In Vivo Utvärdering av fraktur förhårdnader utveckling under läkning hos möss med en MRI-kompatibel osteosyntes enhet för mus lårbenet
Summary
Utvärderingen av vävnad utveckling i den fraktur förhårdnader under endochondral benläkning är nödvändigt att övervaka läkningsprocessen. Här rapporterar vi användning av en magnetisk resonanstomografi (MRT)-kompatibel extern fixeringsanordning för mus lårbenet så att MRI File under ben regenerering i möss.
Abstract
Endochondral frakturläkning är en komplex process som involverar utvecklingen av fibrösa, brosk och bendefekter vävnad i den fraktur förhårdnader. Mängden olika vävnader i förhårdnader ger viktig information om frakturen läka framsteg. Tillgängliga i vivo tekniker längdriktningen bevaka callus vävnad utveckling i prekliniska frakturläkning studier med små djur inkluderar digital radiografi och µCT imaging. Båda teknikerna är dock endast kunna skilja mellan mineraliserade och icke-mineraliserad vävnad. Följaktligen är det omöjligt att diskriminera brosk från fibrös vävnad. Däremot magnetisk resonanstomografi (MRT) visualiserar anatomiska strukturer som bygger på deras vattenhalt och skulle därför kunna identifiera noninvasivt mjuk vävnad och brosk i den fraktur förhårdnader. Här rapporterar vi användning av en MRI-kompatibel extern fixeringsanordning för mus lårbenet att tillåta Magnettomografi under ben förnyelse i möss. Experimenten visade att fixeringsanordning och en skräddarsydd monteringsenheten tillåter repetitiva Magnettomografi, vilket möjliggör längsgående analys av fraktur-callus vävnad utveckling.
Introduction
Sekundära frakturläkning är den vanligaste formen av benläkning. Det är en komplex process som härma specifika aspekter av ontogenic endochondral benbildning1,2,3. Tidig fraktur hematom består huvudsakligen av immunceller, granulering och fibrös vävnad. Låg syrehalt spänning och hög biomekanisk stammar hämma osteoblast differentiering vid fraktur gap, men främjar differentiering av stamceller i kondrocyter4,5,6. Dessa celler börjar att föröka sig på platsen för skadan att bilda en brosk matris ger inledande stabilitet av brutna ben. Under callus mognad, kondrocyter bli hypertrofisk, genomgå apoptos eller trans-differentieras till osteoblaster. Kärlnybildning vid övergångszonen brosk-till-ben ger förhöjd syrehalt, så att bildandet av beniga vävnad7. Efter beniga överbryggande av fraktur klyftan, biomekaniska stabiliteten ökat och osteoklastisk omdaning av den externa fraktur förhårdnader uppstår för att få fysiologiska ben kontur och struktur3. Därför ger belopp av fibrösa, brosk och beniga vävnad i den fraktur förhårdnader viktig information om benet läkningsprocessen. Störd eller fördröjd läkning blir synlig vid förändringar av callus vävnad utveckling både hos människor och möss8,9,10,11. Tillgängliga i vivo tekniker längdriktningen övervaka callus vävnad utveckling i prekliniska fracture healing studier med hjälp av små djur inkluderar digital radiografi och µCT imaging12,13. Båda teknikerna är dock endast kunna diskriminera mellan mineraliserade och icke-mineraliserad vävnad. Däremot MRI ger utmärkt mjukvävnad kontrast och skulle därför kunna identifiera mjuk vävnad och brosk i den fraktur förhårdnader.
Tidigare arbete visade lovande resultat för postmortala MRI i möss med artikulära frakturer14 och i vivo MRI i möss under intramembranous ben-defekt helande15. Båda studierna angav emellertid också begränsad rumslig upplösning och vävnad kontrast. Vi visat tidigare genomförbarheten av högupplösta i vivo MRI för längsgående bedömning av mjuk förhårdnader bildas under murina endochondral fracture healing16. Här rapporterar vi protokollet för att använda en MRI-kompatibel extern fixeringsanordning för lårbenet osteotomi i möss för att övervaka callus vävnad utveckling längdriktningen under den endochondral fraktur läkningsprocessen. Utformningen av en skräddarsydd monteringsenheten för insättning av den extern fixeringsanordning garanteras en standardiserad position under upprepade skanningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Modifieringar och felsökning:
Det huvudsakliga målet med denna studie var att beskriva ett protokoll för att använda av en MRI-kompatibel extern fixeringsanordning för lårbenet osteotomi i musen med möjlighet att övervaka callus vävnad utveckling längdriktningen under endochondral frakturläkning processen. Utformningen av en skräddarsydd monteringsenheten för insättning av den extern fixeringsanordning garanteras en standardiserad position under upprepade skannin…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Sevil Essig, Stefanie Schroth, Verena Fischer, Katja Prystaz, Yvonne Hägele och Anne Subgang för utmärkt teknisk support. Vi tackar också den tyska forskningsfondens (CRC1149, INST40/499-1) och AO Trauma Foundation Tyskland för finansiering av denna studie.
Materials
| Anaesthesia tube | FMI, Seeheim, Germany | ZUA-82-ANA-TUB-Mouse | |
| Anaesthetic machine | FMI, Seeheim, Germany | ZUA-82-GME-MA | |
| Artery forceps | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BH104R | |
| Autoclave | Systec, Wettenberg, Germany | DX-150 | |
| Autoclaving packaging | Stericlin, Feuchtwangen, Germany | 2301-04/06/10/12/16 | |
| Avizo software | FEI, Burlington, USA | – | Version 8.0.1 |
| BioSpec 117/16 magnetic resonance imaging system | Bruker Biospin, Ettlingen, Germany | 117/16 | |
| Bulldog clamp | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BH 021R | |
| Carbon steel scalpel no. 11/15 | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BA211/215 | |
| Ceramic mounting pin 0.45 mm | RISystem, Davos, Switzerland | HS691490 | |
| Clindamycin (300 mg / 2ml) | Ratiopharm, Ulm, Germany | – | |
| Dressing forceps 115 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD210R | |
| Dressing forceps 130 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD025R | |
| Drill bit coated 0.45 mm | RISystem, Davos, Switzerland | HS820420 | |
| Durogrip needle holder 125 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BM024R | |
| Foliodrape | Hartmann, Heidenheim, Germany | 2513026 | |
| Frekaderm | Fresenius, Bad Homburg, Germany | 4928211 | |
| Gigli saw 0.44 mm | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.590.110.25 | |
| Hand drill | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.390.130-01 | |
| Heating plate | FMI, Seeheim, Germany | IOW-3704 | |
| Hygonorm gloves | Hygi, Telgte, Germany | 2706 | |
| Isoflurane | Abbot, London, UK | Forene | |
| Micro forceps 155 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD343R | |
| Micro scissors 120 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | FD013R | |
| Mouse FixEx L 0.7 mm | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.611.300-10 | |
| Needle case for drills | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BL911R | |
| Needle holder | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB078R | |
| Octenisept | Schülke, Norderstedt, Germany | 121403 | |
| Osirix software | Pixmeo SARL, Bernex, Switzerland | – | Version 4.0 |
| Oxygen, medical grade | MTI, Ulm, Germany | – | |
| Resolon 5/0 | Resorba, Nürnberg, Germany | 88143 | |
| Saline 0.9% | Braun, Melsungen, Germany | 3570350 | |
| Scalpel handle 125 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB073R | |
| Scissors 150 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BC006R | |
| Sealer for autoclave packaging | Hawo GmbH, Obrigheim, Germany | HM500 | |
| Sterican 27 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657705 | |
| Sterile surgical blades no. 11/15 | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB511/515 | |
| Surgical gloves | Hartmann, Heidenheim, Germany | Peha-micron 9425712 | |
| Surgical light | Maquet SA, Ardon, France | Blue line 80 | |
| Syringes 5 ml | Braun, Melsungen, Germany | Injekt 4606051V | |
| Tissue forceps 80 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | OC091R | |
| Tramadol 25 mg/l | Grünenthal, Aachen, Germany | 100mg/ml | |
| Vasofix Safety | Braun, Melsungen, Germany | 4268113S-01 | |
| Vicryl 5-0 | Ethicon, Norderstedt, Germany | V30371 | |
| Visdisic eye ointment | Bausch & Lomb, Berlin, Germany | 3099559 |
Riferimenti
- Claes, L., Recknagel, S., Ignatius, A. Fracture healing under healthy and inflammatory conditions. Nat Rev Rheumatol. 8 (3), 133-143 (2012).
- Einhorn, T. A. The cell and molecular biology of fracture healing. Clin Orthop Relat Res. (355), S7-S21 (1998).
- Einhorn, T. A., Gerstenfeld, L. C. Fracture healing: mechanisms and interventions. Nat Rev Rheumatol. 11 (1), 45-54 (2015).
- Augat, P., et al. Local tissue properties in bone healing: influence of size and stability of the osteotomy gap. J Orthop Res. 16 (4), 475-481 (1998).
- Claes, L. E., Heigele, C. A. Magnitudes of local stress and strain along bony surfaces predict the course and type of fracture healing. J Biomech. 32 (3), 255-266 (1999).
- Claes, L. E., et al. Effects of mechanical factors on the fracture healing process. Clin Orthop Relat Res. (355), 132-147 (1998).
- Hu, D. P., et al. Cartilage to bone transformation during fracture healing is coordinated by the invading vasculature and induction of the core pluripotency genes. Development. 144 (2), 221-234 (2017).
- Hankenson, K. D., Zimmerman, G., Marcucio, R. Biological perspectives of delayed fracture healing. Injury. 45, 8-15 (2014).
- Meyer, R. A., et al. Age and ovariectomy impair both the normalization of mechanical properties and the accretion of mineral by the fracture callus in rats. J Orthop Res. 19 (3), 428-435 (2001).
- Nikolaou, V. S., Efstathopoulos, N., Kontakis, G., Kanakaris, N. K., Giannoudis, P. V. The influence of osteoporosis in femoral fracture healing time. Injury. 40 (6), 663-668 (2009).
- Haffner-Luntzer, M., Kovtun, A., Rapp, A. E., Ignatius, A. Mouse Models in Bone Fracture Healing Research. Current Molecular Biology Reports. 2 (2), 101-111 (2016).
- Garcia, P., et al. Rodent animal models of delayed bone healing and non-union formation: a comprehensive review. Eur Cell Mater. 26, 1-14 (2013).
- Histing, T., et al. Small animal bone healing models: standards, tips, and pitfalls results of a consensus meeting. Bone. 49 (4), 591-599 (2011).
- Zachos, T. A., Bertone, A. L., Wassenaar, P. A., Weisbrode, S. E. Rodent models for the study of articular fracture healing. J Invest Surg. 20 (2), 87-95 (2007).
- Taha, M. A., et al. Assessment of the efficacy of MRI for detection of changes in bone morphology in a mouse model of bone injury. J Magn Reson Imaging. 38 (1), 231-237 (2013).
- Haffner-Luntzer, M., et al. Evaluation of high-resolution In Vivo MRI for longitudinal analysis of endochondral fracture healing in mice. PLoS One. 12 (3), 0174283 (2017).
- Beckmann, N., Falk, R., Zurbrugg, S., Dawson, J., Engelhardt, P. Macrophage infiltration into the rat knee detected by MRI in a model of antigen-induced arthritis. Magn Reson Med. 49 (6), 1047-1055 (2003).
- Al Faraj, ., Shaik A, S. u. l. t. a. n. a., Pureza, A., A, M., Alnafea, M., Halwani, R. Preferential macrophage recruitment and polarization in LPS-induced animal model for COPD: noninvasive tracking using MRI. PLoS One. 9 (3), 90829 (2014).
- Rolle, A. M., et al. ImmunoPET/MR imaging allows specific detection of Aspergillus fumigatus lung infection in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (8), 1026-1033 (2016).
- Niemeyer, M., et al. Non-invasive tracking of human haemopoietic CD34(+) stem cells in vivo in immunodeficient mice by using magnetic resonance imaging. Eur Radiol. 20 (9), 2184-2193 (2010).
