Den åbne mediale femoral kondyle påvirkningsmodel hos kaniner er pålidelig til undersøgelse af posttraumatisk slidgigt (PTOA) og nye terapeutiske strategier til at afbøde PTOA progression. Denne protokol genererer en isoleret bruskdefekt af den bageste mediale lårbenskondyl hos kaniner ved anvendelse af et vognbaseret faldtårn med et slaghoved.
Posttraumatisk slidgigt (PTOA) er ansvarlig for 12% af alle slidgigt tilfælde i USA. PTOA kan initieres af en enkelt traumatisk begivenhed, såsom en kraftig belastning, der virker på ledbrusk, eller ved ledstabilitet, som det sker med forreste korsbåndsbrud. Der er ingen effektive lægemidler til forebyggelse af PTOA i øjeblikket. Det er nødvendigt at udvikle en pålidelig dyremodel for PTOA for bedre at forstå de mekanismer, hvormed bruskskader fortsætter, og for at undersøge nye behandlingsstrategier for at lindre eller forhindre progression af PTOA. Denne protokol beskriver en åben, dråbetårnbaseret kaninlårbenskondyle-slagmodel for at fremkalde bruskskader. Denne model leverede spidsbelastninger på 579,1 ± 71,1 N og spidsbelastninger på 81,9 ± 10,1 MPa med en tids-til-spidsbelastning på 2,4 ± 0,5 ms. Ledbrusk fra påvirkede mediale lårbenskondyler (MFC’er) havde højere apoptotiske celler (p = 0,0058) og havde højere Osteoarthritis Research Society International (OARSI) score på 3,38 ± 1,43 sammenlignet med de ikke-påvirkede kontralaterale MFC’er (0,56 ± 0,42) og andre bruskoverflader i det påvirkede knæ (p < 0,0001). Der blev ikke påvist forskelle i OARSI-score blandt de ikke-påvirkede ledflader (p > 0,05).
Posttraumatisk slidgigt (PTOA) er en førende årsag til handicap på verdensplan og tegner sig for 12%-16% af symptomatisk slidgigt (OA)1. Den nuværende guldstandard for OA-behandling i slutstadiet er total knæ- og hoftealloplastik2 eller arthrodesis, som i tilfælde af tibiotalar eller subtalar arthritis i slutstadiet. Selvom det stort set lykkes, kan artroplastik have dyre og sygelige komplikationer3. Derudover er artroplastik mindre ønskeligt hos patienter under 50 år i betragtning af den lave revisionsfri implantatoverlevelse på 77% -83%4,5. I øjeblikket er der ingen FDA-godkendte behandlinger til at forhindre eller afbøde udviklingen af PTOA.
PTOA påvirker hele leddet, herunder synovialvævet, subchondral knogle og ledbrusk. Det er kendetegnet ved ledbruskdegeneration, synovial inflammation, subchondral knoglemodellering og osteofytdannelse 6,7. Fænotypen af PTOA udvikler sig via en kompleks proces med samspil mellem brusk, synovium og subchondral knogle. Den nuværende forståelse er, at bruskskade fører til frigørelse af ekstracellulære matrixkomponenter (ECM) såsom type 2 kollagen (COL2) og aggrecan (ACAN). Disse ECM-komponentfragmenter er proinflammatoriske og forårsager øget produktion af IL-6, IL-1β og reaktive iltarter. Disse mediatorer virker på chondrocytter, hvilket forårsager opregulering af matrixmetalloproteinaser (MMP’er), såsom MMP-13, som nedbryder ledbrusk, samtidig med at matrixsyntesen reduceres, hvilket fører til et samlet katabolisk miljø for ledbrusk8. Derudover er der tegn på øget chondrocytapoptose ved primær slidgigt og PTOA 9,10. Mitokondriel dysfunktion opstår efter suprafysiologisk belastning af brusk 11,12,13,14, hvilket kan føre til øget chondrocytapoptose 12,15. Forbedret chondrocyt apoptose har været forbundet med øget proteoglycan udtømning og brusk katabolisme og har vist sig at gå forud for ændringer i brusk og subchondral knogle remodeling16,17,18.
Som med de fleste menneskelige sygdomme er pålidelige og translationelle modeller af PTOA nødvendige for yderligere at forstå sygdommens patofysiologi og teste nye behandlinger. Store dyr som svin og hjørnetænder er blevet brugt i intraartikulære fraktur- og slagmodeller af PTOA17,19, men de er dyre. Mindre dyremodeller, såsom mus, rotter og kaniner, er billigere og bruges til at studere PTOA genereret gennem leddestabilisering, som typisk involverer kirurgisk transsektion af det forreste korsbånd (ACL) og / eller forstyrrelse af den mediale menisk 20,21,22,23,24,25. Selvom ledtraumer kan føre til forskellige konsekvenser, herunder ledbåndsskade26, forekommer mekanisk overbelastning af brusk i næsten alle tilfælde.
Der er nye tegn på, at patologien bag udviklingen af PTOA efter ligamentøs ustabilitet (som i ACL-transsektion) og akut chondral skade skyldes forskellige mekanismer27. Derfor er det vigtigt at udvikle modeller for direkte skade på brusk. Der er i øjeblikket et begrænset antal slagmodeller, der genererer osteochondral eller chondral skade hos rotter og mus28,29. Imidlertid er murinbrusk ikke velegnet til generering af isolerede chondraldefekter. Dette skyldes, at murin ledbrusk kun er 3-5 cellelag tykt og mangler organiserede overfladiske, radiale og overgangsbruskzoner samt det tykke forkalkede brusklag, der findes hos mennesker og større dyr. Murinmodeller viser også spontan opløsning af partielle bruskdefekter30,31. Derfor valgte vi kaninen til denne slagmodel, da dens brusktykkelse og organisation ligner menneskers, og det er den mindste dyremodel, der giver mulighed for levering af en konsekvent konsistent chondral påvirkning, der resulterer i PTOA. Tidligere åbne kirurgiske modeller af lårbenskondylepåvirkning hos kaninen har anvendt et pendul 32, en håndholdt fjederbelastet bruskimpaktionsenhed33 og et droptårn, der tillod kaninspecifik slaglegemedannelse34. Disse undersøgelser manglede imidlertid in vivo-data. Andre har rapporteret in vivo-data med pendulbaserede 35, pneumatiske36 og fjederbelastede37 slaganordninger10, og disse undersøgelser viser en høj variabilitetshastighed i spidsbelastning og belastningshastigheder mellem metoderne. Alligevel mangler feltet en konsekvent tilgang til pålidelig modellering af akut brusktraume in vivo.
Den nuværende protokol anvender et drop-tower-baseret system til at levere en ensartet påvirkning af den bageste mediale kondyle af kaninknæet. En posterior tilgang til knæet anvendes til at udsætte den bageste mediale lårbenskondyle. En Steinman-stift placeres derefter på tværs af lårbenskondylerne fra medial til lateral på linje med ledfladen og fastgøres til platformen. Når den er sikret, leveres en belastning til den bageste mediale lårbenskondyle. Denne metode gør det muligt at levere ensartede bruskskader til den vægtbærende overflade af kaninens distale lårben.
Denne kirurgiske procedure sigter mod at generere konsekvent bruskskade på den vægtbærende overflade af kaninens mediale lårbenskondyl i en model af PTOA. En fordel ved denne procedure er, at den bageste tilgang til knæet giver mulighed for direkte visualisering af den komplette bageste mediale lårbenskondyle, og den kan udføres på ca. 37 min (tabel 2). Det skal også bemærkes, at dette er en åben skademodel og kan føre til akutte inflammatoriske ændringer ud over blot virkningen på grund af…
The authors have nothing to disclose.
Denne undersøgelse blev støttet af DoD Peer Reviewed Medical Research Program – Investigator-Initiated Research Award W81XWH-20-1-0304 fra US Army Medical Research Acquisition Activity, af NIH NIAMS R01AR076477 og et omfattende muskuloskeletalt T32 træningsprogram fra NIH (AR065971) og af NIH NIAMS Grant R01 AR069657. Forfatterne vil gerne takke Kevin Carr for at levere sin ekspertise inden for bearbejdning og fabrikation til dette projekt og Drew Brown og Indiana Center for Musculoskeletal Health Bone Histology Core for at hjælpe med histologi.
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 |