Den öppna mediala lårbenskondylslagsmodellen hos kaniner är tillförlitlig för att studera posttraumatisk artros (PTOA) och nya terapeutiska strategier för att mildra PTOA-progression. Detta protokoll genererar en isolerad broskdefekt i den bakre mediala lårbenskondylen hos kaniner med hjälp av ett vagnsbaserat falltorn med ett slaghuvud.
Posttraumatisk artros (PTOA) står för 12 % av alla artrosfall i USA. PTOA kan initieras av en enda traumatisk händelse, såsom en kraftig belastning som verkar på ledbrosket, eller av ledinstabilitet, vilket inträffar vid främre korsbandsruptur. Det finns för närvarande inga effektiva terapier för att förhindra PTOA. Att utveckla en tillförlitlig djurmodell av PTOA är nödvändigt för att bättre förstå mekanismerna genom vilka broskskador fortskrider och för att undersöka nya behandlingsstrategier för att lindra eller förhindra progressionen av PTOA. Detta protokoll beskriver en öppen, dropptornsbaserad kanin-lårbenskondylslagsmodell för att inducera broskskador. Denna modell levererade toppbelastningar på 579,1 ± 71,1 N och toppspänningar på 81,9 ± 10,1 MPa med en tid-till-topp-belastning på 2,4 ± 0,5 ms. Artikulärt brosk från påverkade mediala lårbenskondyler (MFC) hade högre frekvens av apoptotiska celler (p = 0,0058) och hade högre poäng för Osteoarthritis Research Society International (OARSI) på 3,38 ± 1,43 jämfört med de icke-påverkade kontralaterala MFC (0,56 ± 0,42) och andra broskytor i det påverkade knäet (p < 0,0001). Inga skillnader i OARSI-poäng upptäcktes mellan de icke-påverkade ledytorna (p > 0,05).
Posttraumatisk artros (PTOA) är en ledande orsak till funktionsnedsättning över hela världen och står för 12–16 % av symtomatisk artros (OA)1. Den nuvarande guldstandarden för behandling av artros i slutstadiet är total knä- och höftprotesplastik2 eller steloperation, som i fallet med tibiotalar eller subtalarartrit. Även om det i stort sett är framgångsrikt, kan artroplastik ha kostsamma och sjukliga komplikationer3. Dessutom är artroplastik mindre önskvärt hos patienter under 50 år, med tanke på den låga revisionsfria implantatöverlevnaden på 77%-83%4,5. För närvarande finns det inga FDA-godkända behandlingar för att förhindra eller mildra utvecklingen av PTOA.
PTOA påverkar hela leden, inklusive ledvävnaden, subkondralt ben och ledbrosk. Den kännetecknas av ledbroskdegeneration, synovialinflammation, subkondral benombyggnad och osteofytbildning 6,7. Fenotypen av PTOA utvecklas via en komplex process av samspel mellan brosk, synovium och subkondralt ben. Den nuvarande uppfattningen är att broskskador leder till frigörelse av komponenter i extracellulär matris (ECM) såsom kollagen typ 2 (COL2) och aggrekan (ACAN). Dessa ECM-komponentfragment är proinflammatoriska och orsakar ökad produktion av IL-6, IL-1β och reaktiva syrearter. Dessa mediatorer verkar på kondrocyter, vilket orsakar uppreglering av matrixmetalloproteinaser (MMP), såsom MMP-13, som bryter ned ledbrosk samtidigt som matrissyntesen minskar, vilket leder till en övergripande katabol miljö för ledbrosket8. Dessutom finns det belägg för ökad kondrocytapoptos vid primär artros och PTOA 9,10. Mitokondriell dysfunktion uppstår efter suprafysiologisk belastning av brosk 11,12,13,14, vilket kan leda till ökad kondrocytapoptos 12,15. Förbättrad kondrocytapoptos har associerats med ökad proteoglykanutarmning och broskkatabolism och har visat sig föregå förändringar i brosk och subkondral benombyggnad16,17,18.
Som med de flesta mänskliga sjukdomar behövs tillförlitliga och translationella modeller av PTOA för att ytterligare förstå sjukdomens patofysiologi och testa nya terapier. Stora djur som svin och hörntänder har använts i intraartikulära fraktur- och slagmodeller av PTOA17,19, men de är kostsamma. Mindre djurmodeller, såsom möss, råttor och kaniner är billigare och används för att studera PTOA som genereras genom leddestabilisering, vilket vanligtvis innebär kirurgisk transsektion av det främre korsbandet (ACL) och/eller störning av den mediala menisken 20,21,22,23,24,25. Även om ledtrauma kan leda till olika konsekvenser, inklusive ligamentskada26, uppstår mekanisk överbelastning av brosket i nästan alla fall.
Det finns nya bevis för att patologin bakom utvecklingen av PTOA efter ligamentinstabilitet (som vid ACL-transektion) och akut kondral skada beror på distinkta mekanismer27. Därför är det viktigt att utveckla modeller för direkta skador på brosk. Det finns för närvarande ett begränsat antal effektmodeller som genererar osteokondrala eller kondrala skador hos råttor och möss28,29. Murint brosk är dock inte väl lämpat för att generera isolerade kondrala defekter. Detta beror på att murint ledbrosk endast är 3-5 cellager tjockt och saknar organiserade ytliga, radiella och övergångsbroskzoner, såväl som det tjocka förkalkade broskskiktet som finns hos människor och större djur. Murina modeller visar också spontan upplösning av partiella broskdefekter30,31. Därför valde vi kaninen för denna kollisionsmodell eftersom dess brosktjocklek och organisation liknar människors, och det är den minsta djurmodellen som kommer att möjliggöra leverans av en konsekvent kondral påverkan som resulterar i PTOA. Tidigare öppna kirurgiska modeller av lårbenskondylpåverkan hos kanin har använt en pendel32, en handhållen fjäderbelastad broskpåverkansanordning33 och ett falltorn som gjorde det möjligt att skapa kaninspecifika islagsanordningar34. Dessa studier saknade dock in vivo-data. Andra har rapporterat in vivo-data med pendelbaserade 35, pneumatiska36 och fjäderbelastade37 slaganordningar10, och dessa studier visar en hög variabilitet i toppspänning och belastningshastigheter mellan metoderna. Ändå saknar fältet ett konsekvent tillvägagångssätt för att på ett tillförlitligt sätt modellera akut brosktrauma in vivo.
Det nuvarande protokollet använder ett falltornsbaserat system för att ge en konsekvent effekt på den bakre mediala kondylen i kaninknäet. En bakre inflygning till knäet används för att exponera den bakre mediala lårbenskondylen. En Steinman-stift placeras sedan tvärs över lårbenskondylerna från medial till lateral i linje med ledytan och fästs vid plattformen. När den är säkrad levereras en last till den bakre mediala lårbenskondylen. Denna metod gör det möjligt att konsekvent leverera broskskador till den viktbärande ytan på kaninens distala lårben.
Detta kirurgiska ingrepp syftar till att generera konsekventa broskskador på den viktbärande ytan av kaninens mediala lårbenskondyl i en modell av PTOA. En fördel med denna procedur är att den posteriora inflygningen till knäet möjliggör direkt visualisering av hela den bakre mediala lårbenskondylen, och den kan utföras på cirka 37 minuter (tabell 2). Det bör också noteras att detta är en öppen skademodell och kan leda till akuta inflammatoriska förändringar utöver bara påverkan på gr…
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av DoD Peer Reviewed Medical Research Program – Investigator-Initiated Research Award W81XWH-20-1-0304 från U.S. ARMY MEDICAL RESEARCH ACQUISITION ACTIVITY, av NIH NIAMS R01AR076477 och ett omfattande muskuloskeletalt T32-utbildningsprogram från NIH (AR065971) och av NIH NIAMS Grant R01 AR069657. Författarna vill tacka Kevin Carr för att ha bidragit med sin expertis inom bearbetning och tillverkning till detta projekt, och Drew Brown och Indiana Center for Musculoskeletal Health Bone Histology Core för att ha hjälpt till med histologi.
Flat head screw | McMaster-Carr | 92210A194 | Stainless steel hex drive flat head screw, 8-32, 1/2" |
#15 scalpel blades | McKesson | 1029066 | Scalpel McKesson No. 15 Stainless Steel / Plastic Classic Grip Handle Sterile Disposable |
1/2”-20 threaded rod | McMaster-Carr | 99065A120 | 1/2”-20 threaded rod |
10 mL syringe | McKesson | 1031801 | For irrigation; General Purpose Syringe McKesson 10 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety |
3 mL syringe | McKesson | 1031804 | For lidocaine/bupiviacaine injection; General Purpose Syringe McKesson 3 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety. |
3-0 polysorb | Ethicon | J332H | 3-0 Vircryl, CT-2, 1/2 circle, 26 mm, tapered |
4-0 monosorb | Ethicon | Z397H | 4-0 PDS 2, FS-2, 3/8 circle, 19mm, cutting edge |
5-0 polysorb | Med Vet International | NC9335902 | Med Vet International 5-0 ETHICON COATED VICRYL C-3 |
Accelerometer | Kistler | 8743A5 | Accelerometer |
Adson-Browns Forceps | World precision tools | 500177 | Adson-Brown Forceps, 12 cm, Straight, TC Jaws, 7 x 7 Teeth |
Alfaxalone | Jurox | 49480-002-01 | Alfaxan Multidose by Jurox : 10 mg/mL |
Buprenorphine | Par Pharmaceuticals | 42023-0179-05 | Buprenorphine HCL injection: 0.3 mg/mL |
Butorphanol | Zoetis | 54771-2033 | Butorphanol tartrate 10mg/ml by Zoetis |
Chlorhexidine Hand Scrub | BD | 371073 | BD E-Z Scrub 107 Surgical Scrub Brush/Sponge, 4% CHG, Red |
Collet | STRYKER | 14023 | Stryker 4100-62 wire Collet 0.28-0.71'' |
Cordless Driver handpiece | STRYKER | OR-S4300 | Stryker 4300 CD3 Cordless Driver 3 handpiece |
Cricket Retractors | Novosurgical | G3510 21 | 2x Heiss (Holzheimer) Cross Action Retractor |
Dissector Scissors | Jorvet labs | J0662 | Aesculap AG, Metzenbaum, Scissors, Straight 5 3/4″ |
Elizabethian Collar | ElizaSoft | 62054 | ElizaSoft Elizabethan Recovery Collar |
Enrofloxacin | Custom Meds | Enrofloxacin compounded by Custom Meds | |
Eye Ointment | Pivetal | 46066-753-55 | Pivetal Articifical Tears- recently recalled |
Face-mount shaft collar | McMaster-Carr | 5631T11 | Face-mount shaft collar |
Fast green | Millipore Sigma | F7258 | Fast green |
Freer | Jorvet labs | J0226Q | Freer elevator |
Head screw -1 | McMaster-Carr | 91251A197 | Black-oxide alloy steel socket head screw, 8-32, 3/4" |
Head screw -2 | McMaster-Carr | 92196A194 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -3 | McMaster-Carr | 92196A146 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -4 | McMaster-Carr | 92196A151 | Stainless steel socket head screw, 6-32, 3/4" |
Hematoxylin Solution, Gill No. 1 | Millipore Sigma | GHS132-1L | Hematoxylin Solution, Gill No. 1 |
Hex nut | McMaster-Carr | 91841A007 | Stainless steel hex nut, 6-32 |
Hold-down toggle clamp | McMaster-Carr | 5126A71 | Hold-down toggle clamp |
Impact device | n/a | n/a | custom made |
Impact platform | n/a | n/a | custom made |
K-wires | Jorvet Labs | J0250A | JorVet Intramedullary Steinman Pins, Trocar-Trocar 1/16" x 7" |
Lab View | National Instruments | n/a | n/a |
Load cell | Kistler | 9712B5000 | Load cell |
MATLAB | The MathWorks Inc. | n/a | n/a |
Microscope | Leica | DMi-8 | Leica DMi8 microscope with LAS-X software |
Midazolam | Almaject | 72611-749-10 | Midazolam Hydrochloride injection: 5mg/ml by Almaject |
milling machine depth stops | McMaster-Carr | 2949A71 | Clamp-on milling machine depth stops |
Mobile C-arm | Philips | 718095 | BV Pulsera, Mobile C-arm |
Mounted linear ball bearing | McMaster-Carr | 9338T7 | Mounted linear ball bearing |
Needle Driver | A2Z Scilab | A2ZTCIN39 | TC Webster Needle Holder Smooth Jaws 5", Premium |
Pentobarbital | Vortech | 0298-9373-68 | Pentobarbital 390 mg/mL by Vortech |
Safranin O | Millipore Sigma | HT90432 | Safranin O |
Small Battery pack | STRYKER | NS014036 | 6212 Small Battery pack- 9.6 V |
Steel rod, 2’ | McMaster-Carr | 89535K25 | Steel rod, 2’ |
Sterile Saline | ICU Medical | 6139-22 | AquaLite Solution Pour Bottles, 250 mL |
Stryker 6110-120 System 6 Battery Charger | STRYKER | OR-S6110-120 | |
Surgical gloves | McKesson | 1044729 | Surgical Glove McKesson Perry Size 6.5 Sterile Pair Latex Extended Cuff Length Smooth Brown Not Chemo Approved |
Surgical gown | McKesson | 1104452 | Non-Reinforced Surgical Gown with Towel McKesson Large Blue Sterile AAMI Level 3 Disposable |
Suture scissors | Jorvet Labs | J0910SA | Super Cut Scissors, Mayo, Straight, 5 1/2″ |
TUNEL staining kit | ABP Bioscience | A049 | TUNEL Chromogenic Apoptosis Detection Kit |
Weitlaner Retractors | Fine Science Tools | 17012-11 | 2x Weitlaner-Locktite Retractors |