Induksjon av periodontitt via en kombinasjon av ligatur og lipopolysakkarid injeksjon i en rottemodell
Summary
I denne studien presenteres en rottemodell for induksjon av periodontitt via en kombinasjon av retentiv ligatur og repeterende injeksjoner av lipopolysakkarid avledet fra Porphyromonas gingivalis, over 14 dager rundt de første maksillære jekslene. Ligerings- og LPS-injeksjonsteknikkene var effektive for å indusere peridontitt, noe som resulterte i alveolær bentap og betennelse.
Abstract
Periodontitt (PD) er en svært utbredt, kronisk immun-inflammatorisk sykdom i periodontium, som resulterer i tap av gingival bløtvev, periodontal ligament, sementum, og alveolar bein. I denne studien er det beskrevet en enkel metode for PD-induksjon hos rotter. Vi gir detaljerte instruksjoner for plassering av ligaturmodellen rundt de første kjevemolarene (M1) og en kombinasjon av injeksjoner av lipopolysakkarid (LPS), avledet fra Porphyromonas gingivalis på mesio-palatal side av M1. Induksjonen av periodontitt ble opprettholdt i 14 dager, noe som fremmer akkumulering av bakteriebiofilm og inflammasjon. For å validere dyremodellen ble IL-1β, en viktig inflammatorisk mediator, bestemt av et immunoassay i gingival crevicular fluid (GCF), og alveolært bentap ble beregnet ved hjelp av keglestråle computertomografi (CBCT). Denne teknikken var effektiv for å fremme gingiva resesjon, alveolar bentap og en økning i IL-1β nivåer i GCF ved slutten av eksperimentell prosedyre etter 14 dager. Denne metoden var effektiv for å indusere PD, og kunne dermed brukes i studier på sykdomsprogresjonsmekanismer og fremtidige mulige behandlinger.
Introduction
Periodontitt (PD) er den sjette mest utbredte folkehelsetilstanden over hele verden, og påvirker omtrent 11% av den totale befolkningen, og er en avansert, irreversibel og destruktiv form for periodontal sykdom 1,2. PD er en inflammatorisk prosess som påvirker gingival og periodontale vev, noe som resulterer i gingiva resesjon, apikal migrasjon av kryssepitelet med lommeutvikling og tap av alveolar bein3. Videre er PD assosiert med flere systemiske sykdommer, inkludert kardiovaskulær sykdom, fedme, diabetes og revmatoid artritt, for hvilke miljø- og vertsspesifikke faktorer spiller en betydelig rolle 4,5.
Derfor er PD en multifaktoriell sykdom primært initiert av akkumulering av mikrobiell plakk – som skyldes dysbiose av mikrobielle samfunn – og ved en overdrevet vertsimmunrespons mot periodontale patogener, noe som fører til nedbrytning av periodontalt vev 4,6. Blant flere periodontale bakterier er den gramnegative anaerobe bakterien Porphyromonas gingivalis et av nøkkelpatogenene i PD4. P. gingivalis inneholder et komplekst lipopolysakkarid (LPS) i veggene, et molekyl kjent for å indusere polymorfonukleær leukocyttinfiltrasjon og vaskulær dilatasjon i betent periodontalt vev7. Dette resulterer i produksjon av inflammatoriske mediatorer, som interleukin 1 (IL-1), IL-6 og IL-8, tumornekrosefaktor (TNF) eller prostaglandiner, med en påfølgende osteoklastaktivering og benresorpsjon, noe som fører til vevsødeleggelse og endelig tanntap3.
Blant de forskjellige fordelene med dyremodeller er kapasiteten til å etterligne cellulære kompleksiteter som hos mennesker, eller å være mer nøyaktig enn in vitro-studier , som utføres på plastoverflater med begrensede celletyper8. For modellering av PD eksperimentelt in vivo har forskjellige dyrearter blitt brukt, som ikke-menneskelige primater, hunder, griser, ildere, kaniner, mus og rotter9. Imidlertid er rotter den mest omfattende studerte dyremodellen for patogenesen av PD fordi de er billige og enkle å håndtere10. Deres dental gingivalvev har lignende strukturelle egenskaper som menneskelig gingivalvev, med et grunt gingival sulcus og kryssepitel festet til tannoverflaten. Videre, som hos mennesker, letter kryssepitelet passasjen av bakterielle, fremmede materialer og ekssudater fra inflammatoriske celler 9.
En av de mest rapporterte eksperimentelle modellene av PD-induksjon hos rotter er plasseringen av ligaturer rundt tennene, noe som er teknisk utfordrende, men pålitelig10. Ligaturplasseringen letter tannplakk og bakteriell akkumulering, og genererer en dysbiose i gingival sulci, som forårsaker periodontalvevbetennelse og ødeleggelse11. Tap av periodontal tilknytning og resorpsjon av alveolær ben kan forekomme i løpet av 7 dager i denne rottemodellen8.
En annen dyremodell for PD består av injeksjon av LPS i gingivalvevet. Som et resultat stimuleres osteoklastogenese og bentap. De histopatologiske egenskapene til denne modellen ligner menneskelig etablert PD, karakterisert ved høyere nivåer av proinflammatoriske cytokiner, kollagennedbrytning og alveolær benresorpsjon 6,8.
Målet med denne studien var derfor å beskrive en enkel rottemodell av eksperimentell PD basert på teknikkene til P. gingivalis-LPS (Pg-LPS) injeksjoner, kombinert med ligaturplassering rundt de første maksillære jekslene (M1). Dette er en modell med lignende egenskaper som de som er observert i human PD-sykdom, som kan brukes i studiet av sykdomsprogresjonsmekanismer og fremtidige mulige behandlinger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne metoden beskriver induksjon av PD hos rotter etter en kombinert teknikk med Pg-LPS-injeksjoner og ligaturplassering rundt M1, og avslører at signifikante endringer i periodontalt vev og alveolær ben kan induseres i 14 dager etter denne metoden.
Under denne prosedyren må det tas hensyn til ulike kritiske trinn. Under anestesi på dyr og forberedelse av prosedyrer er vurdering av riktig anestesi under den kirurgiske prosessen avgjørende for suksess, og det er å sikre riktig p…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Fundació Universitat-Empresa de les Illes Balears (Proof of concept call 2020), av Instituto de Salud Carlos III, Ministerio de Economía y Competividad, medfinansiert av ESF European Social Fund og ERDF European Regional Development Fund (kontrakt til M.M.B; FI18/00104) og av Direcció General d’Investigació, Conselleria d’Investigació, Govern Balear (kontrakt med M.M.F.C; FPI/040/2020). Forfatterne takker Dr. Anna Tomás og Maria Tortosa for deres hjelp på eksperimentell kirurgi og plattform av IdISBa. Til slutt, takk til ADEMA School of Dentistry for tilgangen til CBCT-skanneren.
Materials
| Adsorbent paper point nº30 | Proclinc | 8187 | |
| Aprotinin | Sigma-Aldrich | A1153 | |
| Atipamezole | Dechra | 573751.5 | Revanzol 5 mg/mL |
| Braided silk ligature (5/0) | Laboratorio Arago Sl | 613112 | |
| Buprenorphine | Richter pharma | 578816.6 | Bupaq 0.3 mg/mL |
| Cone-beam computed tomography (CBCT) Scanner | MyRay | hyperion X9 | Model Hyperion X9 |
| CTAn software | SkyScan | Version 1.13.4.0 | |
| Dental explorer | Proclinc | 99743 | |
| Diamond lance-shaped bur | Dentaltix | IT21517 | |
| Food maintenance diet | Sodispain research | ROD14 | |
| Heated surgical platform | PetSavers | ||
| Hollenback carver | Hu-FRIEDY | HF45234 | |
| Hypodermic needle | BD | 300600 | 25G X 5/8” – 0,5 X 16 MM |
| Isoflurane | Karizoo | Isoflutek 1000mg/g | |
| Ketamine | Dechra | 581140.6 | Anesketin 100 mg/mL |
| Lipopolysaccharide derived from P.Gingivalis | InvivoGen | TLRL-PGLPS | |
| Methanol | Fisher Scientific | M/4000/PB08 | |
| Micro needle holter | Fehling Surgical Instruments | KOT-6 | |
| Microsurgical pliers | KLS Martin | 12-384-06-07 | |
| microsurgical scissors | S&T microsurgical instruments | SDC-15 RV | |
| Monitor iMEC 8 Vet | Mindray | ||
| Multiplex bead immunoassay | Procartaplex, Thermo fisher Scientific | PPX-05 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich | 8187151000 | |
| Periosteal microsurgical elevator | Dentaltix | CU19112468 | |
| Phenylmethylsulfonylfluoride (PMSF) | Roche | 10837091001 | |
| Phosphate Buffer Solution (PBS) | Capricorn Scientific | PBS-1A | |
| PhosSTOP | Roche | 4906845001 | Commercial phosphatase inhibitor tablet |
| Plastic vial | SPL Lifesciencies | 60015 | 1.5mL |
| Saline | Cinfa | 204024.3 | |
| Stereo Microscope | Zeiss | Model SteREO Discovery.V12 | |
| Surgical loupes led light | Zeiss | ||
| Surgical scissors | Zepf Surgical | 08-1701-17 | |
| Syringe | BD plastipak | 303172 | 1mL |
| Veterinary dental micromotor | Eickemeyer | 174028 | |
| Xylazine | Calier | 20102-003 | Xilagesic 20 mg/mL |
Riferimenti
- Carvalho, J. D. S., et al. Impact of citrus flavonoid supplementation on inflammation in lipopolysaccharide-induced periodontal disease in mice. Food and Function. 12 (11), 5007-5017 (2021).
- Nazir, M. A. Prevalence of periodontal disease, its association with systemic diseases and prevention. International Journal of Health Sciences. 1 (2), 72-80 (2017).
- Dumitrescu, A. L., El-Aleem, S. A., Morales-Aza, B., Donaldson, L. F. A model of periodontitis in the rat: Effect of lipopolysaccharide on bone resorption, osteoclast activity, and local peptidergic innervation. Journal of Clinical Periodontology. 31 (8), 596-603 (2004).
- Wang, H. Y., et al. Preventive effects of the novel antimicrobial peptide Nal-P-113 in a rat Periodontitis model by limiting the growth of Porphyromonas gingivalis and modulating IL-1β and TNF-α production. BMC Complementary and Alternative Medicine. 17 (1), 1-10 (2017).
- Guan, J., Zhang, D., Wang, C. Identifying periodontitis risk factors through a retrospective analysis of 80 cases. Pakistan Journal of Medical Sciences. 38 (1), 293-296 (2021).
- Khajuria, D. K., Patil, O. N., Karasik, D., Razdan, R. Development and evaluation of novel biodegradable chitosan based metformin intrapocket dental film for the management of periodontitis and alveolar bone loss in a rat model. Archives of Oral Biology. 85, 120-129 (2018).
- Nishida, E., et al. Bone resorption and local interleukin-1alpha and interleukin-1beta synthesis induced by Actinobacillus actinomycetemcomitans and Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide. Journal of Periodontal Research. 36 (1), 1-8 (2001).
- Graves, D. T., Kang, J., Andriankaja, O., Wada, K., Rossa, C. Animal models to study host-bacteria interactions involved in periodontitis. Bone. 23 (1), 1-7 (2008).
- Struillou, X., Boutigny, H., Soueidan, A., Layrolle, P. Experimental animal models in periodontology: a review. The Open Dentistry Journal. 4 (1), 37-47 (2010).
- Mustafa, H., et al. Induction of periodontal disease via retentive ligature, lipopolysaccharide injection, and their combination in a rat model. Polish Journal of Veterinary Sciences. 24 (3), 365-373 (2021).
- Chadwick, J. W., Glogauer, M. Robust ligature-induced model of murine periodontitis for the evaluation of oral neutrophils. Journal of Visualized Experiments. 2020 (155), 6-13 (2019).
- Cheng, R., Wu, Z., Li, M., Shao, M., Hu, T. Interleukin-1β is a potential therapeutic target for periodontitis: a narrative review. International Journal of Oral Science. 12 (1), 1-9 (2020).
- Abe, T., Hajishengallis, G. Optimization of the ligature-induced periodontitis model in mice. Journal of Immunological Methods. 394 (1-2), 49-54 (2013).
- Jeong-Hyon, K., Bon-Hyuk, G., Sang-Soo, N., Yeon-Cheol, P. A review of rat models of periodontitis treated with natural extracts. Journal of Traditional Chinese Medical Sciences. 7 (2), 95-103 (2020).
- Marchesan, J., et al. An experimental murine model to study periodontitis. Nature Protocols. 13 (10), 2247-2267 (2018).
- Lin, P., et al. Application of ligature-induced periodontitis in mice to explore the molecular mechanism of periodontal disease. International Journal of Molecular Sciences. 22 (16), 8900 (2021).
- Irie, M. S., et al. Use of micro-computed tomography for bone evaluation in dentistry. Brazilian Dental Journal. 29 (3), 227-238 (2018).
- Haas, L. F., Zimmermann, G. S., De Luca Canto, G., Flores-Mir, C., Corrêa, M. Precision of cone beam CT to assess periodontal bone defects: a systematic review and meta-analysis. Dentomaxillofacial Radiology. 47 (2), 20170084 (2018).
- Kamburoğlu, K., Ereş, G., Akgün, C. Qualitative and quantitative assessment of alveolar bone destruction in adult rats using CBCT. Journal of Veterinary Dentistry. 36 (4), 245-250 (2019).
- Sousa Melo, S. L., Rovaris, K., Javaheri, A. M., de Rezen de Barbosa, G. L. Cone-beam computed tomography (CBCT) imaging for the assessment of periodontal disease. Current Oral Health Reports. 7 (4), 376-380 (2020).
