Eine zuverlässige und reproduzierbare kritische Größe segmentale femoralen defekt-Modell bei Ratten mit einer benutzerdefinierten Fixateur externe stabilisiert
Summary
In Vivo Säugetier-Modelle der kritischen Größe Knochendefekte sind essentiell für Forscher heilenden Mechanismen und orthopädische Therapien. Hier stellen wir ein Protokoll für die Erstellung von reproduzierbaren, segmentale, femoralen Mängel bei Ratten mit Fixateur externe stabilisiert.
Abstract
Orthopädische Forschung stützt sich stark auf Tiermodelle Mechanismen der Knochenheilung in Vivo zu untersuchen als auch die neue Behandlungstechniken zu untersuchen. Kritische Größe segmentale Mängel sind anspruchsvoll, um klinisch zu behandeln, und Forschungsanstrengungen könnten davon profitieren, eine zuverlässige, ambulante kleine Tiermodell eine segmentale femoralen Mangels. In dieser Studie präsentieren wir eine optimierte chirurgische Protokoll für die konsequente und reproduzierbare Schaffung eines kritischen Diaphysen Mangels 5 mm in eine Ratte Femur mit einem Fixateur externe stabilisiert. Die Diaphysen Ostectomy erfolgte mittels eine benutzerdefinierte Schablone 4 Kirschner Drähte Bicortically, platzieren die waren mit einem angepassten Fixateur externe stabilisiert. Eine oszillierende Knochensäge wurde verwendet, um den Defekt zu erstellen. Entweder ein Kollagen Schwamm allein oder eine Kollagen Schwamm RhBMP-2 in den Defekt implantiert wurde, und die Knochenheilung wurde über 12 Wochen mit Röntgenaufnahmen überwacht. Nach 12 Wochen Ratten wurden geopfert und histologischen Untersuchung erfolgte über die ausgeschnittenen Kontrolle und Oberschenkelknochen behandelt. Knochendefekten mit nur Kollagen Schwamm führte Pseudarthrose, während RhBMP-2 Behandlung die Bildung einer periostalen gefühllos und neue Knochenaufbau ergab. Tiere wieder gut nach der Implantation und externe Fixierung erwies sich als erfolgreich bei der Stabilisierung der femoralen Mängel über 12 Wochen. Dieses optimierte chirurgische Modell könnte leicht angewendet werden, um die Knochenheilung zu untersuchen und testen neue orthopädischen Biomaterialien und regenerative Therapien in Vivo.
Introduction
Orthopädische Unfallchirurgie konzentriert sich auf die Behandlung von einer Vielzahl von komplexen Frakturen. Kritischen Diaphysen segmentale Knochen, die Mängel schwierig nachweislich, klinisch durch die verminderte Regenerationsfähigkeit der umliegenden Muskeln und Knochenhaut sowie das Scheitern der Behandlung lokalisiert Angiogenese1. Moderne Behandlungstechniken beinhalten operative Fixierung mit Knochentransplantation, verzögert Knochentransplantation (Masquelet), Knochen-Beförderung, Fusion oder Amputation2,3,4. Bei den meisten Patienten, die ambulante Funktion erhalten nach ihrem Trauma mit gut funktionierenden distalen Gliedmaßen, ist Limb Salvage eindeutig eine bessere Behandlung Option5. Diese Bergung Behandlungen erfordern oft inszenierten chirurgische Eingriffe über eine lange Behandlungsdauer. Einige Autoren haben vorgeschlagen, dass externe Fixation verglichen mit der Fläche Osteosynthese für diese Anwendungen durch die verminderte Gewebeschädigung während der Implantation, verringerte implantiert und erhöhte postoperative Einstellbarkeit der überlegen ist der Fixateur6. Allerdings ist eine prospektive, randomisierte, kontrollierte Studie derzeit im Gange zur Klärung dieser Kontroverse der interne vs. externe Fixation in schweren offenen Frakturen der Tibia-7. Leider bestehen wesentliche Komplikation und Fehlerraten mit entweder Behandlung ausgewählt,8,9. Mit beiden Behandlungsmethode, in Bezug auf die segmentale Knochenschwund muss der Chirurg mit segmentale Diaphysen Mängel, die bedeutende Herausforderungen zu kämpfen. Korrekturen der segmentalen Mängel müssen Knochen Stabilisierung maximieren und gleichzeitig verbessern die knochenbildenden Prozess10,11.
Aufgrund der klinischen Bedeutung, doch das geringere Volumen der kritischen Größe Diaphysen segmentale Mängel ist eine effektive und reproduzierbare Tiermodell notwendig, Forschungsteams Behandlungstechniken und letztlich bessere klinische Ergebnisse zu ermöglichen. Forscher müssen in Vivo physiologischen heilenden Mechanismen in einem Säugetier Tiermodell studieren. Zwar gibt es solche Modelle der Fixateur externe bereits12,13,14,15hoffen wir ermöglichen eine zuverlässigere Methode für Pseudarthrosen in den unbehandelten Tieren und Verringerung der Kosten durch die Wahl der erschwingliche Fixateur Materialien und Gliederung eine einfache chirurgische Protokoll für die einfache Anwendung auf zukünftige Studien. Das primäre Ziel dieses Protokolls ist es, eine zuverlässige und reproduzierbare Modell eines kritischen Diaphysen Mangels an Ratten zu etablieren. Das Verfahren wurde durch Beurteilung der Stabilisierung und Knochenheilung in Ratte Oberschenkelknochen über 12 Wochen ausgewertet. Die sekundären Ziele enthalten: ein Modell als kosteneffektiv wie möglich, chirurgisches Vorgehen und Stabilisierung zu vereinfachen und sicherzustellen ethische Betreuung der Tiere machen. Die Autoren und Forschungsteam durchgeführt Vorversuchen mit einer Reihe von verschiedenen Biomaterialien und potenzielle regenerative Therapien zur Verbesserung der Heilung in dieser segmentalen defekt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kleiner Tiermodelle der orthopädischen Verletzungen wie komplette Knochenbrüchen ermöglichen Forschung, die die Mechanismen der Osteogenesis und Beurteilung des therapeutischen Potenzials von Biomaterialien20untersucht. Diese Studie stellt eine Ratte segmentale defekt Modell stabilisiert durch eine benutzerdefinierte Fixateur externe, die eine Labor und biomedizinische Technik Team für weitere Studien der tragenden osteosynthetischen Knochen Reparatur leicht reproduzieren kann.
<p class="j…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von einem NIH Ausrüstung Grant 1S10OD023676-01 mit zusätzlicher Unterstützung durch die University of Wisconsin Abteilungen für Orthopädie und Rehabilitation und School of Medicine und öffentliche Gesundheit unterstützt. Wir möchten die UW Carbone Cancer Center unterstützt Grant P30 CA014520 und Verwendung von deren Small Animal Imaging Facility sowie NIH Ausbildung Grant 5T35OD011078-08 für die Unterstützung von H. Martin anerkennen. Wir danken auch Michael und Mary Sue Shannon für ihre Unterstützung der Muskel-Skelett-Regeneration-Partnerschaft.
Materials
| 0.9% Sterile Saline | Baxter | 2F7124 | Used for irrigating wound and rehydration |
| 10% Iodine/Povidone | Carefusion | 1215016 | Used to prep skin |
| 10% Neutral Buffered Formalin | VWR | 89370094 | Used as fixative |
| 1mm non-threaded kirschner wire | DePuy Synthes | VW1003.15 | Sterilized, used for the most proximal pin |
| 1mm threaded kirschner wire | DePuy Synthes | VW1005.15 | Sterilized, used for the 3 most distal pin slots |
| 2×2 gauze | Covidien | 4006130 | Sterilized, used to prep skin and absorb blood |
| 4-0 Vicryl Suture | Ethicon | 4015304 | Used to close muscle and skin layers |
| 4-40 x 0.25",18-8 stainless steel button head cap screws | Generic | External fixator assembly | |
| 4200 Cordless Driver | Stryker | OR-S-4200 | Used to drill kirschner wires |
| 4×4 gauze | Covidien | 1219158 | Sterilized, used to absorb blood |
| 70 % Ethanol | Used to prep skin | ||
| Baytril | Bayer Healthcare LLC, Animal health division | 312.10010.3 | Added to water as an antibiotic |
| Cefazolin | Hikma Pharmaceuticals | 8917156 | Pre-op antibiotic |
| CleanCap Gaussia Luciferase mRNA (5moU) | TriLink Biotechnologies | L-7205 | Modified mRNA encoding for Gaussia Luciferase, keep on ice during use |
| Coelenterazine native | NanoLight Technology | 303 | Substrate for Guassia Luciferase, used to assess luciferase activity in vivo |
| Double antibiotic ointment | Johnson & Johnson consumer Inc | 8975432 | Applied to pin sites post-op as wound care |
| Dual Cut Microblade | Stryker | 5400-003-410 | Used to create 5mm defect in femur |
| Ethylenediamine Tetraacetic Acid (EDTA) | Fisher | BP120-500 | Used to decalcify bone to prep for histology |
| Extended Release Buprenorphine | ZooPharm | Used as 3 day pain relief | |
| Fenestrated drapes | 3M | 1204025 | Used to establish sterile field |
| Handpiece cord for TPS | Stryker | OR-S-5100-4N | Used to create 5mm defect in femur |
| Heating pad | K&H Pet Products | 121239 | Rat body temperature maintenance |
| Hexagonal head screwdriver | Wiha | 263/1/16 " X 50 | External fixator tightening |
| Induction chamber | Generic | Anesthesia for rats | |
| Infuse collagen sponge with recombinant human Bone Morphogenic Protein-2 | Medtronic | 7510200 | Clinically relevant treatment used as positive control |
| Isoflurane | Clipper | 10250 | Anesthesia for rats |
| IVIS | Perkin Elmer | 124262 | Bioluminescence imaging modality |
| Jig | Custom | Used to place bicortical pins | |
| Lipofectamine MessengerMAX | Fisher Scientific | LMRNA003 | mRNA complexing agent that enables mRNA delivery |
| Sensorcaine-MPF (Bupivicane (0.25%) and Epinephrine (1:200,000)) | APP Pharmaceuticals, LLC | NDC 63323-468-37 | Applied to surgical site for pain relief and vasoconstriction |
| Sterile water | Hospira | 8904653 | Used as solvent for cefazolin powder |
| Titanium external fixator plates | Custom | Prepared in house with scrap titanium and milling machine | |
| Total Performance System (TPS) Console | Stryker | OR-S-5100-1 | Used to create 5mm defect in femur |
| TPS MicroSaggital Saw | Stryker | OR-S-5100-34 | Used to create 5mm defect in femur |
| Ultrafocus Faxitron with DXA | Faxitron | High resolution radiographic imaging modality | |
| Uniprim rat diet | Envigo | TD.06596 | Medicated rat diet |
| Universal Handswitch for TPS | Stryker | OR-S-5100-9 | Used to create 5mm defect in femur |
| Vetbond Tissue Adhesive | 3M | 1469 | Skin closure |
References
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