En mini-invasiv intern fixering teknik för att studera immobilisering-inducerad knä flexion kontraktur hos råttor
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att beskriva en minimalt invasiv teknik för knäled immobilisering i en råtta modell. Detta reproducerbara protokoll, basera på muskel-gap separation modus och mini-incision skicklighet, är lämplig för att studera den underliggande molekylära mekanismen för förvärvade gemensamma kontraktur.
Abstract
Gemensam kontraktur, som en följd av en långvarig gemensam immobilisering, är en vanlig komplikation i ortopedi. För närvarande använder en intern fixering för att begränsa knäleds rörlighet är en allmänt accepterad modell för att generera experimentell kontraktur. Men implantera ansökan kommer oundvikligen att orsaka kirurgiska trauma till djuren. Syftar till att utveckla en mindre invasiv strategi, kombinerade vi en muskel-gap separation modus med en tidigare rapporterat mini-incision skicklighet under det kirurgiska ingreppet: två mini hud snitt gjordes på den laterala lår och ben, följt av att utföra muskel-gap separation för att exponera benytan. Råtta knäleden var gradvis immobiliseras av en förkonstruerad intern fixering vid cirka 135 ° knä flexion utan att störa viktiga nerver eller blodkärl. Som väntat möjliggör denna enkla teknik snabb postoperativ rehabilitering hos djur. Den korrekta positionen för den interna fixering bekräftades av en röntgen-eller mikro-CT scanning analys. Rörelseomfång var signifikant begränsad i immobiliserade knäleden än den som observerats i kontralaterala knäleden visar effektiviteten av denna modell. Förutom, histologisk analys avslöjade utvecklingen av fibrösa deposition och vidhäftning i den bakre-överlägsen knäled kapseln över tiden. Sålunda, denna mini-invasiv modell kan vara lämplig för att imitera utvecklingen av immobiliserade knäled kontraktur.
Introduction
Gemensamma kontrakturer definieras som en begränsning i passiv rörelseomfång (Rom) av en diarthrodial gemensamma1,2. De nuvarande terapier som syftar till att förebygga och behandla gemensamma kontraktur har uppnått viss framgång3,4. Den underliggande molekylära mekanismen för förvärvad joint kontraktur är dock fortfarande i stort sett okänd5. Etiologi gemensamma kontrakturer i olika sociala samhällen är mycket varierande och omfattar genetiska faktorer, posttraumatiska stater, kroniska sjukdomar, och långvarig orörlighet6. Det är allmänt accepterat att orörlighet är en kritisk fråga i utvecklingen av förvärvade joint kontraktur7. Personer som lider av större gemensam kontraktur kan i slutändan resultera i fysisk funktionsnedsättning8. Sålunda, en stabil och reproducerbar djurmodell är nödvändig för att undersöka de potentiella patofysiologiska mekanismerna för förvärvad gemensam kontraktur.
Den för närvarande byggda immobilisering-inducerad knäleden kontraktur modeller uppnås främst genom att använda noninvasiv kastar, externa fixeringar och interna fixeringar. Watanabe et al. rapporterade möjligheten att använda gjutna immobilisering på råtta knä lederna9. Genom att bära en speciell jacka, immobiliseras ena sidan av den nedre extremiteten hos råtta med en gjuten. Råtta knäleden kan förbli helt böjd utan kirurgiska trauma10,11. Emellertid, både höft och vrist gemensamma rörelser påverkas också av denna form av immobilisering, vilket kan öka graden av muskelatrofi i quadriceps femoris eller gastrocnemius12. Dessutom, ödem och trängsel i bakbenen måste undvikas genom att ersätta rösterna vid fastställda tidpunkter, vilket kan påverka kontinuiteten i orörlighet. En annan accepterad metod för inrättandet av en knäleds kontraktur modell använder extern kirurgisk fixering. Nagai et al. kombinerade Kirschner Wire och Steel Wire i en extern fixator, som immobiliserade knäleden till ca 140 ° av flexion13. I denna metod, en harts används för att täcka ytan för att förhindra hud repor. Även extern fixering immobilisering är robust och tillförlitlig14,15, perkutan Kirschner tråd stift spår kan öka risken för infektion16. I vår egen erfarenhet, med hjälp av extern fixering teknik kan minska den dagliga aktiviteten hos råttor på grund av en ökning av den konditionerade slicka beteende.
Alternativt, Trudel et al. beskrev en väl accepterad modell av gemensam kontraktur i råtta knäleden baserat på en kirurgisk intern fixering17 (denna metod ändrades från den som används av Evans och kollegor18). Särskilt, denna metod belyser vikten av att använda en mini-incision teknik för att minimera de kirurgiska såren. Den effektiva utvecklingen av joint kontraktur har bevisats i denna modell19. Men protokollet om hur man utför en minimal dissektion för att exponera ben ytan är fortfarande oklart20. Dessutom är den exakta positionen där skruven är borrning inte helt klarlagd. Implantation av den interna fixering genom en subkutan eller submuskulös sätt är fortfarande kontroversiell21. För att lösa dessa problem har vi ändrat denna metod genom att inkludera en lämplig muskel-gap separation modus, som tillåter en mini-invasiv exponering av benytan och placeringen av implantation genom en submuskulös kanal. Detta protokoll ledde till snabb postoperativ rehabilitering hos råttor efter operation. Djuren utvecklade ett begränsat gemensamt rörelseomfång efter gemensam immobilisering, vilket överensstämde med morfologiska förändringar av kapsel adhesionen som erhållits från den histologiska analysen. Vi beskriver också en exakt möjlig placering av de borrade skruvarna som bekräftas av röntgen analys eller mikro-CT-analys. Sålunda, denna studie syftade till att i detalj beskriva en minimal invasiv teknik i en knäleds kontraktur modell som fastställdes av en muskel-gap separation modus kombinerat med en mini-incision metod. Vi tror att minimalt invasiva tekniker kan både minska djur trauma och effektivt efterlikna den patologiska processen av gemensamma flexion kontraktur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie syftade till att belysa en steg-för-steg knäled immobilisering metod med hjälp av en mini-invasiv teknik som möjliggör snabb postoperativ rehabilitering hos djur efter operationen. Konventionellt, den muskel-gap separation tillvägagångssätt tros vara en minimalt invasiv teknik i ortopedisk kirurgi. Som väntat, vi fann att råttor kan återgå till en normal kost och aktiviteter bara en dag postoperativt, vilket var förenligt med den tidigare studien. Dessutom, ingen artär eller nervskada inträffa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av bidrag från National Natural Science Foundation i Kina (nr 81772368), Natural Science Foundation i Guangdongprovinsen (nr 2017A030313496), och Guangdong Provincial vetenskap och teknik plan projekt (nr 2016A020215225; Nr 2017B090912007). Författarna tackar Dr FEI Zhang, MD från Institutionen för ortopedisk kirurgi, det åttonde anslutna sjukhuset Sun Yat-sen University för hans tekniska hjälp under modifiering.
Materials
| Anerdian | Shanghai Likang Ltd. | 310173 | antibacterial |
| Buprenorphine | Shanghai Shyndec Pharmaceutical Ltd. | / | analgesia |
| Carprofen | MCE | HY-B1227 | analgesia |
| Cross screwdriver | STANLEY | PH0*125mm | tighten the screws |
| Electric drill | WEGO | 185 | drill hole(with stainless steel drill 0.9mm;1.0mm) |
| Microsurgical instruments | RWD | / | Orthopaedic surgical instruments for animals |
| Neomycin | Sigma | N6386 | antibacterial |
| Sodium pentobarbital | Sigma | P3761 | anaesthetize |
| Stainless Steel screws | WEGO | m1.4*8; m1.2*6 | screw(part of internal fixation) |
| Syringe | WEGO | 3151474 | use for plastic plate(part of internal fixation) |
| μ-CT | ALOKA | Latheta LCT-200 | in vivo CT scan |
References
- Akeson, W. H., Amiel, D., Woo, S. L. Immobility effects on synovial joints the pathomechanics of joint contracture. Biorheology. 17 (1-2), 95-110 (1980).
- Trudel, G., Uhthoff, H. K., Brown, M. Extent and direction of joint motion limitation after prolonged immobility: an experimental study in the rat. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 80 (12), 1542-1547 (1999).
- Arsoy, D., et al. Joint contracture is reduced by intra-articular implantation of rosiglitazone-loaded hydrogels in a rabbit model of arthrofibrosis. Journal of Orthopaedic Research. , (2018).
- Glaeser, J. D., et al. Anti-Inflammatory Peptide Attenuates Edema and Promotes BMP-2-Induced Bone Formation in Spine Fusion. Tissue Engineering. Part A. , (2018).
- Fergusson, D., Hutton, B., Drodge, A. The epidemiology of major joint contractures: a systematic review of the literature. Clinical Orthopaedics and Related Research. 456, 22-29 (2007).
- Wong, K., Trudel, G., Laneuville, O. Noninflammatory Joint Contractures Arising from Immobility: Animal Models to Future Treatments. BioMed Research International. 2015, 848290 (2015).
- Clavet, H., Hebert, P. C., Fergusson, D., Doucette, S., Trudel, G. Joint contracture following prolonged stay in the intensive care unit. CMAJ : Canadian Medical Association Journal. 178 (6), 691-697 (2008).
- Dehail, P., et al. Joint contractures and acquired deforming hypertonia in older people: Which determinants?. Annals of Physical and Rehabilitation Medicine. , (2018).
- Watanabe, M., Kojima, S., Hoso, M. Effect of low-intensity pulsed ultrasound therapy on a rat knee joint contracture model. Journal of Physical Therapy Science. 29 (9), 1567-1572 (2017).
- Goto, K., et al. Development and progression of immobilization-induced skin fibrosis through overexpression of transforming growth factor-ss1 and hypoxic conditions in a rat knee joint contracture model. Connective Tissue Research. 58 (6), 586-596 (2017).
- Sasabe, R., et al. Effects of joint immobilization on changes in myofibroblasts and collagen in the rat knee contracture model. Journal of Orthopaedic Research. 35 (9), 1998-2006 (2017).
- Sakakima, H., Yoshida, Y., Sakae, K., Morimoto, N. Different frequency treadmill running in immobilization-induced muscle atrophy and ankle joint contracture of rats. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 14 (3), 186-192 (2004).
- Nagai, M., et al. Contributions of biarticular myogenic components to the limitation of the range of motion after immobilization of rat knee joint. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 224 (2014).
- Matsuzaki, T., Yoshida, S., Kojima, S., Watanabe, M., Hoso, M. Influence of ROM Exercise on the Joint Components during Immobilization. Journal of Physical Therapy Science. 25 (12), 1547-1551 (2013).
- Kaneguchi, A., Ozawa, J., Kawamata, S., Yamaoka, K. Development of arthrogenic joint contracture as a result of pathological changes in remobilized rat knees. Journal of Orthopaedic Research. 35 (7), 1414-1423 (2017).
- Hargreaves, D. G., Drew, S. J., Eckersley, R. Kirschner wire pin tract infection rates: a randomized controlled trial between percutaneous and buried wires. Journal of Hand Surgery. 29 (4), 374-376 (2004).
- Trudel, G. Differentiating the myogenic and arthrogenic components of joint contractures. An experimental study on the rat knee joint. International Journal of Rehabilitation Research. 20 (4), 397-404 (1997).
- Evans, E. B., Eggers, G. W. N., Butler, J. K., Blumel, J. Experimental Immobilization and Remobilization of Rat Knee Joints. Journal of Bone and Joint Surgery. 42 (5), 737-758 (1960).
- Hagiwara, Y., et al. Expression patterns of collagen types I and III in the capsule of a rat knee contracture model. Journal of Orthopaedic Research. 28 (3), 315-321 (2010).
- Trudel, G., Uhthoff, H. K. Contractures secondary to immobility: is the restriction articular or muscular? An experimental longitudinal study in the rat knee. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 81 (1), 6-13 (2000).
- Hagiwara, Y., et al. Increased elasticity of capsule after immobilization in a rat knee experimental model assessed by scanning acoustic microscopy. Upsala Journal of Medical Sciences. 111 (3), 303-313 (2006).
- Adelsperger, A. R., Bigiarelli-Nogas, K. J., Toore, I., Goergen, C. J. Use of a Low-flow Digital Anesthesia System for Mice and Rats. Journal of Visualized Experiments. (115), (2016).
- Trudel, G., O’Neill, P. A., Goudreau, L. A. A mechanical arthrometer to measure knee joint contracture in rats. IEEE Transactions On Rehabilitation Engineering. 8 (1), 149-155 (2000).
- Campbell, T. M., et al. Using a Knee Arthrometer to Evaluate Tissue-specific Contributions to Knee Flexion Contracture in the Rat. Journal of Visualized Experiments. (141), (2018).
- Moriyama, H., et al. Alteration of knee joint connective tissues during contracture formation in spastic rats after an experimentally induced spinal cord injury. Connective Tissue Research. 48 (4), 180-187 (2007).
- Onoda, Y., et al. Joint haemorrhage partly accelerated immobilization-induced synovial adhesions and capsular shortening in rats. Knee Surgery, Sports Traumatology, & Arthroscopy. 22 (11), 2874-2883 (2014).
- Trudel, G., Jabi, M., Uhthoff, H. K. Localized and adaptive synoviocyte proliferation characteristics in rat knee joint contractures secondary to immobility. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 84 (9), 1350-1356 (2003).
- Jiang, S., et al. Endoplasmic reticulum stress-dependent ROS production mediates synovial myofibroblastic differentiation in the immobilization-induced rat knee joint contracture model. Experimental Cell Research. 369 (2), 325-334 (2018).
- Pithioux, M., et al. An Efficient and Reproducible Protocol for Distraction Osteogenesis in a Rat Model Leading to a Functional Regenerated Femur. Journal of Visualized Experiments. (128), (2017).
