足首-距骨下複合関節不安定性のマウスモデル
Summary
足首距骨下複合関節(ASCJ)は足のコアであり、日常生活におけるバランス制御に重要な役割を果たします。スポーツ傷害は、しばしばこの関節の不安定性につながります。ここでは、靭帯離断によるASCJの不安定性のマウスモデルについて述べる。
Abstract
足首の捻挫は、おそらく日常生活で最も一般的なスポーツ傷害であり、多くの場合、足首-距骨下複合関節(ASCJ)の不安定性をもたらし、最終的には長期的には心的外傷後変形性関節症(PTOA)につながる可能性があります。しかし、損傷メカニズムの複雑さと、斑状出血、血腫、または外側足の圧痛などの臨床症状のため、ASCJの不安定性の診断と治療に関する臨床的コンセンサスはありません。マウスの後足の骨と靭帯の筋骨格構造はヒトに匹敵することから、ASCJ周辺の靭帯の切断により、マウスのASCJ不安定性の動物モデルを確立した。このモデルは、平均台試験、フットプリント分析(マウスの運動レベルとバランス能力の評価)、熱侵害受容評価(マウスの足の感覚機能の評価)、マイクロコンピュータ断層撮影(CT)スキャン、関節軟骨の切片染色(マウスの関節軟骨の損傷と変性の評価)など、一連の行動テストと組織学的分析を通じて十分に検証されました。ASCJ不安定性のマウスモデルの確立に成功すれば、損傷メカニズムに関する臨床研究に貴重な参考資料を提供し、足首捻挫のより良い治療法の選択肢をもたらすでしょう。
Introduction
足首の捻挫は、世界中で最も一般的なスポーツ傷害の1つです。米国では毎日10,000人が負傷していると推定されており1、そのうちスポーツ関連の負傷は15%〜45%を占めています2。米国における足首の捻挫の治療に関連する医療費は、年間42億ドルにのぼります3,4,5。慢性的な足の不安定性は、足首の捻挫に続く一般的な問題であり、足首や距骨下の不安定性を含む足首の捻挫の約74%で発生します6。しかし、臨床症状や徴候が似ているため、慢性的な足首の不安定性が慢性的な距骨下関節の不安定性も伴うかどうかを医療スタッフが区別することは困難であり、その結果、慢性的な距骨下不安定性は簡単に見逃される可能性があります。したがって、慢性足首距骨下複合関節(ASCJ)不安定性(慢性足首不安定性と慢性距骨下不安定性の両方を含む特定のタイプの慢性足の不安定性)の真の発生率は、報告されている7,8,9よりも高い可能性があります。慢性的な足首-距骨下複合関節の不安定性は、治療せずに放置すると、足首の捻挫を繰り返し、足首の捻挫と慢性的な足首-距骨下複合体の不安定性の悪循環につながる可能性があります。長期にわたる慢性的な足首-距骨下複合体の不安定性は、ASCJの変性および心的外傷後変形性関節症につながる可能性があり、重症の場合、隣接する関節に影響を与える可能性があります10。これらの疾患に対して、現在の臨床治療は、靭帯修復や靭帯再建などの外科的治療法に加えて、主に保存的である11,12。
ASCJは足のコア構造であり、動き13の間、体のバランスを維持します。足首関節と距骨下関節の構造について、別々に広範な研究が行われています14,15,16,17。しかし、足首と距骨下関節全体の研究はまれです。足首損傷の症例の約4分の1は距骨下関節損傷に関連している18。ASCJの不安定性の複雑な損傷メカニズムのために、臨床現場での診断と治療に関するコンセンサスはありません。クリニックにおける足関節損傷の現状を考えると、足関節と距骨下関節全体を研究するためのより科学的な方法が必要であり、それによって足の病気を研究するための新しい理解を提供します。
筋骨格レベルでのマウス後足の解剖学的構造は人間の足の解剖学的構造に匹敵するため19、いくつかの研究では、足/足首研究用のマウスモデルがすでに実装されています10,19。Changら19は、変形性足首関節症の3つの異なるマウスモデルの開発に成功しました。マウスモデルにおける足首の不安定性の確立に成功したことに触発され、マウス後足の部分靭帯の切断がASCJの機械的不安定性をもたらし、ASCJの心的外傷後変形性関節症(PTOA)につながるという仮説を立てて、足首-距骨下複合体の不安定性のマウスモデルを確立しました。ASCJ不安定性動物モデルは、足首の不安定性と距骨下不安定性の両方の治療に使用でき、現在使用されている単純な足首不安定性モデル7,8,9,19よりも実際の臨床状況と一致しています。この仮説を検証するために、靭帯離断によるASCJの不安定性を示す2つのマウスモデルを設計しました。感覚運動機能(平均台試験、フットプリント解析、熱侵害受容評価)の結果を用いてモデルの実現可能性を評価し、マイクロコンピュータ断層撮影(CT)と組織学的染色を用いてマウス関節軟骨の損傷と変性を評価した。ASCJ不安定性のマウスモデルの確立に成功したことは、足の病気を研究するための新しい理解を提供するだけでなく、損傷関連のメカニズムに関する臨床研究のための貴重な参考資料を提供し、足首の捻挫に対するより良い治療オプションを提供し、病気のさらなる研究に役立ちます。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では、CL+ATFLまたはCL+DLをトランセクトすることにより、ASCJ不安定性の2つのマウスモデルの構築に成功しました。マウスが平均台を通過する時間は、手術後8週間と12週間で有意に増加し、これは、足首関節の外側靭帯を切断することによってハバード・ターナーチームが得た結果と同様である23,24。右足滑走試験では、靭帯を切断した2群のマ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、江蘇省政府の奨学金プログラムと江蘇省高等教育機関の優先学術プログラム開発(PAPD)の支援を受けました。
Materials
| 5-0 Surgical Nylon Suture | Ningbo Medical Needle Co., Ltd. | 191104 | |
| Acidic ethanol differentiation solution (1%) | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | R20778 | |
| Adhesive slides | Jiangsu Shitai Company | ||
| Ammonia solution (1%) | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | R20788 | |
| Anhydrous ethanol | Shanghai Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. | ||
| Aqueous acetic acid (1%) | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | R20773 | |
| Black cube cassette | Shanghai Yizhe Instrument Co., Ltd. | ||
| Centrifuge tube 15ml | Beijing Soleibo Technology Co., Ltd. | YA0476 | |
| Centrifuge tube 50ml | Beijing Soleibo Technology Co., Ltd. | YA0472 | |
| Cover glass | Jiangsu Shitai Company | ||
| CTAn software | Blue scientific | micro-CT analysis software | |
| Dataview software | AEMC instruments | commercial data analysing software | |
| Disodium ethylenediaminetetraacetate (EDTA-2Na) | Beijing Soleibo Technology Co., Ltd. | E8490 | |
| Electric incubator | Suzhou Huamei Equipment Factory | ||
| Embedding paraffin | Leica, Germany | 39001006 | |
| Eosin staining solution (alcohol soluble, 1%) | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | R30117 | |
| Fast green staining solution | Sigma-Aldrich, USA | F7275 | |
| Gait paper | Baoding Huarong Paper Factory | ||
| GraphPad Prism 8.0 | Graphpad software | online statistical analysis tools | |
| Iodophor cotton balls | Qingdao Hainuo Bioengineering Co., Ltd. | ||
| Leica 818 blade | Leica, Germany | ||
| Micro-CT | Skyscan, Belgium | SkyScan 1176 | |
| Micromanipulation microscope | Suzhou Omet Optoelectronics Co., Ltd. | ||
| Mimics software | Materialise | 3D medical image processing software | |
| Modified Harris Hematoxylin Stain | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | R20566 | |
| Mouse anti-mouse type II collagen | American Abcam Company | ||
| NaOH | Shanghai Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. | ||
| N-butanol | Shanghai Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. | ||
| Neutral formalin fixative (10%) | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | ||
| Neutral resin | Sigma-Aldrich, USA | ||
| Nrecon reconstrcution software | Micro Photonics Inc. | ||
| Oaks hair clipper | Oaks Group Co., Ltd. | ||
| Paraffin Embedding Machine | Leica, Germany | ||
| PH meter | Shanghai Leitz Company | ||
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | American Biosharp | ||
| Physiological saline (for mammals, sterile) | Shanghai Yuanye Biotechnology Co., Ltd. | R22172 | |
| Safranin O-staining solution | Sigma-Aldrich, USA | HT90432 | |
| Saline (0.9%) | Shanghai Baxter Medical Drug Co., Ltd. | 309107 | |
| Shaker | Haimen Qilin Bell Instrument Manufacturing Co., Ltd. | 2008779 | |
| SPSS 23 | IBM | online statistical analysis tools | |
| Tablet machine | Leica, Germany | ||
| Tissue slicer | Leica, Germany | ||
| Ugo Basile | Ugo Basile Biological Research Company | ||
| Upright fluorescence microscope | Zeiss Axiovert, Germany | ||
| U-shaped plastic channel | Shanghai Yizhe Instrument Co., Ltd. | ||
| Veterinary eye ointment | Pfizer | ||
| Xylene | Shanghai Sinopharm Group Chemical Reagent Co., Ltd. | ||
| YLS-10B Wheel Fatigue Tester | Jinan Yiyan Technology Development Co., Ltd. |
References
- Waterman, B. R., Belmont, P. J., Cameron, K. L., Deberardino, T. M., Owens, B. D. Epidemiology of ankle sprain at the United States Military Academy. American Journal of Sports Medicine. 38 (4), 797-803 (2010).
- Fong, D. T., Chan, Y. Y., Mok, K. M., Yung, P. S., Chan, K. M. Understanding acute ankle ligamentous sprain injury in sports. Sports Medicine Arthroscopy Rehabilitation Therapy & Technology. 1 (1), 14 (2009).
- Herzog, M. M., Kerr, Z. Y., Marshall, S. W., Wikstrom, E. A. Epidemiology of ankle sprains and chronic ankle instability. Journal of Athletic Training. 54 (6), 603-610 (2019).
- Medina McKeon, J. M., Hoch, M. C. The ankle-joint complex: A kinesiologic approach to lateral ankle sprains. Journal of Athletic Training. 54 (6), 589-602 (2019).
- Jones, M. H., Amendola, A. S. Acute treatment of inversion ankle sprains: immobilization versus functional treatment. Clinical Orthopaedics and Related Research. 455 (463), 169-172 (2007).
- Anandacoomarasamy, A., Barnsley, L. Long term outcomes of inversion ankle injuries. British Association of Sport and Medicine. 39 (3), 14 (2005).
- Ringleb, S. I., Dhakal, A., Anderson, C. D., Bawab, S., Paranjape, R. Effects of lateral ligament sectioning on the stability of the ankle and subtalar joint. Journal of Orthopaedic Research. 29 (10), 1459-1464 (2011).
- Mittlmeier, T., Wichelhaus, A. Subtalar joint instability. European Journal of Trauma and Emergency Surgery. 41 (6), 623-629 (2015).
- Barg, A., et al. Subtalar instability: Diagnosis and treatment. Foot & Ankle International. 33 (02), 151-160 (2012).
- Liu, P., et al. A mouse model of ankle-subtalar joint complex instability induced post-traumatic osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 16 (1), 541 (2021).
- Lui, T. H. Modified arthroscopic Brostrom procedure with bone tunnels. Arthroscopy Techniques. 5 (4), 775-780 (2016).
- Wang, W., Xu, G. H. Allograft tendon reconstruction of the anterior talofibular ligament and calcaneofibular Ligament in the treatment of chronic ankle instability. BMC Musculoskeletal Disorders. 18 (1), 150 (2017).
- Yang, N., Waddington, G., Adams, R., Han, J. Age-related changes in proprioception of the ankle complex across the lifespan. Journal of Sport and Health Science. 8 (6), 548-554 (2019).
- Michels, F., et al. Searching for consensus in the approach to patients with chronic lateral ankle instability: Ask the expert. Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy. 26 (7), 2095-2102 (2017).
- Kamada, K., Watanabe, S., Yamamoto, H. Chronic subtalar instability due to insufficiency of the calcaneofibular ligament: A case report. Foot & Ankle International. 23 (12), 1135-1137 (2002).
- Kato, T. The diagnosis and treatment of instability of the subtalar joint. The Journal of Bone and Joint Surgery. 77 (3), 400-406 (1995).
- Meyer, J. M., Garcia, J., Hoffmeyer, P., Fritschy, D. The subtalar sprain. A roentgenographic study. Clinical Orthopaedics and Related Research. (226), 169-173 (1988).
- Mittlmeier, T., Rammelt, S. Update on subtalar joint instability. Foot and Ankle Clinics. 23 (3), 397-413 (2018).
- Chang, S. H., et al. Comparison of mouse and human ankles and establishment of mouse ankle osteoarthritis models by surgically-induced instability. Osteoarthritis & Cartilage. 24 (4), 688-697 (2016).
- Naito, K., et al. Evaluation of the effect of glucosamine on an experimental rat osteoarthritis model. Life Sciences. 86 (13-14), 538-543 (2010).
- Pritzker, K. P. H., et al. Osteoarthritis cartilage histopathology: Grading and staging. Osteoarthritis Cartilage. 14 (1), 13-29 (2006).
- Glasson, S. S., et al. The OARSI histopathology initiative – Recommendations for histological assessments of osteoarthritis in the mouse. Osteoarthritis and Cartilage. 18, 17-23 (2010).
- Hubbard-Turner, T., Wikstrom, E. A., Guderian, S., Turner, M. J. Acute ankle sprain in a mouse model. Medicine & Science in Sports & Exercise. 45 (8), 1623-1628 (2013).
- Wikstrom, E. A., Hubbard-Turner, T., Guderian, S., Turner, M. J. Lateral ankle sprain in a mouse model: Lifelong sensorimotor dysfunction. Journal of Athletic Training. 53 (3), 249-254 (2018).
- Bell-Krotoski, J. A., Fess, E. E., Figarola, J. H., Hiltz, D. Threshold detection and Semmes-Weinstein monofilaments. Journal of Hand Therapy. 8 (2), 155-162 (1995).
- Wieland, H. A., Michaelis, M., Kirschbaum, B. J., Rudolphi, K. A. Osteoarthritis – An untreatable disease. Nature Reviews Drug Discovery. 4 (4), 331-344 (2005).
