Lesão não invasiva do ligamento cruzado anterior (LCA) induzida por compressão e imagem in vivo da atividade de protease em camundongos

Summary

A lesão não invasiva do LCA é um método confiável e clinicamente relevante para iniciar a osteoartrite pós-traumática (PTOA) em camundongos. Este método de lesão também permite a quantificação in vivo da atividade da protease na articulação em momentos precoces pós-lesão usando sondas de infravermelho próximo ativáveis por protease e imagens de reflectância de fluorescência.

Abstract

Lesões articulares traumáticas, como ruptura do ligamento cruzado anterior (LCA) ou ruptura do menisco, geralmente levam à osteoartrite pós-traumática (ATP) dentro de 10-20 anos após a lesão. A compreensão dos processos biológicos precoces iniciados por lesões articulares (por exemplo, inflamação, metaloproteinases da matriz (MMPs), catepsinas proteases, reabsorção óssea) é crucial para a compreensão da etiologia da PTOA. No entanto, existem poucas opções para a mensuração in vivo desses processos biológicos, e as respostas biológicas precoces podem ser confundidas se técnicas cirúrgicas invasivas ou injeções forem usadas para iniciar a OA. Em nossos estudos de PTOA, usamos sondas ativadas por protease no infravermelho próximo comercialmente disponíveis combinadas com imagem de reflectância de fluorescência (FRI) para quantificar a atividade de protease in vivo após lesão não invasiva induzida por compressão do LCA em camundongos. Este método não invasivo de lesão do LCA recapitula de perto as condições de lesão clinicamente relevantes e é completamente asséptico, uma vez que não envolve a ruptura da pele ou da cápsula articular. A combinação dessas lesões e métodos de imagem nos permite estudar o curso temporal da atividade da protease em múltiplos momentos após uma lesão articular traumática.

Introduction

A osteoartrite é um problema de saúde generalizado que afeta milhões de pessoas nos Estados Unidos¹. A osteoartrite pós-traumática (ATP) é um subgrupo da OA que é iniciada por uma lesão articular, como ruptura do ligamento cruzado anterior (LCA), lesão do menisco ou fratura intra-articular². A proporção de pacientes com OA sintomática que pode ser classificada como OTP é de pelo menos 12%³, e essa etiologia geralmente afeta uma população mais jovem do que a^OA idiopática4. Modelos murinos de OA são ferramentas cruciais para investigar a etiologia da doença e potenciais tratamentos de OA em um prazo muito mais curto (4-12 semanas em modelos de camundongos em comparação com 10-20 anos em humanos). Entretanto, os métodos para iniciar OA em camundongos comumente envolvem técnicas cirúrgicas invasivas como transecção do LCA ^5,6, remoção ou desestabilização do menisco medial ^{5,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}, ou uma combinação dos dois 17,18,19, que não reproduzem condições de lesão clinicamente relevantes. Os modelos cirúrgicos também exacerbam a inflamação na articulação devido à ruptura da cápsula articular, o que poderia acelerar a progressão da OA.

Modelos não invasivos de camundongos com lesão do joelho oferecem a oportunidade de estudar alterações biológicas e biomecânicas em momentos precoces pós-lesão e podem produzir resultados clinicamente mais relevantes²⁰. Nosso laboratório estabeleceu um modelo de lesão não invasiva que utiliza uma única sobrecarga de compressão tibial aplicada externamente para induzir a ruptura do ligamento cruzado anterior (LCA) em^camundongos 21,22,23,24. Este método de lesão não invasiva é capaz de produzir uma lesão articular asséptica sem interromper a pele ou a cápsula articular.

A imagem de reflectância fluorescente (FRI) é um método de imagem óptica que envolve excitar um alvo com luz infravermelha em um comprimento de onda específico e quantificar a luz refletida emitida em outro comprimento de onda. Sondas específicas de protease disponíveis comercialmente podem ser injetadas em modelos animais e FRI pode então ser usado para quantificar a atividade de protease em locais específicos, como a articulação do joelho. Este método tem sido amplamente utilizado para detecção in vivo de atividades biológicas, como inflamação. As sondas utilizadas para esta aplicação são fluorescentemente extintas até encontrarem proteases relevantes. Essas proteases então quebrarão um local de clivagem enzimática nas sondas, após o que produzirão um sinal fluorescente infravermelho próximo. Essas sondas e este método de imagem têm sido extensivamente validados e utilizados em estudos de câncer25,26,27,28 e aterosclerose29,30,31,32, e nosso grupo tem utilizado para estudos do sistema musculoesquelético para mensurar marcadores de inflamação e degradação da matriz23,24,33.

Juntas, a lesão articular não invasiva combinada com FRI in vivo e sondas ativáveis por protease fornecem uma capacidade única de rastrear a inflamação e a atividade da protease após uma lesão articular traumática. Essa análise pode ser feita horas ou até minutos após a lesão, e o mesmo animal pode ser avaliado várias vezes para estudar o curso temporal da atividade da protease na articulação. É importante ressaltar que esse método de imagem pode não ser viável quando combinado com modelos cirúrgicos de OA, uma vez que a ruptura da pele e da cápsula articular resulta em um sinal de fluorescência que confundiria o sinal de dentro da articulação.

Protocol

Todos os procedimentos descritos foram aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Universidade da Califórnia, Davis. Camundongos C57BL/6J machos com 3 meses de idade foram utilizados para o presente estudo. 1. Lesão não invasiva do LCA OBS: A lesão do LCA produzida por uma carga compressiva aplicada externamente é um método simples e reprodutível que recapitula de perto as condições de lesão do LCA em humanos. Este …

Representative Results

Após a aplicação de uma única força compressiva (1 mm/s até a lesão) na perna de camundongos machos C57BL/6J com 3 meses de idade, a lesão do LCA foi consistentemente induzida em todos os camundongos. A força compressiva média na lesão do joelho foi de aproximadamente 10 N (Figura 1). A análise de IRF mostrou atividade proteásica significativamente maior nas articulações lesadas de camundongos submetidos à lesão não invasiva do LCA aos 7 dias ap?…

Discussion

Esse protocolo estabeleceu e descreveu rigorosamente um método reprodutível e não invasivo para indução de lesão do LCA em camundongos20,21,24,33. Este método simples e eficiente de lesão pode ser realizado em apenas alguns minutos, o que facilita estudos de alto rendimento da PTOA. Este método de lesão também recapitula de perto as condições de lesão relevantes para a lesão do L…

Materials

10x Phosphate-Buffered Saline	Tissue Protech	PBS01-32R	or equivalent
Air Anesthetia System			Isoflurane vaporizor with induction chamber and nose cone
Buprenorphine			Analgesic post-injury
Depilatory Cream	Veet	B001KYPZ4G	or equivalent
Fixtures			Custom-made knee fixture, ankle fixture, and platform
IVIS Spectrum	Perkin Elmer	124262	Can also use comparable optical imaging system
Kimwipes	Kimberly-Clark Corporation	06-666	or equivalent
Living Image software	Perkin Elmer
Materials testing systems	TA Instruments		Electroforce 3200 or equivalent
ProSense680	Perkin Elmer	NEV10003	Can also use other probes such as OsteoSense, MMPSense, Cat K, AngioSense, etc.
Sterile Syringe with Needle	Spectrum Chemical Mfg. Corp.	550-82231-CS	Covidien 1 mL TB Syringe with 28 G x 1/2 in. Needle, Sterile or equivalent
Uniaxial load cell	TA Instruments		20 N capacity
Vortex-Genie 2	Scientific Industries, Inc.	SI-0236	or equivalent
WinTest software	TA Instruments		compatible with Electroforce 3200