Разработка и оценка крысиной модели полноразмерных дефектов хряща
Summary
Этот протокол устанавливает модель полноразмерных дефектов хряща (FTCD) путем сверления отверстий в бедренной трохлеарной борозде крыс и измерения последующего болевого поведения и гистопатологических изменений.
Abstract
Дефекты хряща коленного сустава, вызванные травмой, являются распространенными спортивными повреждениями суставов в клинике, и эти дефекты приводят к боли в суставах, нарушению движений и, в конечном итоге, остеоартриту коленного сустава (кОА). Тем не менее, существует мало эффективного лечения дефектов хряща или даже кОА. Животные модели важны для разработки терапевтических препаратов, но существующие модели дефектов хряща неудовлетворительны. В этой работе была создана модель полноразмерных дефектов хряща (FTCD) путем сверления отверстий в бедренной трохлеарной борозде крыс, а последующее болевое поведение и гистопатологические изменения были использованы в качестве считывающих экспериментов. После операции был снижен механический порог абстиненции, утрачены хондроциты в поврежденном месте, повышена экспрессия матриксной металлопротеиназы MMP13 и снижена экспрессия коллагена II типа, что соответствует патологическим изменениям, наблюдаемым при дефектах хряща человека. Эта методика проста и легка в применении и позволяет проводить грубое наблюдение сразу после травмы. Кроме того, эта модель может успешно имитировать клинические дефекты хряща, обеспечивая тем самым платформу для изучения патологического процесса дефектов хряща и разработки соответствующих терапевтических препаратов.
Introduction
Суставной хрящ представляет собой высокодифференцированную и плотную ткань, состоящую из хондроцитов и внеклеточного матрикса1. Поверхностный слой суставного хряща представляет собой форму гиалинового хряща, который имеет гладкую поверхность, низкое трение, хорошую прочность и эластичность, а также отличную устойчивость к механическим нагрузкам2. Внеклеточный матрикс состоит из коллагена, протеогликана и воды, а коллаген II типа является основным структурным компонентом коллагена, так как на его долю приходится около 90% от общего количества коллагена3. Поскольку в хрящевой ткани отсутствуют кровеносные сосуды или нервы, она не обладает способностью к самовосстановлению после травмы4. Поэтому дефекты хряща, вызванные травмой, всегда были трудноизлечимым заболеванием суставов в клиниках; Кроме того, это заболевание суставов, как правило, поражает молодых людей, и глобальная заболеваемость растет 5,6. Коленный сустав является наиболее распространенным местом дефектов хряща, и дефекты здесь сопровождаются болью в суставах, дисфункцией суставов и дегенерацией суставного хряща, что в конечном итоге приводит к остеоартрозу коленного сустава (кОА)7. Дефекты хряща коленного сустава создают экономическое и физиологическое бремя для пациентов и серьезно влияют на качество жизни пациентов8. Это заболевание представляет собой серьезную и неотложную клиническую проблему, решение которой не может быть найдено в ближайшее время. В настоящее время хирургическое вмешательство является основой лечения дефектов хряща, но его отдаленный исход остается неудовлетворительным9.
Клинические дефекты хряща в конечном итоге приводят к кОА, и, таким образом, животные модели кОА обычно используются для патологического изучения дефектов хряща и разработки лекарств. Создание животных моделей важно для понимания патофизиологического процесса восстановления дефектов хряща, которые могут быть использованы для наблюдения за регенерацией хряща и изменением между фиброзно-хрящевым и гиалиновым хрящами10. Тем не менее, широко используемые модели кОА на животных, такие как хирургические модели рассечения передней крестообразной связки (ACLT), дестабилизации медиального мениска (DMM), овариоэктомии (OVX) и Hulth, обычно нуждаются в долгосрочном моделировании и позволяют проводить только патологоанатомическую и болевую оценку, что накладывает ограничения на эффективность разработки лекарств11. Помимо хирургических моделей, химические модели, такие как монойодоацетат (МИА) и инъекция папаина, также приводят к дефектам хряща, но степень дефекта не поддается адекватному контролю, а условия далеки от клинической реальности11. Коллизия является еще одним подходом к моделированию дефектов хряща у более крупных животных, но этот метод зависит от использования конкретных инструментов и применяется редко12.
Подводя итог, можно сказать, что существующие модели кОА не являются идеальными для изучения патогенеза дефектов хряща или разработки новых лекарственных препаратов, и необходима специфическая и стандартизированная модель дефектов хряща. В этом исследовании была создана модель полноразмерных дефектов хряща (FTCD) путем сверления отверстий в вертельчатой бороздке бедренной кости у крыс. Для оценки модели были проведены грубое наблюдение, тесты болевого поведения и гистопатологический анализ. В отличие от других животных моделей кОА, эта модель мало влияет на общее состояние крыс. Такой подход к моделированию является доступным, хорошо управляемым и способствует пониманию прогрессирования от дефектов хряща к кОА и разработке эффективных терапевтических средств. Эта модель также может быть использована для тестирования методов лечения, которые предотвращают кОА путем заживления дефектов в суставах, предостеартритных.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании описывается животная модель для имитации клинических дефектов хряща путем сверления отверстий в бедренной трохлеарной борозде крыс (дополнительный рисунок 1). После повреждения хряща повышается возбудимость или отзывчивость периферических ноци…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано Чжэцзянским фондом естественных наук (грант No LQ20H270009), Фондом естественных наук Китая (гранты No 82074464 и 82104890), Чжэцзянским фондом традиционной китайской медицины (номера грантов 2020ZA039, 2020ZA096 и 2022ZB137) и Проектом медицинской науки и технологий здравоохранения Комиссии по здравоохранению провинции Чжэцзян (грант No 2016KYA196).
Materials
| 3, 3 '-diaminobenzidine | Hangzhou Zhengbo Biotechnology Co., Ltd. | ZLI-9019 | The dye for IHC staining |
| Anti-Collagen III antibody | Novus | NB600-594 | Primary antibody for IHC |
| Anti-Collagen II antibody | Abcam (UK) | 34712 | Primary antibody for IHC |
| Anti-Collagen I antibody | Novus | NB600-408 | Primary antibody for IHC |
| Bouin solution | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Celestite blue | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Corncob paddings | Xiaohe Technology Co., Ltd | Bedding for animal | |
| Eosin | Sigma-Aldrich | 861006 | The dye for HE staining |
| Fast Green FCF | Sigma-Aldrich | F7252 | The dye for SO staining |
| Goat anti-mouse antibody | ZSGQ-BIO (Beijing, China) | PV-9002 | Secondary antibody for IHC |
| Goat anti-rabbit antibody | ZSGQ-BIO (Beijing, China) | PV-9001 | Secondary antibody for IHC |
| Hematoxylin | Sigma-Aldrich | H3163 | The dye for HE staining |
| Masson | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Microdrill | Rwd Life Science Co., Ltd | 78001 | Equipment for surgery |
| MMP13 | Cell Signaling Technology, Inc. (Danvers, MA, USA) | 69926 | Primary antibody for IHC |
| Modular tissue embedding center | Thermo Fisher Scientific (USA) | EC 350 | Produce paraffin blocks |
| Neutral resin | Hangzhou Zhengbo Biotechnology Co., Ltd. | ZLI-9555 | Seal for IHC |
| Nonabsorbable suture | Hangzhou Huawei Medical Supplies Co.,Ltd. | 4-0 | Equipment for surgery |
| Pentobarbital sodium | Hangzhou Zhengbo Biotechnology Co., Ltd. | WBBTN5G | Anesthetized animal |
| phosphomolybdic acid | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Ponceau fuchsin | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Rotary and Sliding Microtomes | Thermo Fisher Scientific (USA) | HM325 | Precise paraffin sections |
| Safranin-O | Sigma-Aldrich | S2255 | The dye for SO staining |
| Scalpel blade | Shanghai Lianhui Medical Supplies Co., Ltd. | 11 | Equipment for surgery |
| Sodium citrate solution (20x) | Hangzhou Haoke Biotechnology Co., Ltd. | HK1222 | Antigen retrieval for IHC |
| Sprague Dawley (SD) rats | Shanghai Slake Experimental Animal Co., Ltd. | SD | Experimental animal |
| Tissue-Tek VIP 5 Jr | Sakura (Japan) | Vacuum Infiltration Processor | |
| Toluidine Blue | Sigma-Aldrich | 89640 | The dye for TB staining |
| Von Frey filament | UGO Basile (Italy) | 37450-275 | Equipment for MWT assay |
| Wire mesh platform | Shanghai Yuyan Instruments Co.,Ltd. | Equipment for MWT assay |
Riferimenti
- Zhang, Z. Chondrons and the pericellular matrix of chondrocytes. Tissue Engineering. Part B, Reviews. 21 (3), 267-277 (2015).
- Correa, D., Lietman, S. A. Articular cartilage repair: Current needs, methods and research directions. Seminars in Cell & Developmental Biology. 62, 67-77 (2017).
- Kuo, S. M., Wang, Y. J., Weng, C. L., Lu, H. E., Chang, S. J. Influence of alginate on type II collagen fibrillogenesis. Journal of Materials Science. Materials in Medicine. 16 (6), 525-531 (2005).
- Li, M., et al. The immune microenvironment in cartilage injury and repair. Acta Biomaterialia. 140, 23-42 (2022).
- Epanomeritakis, I. E., Lee, E., Lu, V., Khan, W. The use of autologous chondrocyte and mesenchymal stem cell implants for the treatment of focal chondral defects in human knee joints-A systematic review and meta-analysis. International Journal of Molecular Sciences. 23 (7), 4065 (2022).
- Jiang, Y. H., et al. Cross-linking methods of type I collagen-based scaffolds for cartilage tissue engineering. American Journal of Translational Research. 14 (2), 1146-1159 (2022).
- Southworth, T. M., Naveen, N. B., Nwachukwu, B. U., Cole, B. J., Frank, R. M. Orthobiologics for focal articular cartilage defects. Clinics in Sports Medicine. 38 (1), 109-122 (2019).
- Chen, Z., et al. Kindlin-2 promotes chondrogenesis and ameliorates IL-1beta-induced inflammation in chondrocytes cocultured with BMSCs in the direct contact coculture system. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2022, 3156245 (2022).
- Richter, D. L., Schenck, R. C., Wascher, D. C., Treme, G. Knee articular cartilage repair and restoration techniques: A review of the literature. Sports Health. 8 (2), 153-160 (2016).
- Tessaro, I., et al. Animal models for cartilage repair. Journal of Biological Regulators and Homeostatic Agents. 32 (6), 105-116 (2018).
- Kim, J. E., Song, D. H., Kim, S. H., Jung, Y., Kim, S. J. Development and characterization of various osteoarthritis models for tissue engineering. PLoS One. 13 (3), e0194288 (2018).
- Mrosek, E. H., et al. Subchondral bone trauma causes cartilage matrix degeneration: An immunohistochemical analysis in a canine model. Osteoarthritis and Cartilage. 14 (2), 171-178 (2006).
- Ralphs, J. R., Benjamin, M., Thornett, A. Cell and matrix biology of the suprapatella in the rat: A structural and immunocytochemical study of fibrocartilage in a tendon subject to compression. Anatomical Record. 231 (2), 167-177 (1991).
- Jin, Y., et al. A somatosensory cortex input to the caudal dorsolateral striatum controls comorbid anxiety in persistent pain. Pain. 161 (2), 416-428 (2020).
- Zhanmu, O., Yang, X., Gong, H., Li, X. Paraffin-embedding for large volume bio-tissue. Scientific Reports. 10 (1), 12639 (2020).
- Mankin, H. J., Dorfman, H., Lippiello, L., Zarins, A. Biochemical and metabolic abnormalities in articular cartilage from osteo-arthritic human hips. II. Correlation of morphology with biochemical and metabolic data. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 53 (3), 523-537 (1971).
- Levey, A. I., et al. A light and electron microscopic procedure for sequential double antigen localization using diaminobenzidine and benzidine dihydrochloride. Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 34 (11), 1449-1457 (1986).
- Pace, M. C., et al. Neurobiology of pain. Journal of Cellular Physiology. 209 (1), 8-12 (2006).
- Zhang, X., et al. Magnetic nanocarriers as a therapeutic drug delivery strategy for promoting pain-related motor functions in a rat model of cartilage transplantation. Journal of Materials Science. Materials in Medicine. 32 (4), 37 (2021).
- Siebold, R., Suezer, F., Schmitt, B., Trattnig, S., Essig, M. Good clinical and MRI outcome after arthroscopic autologous chondrocyte implantation for cartilage repair in the knee. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 26 (3), 831-839 (2018).
- Katagiri, H., Mendes, L. F., Luyten, F. P. Definition of a critical size osteochondral knee defect and its negative effect on the surrounding articular cartilage in the rat. Osteoarthritis and Cartilage. 25 (9), 1531-1540 (2017).
- Farnham, M. S., Larson, R. E., Burris, D. L., Price, C. Effects of mechanical injury on the tribological rehydration and lubrication of articular cartilage. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 101, 103422 (2020).
- Wu, L., et al. Lysophosphatidic acid mediates fibrosis in injured joints by regulating collagen type I biosynthesis. Osteoarthritis and Cartilage. 23 (2), 308-318 (2015).
- Chu, C. R., Szczodry, M., Bruno, S. Animal models for cartilage regeneration and repair. Tissue Engineering. Part B, Reviews. 16 (1), 105-115 (2010).
- Murphy, M. P., et al. Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells. Natural Medicines. 26 (10), 1583-1592 (2020).
