Generering av hypoparathyroidråttor via kol-nanopartikelassisterad paratyreoidektomi
Summary
En djurmodell av förvärvad hypoparatyreoidism (HypoPT) är avgörande för att förstå hur HypoPT påverkar mineraljonhomeostas och för att verifiera effektiviteten av nya behandlingar. Här presenteras en teknik för att generera en förvärvad hypoparatyreoidism (AHypoPT) råttmodell genom paratyreoidektomi (PTX) med användning av kolnanopartiklar.
Abstract
Hypoparatyreoidism (HypoPT) är en sällsynt sjukdom som involverar bisköldkörtlarna som kännetecknas av en minskad utsöndring eller styrka av parathormonet (PTH), vilket leder till höga serumfosfornivåer och låga serumkalciumnivåer. HypoPT är oftast resultatet av oavsiktlig skada på körtlarna eller deras borttagning under sköldkörteln eller annan främre halskirurgi. Bisköldkörtelkirurgi har blivit vanligare de senaste åren, med en motsvarande ökning av förekomsten av hypoPT som en postoperativ komplikation. Det finns ett kritiskt behov av en HypoPT-djurmodell för att bättre förstå mekanismerna bakom effekterna av HypoPT på mineraljonhomeostas och för att verifiera den terapeutiska effektiviteten av nya behandlingar. Här rapporteras en teknik för att skapa förvärvad HypoPT hos hanråttor genom att utföra paratyreoidektomi (PTX) med kolnanopartiklar. Råttmodellen visar stort löfte över musmodellerna av hypoparatyreoidism. Viktigt är att den humana PTH-receptorbindningsregionen har en 84.2% sekvenslikhet med råtta, vilket är högre än 73.7% likheten som delas med möss. Dessutom har effekterna av östrogen, som kan påverka PTH/PTHrP-receptorns signalväg, inte undersökts fullständigt hos hanråttor. Kolnanopartiklar är lymfspårämnen som fläckar sköldkörtellymfkörtlarna svarta utan att påverka deras funktion, men de fläckar inte bisköldkörtlarna, vilket gör dem lätta att identifiera och ta bort. I denna studie var PTH-nivåerna i serum odetekterbara efter PTX, vilket resulterade i signifikant hypokalcemi och hyperfosfatemi. Således kan det kliniska tillståndet för postoperativ HypoPT representeras anmärkningsvärt i råttmodellen. Kol-nanopartikelassisterad PTX kan därför fungera som en utomordentligt effektiv och lätt implementerad modell för att studera patogenesen, behandlingen och prognosen för HypoPT.
Introduction
Parathormon (PTH) utsöndras av bisköldkörtlarna. Det är en viktig modulator av kalciumbalansen, upprätthåller fosfatmetabolismen och deltar i benomsättningen 1,2. Hypoparatyreoidism (HypoPT) manifesterar sig som en minskad utsöndring eller funktionell förlust av PTH. Det är en sällsynt endokrin sjukdom, med en prevalens på cirka 9-37 per 100 000 personår 3,4,5. HypoPT kännetecknas av minskade serum-PTH- och kalciumnivåer åtföljt av ökad serumfosfor 6,7. HypoPT klassificeras baserat på dess orsak: förvärvad hypoparatyreoidism (AHypoPT) eller idiopatisk hypoparatyreoidism (IHypoPT)8. AHypoPT är vanligare i klinisk praxis; cirka 75% av AHypoPT-fallen orsakas av resektion eller oavsiktlig skada på bisköldkörtlarna under sköldkörtelkirurgi eller andra huvud- och halsoperationer. Andra orsaker är strålbehandling och kemoterapi för huvud- och halstumörer och läkemedelstoxicitet 1,8. Uppgraderade diagnostiska metoder och en ökning av screening för sköldkörtelrelaterade sjukdomar har ökat antalet sköldkörtelkirurgiska operationer. Detta har lett till en motsvarande ökning av de relaterade bisköldkörtlarnakomplikationer 9,10.
Lätt etablerade djurmodeller med stabila egenskaper behövs för att bättre undersöka AHypoPT och verifiera den terapeutiska effektiviteten av nya behandlingar. Paratyreoidektomi (PTX) som utförts på råttor och möss har rapporterats i tidigare studier 6,11; På grund av den extremt lilla storleken på bisköldkörtlarna och variationen i deras anatomiska fördelning är framgångsgraden relativt låg i praktiken. Således utförs tyreo-paratyreoidektomi (TPTX) (dvs det totala avlägsnandet av sköldkörteln och bisköldkörtlarna) vanligtvis för att säkerställa resektion av bisköldkörtlarna12. De resulterande låga tyroxinnivåerna kan dock komplicera studier med denna djurmodell13. HypoPT-modeller etablerade med andra metoder, såsom läkemedelsstimulering och genredigering, kan inte korrekt representera den vanligaste AHypoPT-patogenesen. Vår grupp använde tidigare knockoutmusmodeller för att märka bisköldkörtlarna och möjliggöra avlägsnande av bisköldkörtlarna utan att skada sköldkörteln och omgivande anatomiska strukturer14,15. Denna metod använder dock transgena musmodeller, som kräver en längre utvecklingstid på grund av parnings- och avelskraven.
Därför syftade vi till att etablera en lättgenererad modell av AHypoPT. Denna studie beskriver en råttmodell för PTX med hjälp av kolnanopartikelmärkning. En kolnanopartikelsuspension på 50 mg/ml, som vanligen används vid sköldkörtelkirurgi, fördelar sig jämnt i sköldkörteln efter lokal injektion16. Sköldkörteln blir svart, men bisköldkörtlarna lämnas ofärgade17, vilket tydligt skiljer bisköldkörtlarna från sköldkörteln och tillåter PTX att utföras utan att påverka sköldkörteln. Denna metod är lämplig för råttor i olika åldrar. Injektionen av kolnanopartikelsuspensionen är säker och har en försumbar effekt på sköldkörtelfunktionen18. Den kolnanopartikelmärkta PTX-råttmodellen som genererades i denna studie visade signifikanta hypokalcemi och hyperfosfatemifenotyper under observationsperioden på 4 veckor. Således är denna AHypoPT-modell lätt att etablera och har en reproducerbar fenotyp.
Protocol
Representative Results
Discussion
Epidemiologiska rapporter tyder på att upptäckten av sköldkörtelsjukdomar har ökat avsevärt, och antalet utförda relaterade operationer har ökat i enlighet därmed19,20. Incidensen av postkirurgisk hypoparatyreoidism är cirka 7,6%8,21, medan den ökade sjukligheten av förvärvad hypoparatyreoidism har orsakat denna sällsynta sjukdom att få större forskningsuppmärksamhet. Det är därför sä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av NSFC-bidrag 81800928, forskningsfinansiering från West China School / Hospital of Stomatology Sichuan University (No. RCDWJS2021-1) och State Key Laboratory of Oral Diseases Open Funding-bidrag SKLOD-R013.
Materials
| 0.9% Sodium Chloride Solution | Kelun Co. Sichuan, China | ||
| 10 µL 30G NanoFil Syringe | WPI | ||
| 6-0 polyglactin 910 suture with needle | Ethicon, Inc | J510G | |
| Calcium LiquiColor test | EKF | 0155-225 | For Ca2+ analysis |
| Carbon Nanoparticles Suspension Injection | Lummy, Chongqing, China | H20073246 | 1 mL : 50 mg |
| Creatinine (Cr) Assay kit ( sarcosine oxidase ) | Jiancheng, Nanjing, China | C011-2-1 | For creatinine analysis |
| Disposable Scalpel | Shinva, China | ||
| Dumstar Biology forceps | Shinva, China | ||
| Micro Dissecting Spring Scissors | Shinva, China | ||
| MicroVue Rat intact PTH ELISA | Immunotopics | 30-2531 | For the measurement of PTH in rat serum |
| Needle Holder | Shinva, China | ||
| Phosphorus Liqui-UV test | EKF | 0830-125 | For Pi analysis |
| Ply gauze | Weian Co. Henan, China | ||
| Povidone-Iodine | Yongan pharmaceutical Co.Ltd. Chengdu, China | ||
| Prism 9.0 (statistics and graphing software) | GraphPad Software, Inc., San Diego, CA, USA | https://www.graphpad.com/scientific-software/prism/ | |
| Rat C-telopeptide of type I collagen (CTX-I) ELISA Kit | CUSABIO, Wuhan, China | CSB-E12776r | For CTX-I analysis |
| Rat Osteocalcin/Bone Gla Protein (OT/BGP) ELISA Kit | CUSABIO, Wuhan, China | CSB-E05129r | For osteocalcin analysis |
| Safety Single Edge Razor Blades | American Safety Razor Company | 66-0089 | |
| Sprague-Dawley Rats | 8 to 10 weeks old | ||
| Surgical Incise Drapes | Liangyou Co. Sichuan, China | ||
| Urea Assay Kit | Jiancheng, Nanjing, China | C013-2-1 | For urea analysis |
References
- Bilezikian, J. P., et al. Hypoparathyroidism in the adult: Epidemiology, diagnosis, pathophysiology, target-organ involvement, treatment, and challenges for future research. Journal of Bone and Mineral Research. 26 (10), 2317-2337 (2011).
- Bilezikian, J. P. Hypoparathyroidism. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 105 (6), 1722-1736 (2020).
- Underbjerg, L., Sikjaer, T., Mosekilde, L., Rejnmark, L. Postsurgical hypoparathyroidism-Risk of fractures, psychiatric diseases, cancer, cataract, and infections. Journal of Bone and Mineral Research. 29 (11), 2504-2510 (2014).
- Underbjerg, L., Sikjaer, T., Mosekilde, L., Rejnmark, L. The epidemiology of nonsurgical hypoparathyroidism in Denmark: A nationwide case finding study. Journal of Bone and Mineral Research. 30 (9), 1738-1744 (2015).
- Astor, M. C., et al. Epidemiology and health-related quality of life in hypoparathyroidism in Norway. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 101 (8), 3045-3053 (2016).
- Rodriguez-Ortiz, M. E., et al. Calcium deficiency reduces circulating levels of FGF23. Journal of the American Society of Nephrology. 23 (7), 1190-1197 (2012).
- Davies, B. M., Gordon, A. H., Mussett, M. V. A plasma calcium assay for parathyroid hormone, using parathyroidectomized rats. The Journal of Physiology. 125 (2), 383-395 (1954).
- Clarke, B. L., et al. Epidemiology and diagnosis of hypoparathyroidism. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 101 (6), 2284-2299 (2016).
- Liu, Y., Shan, Z. Expert consensus on diagnosis and treatment for elderly with thyroid diseases in China. Aging Medicine. 4 (2), 70-92 (2021).
- Sulejmanovic, M., Cickusic, A. J., Salkic, S., Bousbija, F. M. Annual incidence of thyroid disease in patients who first time visit department for thyroid diseases in Tuzla Canton. Materia Socio-Medica. 31 (2), 130-134 (2019).
- Liao, H. W., et al. Relationship between fibroblast growth factor 23 and biochemical and bone histomorphometric alterations in a chronic kidney disease rat model undergoing parathyroidectomy. PloS One. 10 (7), 0133278 (2015).
- Russell, P. S., Gittes, R. F. Parathyroid transplants in rats: A comparison of their survival time with that of skin grafts. The Journal of Experimental Medicine. 109 (6), 571-588 (1959).
- Sakai, A., et al. Osteoclast development in immobilized bone is suppressed by parathyroidectomy in mice. Journal of Bone and Mineral Metabolism. 23 (1), 8-14 (2005).
- Bi, R., Fan, Y., Luo, E., Yuan, Q., Mannstadt, M. Two techniques to create hypoparathyroid mice: parathyroidectomy using GFP glands and diphtheria-toxin-mediated parathyroid ablation. Journal of Visualized Experiments. (121), e55010 (2017).
- Bi, R., et al. Diphtheria toxin- and GFP-based mouse models of acquired hypoparathyroidism and treatment with a long-acting parathyroid hormone analog. Journal of Bone and Mineral Research. 31 (5), 975-984 (2016).
- Huang, Y., et al. Carbon nanoparticles suspension injection for photothermal therapy of xenografted human thyroid carcinoma in vivo. MedComm. 1 (2), 202-210 (2020).
- Zhang, R. J., Chen, Y. L., Deng, X., Yang, H. Carbon nanoparticles for thyroidectomy and central lymph node dissection for thyroid cancer. The American Surgeon. , (2022).
- Long, M., et al. A carbon nanoparticle lymphatic tracer protected parathyroid glands during radical thyroidectomy for papillary thyroid non-microcarcinoma. Surgical Innovation. 24 (1), 29-34 (2017).
- Li, Y., et al. Efficacy and safety of long-term universal salt iodization on thyroid disorders: Epidemiological evidence from 31 provinces of mainland China. Thyroid. 30 (4), 568-579 (2020).
- Powers, J., Joy, K., Ruscio, A., Lagast, H. Prevalence and incidence of hypoparathyroidism in the United States using a large claims database. Journal of Bone and Mineral Research. 28 (12), 2570-2576 (2013).
- Zihao, N., et al. Promotion of allogeneic parathyroid cell transplantation in rats with hypoparathyroidism. Gland Surgery. 10 (12), 3403-3414 (2021).
- Goncu, B., et al. Xenotransplantation of microencapsulated parathyroid cells as a potential treatment for autoimmune-related hypoparathyroidism. Experimental and Clinical Transplantation. , (2021).
- Jung, S. Y., et al. Standardization of a physiologic hypoparathyroidism animal model. PLoS One. 11 (10), 0163911 (2016).
- Chen, W., Lv, Y., Xie, R., Xu, D., Yu, J. Application of lymphatic mapping to recognize and protect parathyroid in thyroid carcinoma surgery by using carbon nanoparticles. Journal of Clinical Otorhinolaryngology, Head, and Neck Surgery. 28 (24), 1918-1920 (1924).
