Het open mediale femurcondylusimpactmodel bij konijnen is betrouwbaar voor het bestuderen van posttraumatische artrose (PTOA) en nieuwe therapeutische strategieën om PTOA-progressie te verminderen. Dit protocol genereert een geïsoleerd kraakbeendefect van de posterieure mediale femurcondylus bij konijnen met behulp van een op een wagen gebaseerde valtoren met een botshoofd.
Posttraumatische artrose (PTOA) is verantwoordelijk voor 12% van alle gevallen van artrose in de Verenigde Staten. PTOA kan worden geïnitieerd door een enkele traumatische gebeurtenis, zoals een hoge impactbelasting die inwerkt op gewrichtskraakbeen, of door gewrichtsinstabiliteit, zoals optreedt bij een voorste kruisbandruptuur. Er zijn momenteel geen effectieve therapieën om PTOA te voorkomen. Het ontwikkelen van een betrouwbaar diermodel van PTOA is nodig om de mechanismen waardoor kraakbeenschade ontstaat beter te begrijpen en om nieuwe behandelingsstrategieën te onderzoeken om de progressie van PTOA te verlichten of te voorkomen. Dit protocol beschrijft een open, op een valtoren gebaseerd femurcondylusimpactmodel voor konijnen om kraakbeenschade te induceren. Dit model leverde piekbelastingen van 579,1 ± 71,1 N en piekspanningen van 81,9 ± 10,1 MPa met een time-to-peak belasting van 2,4 ± 0,5 ms. Gewrichtskraakbeen van geïmpacteerde mediale femurcondylen (MFC’s) had hogere percentages apoptotische cellen (p = 0,0058) en bezat hogere Osteoarthritis Research Society International (OARSI)-scores van 3,38 ± 1,43 in vergelijking met de niet-geïmpacteerde contralaterale MFC’s (0,56 ± 0,42) en andere kraakbeenoppervlakken van de geïmpacteerde knie (p < 0,0001). Er werden geen verschillen in OARSI-scores gedetecteerd tussen de niet-geïmpacteerde gewrichtsoppervlakken (p > 0,05).
Posttraumatische artrose (PTOA) is wereldwijd een belangrijke oorzaak van invaliditeit en is verantwoordelijk voor 12%-16% van de symptomatische artrose (OA)1. De huidige gouden standaard voor de behandeling van artrose in het eindstadium is totale knie- en heupartroplastiek2 of artrodese, zoals in het geval van tibiotalaire of subtalaire artritis in het eindstadium. Hoewel grotendeels succesvol, kan artroplastiek kostbare en morbide complicaties hebben3. Bovendien is artroplastiek minder wenselijk bij patiënten jonger dan 50 jaar, gezien de lage revisievrije implantaatoverleving van 77%-83%4,5. Momenteel zijn er geen door de FDA goedgekeurde behandelingen om de progressie van PTOA te voorkomen of te verminderen.
PTOA tast het hele gewricht aan, inclusief het synoviale weefsel, het subchondrale bot en het gewrichtskraakbeen. Het wordt gekenmerkt door gewrichtskraakbeendegeneratie, synoviale ontsteking, subchondrale botremodellering en osteofytenvorming 6,7. Het fenotype van PTOA ontwikkelt zich via een complex proces van samenspel tussen kraakbeen, synovium en subchondraal bot. De huidige opvatting is dat kraakbeenbeschadiging leidt tot het vrijkomen van extracellulaire matrix (ECM) componenten zoals type 2 collageen (COL2) en aggrecan (ACAN). Deze ECM-componentfragmenten zijn pro-inflammatoir en veroorzaken een verhoogde productie van IL-6-, IL-1β- en reactieve zuurstofsoorten. Deze mediatoren werken in op chondrocyten en veroorzaken opregulatie van matrixmetalloproteïnasen (MMP’s), zoals MMP-13, die gewrichtskraakbeen afbreken en tegelijkertijd de matrixsynthese verminderen, wat leidt tot een algehele katabole omgeving voor het gewrichtskraakbeen8. Bovendien zijn er aanwijzingen voor verhoogde apoptose van chondrocyten bij primaire artrose en PTOA 9,10. Mitochondriale disfunctie treedt op na suprafysiologische belasting van kraakbeen 11,12,13,14, wat kan leiden tot verhoogde apoptose van chondrocyten 12,15. Verbeterde apoptose van chondrocyten is in verband gebracht met verhoogde proteoglycaandepletie en kraakbeenkatabolisme en er is aangetoond dat het voorafgaat aan veranderingen in kraakbeen en subchondrale botremodellering16,17,18.
Zoals bij de meeste ziekten bij de mens, zijn betrouwbare en translationele modellen van PTOA nodig om de pathofysiologie van de ziekte beter te begrijpen en nieuwe therapieën te testen. Grote dieren zoals varkens en hoektanden zijn gebruikt in intra-articulaire fractuur- en impactmodellen van PTOA17,19, maar ze zijn kostbaar. Kleinere diermodellen, zoals muizen, ratten en konijnen, zijn minder duur en worden gebruikt om PTOA te bestuderen die wordt gegenereerd door gewrichtsdestabilisatie, waarbij meestal chirurgische doorsnede van de voorste kruisband (VKB) en/of verstoring van de mediale meniscus 20,21,22,23,24,25 betrokken is. Hoewel gewrichtstrauma verschillende gevolgen kan hebben, waaronder ligamentair letsel26, treedt in bijna alle gevallen mechanische overbelasting van het kraakbeen op.
Er zijn steeds meer aanwijzingen dat de pathologie achter de ontwikkeling van PTOA na ligamenteuze instabiliteit (zoals bij ACL-transsectie) en acuut chondraal letsel te wijten is aan verschillende mechanismen27. Daarom is het belangrijk om modellen voor direct letsel aan kraakbeen te ontwikkelen. Er is momenteel een beperkt aantal impactmodellen die osteochondrale of chondrale schade veroorzaken bij ratten en muizen28,29. Muizenkraakbeen is echter niet erg geschikt voor het genereren van geïsoleerde chondrale defecten. Dit komt omdat muizen gewrichtskraakbeen slechts 3-5 cellagen dik is en georganiseerde oppervlakkige, radiale en overgangskraakbeenzones mist, evenals de dikke verkalkte kraakbeenlaag die wordt aangetroffen bij mensen en grotere dieren. Muizenmodellen vertonen ook spontane oplossing van gedeeltelijke kraakbeendefecten30,31. Daarom hebben we het konijn gekozen voor dit impactmodel, omdat de dikte en organisatie van het kraakbeen vergelijkbaar zijn met die van mensen, en het is het kleinste diermodel dat de levering van een consistente chondrale impact mogelijk maakt die resulteert in PTOA. Eerdere open chirurgische modellen van femurcondylusimpact bij het konijn hebben gebruik gemaakt van een slinger32, een in de hand gehouden veerbelast kraakbeenimpactieapparaat 33 en een valtoren die het mogelijk maakte konijnspecifieke impactor te creëren34. In deze studies ontbraken echter in vivo gegevens. Anderen hebben in vivo gegevens gerapporteerd met op slingers gebaseerde 35, pneumatische36 en veerbelaste37 slagapparaten10, en deze studies tonen een hoge mate van variabiliteit in piekspanning en belastingssnelheden tussen de methoden. Toch ontbreekt het veld aan een consistente aanpak om acuut kraakbeentrauma in vivo betrouwbaar te modelleren.
Het huidige protocol maakt gebruik van een op een drop-tower gebaseerd systeem om een consistente impact te leveren op de posterieure mediale condylus van de konijnenknie. Een posterieure benadering van de knie wordt gebruikt om de posterieure mediale femurcondylus bloot te leggen. Vervolgens wordt een Steinman-pin over de femurcondylen geplaatst van mediaal naar lateraal in lijn met het gewrichtsoppervlak en vastgemaakt aan het platform. Eenmaal vastgezet, wordt een belasting afgeleverd aan de posterieure mediale femurcondylus. Deze methode maakt het mogelijk om consistente kraakbeenschade toe te dienen aan het gewichtdragende oppervlak van het distale dijbeen van het konijn.
Deze chirurgische ingreep heeft tot doel consistente kraakbeenschade te genereren aan het dragende oppervlak van de mediale femurcondylus van het konijn in een model van PTOA. Een voordeel van deze procedure is dat de posterieure benadering van de knie directe visualisatie van de volledige posterieure mediale femurcondylus mogelijk maakt, en het kan worden uitgevoerd in ongeveer 37 minuten (tabel 2). Er moet ook worden opgemerkt dat dit een open verwondingsmodel is en kan leiden tot acute ontstekingsvera…
The authors have nothing to disclose.
Deze studie werd ondersteund door DoD Peer Reviewed Medical Research Program – Investigator-Initiated Research Award W81XWH-20-1-0304 van de U.S. ARMY MEDICAL RESEARCH ACQUISITION ACTIVITY, door NIH NIAMS R01AR076477 en een uitgebreid musculoskeletaal T32-trainingsprogramma van de NIH (AR065971) en door NIH NIAMS Grant R01 AR069657. De auteurs willen Kevin Carr bedanken voor het ter beschikking stellen van zijn expertise op het gebied van machinale bewerking en fabricage aan dit project, en Drew Brown en het Indiana Center for Musculoskeletal Health Bone Histology Core voor hun hulp bij histologie.
Flat head screw | McMaster-Carr | 92210A194 | Stainless steel hex drive flat head screw, 8-32, 1/2" |
#15 scalpel blades | McKesson | 1029066 | Scalpel McKesson No. 15 Stainless Steel / Plastic Classic Grip Handle Sterile Disposable |
1/2”-20 threaded rod | McMaster-Carr | 99065A120 | 1/2”-20 threaded rod |
10 mL syringe | McKesson | 1031801 | For irrigation; General Purpose Syringe McKesson 10 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety |
3 mL syringe | McKesson | 1031804 | For lidocaine/bupiviacaine injection; General Purpose Syringe McKesson 3 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety. |
3-0 polysorb | Ethicon | J332H | 3-0 Vircryl, CT-2, 1/2 circle, 26 mm, tapered |
4-0 monosorb | Ethicon | Z397H | 4-0 PDS 2, FS-2, 3/8 circle, 19mm, cutting edge |
5-0 polysorb | Med Vet International | NC9335902 | Med Vet International 5-0 ETHICON COATED VICRYL C-3 |
Accelerometer | Kistler | 8743A5 | Accelerometer |
Adson-Browns Forceps | World precision tools | 500177 | Adson-Brown Forceps, 12 cm, Straight, TC Jaws, 7 x 7 Teeth |
Alfaxalone | Jurox | 49480-002-01 | Alfaxan Multidose by Jurox : 10 mg/mL |
Buprenorphine | Par Pharmaceuticals | 42023-0179-05 | Buprenorphine HCL injection: 0.3 mg/mL |
Butorphanol | Zoetis | 54771-2033 | Butorphanol tartrate 10mg/ml by Zoetis |
Chlorhexidine Hand Scrub | BD | 371073 | BD E-Z Scrub 107 Surgical Scrub Brush/Sponge, 4% CHG, Red |
Collet | STRYKER | 14023 | Stryker 4100-62 wire Collet 0.28-0.71'' |
Cordless Driver handpiece | STRYKER | OR-S4300 | Stryker 4300 CD3 Cordless Driver 3 handpiece |
Cricket Retractors | Novosurgical | G3510 21 | 2x Heiss (Holzheimer) Cross Action Retractor |
Dissector Scissors | Jorvet labs | J0662 | Aesculap AG, Metzenbaum, Scissors, Straight 5 3/4″ |
Elizabethian Collar | ElizaSoft | 62054 | ElizaSoft Elizabethan Recovery Collar |
Enrofloxacin | Custom Meds | Enrofloxacin compounded by Custom Meds | |
Eye Ointment | Pivetal | 46066-753-55 | Pivetal Articifical Tears- recently recalled |
Face-mount shaft collar | McMaster-Carr | 5631T11 | Face-mount shaft collar |
Fast green | Millipore Sigma | F7258 | Fast green |
Freer | Jorvet labs | J0226Q | Freer elevator |
Head screw -1 | McMaster-Carr | 91251A197 | Black-oxide alloy steel socket head screw, 8-32, 3/4" |
Head screw -2 | McMaster-Carr | 92196A194 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -3 | McMaster-Carr | 92196A146 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -4 | McMaster-Carr | 92196A151 | Stainless steel socket head screw, 6-32, 3/4" |
Hematoxylin Solution, Gill No. 1 | Millipore Sigma | GHS132-1L | Hematoxylin Solution, Gill No. 1 |
Hex nut | McMaster-Carr | 91841A007 | Stainless steel hex nut, 6-32 |
Hold-down toggle clamp | McMaster-Carr | 5126A71 | Hold-down toggle clamp |
Impact device | n/a | n/a | custom made |
Impact platform | n/a | n/a | custom made |
K-wires | Jorvet Labs | J0250A | JorVet Intramedullary Steinman Pins, Trocar-Trocar 1/16" x 7" |
Lab View | National Instruments | n/a | n/a |
Load cell | Kistler | 9712B5000 | Load cell |
MATLAB | The MathWorks Inc. | n/a | n/a |
Microscope | Leica | DMi-8 | Leica DMi8 microscope with LAS-X software |
Midazolam | Almaject | 72611-749-10 | Midazolam Hydrochloride injection: 5mg/ml by Almaject |
milling machine depth stops | McMaster-Carr | 2949A71 | Clamp-on milling machine depth stops |
Mobile C-arm | Philips | 718095 | BV Pulsera, Mobile C-arm |
Mounted linear ball bearing | McMaster-Carr | 9338T7 | Mounted linear ball bearing |
Needle Driver | A2Z Scilab | A2ZTCIN39 | TC Webster Needle Holder Smooth Jaws 5", Premium |
Pentobarbital | Vortech | 0298-9373-68 | Pentobarbital 390 mg/mL by Vortech |
Safranin O | Millipore Sigma | HT90432 | Safranin O |
Small Battery pack | STRYKER | NS014036 | 6212 Small Battery pack- 9.6 V |
Steel rod, 2’ | McMaster-Carr | 89535K25 | Steel rod, 2’ |
Sterile Saline | ICU Medical | 6139-22 | AquaLite Solution Pour Bottles, 250 mL |
Stryker 6110-120 System 6 Battery Charger | STRYKER | OR-S6110-120 | |
Surgical gloves | McKesson | 1044729 | Surgical Glove McKesson Perry Size 6.5 Sterile Pair Latex Extended Cuff Length Smooth Brown Not Chemo Approved |
Surgical gown | McKesson | 1104452 | Non-Reinforced Surgical Gown with Towel McKesson Large Blue Sterile AAMI Level 3 Disposable |
Suture scissors | Jorvet Labs | J0910SA | Super Cut Scissors, Mayo, Straight, 5 1/2″ |
TUNEL staining kit | ABP Bioscience | A049 | TUNEL Chromogenic Apoptosis Detection Kit |
Weitlaner Retractors | Fine Science Tools | 17012-11 | 2x Weitlaner-Locktite Retractors |