Een muismodel van lumbale wervelkolominstabiliteit
Summary
We ontwikkelden een lumbaal tussenwervelschijfdegeneratiemuismodel door resectie van L3-L5 spineuze processen samen met supra- en inter-spineuze ligamenten en loslating van paraspinous spieren.
Abstract
Tussenwervelschijfdegeneratie (IDD) is een veel voorkomende pathologische verandering die leidt tot lage rugpijn. Geschikte diermodellen zijn gewenst voor het begrijpen van de pathologische processen en het evalueren van nieuwe geneesmiddelen. Hier introduceerden we een chirurgisch geïnduceerd LSI-muismodel (Lumbar Spine Instability) dat IDD ontwikkelt vanaf 1 week na de operatie. In detail werd de muis onder narcose geopereerd door lage rughuidincisie, L3-L5 spineuze processen blootstelling, loslating van paraspinous spieren, resectie van processen en ligamenten, en huidsluiting. L4–L5 IVD’s werden gekozen voor de observatie. Het LSI-model ontwikkelt lumbale IDD door porositeit en hypertrofie in eindplaten in een vroeg stadium, afname van het tussenwervelschijfvolume, krimp in nucleus pulposus in een tussenstadium en botverlies in lumbale wervels (L5) in een later stadium. Het LSI-muismodel heeft de voordelen van sterke bedienbaarheid, geen behoefte aan speciale apparatuur, reproduceerbaarheid, goedkoop en relatief korte periode van IDD-ontwikkeling. LSI-operatie is echter nog steeds een trauma dat ontsteking veroorzaakt binnen de eerste week na de operatie. Dit diermodel is dus geschikt voor studie van lumbale IDD.
Introduction
Tussenwervelschijfdegeneratie (IDD) wordt vaak gezien bij veroudering en zelfs jongeren veroorzaakt door vele factoren1. Chirurgie voor patiënten die lijden aan IDD, die lage rugpijn en verminderde beweging veroorzaken, wordt meestal in een later stadium of in ernstige gevallen uitgevoerd en heeft potentiële risico’s zoals nonunion of infectie2. Ideale niet-operatieve behandeling vereist een uitgebreid begrip van het IDD-mechanisme. Het IDD-diermodel dient als een cruciaal instrument voor studies van het IDD-mechanisme en de evaluatie van IDD-behandeling.
Grotere dieren zijn gekozen voor IDD-modellen zoals primaten, schapen, geiten, honden en konijnen vanwege hun gelijkenis met de menselijke anatomische structuur in grote mate en de sterke bedienbaarheid in termen van grootte van tussenwervelschijven (IVD’s)3,4,5,6,7,8. Deze diermodellen zijn echter tijdrovend en kostenintensief9. Muis IVD is een slechte weergave van de menselijke IVD op basis van geometrische metingen van de beeldverhouding, nucleus pulposus tot schijfgebiedsverhouding en genormaliseerde hoogte10. Ondanks het verschil in grootte vertoont het IVD-segment van de muis lumbale mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met menselijke IVD, zoals compressie en torsiestijfheid11. Bovendien heeft het muis-IDD-model het voordeel van lage kosten, relatief korte IDD-ontwikkeling en meer opties voor genetisch gemodificeerde dieren en antilichamen die worden gebruikt in verdere mechanistische studies12,13,14,15.
Experimenteel geïnduceerde IDD-modellen verschillen van de inductoren en toepassingen. Collageenase-geïnduceerde extracellulaire matrix (ECM) degeneratie is bijvoorbeeld geschikt voor ECM regeneratie onderzoek16. Genetisch gemodificeerd fenotype is geschikt voor het bestuderen van de genfunctie in het IDD-proces en in genetische therapieën17. Annulus fibrosus incisie- en rookmodellen bootsen trauma en niet-ontsteking geïnduceerde IDD12,18na .
Spinale instabiliteit (SI) leidt tot een onstabiele wervelkolom die zich niet in een optimale evenwichtstoestand bevindt. Het kan worden veroorzaakt door abnormale beweging van een lumbaal bewegingssegment als gevolg van de zwakte van het omliggende ondersteunende weefsel zoals ligamenten en spieren. Het wordt ook vaak gezien na spinale fusie operatie19. SI wordt beschouwd als de belangrijkste oorzaak van IDD. Daarom streven we ernaar om een SI-muizenmodel te ontwikkelen (gericht op lumbale wervelkolom) dat het menselijke IDD-procesnabootst 20,21.
In het protocol introduceerden we de procedure voor het vaststellen van lumbale spinale instabiliteit (LSI) muismodel door de resectie van lumbale derde (L3) naar lumbale vijfde (L5) spineuze processen samen met de supraspinous en interspinous ligamenten (Figuur 1A,B). Het diermodel ontwikkelt IDD al 1 week na de operatie, zoals blijkt uit hypertrofie en porositeit in eindplaten (EP’s). IVD-volume begint 2 weken na de operatie te dalen tot 16 weken, samen met een verhoogde IVD-score, wat de mate van IDD aangeeft. Wij zijn van mening dat de gedetailleerde en gevisualiseerde procedure nuttig is voor onderzoekers om het LSI-muismodel in hun laboratorium vast te stellen en indien nodig toe te passen op IDD-onderzoek.
Protocol
Representative Results
Discussion
We ontwikkelden het lumbale wervelkolominstabiliteitsmuismodel op basis van het cervicale spondylosemuismodel waarbij de achterste paravertebrale spieren van de wervels werden losgemaakt en de spineuze processen samen met de supraspinous en interspinous ligamenten werden gereseceerd25. We voerden een vergelijkbare operatie uit op de lumbale wervelkolom, die meer prominente spineuze processen heeft. Het LSI-muismodel ontwikkelde vergelijkbare IDD in de lumbale wervelkolom.
<p class="jove_conten…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (81973607) en Essential Drug Research and Development (2019ZX09201004-003-032) van het Ministerie van Wetenschap en Technologie van China.
Materials
| Chlortetracycline Hydrochloride Eye Ointment | Shanghai General Pharmaceutical Co., Ltd. | H31021931 | Prevent eye dry, Prevent wound infection |
| C57BL/6J male mice | Tian-jiang Pharmaceuticals Company (Jiangsu, CN) | SCXK2018-0004 | Animal model |
| Disposable medical towel | Henan Huayu Medical Devices Co., Ltd. | 20160090 | Platform for surgical operation |
| Inhalant anesthesia equipment | MIDMARK | Matrx 3000 | Anesthesia |
| Isoflurane | Shenzhen RWD Life Technology Co., Ltd. | 1903715 | Anesthesia |
| Lidocaine hydrochloride | Shandong Hualu Pharmaceutical Co., Ltd. | H37022839 | Pain relief |
| Medical suture needle | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 20S0401J | Suture skin |
| Ophthalmic forceps | Shanghai Medical Devices (Group) Co., Ltd. Surgical Instruments Factory | JD1050 | Clip the skin |
| Ophthalmic scissors(10cm) | Shanghai Medical Devices (Group) Co., Ltd. Surgical Instruments Factory | Y00030 | Skin incision |
| silk braided | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 11V0820 | Suture skin |
| Small animal trimmer | Shanghai Feike Electric Co., Ltd. | FC5910 | Hair removal |
| Sterile surgical blades(12#) | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 35T0707 | Muscle incision |
| Veet hair removal cream | RECKITT BENCKISER (India) Ltd | NA | Hair removal |
| Venus shears | Mingren medical equipment | Length:12.5cm | Clip the muscle and spinous process |
References
- Makino, H., et al. Lumbar disc degeneration progression in young women in their 20’s: a prospective ten-year follow up. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 22 (4), 635-640 (2017).
- Lee, Y. C., Zotti, M. G. T., Osti, O. L. Operative management of lumbar degenerative disc disease. Asian Spine Journal. 10 (4), 801-819 (2016).
- Wei, F., et al. In vivo experimental intervertebral disc degeneration induced by bleomycin in the rhesus monkey. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 340 (2014).
- Lim, K. Z., et al. Ovine lumbar intervertebral disc degeneration model utilizing a lateral retroperitoneal drill bit injury. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (123), e55753 (2017).
- Zhang, Y., et al. Histological features of the degenerating intervertebral disc in a goat disc-injury model. Spine. 36 (19), 1519-1527 (2011).
- Bergknut, N., et al. The dog as an animal model for intervertebral disc degeneration. Spine. 37 (5), 351-358 (2012).
- Kong, M. H., et al. Rabbit Model for in vivo Study of Intervertebral Disc Degeneration and Regeneration. Journal of Korean Neurosurgical Society. 44 (5), 327-333 (2008).
- Gullbrand, S. E., et al. A large animal model that recapitulates the spectrum of human intervertebral disc degeneration. Osteoarthritis and Cartilage. 25 (1), 146-156 (2017).
- Jin, L., Balian, G., Li, X. J. Animal models for disc degeneration-an update. Histology and Histopathology. 33 (6), 543-554 (2018).
- O’Connell, G. D., Vresilovic, E. J., Elliott, D. M. Comparative intervertebral disc anatomy across several animal species. 52nd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. , (2006).
- Elliott, D. M., Sarver, J. J. Young investigator award winner: validation of the mouse and rat disc as mechanical models of the human lumbar disc. Spine. 29 (7), 713-722 (2004).
- Ohnishi, T., et al. In vivo mouse intervertebral disc degeneration model based on a new histological classification. Plos One. 11 (8), 0160486 (2016).
- Vo, N., et al. Accelerated aging of intervertebral discs in a mouse model of progeria. Journal of Orthopaedic Research. 28 (12), 1600-1607 (2010).
- Oichi, T., et al. A mouse intervertebral disc degeneration model by surgically induced instability. Spine. 43 (10), 557-564 (2018).
- Ohnishi, T., Sudo, H., Tsujimoto, T., Iwasaki, N. Age-related spontaneous lumbar intervertebral disc degeneration in a mouse model. Journal of Orthopaedic Research. 36 (1), 224-232 (2018).
- Stern, W. E., Coulson, W. F. Effects of collagenase upon the intervertebral disc in monkeys. Journal of Neurosurgery. 44 (1), 32-44 (1976).
- Silva, M. J., Holguin, N. LRP5-deficiency in OsxCreERT2 mice models intervertebral disc degeneration by aging and compression. bioRxiv. , (2019).
- Nemoto, Y., et al. Histological changes in intervertebral discs after smoking and cessation: experimental study using a rat passive smoking model. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 11 (2), 191-197 (2006).
- Mulholland, R. C. The myth of lumbar instability: the importance of abnormal loading as a cause of low back pain. European Spine Journal. 17 (5), 619-625 (2008).
- Bian, Q., et al. Mechanosignaling activation of TGFβ maintains intervertebral disc homeostasis. Bone Research. 5, 17008 (2017).
- Bian, Q., et al. Excessive activation of tgfβ by spinal instability causes vertebral endplate sclerosis. Scientific Reports. 6, 27093 (2016).
- Ni, S., et al. Sensory innervation in porous endplates by Netrin-1 from osteoclasts mediates PGE2-induced spinal hypersensitivity in mice. Nature Communications. 10 (1), 5643 (2019).
- Liu, S., Cheng, Y., Tan, Y., Dong, J., Bian, Q. Ligustrazine prevents intervertebral disc degeneration via suppression of aberrant tgfβ activation in nucleus pulposus cells. BioMed Research International. 2019, 5601734 (2019).
- Boos, N., et al. Classification of age-related changes in lumbar intervertebral discs: 2002 Volvo Award in basic science. Spine. 27 (23), 2631-2644 (2002).
- Miyamoto, S., Yonenobu, K., Ono, K. Experimental cervical spondylosis in the mouse. Spine. 16, 495-500 (1991).
