’uso di animali da laboratorio dei National Institutes of Health e sono state approvate dal Comitato per la cura e l’uso degli animali dell’Università cinese tradizionale di Shanghai. Tutte le manipolazioni chirurgiche sono state eseguite in anestesia profonda e gli animali non hanno avuto dolore in nessuna fase durante la procedura. 1. Preparazione pre-operazione Sterilizzazione dello strumento: Sterilizzare a vapo…

Representative Results

Il modello di topo LSI viene applicato negli studi del meccanismo IDD, del trattamento IDD, della degenerazione della piastra finale (EP) come la sclerosi e dell’innervazione sensoriale nell’EP20,21,22,23. Il mouse LSI sviluppa cambiamenti degenerativi IDD ed EP, come identificato, da una diminuzione del volume e dell’altezza dell’IVD, da un aumento del volume ep e da un aumento dei punteggi IV…

Discussion

Abbiamo sviluppato il modello di topo di instabilità della colonna lombare basato sul modello cervicale del topo di spondilosi in cui i muscoli paravertebrali posteriori delle vertebre sono stati staccati e i processi spinosi insieme ai legamenti sopraspinosi e interspinosi sono stati resected25. Abbiamo eseguito un’operazione simile sulla colonna lombare, che ha processi spinosi più prominenti. Il modello di mouse LSI sviluppò un IDD simile nella colonna lombare.

I …

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (81973607) e essential drug research and development (2019ZX09201004-003-032) del Ministero della Scienza e della Tecnologia della Cina.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Wei, F., et al. In vivo experimental intervertebral disc degeneration induced by bleomycin in the rhesus monkey. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 340 (2014).
  4. 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).
  5. Zhang, Y., et al. Histological features of the degenerating intervertebral disc in a goat disc-injury model. Spine. 36 (19), 1519-1527 (2011).
  6. Bergknut, N., et al. The dog as an animal model for intervertebral disc degeneration. Spine. 37 (5), 351-358 (2012).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Jin, L., Balian, G., Li, X. J. Animal models for disc degeneration-an update. Histology and Histopathology. 33 (6), 543-554 (2018).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Ohnishi, T., et al. In vivo mouse intervertebral disc degeneration model based on a new histological classification. Plos One. 11 (8), 0160486 (2016).
  13. Vo, N., et al. Accelerated aging of intervertebral discs in a mouse model of progeria. Journal of Orthopaedic Research. 28 (12), 1600-1607 (2010).
  14. Oichi, T., et al. A mouse intervertebral disc degeneration model by surgically induced instability. Spine. 43 (10), 557-564 (2018).
  15. 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).
  16. Stern, W. E., Coulson, W. F. Effects of collagenase upon the intervertebral disc in monkeys. Journal of Neurosurgery. 44 (1), 32-44 (1976).
  17. Silva, M. J., Holguin, N. LRP5-deficiency in OsxCreERT2 mice models intervertebral disc degeneration by aging and compression. bioRxiv. , (2019).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Bian, Q., et al. Mechanosignaling activation of TGFβ maintains intervertebral disc homeostasis. Bone Research. 5, 17008 (2017).
  21. Bian, Q., et al. Excessive activation of tgfβ by spinal instability causes vertebral endplate sclerosis. Scientific Reports. 6, 27093 (2016).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Miyamoto, S., Yonenobu, K., Ono, K. Experimental cervical spondylosis in the mouse. Spine. 16, 495-500 (1991).
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Citer Cet Article
Liu, S., Sun, Y., Dong, J., Bian, Q. A Mouse Model of Lumbar Spine Instability. J. Vis. Exp. (170), e61722, doi:10.3791/61722 (2021).

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