兔子开放的股内侧髁突冲击模型对于研究创伤后骨关节炎 (PTOA) 和缓解 PTOA 进展的新治疗策略是可靠的。该协议使用带有撞击头的基于托架的滴塔在兔子中产生后内侧股骨髁的孤立软骨缺损。
创伤后骨关节炎 (PTOA) 占美国所有骨关节炎病例的 12%。PTOA 可由单个创伤事件引发,例如作用在关节软骨上的高冲击负荷,或由关节不稳定引发,如前交叉韧带断裂。目前尚无有效的治疗方法来预防 PTOA。开发可靠的 PTOA 动物模型对于更好地了解软骨损伤的机制以及研究缓解或预防 PTOA 进展的新治疗策略是必要的。该协议描述了一种开放的、基于落塔的兔股骨髁冲击模型,以诱导软骨损伤。该模型的峰值载荷为 579.1 ± 71.1 N,峰值应力为 81.9 ± 10.1 MPa,峰值载荷时间为 2.4 ± 0.5 ms。与未阻生的对侧 MFC(0.56 ± 0.42)和受阻膝的其他软骨表面相比,来自嵌塞内侧股骨髁 (MFC) 的关节软骨具有更高的凋亡细胞率 (p = 0.0058),并具有更高的国际骨关节炎研究学会 (OARSI) 评分 3.38 ± 1.43 (<0.56 0.42 )。在未受影响的关节面中未检测到OARSI评分的差异(p > 0.05)。
创伤后骨关节炎 (PTOA) 是全球致残的主要原因,占症状性骨关节炎 (OA) 的 12%-16%1。目前终末期 OA 管理的金标准是全膝关节和髋关节置换术2 或关节融合术,如终末期胫距关节或距下关节炎。虽然在很大程度上是成功的,但关节置换术可能会产生昂贵且病态的并发症3.此外,鉴于 77%-83%4,5 的无翻修种植体存活率较低,因此 50 岁以下的患者不太希望进行关节置换术。目前,尚无 FDA 批准的治疗方法来预防或减轻 PTOA 的进展。
PTOA 累及整个关节,包括滑膜组织、软骨下骨和关节软骨。其特征是关节软骨退化、滑膜炎症、软骨下骨重塑和骨赘形成 6,7。PTOA 的表型是通过软骨、滑膜和软骨下骨之间相互作用的复杂过程发展而来的。目前的理解是,软骨损伤导致细胞外基质 (ECM) 成分的释放,例如 2 型胶原 (COL2) 和聚集聚糖 (ACAN)。这些 ECM 组分片段具有促炎作用,可导致 IL-6、IL-1β 和活性氧的产生增加。这些介质作用于软骨细胞,导致基质金属蛋白酶 (MMP) 上调,例如 MMP-13,其降解关节软骨,同时也减少基质合成,导致关节软骨的整体分解代谢环境8。此外,有证据表明原发性骨关节炎和 PTOA 的软骨细胞凋亡增加 9,10。线粒体功能障碍发生在软骨11,12,13,14 的超生理负荷后,可导致软骨细胞凋亡增加 12,15。软骨细胞凋亡增强与蛋白多糖耗竭和软骨分解代谢增加有关,并已被证明先于软骨变化和软骨下骨重塑16,17,18。
与大多数人类疾病一样,需要可靠的 PTOA 转化模型来进一步了解疾病的病理生理学并测试新的治疗方法。猪和犬科动物等大型动物已被用于 PTOA17,19 的关节内骨折和冲击模型,但它们成本高昂。较小的动物模型,如小鼠、大鼠和兔子,成本较低,用于研究通过关节不稳定产生的 PTOA,这通常涉及前交叉韧带 (ACL) 的手术横断和/或内侧半月板的破坏 20、21、22、23、24、25。尽管关节创伤会导致各种后果,包括韧带损伤26,但几乎所有病例都会发生软骨的机械性超负荷。
越来越多的证据表明,韧带不稳定(如前交叉韧带横断)和急性软骨损伤后 PTOA 发展背后的病理学是由于不同的机制27。因此,开发软骨直接损伤模型非常重要。目前在大鼠和小鼠中产生骨软骨或软骨损伤的冲击模型数量有限28,29。然而,小鼠软骨不太适合产生孤立的软骨缺损。这是因为小鼠关节软骨只有 3-5 个细胞层厚,缺乏有组织的浅表、放射状和过渡软骨区,以及在人类和大型动物中发现的厚钙化软骨层。小鼠模型还显示部分软骨缺损的自发消退30,31。因此,我们选择了兔子作为这个冲击模型,因为它的软骨厚度和组织与人类相似,而且它是最小的动物模型,可以提供一致的软骨冲击,导致 PTOA。先前对兔子股骨髁撞击的开放手术模型采用了钟摆32、手持式弹簧加载软骨嵌塞装置 33 和允许创建兔子特异性撞击器的下降塔34。然而,这些研究缺乏体内数据。其他人已经报道了基于摆锤 35、气动36 和弹簧加载37 冲击装置10 的体内数据,这些研究表明,这些方法之间的峰值应力和加载速率的变异率很高。尽管如此,该领域仍缺乏一种一致的方法来可靠地模拟体内急性软骨创伤。
目前的方案采用基于落塔的系统,对兔膝关节的后内侧髁进行一致的冲击。采用膝关节后入路暴露股骨后内侧髁。然后将 Steinman 销从内侧到外侧穿过股骨髁,与关节面成一条直线,并固定在平台上。固定后,负荷被传递到股骨后内侧髁。这种方法允许将一致的软骨损伤传递到兔股骨远端的承重表面。
该外科手术旨在在 PTOA 模型中对兔股骨内侧髁的承重表面产生一致的软骨损伤。该手术的一个优点是膝关节的后入路允许直接观察完整的后股内侧髁,并且可以在大约 37 分钟内完成(表 2)。还应该注意的是,这是一个开放性损伤模型,除了由于滑膜和关节囊的潜在损伤而导致的影响之外,还可能导致急性炎症变化17,44。表3总?…
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了美国陆军医学研究收购活动的 DoD 同行评审医学研究计划 – 研究者发起的研究奖 W81XWH-20-1-0304、NIH NIAMS R01AR076477和 NIH (AR065971) 的综合肌肉骨骼 T32 培训计划以及 NIH NIAMS Grant R01 AR069657 的支持。作者要感谢 Kevin Carr 为该项目提供他在加工和制造方面的专业知识,并感谢 Drew Brown 和印第安纳州肌肉骨骼健康骨骼组织学中心对组织学的帮助。
Flat head screw | McMaster-Carr | 92210A194 | Stainless steel hex drive flat head screw, 8-32, 1/2" |
#15 scalpel blades | McKesson | 1029066 | Scalpel McKesson No. 15 Stainless Steel / Plastic Classic Grip Handle Sterile Disposable |
1/2”-20 threaded rod | McMaster-Carr | 99065A120 | 1/2”-20 threaded rod |
10 mL syringe | McKesson | 1031801 | For irrigation; General Purpose Syringe McKesson 10 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety |
3 mL syringe | McKesson | 1031804 | For lidocaine/bupiviacaine injection; General Purpose Syringe McKesson 3 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety. |
3-0 polysorb | Ethicon | J332H | 3-0 Vircryl, CT-2, 1/2 circle, 26 mm, tapered |
4-0 monosorb | Ethicon | Z397H | 4-0 PDS 2, FS-2, 3/8 circle, 19mm, cutting edge |
5-0 polysorb | Med Vet International | NC9335902 | Med Vet International 5-0 ETHICON COATED VICRYL C-3 |
Accelerometer | Kistler | 8743A5 | Accelerometer |
Adson-Browns Forceps | World precision tools | 500177 | Adson-Brown Forceps, 12 cm, Straight, TC Jaws, 7 x 7 Teeth |
Alfaxalone | Jurox | 49480-002-01 | Alfaxan Multidose by Jurox : 10 mg/mL |
Buprenorphine | Par Pharmaceuticals | 42023-0179-05 | Buprenorphine HCL injection: 0.3 mg/mL |
Butorphanol | Zoetis | 54771-2033 | Butorphanol tartrate 10mg/ml by Zoetis |
Chlorhexidine Hand Scrub | BD | 371073 | BD E-Z Scrub 107 Surgical Scrub Brush/Sponge, 4% CHG, Red |
Collet | STRYKER | 14023 | Stryker 4100-62 wire Collet 0.28-0.71'' |
Cordless Driver handpiece | STRYKER | OR-S4300 | Stryker 4300 CD3 Cordless Driver 3 handpiece |
Cricket Retractors | Novosurgical | G3510 21 | 2x Heiss (Holzheimer) Cross Action Retractor |
Dissector Scissors | Jorvet labs | J0662 | Aesculap AG, Metzenbaum, Scissors, Straight 5 3/4″ |
Elizabethian Collar | ElizaSoft | 62054 | ElizaSoft Elizabethan Recovery Collar |
Enrofloxacin | Custom Meds | Enrofloxacin compounded by Custom Meds | |
Eye Ointment | Pivetal | 46066-753-55 | Pivetal Articifical Tears- recently recalled |
Face-mount shaft collar | McMaster-Carr | 5631T11 | Face-mount shaft collar |
Fast green | Millipore Sigma | F7258 | Fast green |
Freer | Jorvet labs | J0226Q | Freer elevator |
Head screw -1 | McMaster-Carr | 91251A197 | Black-oxide alloy steel socket head screw, 8-32, 3/4" |
Head screw -2 | McMaster-Carr | 92196A194 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -3 | McMaster-Carr | 92196A146 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -4 | McMaster-Carr | 92196A151 | Stainless steel socket head screw, 6-32, 3/4" |
Hematoxylin Solution, Gill No. 1 | Millipore Sigma | GHS132-1L | Hematoxylin Solution, Gill No. 1 |
Hex nut | McMaster-Carr | 91841A007 | Stainless steel hex nut, 6-32 |
Hold-down toggle clamp | McMaster-Carr | 5126A71 | Hold-down toggle clamp |
Impact device | n/a | n/a | custom made |
Impact platform | n/a | n/a | custom made |
K-wires | Jorvet Labs | J0250A | JorVet Intramedullary Steinman Pins, Trocar-Trocar 1/16" x 7" |
Lab View | National Instruments | n/a | n/a |
Load cell | Kistler | 9712B5000 | Load cell |
MATLAB | The MathWorks Inc. | n/a | n/a |
Microscope | Leica | DMi-8 | Leica DMi8 microscope with LAS-X software |
Midazolam | Almaject | 72611-749-10 | Midazolam Hydrochloride injection: 5mg/ml by Almaject |
milling machine depth stops | McMaster-Carr | 2949A71 | Clamp-on milling machine depth stops |
Mobile C-arm | Philips | 718095 | BV Pulsera, Mobile C-arm |
Mounted linear ball bearing | McMaster-Carr | 9338T7 | Mounted linear ball bearing |
Needle Driver | A2Z Scilab | A2ZTCIN39 | TC Webster Needle Holder Smooth Jaws 5", Premium |
Pentobarbital | Vortech | 0298-9373-68 | Pentobarbital 390 mg/mL by Vortech |
Safranin O | Millipore Sigma | HT90432 | Safranin O |
Small Battery pack | STRYKER | NS014036 | 6212 Small Battery pack- 9.6 V |
Steel rod, 2’ | McMaster-Carr | 89535K25 | Steel rod, 2’ |
Sterile Saline | ICU Medical | 6139-22 | AquaLite Solution Pour Bottles, 250 mL |
Stryker 6110-120 System 6 Battery Charger | STRYKER | OR-S6110-120 | |
Surgical gloves | McKesson | 1044729 | Surgical Glove McKesson Perry Size 6.5 Sterile Pair Latex Extended Cuff Length Smooth Brown Not Chemo Approved |
Surgical gown | McKesson | 1104452 | Non-Reinforced Surgical Gown with Towel McKesson Large Blue Sterile AAMI Level 3 Disposable |
Suture scissors | Jorvet Labs | J0910SA | Super Cut Scissors, Mayo, Straight, 5 1/2″ |
TUNEL staining kit | ABP Bioscience | A049 | TUNEL Chromogenic Apoptosis Detection Kit |
Weitlaner Retractors | Fine Science Tools | 17012-11 | 2x Weitlaner-Locktite Retractors |