Модель титановой модели роста крысы для характеристики механизмов восстановления и оценки стратегий регенерации пласта
Summary
Пластинчатая пластинка представляет собой хрящевой участок в детских длинных костях, где происходит продольный рост. При травме костная ткань может образовывать и ухудшать рост. Мы описываем крысиную модель травмы роста, которая приводит к костной восстановительной ткани, позволяя изучать механизмы восстановления и стратегии регенерации пластин роста.
Abstract
Третий из всех педиатрических переломов связан с пластиной роста и может привести к нарушению роста кости. Пластина роста (или physis) – это хрящевая ткань, обнаруженная в конце всех длинных костей у детей, которая отвечает за продольный рост костей. После повреждения хрящевая ткань в пластине роста может подвергаться преждевременной оссификации и привести к нежелательной костной восстановительной ткани, которая образует «костный план». В некоторых случаях этот костный план может приводить к деформациям роста кости, таким как угловые деформации, или может полностью остановить продольный рост кости. В настоящее время нет клинического лечения, которое может полностью восстановить поврежденную пластину роста. Используя животную модель травмы роста, чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе формирования костного барьера, и определить способы его подавления – отличная возможность разработать лучшие методы лечения травм растительных пластинок. Этот протокол описывает, как разрушить крысиную проксимальную пластинку роста большеберцовой кости, используя дефект отверстия. Это smaLl модель животного надежно производит костный планшет и может привести к деформациям роста, подобным тем, которые наблюдаются у детей. Эта модель позволяет исследовать молекулярные механизмы формирования костного барьера и служит средством для проверки возможных вариантов лечения травм растительных пластинок.
Introduction
При травмах растительных пластинок приходится 30% всех педиатрических переломов и может привести к нарушению роста кости 1 . В дополнение к переломам травмы растительных пластин могут быть вызваны другими этиологиями, включая остеомиелит 2 , первичные опухоли костей 3 , радиацию и химиотерапию 4 , и ятрогенный ущерб 5 . Пластина роста (или physis) является хрящевой областью в конце длинных костей детей, которая отвечает за продольный рост кости. Он стимулирует удлинение кости через эндохондральную оссификацию; Хондроциты подвергаются пролиферации и гипертрофии и затем реконструируются входящими остеобластами для образования трабекулярной кости 6 . Пластина роста также является слабой областью развивающегося скелета, что делает ее склонной к травме. Основная проблема, связанная с переломами или травмами в пластинках, заключается в том, что поврежденная ткань хряща в пластине роста может bE заменен нежелательной костной ремонтной тканью, также известной как «костлявый бар». В зависимости от размера и местоположения в пластине роста костный штанга может привести к угловым деформациям или полной остановке роста, разрушительной силе для маленьких детей, которые еще не достигли своей высоты 7 .
В настоящее время нет лечения, которое может полностью восстановить поврежденную пластину роста. Как только костный брусок формируется, клиницист должен решить, удалять или нет хирургическое удаление 8 . Пациенты с по меньшей мере 2 годами или 2 см остаточного скелетного роста и с костным бруском, который составляет менее 50% площади роста, обычно являются кандидатами на резекцию костного шва 8 . Хирургическое удаление костного полотна часто сопровождается вмешательством аутологичного жирового трансплантата, чтобы предотвратить реформацию костной ткани и позволить окружающей не поврежденной пластине роста восстановить рост. Однако эти методы являютсяЭмаль и часто терпят неудачу, что приводит к рецидиву костного стержня и продолжает отрицательно влиять на рост 9 . Существует критическая потребность в разработке эффективных методов лечения, которые не только предотвращают образование костного барьера, но также регенерируют хрящ пластинки роста, тем самым восстанавливая нормальное удлинение кости.
Молекулярные механизмы, лежащие в основе образования костного барьера, еще не полностью выяснены. Более глубокое понимание этих биологических механизмов может привести к более эффективному терапевтическому вмешательству для детей, страдающих травмами растительных пластинок. Поскольку изучение этих механизмов у людей затруднено, использовались модели на животных, особенно крысиная модель повреждения растительных пластин 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . Метод, представленный в этомВ статье описывается, как дефект буровой скважины в планшете роста тибиальных крыс приводит к предсказуемой и воспроизводимой восстанавливающей ткани, которая начинает окостенение уже через 7 дней после травмы и образует полностью зрелый костный планшет с ремоделированием через 28 дней после травмы 10 . Это дает небольшую модель животного in vivo, в которой изучаются биологические механизмы формирования костного барьера, а также оцениваются новые методы лечения, которые могут препятствовать костному брусу и / или регенерировать хрящ. Например, эта модель может быть использована для проверки хондрогенных биоматериалов, которые могут регенерировать хрящ хрестоматий и предложить ценную терапию для детей, страдающих травмами растительных пластинок. Методы, представленные в этой статье, будут описаны хирургические методы, используемые для получения травмы растительной пластинки и последующей доставки биоматериалов в место повреждения. Мы также обсудим методы оценки костного образования и восстановления тканей.
Protocol
Representative Results
Discussion
Модель животного с травмой роста значительно увеличивает наше понимание биологических механизмов этой травмы, что потенциально приводит к более эффективному терапевтическому вмешательству для детей, страдающих травмами растительных пластинок. Чтобы успешно создать костный планше?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают финансовую поддержку Национального института артрита и заболеваний опорно-двигательного аппарата и кожных заболеваний Национального института здоровья (NIH) по номеру награды R03AR068087, Академического фонда обогащения Университета Колорадо-школы медицины и Центра регенеративной медицины Гейтса , Эта работа также была поддержана NIH / NCATS Colorado CTSA Grant Number UL1 TR001082. Содержание является исключительной ответственностью авторов и не обязательно отражает официальные взгляды NIH.
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 |
References
- 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).
