Onarım Mekanizmalarını Karakterize Etmek ve Büyüme Tabak Rejenerasyon Stratejilerini Değerlendirmek İçin Bir Sıçan Tibial Büyüme Plakalı Hasar Modeli
Summary
Büyüme plakası, uzunlamasına büyümenin meydana geldiği çocuk kemiklerinde kıkırdancı bir bölgedir. Yaralandığında, kemikli doku büyümeyi oluşturabilir ve bozabilir. Onarım mekanizmalarının ve büyüme plakası yenilenme stratejilerinin incelenmesine izin veren, kemik onarım dokusuna yol açan bir büyüme plakası hasarı modelini açıklıyoruz.
Abstract
Tüm pediatrik kırıkların üçte biri büyüme plakasını içerir ve kemik büyümesinde bozulmaya neden olabilir. Büyüme plakası (veya fizis), uzunlamasına kemik büyümesinden sorumlu olan çocuklarda tüm uzun kemiklerin sonunda bulunan kıkırdak dokusudur. Hasar gördükten sonra, büyüme plakası içindeki kıkırdak dokusu prematür ossifikasyona uğrayabilir ve istenmeyen kemik onarım dokularına yol açabilir ve bu da "kemikli bar" oluşturur. Bazı durumlarda, bu kemik çubuk, açısal deformasyonlar gibi kemik büyüme bozukluklarına neden olabilir veya uzunlamasına kemik büyümesini tamamen durdurabilir. Halen yaralı bir büyüme plakasını tamir edebilecek herhangi bir klinik tedavi yok. Kemik bar oluşumunun altında yatan mekanizmaları daha iyi anlamak ve onu inhibe etme yollarını belirlemek için bir büyüme plakası hasarı modelini kullanarak büyüme plakası yaralanmaları için daha iyi tedavi geliştirmek için mükemmel bir fırsattır. Bu protokol, bir matkap deliği defekti kullanarak sıçan proksimal tibial büyüme plakasını nasıl bozacağını açıklamaktadır. Bu smaHayvan modeli güvenilir bir şekilde kemikli bir çubuk üretir ve çocuklarda görülen büyüme bozukluklarına benzer sonuçlara neden olabilir. Bu model, kemikli çubuk oluşumunun moleküler mekanizmalarına yönelik araştırmalara izin verir ve büyüme plakası yaralanmalarında potansiyel tedavi seçeneklerini test etmek için bir araç olarak hizmet eder.
Introduction
Büyüme plakası yaralanmaları çocukluk çağı kırıklarının% 30'unu oluşturur ve bozulmuş kemik büyümesine 1 neden olabilir. Kırıklara ek olarak, büyüme plakası yaralanmaları, osteomiyelit 2 , primer kemik tümörleri 3 , radyasyon ve kemoterapi 4 ve iyatrojenik hasar 5 dahil olmak üzere diğer etiyolojilerden kaynaklanabilir. Büyüme plakası (veya fizis), uzunlamasına kemik büyümesinden sorumlu olan çocukların uzun kemiklerinin sonundaki bir kıkırdak bölgesidir. Kemik uzamasını endokondral ossifikasyon yoluyla yönlendirir; Kondrositler çoğalma ve hipertrofiye girerler ve gelen osteoblastlar tarafından trabeküler kemik 6 oluşturmak üzere yeniden modellenirler. Büyüme plakası da gelişmekte olan iskeletin zayıf bir bölgesidir, bu da yaralanmaya eğilimlidir. Büyüme plakası kırıkları veya yaralanmaları ile ilgili en büyük sorun, büyüme plakası içindeki hasar görmüş kıkırdak dokularının bE "kemik çubuk" olarak da bilinen istenmeyen kemik onarımı dokusu ile değiştirildi. Büyüme plakasındaki büyüklüğüne ve konumuna bağlı olarak, kemik çubuk açısal deformitelere veya büyümenin tamamen durdurulmasına, hatta henüz tam boylarına ulaşamayan küçük çocuklar için yıkıcı bir sekilde yol açabilir.
Şu anda yaralı bir büyüme plakasını tamir edebilecek hiçbir tedavi mevcut değil. Kemik çubuğu oluştuktan sonra, klinisyen cerrahi olarak çıkarılmasına karar vermelidir 8 . En az 2 yıl veya 2 cm iskelet büyümesi geride kalan ve kemik çubukla büyüme plağı alanının% 50'sinden azını kapsayan hastalar genellikle kemik çubuk rezeksiyonu için adaylardır. Kemik çubuğunun cerrahi olarak çıkarılması, kemikli dokunun yeniden düzenlenmesini önlemek ve çevredeki yaralı büyüme plakasının büyümeyi düzeltmesine izin vermek için genellikle bir otolog yağ grefti yerleştirilir. Ancak, bu teknikler problEmatik ve sıklıkla başarısız olur ve kemik bar tekrarlamasına ve büyümeye olumsuz etkide bulunmaya devam eder 9 . Kemik bar oluşumunu önlemenin yanı sıra büyüme plakası kıkırdağını yeniden üreten, böylece normal kemik uzatmasını geri kazandıran etkili tedavilerin geliştirilmesine kritik bir ihtiyaç vardır.
Kemik bar oluşumunun altında yatan moleküler mekanizmalar henüz aydınlatılmamıştır. Bu biyolojik mekanizmaların daha iyi anlaşılması büyüme plakası yaralanmalarından muzdarip çocuklar için daha etkili terapötik girişimlere yol açabilir. Bu mekanizmaları insanlarda incelemek zordur, hayvan modelleri, özellikle büyüme plakası hasarı sıçan modeli kullanılmıştır. 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . Burada sunulan yöntemKağıtta, fare tibial büyüme plakasındaki bir matkap deliği kusurunun, hasardan sonra en erken 7 gün içinde ossifikasyona başlamasını ve yaralanmadan sonraki 28 gün içinde yeniden şekillendirilmesiyle tamamen olgun bir kemik çubuğu oluşturduğu öngörülebilir ve tekrarlanabilir onarım dokusuna nasıl yol açtığı açıklanmaktadır. Bu, kemikli çubuk oluşumunun biyolojik mekanizmalarının incelenmesinde ve kemik çubuğunu önleyebilecek ve / veya büyüme plakası kıkırdakını yenileyebilecek yeni tedavileri değerlendirebilecek küçük bir hayvan in vivo modelini sağlar. Örneğin, bu model, büyüme plakası kıkırdağını yeniden canlandırabilir ve büyüme plakası yaralanmalarına maruz kalan çocuklar için değerli tedavi sunabilen kondrojenik biyomalzemeleri test etmek için kullanılabilir. Bu yazıda sunulan teknikler, büyüme plakası hasarını üretmek için kullanılan cerrahi yöntemleri ve biyomalzemelerin yaralanma bölgesine teslim edilmesini anlatacaktır. Ayrıca kemik çubuk oluşumunu değerlendirmek ve dokuyu onarmak için yöntemleri tartışacağız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir büyüme plakası yaralanması hayvan modeli, bu yaralanmanın biyolojik mekanizmaları konusundaki anlayışımıza büyük ölçüde katkıda bulunur ve böylelikle büyüme plakası yaralanmalarından mustarip çocuklar için daha etkili terapötik müdahalelere yol açar. Başarılı bir şekilde bir kemik çubuk oluşturmak ve bu çalışmada sunulan modeli kullanarak in vivo oluşumunu incelemek için, eklem kıkırdak bozmadan, yeterli bir derinliğe delme ile büyüme plakası bozmak için önemlidi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, R03AR068087 numaralı ödül, Colorado Üniversitesi Tıp Fakültesi Akademik Zenginleştirme Fonu ve Rejeneratif Tıp için Gates Merkezi altında Ulusal Sağlık Enstitüsü (NIH) Ulusal Artrit ve Kas İskelet ve Cilt Hastalıkları Ulusal Destek Enstitüsünün fon desteğini onayladılar. . Bu çalışma NIH / NCATS Colorado CTSA Hibe Numarası UL1 TR001082 tarafından da desteklenmiştir. İçeriğin içeriği yazarların sorumluluğundadır ve resmi NIH görüşlerini temsil etmemektedir.
Materials
| Scalpel handle | McKesson | MCK42332500 | |
| Needle holder | Stoelting | RS-7824 | |
| Adson tissue forceps | Sklar | 50-3048 | |
| Iris Scissors | Sklar | 47-1246 | |
| Rotary Tool | Dremel | 7700 | Variable speed rotary tool |
| Keyless Rotary Tool Chuck | Dremel | 4486 | |
| Dental Burs | Dental Burs USA | FG6 | Round carbide bur, ≤2mm |
| Steinmann pins | Simpex Medical | T-078 | |
| Hair clippers | Wahl | 5537N | |
| 3-0 PGA surutes | Oasis | MV-J398-V | |
| Sterile gauze 2×2" | Covidien | 441211 | |
| Povidone Iodine | McKesson | 922-00801 | |
| Sterile saline | Vetone | 510224 | |
| 10 ml luer lock syringe | Becton Dickinson | 309604 | |
| 23 gauge needle | Becton Dickinson | 305145 | |
| Isopropyl alcohol pads | Dynarex | 1113 | |
| Isoflurane | IsoFlo | 30125-2 | |
| Caliper | Mitutoyo | 500-196-30 | |
| Carprofen | Rimadyl | 27180 | |
| Buprenorphine | Par Pharmaceuticals Inc | NDC 42023-179 | |
| Fenestrated Surgical Drape | McKesson | 25-517 | |
| Surgical Gloves | Uline | S-20204 | |
| #15 Scalpel Blade | Aven | 44044 | |
| 9mm wound clips | Fine Science Tools | 12032-09 | |
| Reflex clip applier | World Precision Instruments | 500345 | |
| Absorbant underpads | McKesson | MON 43723110 | |
| Tec 3 Iso Vaporizer | VetEquip | 911103 | |
| Germinator 500 | Braintree Scientific | GER 5287-120V | |
| Warm water recirculator | Kent Scientific | TP-700 | |
| Absorbent Underpads | Medline Industries | MSC281230 |
Riferimenti
- Mann, D. C., Rajmaira, S. Distribution of physeal and nonphyseal fractures in 2,650 long-bone fractures in children aged 0-16 years. J Pediatr Orthop. 10 (6), 713-716 (1990).
- Browne, L. P., et al. Community-acquired staphylococcal musculoskeletal infection in infants and young children: necessity of contrast-enhanced MRI for the diagnosis of growth cartilage involvement. AJR Am J Roentgenol. 198 (1), 194-199 (2012).
- Weitao, Y., Qiqing, C., Songtao, G., Jiaqiang, W. Epiphysis preserving operations for the treatment of lower limb malignant bone tumors. Eur J Surg Oncol. 38 (12), 1165-1170 (2012).
- Butler, M. S., Robertson, W. W., Rate, W., D’Angio, G. J., Drummond, D. S. Skeletal sequelae of radiation therapy for malignant childhood tumors. Clin Orthop Relat Res. (251), 235-240 (1990).
- Shapiro, F. Longitudinal growth of the femur and tibia after diaphyseal lengthening. J Bone Joint Surg Am. 69 (5), 684-690 (1987).
- Kronenberg, H. M. Developmental regulation of the growth plate. Nature. 423 (6937), 332-336 (2003).
- Dodwell, E. R., Kelley, S. P. Physeal fractures: basic science, assessment and acute management. Orthopaedics and Trauma. 25 (5), 377-391 (2011).
- Khoshhal, K. I., Kiefer, G. N. Physeal bridge resection. J Am Acad Orthop Surg. 13 (1), 47-58 (2005).
- Hasler, C. C., Foster, B. K. Secondary tethers after physeal bar resection: a common source of failure. Clin Orthop Relat Res. (405), 242-249 (2002).
- Xian, C. J., Zhou, F. H., McCarty, R. C., Foster, B. K. Intramembranous ossification mechanism for bone bridge formation at the growth plate cartilage injury site. J Orthop Res. 22 (2), 417-426 (2004).
- Chen, J., et al. Formation of tethers linking the epiphysis and metaphysis is regulated by vitamin d receptor-mediated signaling. Calcif Tissue Int. 85 (2), 134-145 (2009).
- Coleman, R. M., Schwartz, Z., Boyan, B. D., Guldberg, R. E. The therapeutic effect of bone marrow-derived stem cell implantation after epiphyseal plate injury is abrogated by chondrogenic predifferentiation. Tissue Eng Part A. 19 (3-4), 475-483 (2013).
- Chung, R., Foster, B. K., Xian, C. J. The potential role of VEGF-induced vascularisation in the bony repair of injured growth plate cartilage. J Endocrinol. 221 (1), 63-75 (2014).
- Coleman, R. M., et al. Characterization of a small animal growth plate injury model using microcomputed tomography. Bone. 46 (6), 1555-1563 (2010).
- Macsai, C. E., Hopwood, B., Chung, R., Foster, B. K., Xian, C. J. Structural and molecular analyses of bone bridge formation within the growth plate injury site and cartilage degeneration at the adjacent uninjured area. Bone. 49 (4), 904-912 (2011).
- Su, Y. W., et al. Neurotrophin-3 Induces BMP-2 and VEGF Activities and Promotes the Bony Repair of Injured Growth Plate Cartilage and Bone in Rats. J Bone Miner Res. , (2016).
- Zhou, F. H., Foster, B. K., Sander, G., Xian, C. J. Expression of proinflammatory cytokines and growth factors at the injured growth plate cartilage in young rats. Bone. 35 (6), 1307-1315 (2004).
- Sayers, D., Volpin, G., Bentley, G. The demonstration of bone and cartilage remodelling using alcian blue and hematoxylin. Biotechnic & Histochemistry. 63 (1), 59-63 (1988).
- Riederer, M. S., Requist, B. D., Payne, K. A., Way, J. D., Krebs, M. D. Injectable and microporous scaffold of densely-packed, growth factor-encapsulating chitosan microgels. Carbohydrate Polymers. 152, 792-801 (2016).
- Lee, M. A., Nissen, T. P., Otsuka, N. Y. Utilization of a murine model to investigate the molecular process of transphyseal bone formation. J Pediatr Orthop. 20 (6), 802-806 (2000).
- Coleman, R. M., et al. Characterization of a small animal growth plate injury model using microcomputed tomography. Bone. 46 (6), 1555-1563 (2010).
- Lee, S. U., Lee, J. Y., Joo, S. Y., Lee, Y. S., Jeong, C. Transplantation of a Scaffold-Free Cartilage Tissue Analogue for the Treatment of Physeal Cartilage Injury of the Proximal Tibia in Rabbits. Yonsei Med J. 57 (2), 441-448 (2016).
- Planka, L., et al. Nanotechnology and mesenchymal stem cells with chondrocytes in prevention of partial growth plate arrest in pigs. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 156 (2), 128-134 (2012).
- Hansen, A. L., et al. Growth-plate chondrocyte cultures for reimplantation into growth-plate defects in sheep. Characterization of cultures. Clin Orthop Relat Res. (256), 286-298 (1990).
- Cepela, D. J., Tartaglione, J. P., Dooley, T. P., Patel, P. N. Classifications In Brief: Salter-Harris Classification of Pediatric Physeal Fractures. Clin Orthop Relat Res. , (2016).
- Salter, R. B., Harris, W. R. Injuries Involving the Epiphyseal Plate. The Journal of Bone & Joint Surgery. 83 (11), 1753 (2001).
- Chung, R., Foster, B. K., Zannettino, A. C., Xian, C. J. Potential roles of growth factor PDGF-BB in the bony repair of injured growth plate. Bone. 44 (5), 878-885 (2009).
- Fischerauer, E., Heidari, N., Neumayer, B., Deutsch, A., Weinberg, A. M. The spatial and temporal expression of VEGF and its receptors 1 and 2 in post-traumatic bone bridge formation of the growth plate. J Mol Histol. 42 (6), 513-522 (2011).
- Chung, R., Cool, J. C., Scherer, M. A., Foster, B. K., Xian, C. J. Roles of neutrophil-mediated inflammatory response in the bony repair of injured growth plate cartilage in young rats. J Leukoc Biol. 80 (6), 1272-1280 (2006).
- Chung, R., et al. Roles of Wnt/beta-catenin signalling pathway in the bony repair of injured growth plate cartilage in young rats. Bone. 52 (2), 651-658 (2013).
- Zhou, F. H., Foster, B. K., Zhou, X. F., Cowin, A. J., Xian, C. J. TNF-alpha mediates p38 MAP kinase activation and negatively regulates bone formation at the injured growth plate in rats. J Bone Miner Res. 21 (7), 1075-1088 (2006).
- Arasapam, G., Scherer, M., Cool, J. C., Foster, B. K., Xian, C. J. Roles of COX-2 and iNOS in the bony repair of the injured growth plate cartilage. J Cell Biochem. 99 (2), 450-461 (2006).
