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Bio-ingénierie

アキレス腱インピンジメントのメカノバイオロジー研究のためのマウス後肢外植モデル

Published: December 08, 2023
doi:
10.3791/65801
, , ,
1Department of Biomedical Engineering,University of Rochester, 2Department of Orthopaedics, Center for Musculoskeletal Research,University of Rochester Medical Center, 3Department of Pharmacology and Physiology,University of Rochester Medical Center

Summary

マウス後肢外植片におけるアキレス腱挿入のインピンジメントによって引き起こされる線維軟骨性変化を再現するカスタム実験プラットフォームと組織培養プロトコルを提示し、腱インピンジメントのメカノバイオロジーを探索するのに適したモデルを提供します。

Abstract

骨への腱の衝突は、横方向の圧縮ひずみが著しく上昇した多軸の機械的ひずみ環境を生成し、グリコサミノグリカン(GAG)に富むマトリックスの蓄積とコラーゲンネットワークのリモデリングを特徴とする局所的な線維軟骨表現型を誘発します。線維軟骨は健康な腱の侵食領域では正常な特徴ですが、過剰なGAG沈着とコラーゲンネットワークの混乱は腱鞘炎の特徴です。したがって、インピンジメントは、腱鞘炎の開始と進行における重要な外因性因子として臨床的に認識されています。それにもかかわらず、腱インピンジメントの根底にあるメカノバイオロジーは研究が不十分なままです。腱インピンジメントに対する細胞応答を解明するための以前の取り組みは、細胞に一軸圧迫を適用し、in vitroで腱外植片を切除しました。しかし、単離された細胞は、機械応答に重要な3次元の細胞外環境を欠いており、 in vitro および切除外植片研究の両方で、in vivoでの腱の衝突によって生成される多軸ひずみ環境を再現することができず、これは衝突領域の解剖学的特徴に依存します。さらに、腱インピンジメントの in vivo モデルでは、機械的ひずみ環境を制御できません。これらの限界を克服するために、アキレス腱インピンジメントのメカノバイオロジーを研究するのに適した新しいマウス後肢外植片モデルを提示します。このモデルは、アキレス腱を その場で 維持して局所的な解剖学的構造を維持し、受動的に加えられた足首背屈時にアキレス腱が踵骨に挿入されることによって発生する多軸ひずみ環境を再現し、細胞を本来の環境に保持します。このモデルに不可欠な組織培養プロトコルについて説明し、7日間にわたる持続的な外植片の生存率を確立するデータを提示します。代表的な結果は、組織学的GAG染色の亢進とインピンジメントに続発するコラーゲン線維のアライメントの低下を示しており、線維軟骨形成の上昇を示唆しています。このモデルは、さまざまな機械的負荷レジメンの調査に容易に適応でき、インピンジメントに応答してアキレス腱の表現型変化を媒介するメカニズムを特定するために、目的の分子経路を操作することができます。

Introduction

アキレス腱や回旋筋腱板腱を含む多くの腱は、正常な解剖学的位置により骨のインピンジメントを経験します1,2,3,4.腱の衝突は、縦方向の繊維軸に横方向に向けられた圧縮ひずみを生成します5,6,7.腱インピンジメントの領域は、グリコサミノグリカン(GAG)含量が著しく増加した無秩序なコラーゲンネットワーク内に、縮小した丸い細胞(線維軟骨細胞)が埋め込まれている独特の線維軟骨表現型を示します2,3,4,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24.これまでの研究では、腱のインピンジメントによって生じる異種の機械的環境が、凝集したプロテオグリカン(特にアグリカン)の沈着を促進し、このGAGに富むマトリックスを維持していることが示唆されているが、その根底にあるメカニズムは不明である1,3,12,13,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39.線維軟骨は健康な腱の侵食領域では正常な特徴ですが、過剰な線維軟骨形成に関連する異常なプロテオグリカン代謝は、慢性的に侵迫した腱に不釣り合いに出現する一般的で衰弱性疾患である腱鞘炎の特徴です1,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49.したがって、腱インピンジメントは、回旋筋腱板疾患や挿入性アキレス腱炎(IAT)など、最も一般的な腱鞘炎のいくつかを引き起こす重要な外因性要因として臨床的に認識されています50,51,52.現在、腱鞘炎の治療は非効率的です。例えば、IAT患者の約47%は、保存的管理に失敗した後に外科的介入を必要とし、術後の転帰はさまざまである53,54,55,56.インピンジメントと腱鞘炎の間には明らかな関係があるにもかかわらず、インピンジメントされた腱の細胞が機械的環境を感知して応答するメカノバイオロジカルメカニズムは十分に説明されておらず、腱鞘炎の病因の理解が曖昧になり、不十分な治療につながります。

外植モデルは、腱メカノバイオロジーの研究において有用なツールである57,58.腱インピンジメントのメカノバイオロジーを理解するための最初のステップとして、いくつかの先行研究は、細胞または腱外植片を切除した単純な一軸圧迫を適用した後の細胞応答を調査しています27,29,30,31,32,33,34,39。しかし、in vitroの細胞は、菌株伝達を促進し、機械的変形によって放出される重要な成長因子とサイトカインを隔離し、メカノトランスダクションに関与する焦点接着複合体の基質を提供する細胞外および細胞周囲マトリックスを欠いています57,59。さらに、in vitroおよび切除された外植片研究は、in vivoでの腱の衝突によって生成される多軸機械的ひずみ環境を再現することができず、これは衝突領域の解剖学的特徴に依存します5,6。インピンドされたアキレス腱挿入の文脈では、これには、踵骨後滑液包およびケーガー脂肪パッド60,61,62,63などの周囲組織が含まれる。逆に、腱インピンジメントのin vivoモデル25,28,36,37,38,64,65,66は、腱に直接加えられる荷重の大きさと周波数を最小限に制御することを可能にし、これは腱メカノバイオロジーを研究するためのin vivoモデルのよく知られた限界である57,58、67,68,69,70。de vivoでの腱のひずみ測定が困難なため、これらのモデル内で発生する内部ひずみ環境は、多くの場合、十分に特徴付けられていません。

この原稿では、マウス後肢外植片全体の踵骨へのアキレス腱挿入のインピンジメントを再現するカスタム実験プラットフォームを提示し、この組織培養プロトコルと組み合わせると、外植片培養で7日間にわたって生存率を維持し、腱インピンジメントの生物学的後遺症の研究を可能にします。このプラットフォームは、3Dプリントされたポリ乳酸(PLA)ベースに基づいて構築されており、グリップと3DプリントされたPLAボリュームリダクションインサートの取り付けの基礎を提供します。グリップは、後肢の尾側を上に向けて、上肢と膝をアキレス筋腱接合部に近位に固定するために使用され、超音波プローブまたは倒立顕微鏡を使用してアキレス腱を上から画像化できます(図1A)。減容インサートは、ベースのトラックに沿ってスライドし、組織培養培地の必要量を減らします。後ろ足に巻き付けられた編み込みラインは、ベースデザインと3DプリントされたPLAクリップを利用してプラットフォームからルーティングされます。紐を引っ張ることで、後足が背屈し、アキレス腱の挿入が踵骨に押し付けられ、横方向の圧縮歪みが上昇します5,6(図1A)。プラットフォームは、組織培養培地に浸された後肢の外植片を維持するアクリル浴内に含まれています。ピンと張った紐を粘着テープで浴槽の外側に固定すると、足首の背屈が維持され、アキレス腱挿入の静的インピンジメントが発生します。3DプリントされたコンポーネントのCADファイルは、複数のフォーマット(補足ファイル1)で提供されており、実験のニーズに合わせて変更するために、さまざまな商用および無料のオープンソースCADソフトウェアにインポートできます。製造に3Dプリンターを利用できない場合は、CADファイルをオンライン3Dプリントサービスに提供して、低コストで部品をプリントして出荷することができます。

重要なことに、上腕三頭筋-アキレス腱複合体は、膝関節と足首関節の両方にまたがっています71,72,73。その結果、アキレス腱の引張ひずみは膝の屈曲の影響を受けます。膝の伸展はアキレス腱に緊張をかけますが、膝の屈曲は緊張を軽減します。最初に膝を伸ばし、次に足首を受動的に背屈させることで、衝突した挿入時の圧縮ひずみを引張ひずみに重ね合わせることができます。逆に、膝を屈曲させた状態で足首を受動的に背屈させることで、引張ひずみが軽減され、圧縮ひずみが残ります。現在のプロトコルでは、そのような 3 つの条件が検討されています。1)静的インピンジメントの場合、足を脛骨に対して110°<に背屈させて挿入をインピンディングし、膝を曲げて緊張を軽減します。2)ベースラインテンショングループでは、膝を伸ばした状態で足首を背屈145°以上に伸ばし、挿入時に主に引張緊張を発生させます。3)無負荷群の場合、外植片は、外部から負荷がかからない状態で、膝と足首を中立位置にしてペトリ皿で培養します。上記の角度は、足と脛骨が180°の角度で平行で、90°の角度で垂直である座標系に対して写真で測定されます。

プロトコルの主なステップには、1)後肢の外植片の解剖と皮膚と足底腱の慎重な除去が含まれます。2)48時間のデキサメタゾン前処理後の外植片培養。3)組織切片および組織学的染色;4)線維軟骨形成を評価するためのカラー画像解析。解剖後、各後肢外植片をデキサメタゾン74を添加した培地中で48時間前処理する。各マウスの対側肢は、ペアワイズ比較のために別々の実験グループに割り当てられ、生物学的変動を制御するのに役立ちます。前処理後、外植片を上記のようにプラットフォームに配置し、さらに7日間培養します(図1B)。48時間の前処理の直後に外植片を除去する前処理(0日目)グループへの追加の比較が行われます。

外植片培養後、後肢を切り落とし、ホルマリンを固定し、脱灰し、パラフィンに包埋します。矢状方向の連続切片は、筋腱接合部から踵骨挿入までのアキレス腱を視覚化し、腱全体を切片の深さを追跡することができます。末端デオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ(TdT)を介したdUTP X-nickラベリング(TUNEL)は、アポトーシスに続発するDNA損傷を可視化し、生存率を評価するために使用されます。トルイジンブルーの組織学とカスタムカラー画像解析を行い、GAG染色の変化を定量化します。次に、トルイジンブルーで染色した組織切片をSHGイメージングに使用し、コラージュ線維組織の変化を特徴付けます(図1B)。

提供された代表的な結果は、GAGリッチマトリックスの組織学的染色の変化と、モデル内の7日間の静的衝突によって生成された細胞外コラーゲンネットワークの混乱を示唆しています。このモデルは、インピンジメントによる線維軟骨性変化の根底にある分子メカニズムを探るために利用することができます。

Protocol

すべての動物実験は、ロチェスター大学動物資源委員会によって承認されました。 1. 組織培養培地の調製 すべての外植片を、1% v/v ペニシリン-ストレプトマイシンと 200 μM L-アスコルビン酸を含む Dulbecco Modified Eagle 培地 (1x DMEM) で、37 °C および 5% CO2 のインキュベーターで培養します。最初の48時間前処理では、100 nMのデキサメタゾン<sup class=…

Representative Results

TUNELで染色した組織切片の代表的な画像は、実験グループ全体で7日間の外植片培養後のアキレス腱の体内のアポトーシス核が最小であることを示しています(図2A)。これらの画像の定量化により、組織培養プロトコルは、ロード条件全体で 7 日間の外植片培養後、アキレス腱内で平均最大 78% の生存率を維持するという証拠が得られます(図 2B)。 …

Discussion

この研究で説明した組織培養プロトコルと組み合わせた実験的なマウス後肢外植片プラットフォームは、アキレス腱挿入時のインピンジメント駆動線維軟骨形成のメカノバイオロジーを研究するための適切なモデルを提供します。この外植片モデルの有用性は、7日間の静的衝突後のトルイジン青色染色の有意かつ空間的に不均一な変化に伴う細胞生存率の維持を示す代表的な結果によって実…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者らは、P30AR06965ロチェスター大学筋骨格研究センターの組織学、生化学、分子イメージング(HBMI)コアのJeff Fox氏とVidya Venkatramani氏による支援と支援に感謝しています。さらに、著者らは、多光子顕微鏡法の支援について、ロチェスター大学医療センターの光学顕微鏡およびナノスコピーセンター(CALMN)に感謝します。この研究は、R01 AR070765 と R01 AR070765-04S1、および 1R35GM147054 と 1R01AR082349 から資金提供を受けました。

Materials

Absorbent underpads VWR 82020-845 For benchtop dissection
Acrylic bath Source One X001G46CB1 Contains the explant platform submerged in culture media
Autoclave bin Thermo Scientific 13-361-20 Used as secondary containment, holds two platforms
Base – – 3D printed from CAD files provided as Supplementary Files
Braided line KastKing 30lb test Used to wrap around paw and apply ankle dorsiflexion
Clip – – 3D printed from CAD files provided as Supplementary Files
Cover glass Fisherbrand 12-541-034 Rectangular, No. 2, 50 mm x 24 mm
Cytoseal XYL VWR 8312-4 Xylene-based mounting media for coverslipping Toluidine blue stained tissue sections
Dexamethasone MP Biomedical LLC 194561 CAS#50-02-2
Dimethyl sulfoxide (DMSO), anhydrous Invitrogen by ThermoFisher D12345 CAS#67-68-5, use to solubilize dexamethasone into concentrated stock solutions
Double-sided tape Scotch Brand 34-8724-5195-9 To attach sandpaper to Grip platens
Dulbecco's Modified Eagle Medium (1X DMEM) Gibco by ThermoFisher 11965092 high glucose, (-) pyruvate, (+) glutamine
EDTA tetrasodium salt dihydrate Thermo Scientific Chemicals J15700.A1 CAS#10378-23-1, used to make 14% EDTA solution for sample decalcifcation
Ethanol, 200 proof Thermo Scientific T038181000 CAS#64-17-5, 1 L supply
Foam biopsy pads Leica 3801000 Used with processing cassettes, help hold ankle joints in desired position during fixation and decalcification
Forceps, #SS Standard Inox Dumont 11203-23 Straight, smooth, fine tips
Forceps, Micro-Adson 4.75" Fisherbrand 13-820-073 Straight, fine tips with serrated teeth
Garnet Sandpaper, 50-D Grit Norton M600060 01518 Or other coarse grit sandpaper
Glacial acetic acid Fisher Chemical A38S-500 CAS#64-19-7, for adjusting pH of sodium acetate buffer used for Toluidine blue histology, as well as 14% EDTA decalcification solution
Grips ADMET GV-100NT-A4 Stainless steel vice grips, screws and springs described in the protocol are included
Histobond Adhesive Microscope Slides VWR 16005-108 Sagittal sections of hind limbs explants reliably adhere to these slides through all staining protocols
In situ Cell Death Detection Kit, TMR Red Roche 12156792910 TUNEL assay
Labeling tape Fisherbrand 15-959 Or any other labeling tape of preference
L-ascorbic acid Sigma-Aldrich A4544-100G CAS#50-81-7, for culture media formulation
Neutral buffered formalin, 10% Leica 3800600 For sample fixation, 5 gallon supply
Nunc petri dishes Sigma-Aldrich P7741-1CS 100 mm diameter x 25 mm height, maintain explants submerged in 70 mL of culture media as described in protocol
Penicillin-streptomycin (100X) Gibco by ThermoFisher 15140122 Add 5 mL to 500 mL 1X DMEM for 1% v/v (1X) working concentration
Polylactic acid (PLA) 1.75 mm filament Hatchbox – Choose filament diameter compatible with your 3D printer extruder, in color of choice.
Processing cassettes Leica 3802631 For fixation, decalcification and paraffin embedding
Prolong Gold Antifade Reagent with DAPI Invitrogen by ThermoFisher P36931 Mounting media for coverslipping tissue sections after TUNEL
Proteinase K Fisher BioReagents BP1700-50 CAS#39450-01-6, used for antigen retrieval in TUNEL protocol
Scissors, Fine FST 14094-11 Straight, sharp
Slide Staining Set, 12-place Mercedes Scientific  MER 1011 Rack with 12 stain dishes and slide dippers for Toluidine blue histology
Sodium acetate, anhydrous Thermo Scientific Chemicals A1318430 CAS#127-09-3, used to make buffer for Toluidine blue histology
Tissue-Tek Accu-Edge Low Profile Microtome Blades VWR 25608-964 For paraffin sectioning
Toluidine Blue O Thermo Scientific Chemicals 348601000 CAS#92-31-9
Volume Reduction Insert – – 3D printed from CAD files provided as Supplementary Files
Xylenes Leica 3803665 4 gallon supply for histological staining
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Citer Cet Article
Wise, B. C., Mora, K. E., Lee, W., Buckley, M. R. Murine Hind Limb Explant Model for Studying the Mechanobiology of Achilles Tendon Impingement. J. Vis. Exp. (202), e65801, doi:10.3791/65801 (2023).
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