ラット脛骨成長プレート傷害モデルによる修復機構の特徴付けと成長プレートの再生戦略の評価
Summary
成長プレートは、縦の成長が起こる子供の長骨の軟骨領域である。負傷した場合、骨組織が形成され、成長を阻害する可能性があります。本発明者らは、骨修復組織を導く成長プレート損傷のラットモデルを説明し、修復メカニズムおよび成長プレート再生戦略の研究を可能にする。
Abstract
すべての小児骨折の3分の1が成長プレートを伴い、骨の成長が損なわれる可能性があります。成長プレート（または体液）は、縦骨成長の原因となる小児のすべての長骨の末端に見られる軟骨組織である。一旦損傷すると、成長プレート内の軟骨組織は早期の骨化を受け、「骨の棒」を形成する望ましくない骨修復組織につながる可能性がある。いくつかの場合、この骨の棒は、角変形などの骨成長の変形をもたらし得るか、またはそれは縦方向の骨成長を完全に停止させることができる。現在、損傷した成長プレートを完全に修復することができる臨床的処置はない。骨形成の根底にあるメカニズムをよりよく理解し、それを阻害する方法を特定するために、成長プレート損傷の動物モデルを使用することは、成長プレート損傷に対するより良い治療法を開発する絶好の機会である。このプロトコールは、ドリルホール欠陥を用いてラット近位脛骨成長プレートを破壊する方法を記載する。このSMA動物モデルは確実に骨バーを生成し、子供に見られるものと同様の成長変形を生じさせる可能性がある。このモデルは、骨バー形成の分子メカニズムの研究を可能にし、成長板損傷の潜在的治療選択肢を試験する手段として役立つ。
Introduction
成長板の傷害はすべての小児骨折の30％を占め、骨の成長障害をもたらす可能性があります1 。骨折に加えて、成長板損傷は、骨髄炎2 、原発性骨腫瘍3 、放射線および化学療法4 、および医原性損傷5を含む他の病因によって引き起こされる可能性がある。成長プレート（またはフィシス）は、縦骨成長の原因となる子供の長骨の端にある軟骨領域である。これは、内軟骨の骨化を通じて骨の伸長を促進する。軟骨細胞は増殖および肥大を受け、次に骨芽細胞を形成するために入骨芽細胞によって改造される6 。成長板はまた、発展中の骨格の弱い領域であり、怪我をしやすい。成長プレートの骨折または損傷に関する主な懸念は、成長プレート内の損傷した軟骨組織が、eは不要な骨修復組織で置き換えられ、これは「骨の棒」としても知られています。成長板の大きさや位置によっては、骨の棒が角度の変形や完全な成長停止を引き起こす可能性があります。これはまだ完全な高さに達していない幼児のための壊滅的な後遺症です。
現在、損傷を受けた成長プレートを完全に修復できる治療法はない。骨バーが形成されたら、臨床医はそれを外科的に取り除くかどうかを決定しなければならない8 。少なくとも2年または2 cmの骨格成長が残っており、骨板の面積が成長板面積の50％未満である患者は、通常、骨バー切除の候補となります8 。骨バーの外科的除去は、骨組織の再形成を防止し、周囲の無傷の成長プレートが成長を回復させることを可能にするために、自己脂肪グラフトを挿入することがしばしば続く。しかし、これらの技術はproblエモティックであり、しばしば失敗し、骨の再発や成長への悪影響が続いている9 。骨形成を防止するだけでなく、成長プレート軟骨を再生し、正常な骨の伸長を回復させる効果的な治療法を開発することが極めて重要である。
骨梁形成の根底にある分子メカニズムは、まだ完全に解明されていない。これらの生物学的機構をより深く理解すれば、成長板の傷害を患っている子供のためのより効果的な治療的介入につながる可能性がある。ヒトにおけるこれらのメカニズムの研究は困難であるため、動物モデル、特に成長プレート傷害のラットモデル10,11,12,13,14,15,16が使用されている。これに提示された方法傷害後7日目に骨化を開始し、損傷後28日目にリモデリングを伴う完全に成熟した骨バーを形成する、予測可能で再現性のある修復組織へのラット脛骨成長板の穿孔欠損がどのように導くかを記載している。これは、骨バー形成の生物学的メカニズムを研究するとともに、骨バーを予防し、および/または成長プレート軟骨を再生することができる新規治療法を評価するための小動物in vivoモデルを提供する。例えば、このモデルは、成長プレート軟骨を再生することができ、成長プレート損傷を患う子供のための貴重な治療を提供することができる軟骨形成性生体材料を試験するために使用することができる。この論文で提示されている技術は、傷害部位への生育板損傷およびその後の生体材料の送達を生成するために使用される外科的方法を記載する。また、骨バーの形成と組織の修復を評価する方法についても検討します。
Protocol
Representative Results
Discussion
成長傷害動物モデルは、この傷害の生物学的機構の理解に大きく貢献し、潜在的に成長板損傷を患っている子供のためのより効果的な治療的介入につながる可能性がある。この作業で提示されたモデルを使用して骨バーを正常に作製し、 in vivoでその形成を研究するには、関節軟骨を破壊することなく十分な深さまで穿孔することが重要です。動物間での外科的実施の変化、およびよ?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、ナショナルインスティテュートオブヘルス研究所（NIH）の国立関節炎および筋骨格系疾患および皮膚疾患からの資金援助を、受賞番号R03AR068087、コロラド大学医学部のアカデミックエンリッチメント基金、および再生医学のゲイツセンター。この研究は、NIH / NCATS Colorado CTSAグラント番号UL1 TR001082でも支持されていました。内容は著者の唯一の責任であり、必ずしも公式NIHの見解を示すものではありません。
Materials
| Scalpel handle | McKesson | MCK42332500 | |
| Needle holder | Stoelting | RS-7824 | |
| Adson tissue forceps | Sklar | 50-3048 | |
| Iris Scissors | Sklar | 47-1246 | |
| Rotary Tool | Dremel | 7700 | Variable speed rotary tool |
| Keyless Rotary Tool Chuck | Dremel | 4486 | |
| Dental Burs | Dental Burs USA | FG6 | Round carbide bur, ≤2mm |
| Steinmann pins | Simpex Medical | T-078 | |
| Hair clippers | Wahl | 5537N | |
| 3-0 PGA surutes | Oasis | MV-J398-V | |
| Sterile gauze 2×2" | Covidien | 441211 | |
| Povidone Iodine | McKesson | 922-00801 | |
| Sterile saline | Vetone | 510224 | |
| 10 ml luer lock syringe | Becton Dickinson | 309604 | |
| 23 gauge needle | Becton Dickinson | 305145 | |
| Isopropyl alcohol pads | Dynarex | 1113 | |
| Isoflurane | IsoFlo | 30125-2 | |
| Caliper | Mitutoyo | 500-196-30 | |
| Carprofen | Rimadyl | 27180 | |
| Buprenorphine | Par Pharmaceuticals Inc | NDC 42023-179 | |
| Fenestrated Surgical Drape | McKesson | 25-517 | |
| Surgical Gloves | Uline | S-20204 | |
| #15 Scalpel Blade | Aven | 44044 | |
| 9mm wound clips | Fine Science Tools | 12032-09 | |
| Reflex clip applier | World Precision Instruments | 500345 | |
| Absorbant underpads | McKesson | MON 43723110 | |
| Tec 3 Iso Vaporizer | VetEquip | 911103 | |
| Germinator 500 | Braintree Scientific | GER 5287-120V | |
| Warm water recirculator | Kent Scientific | TP-700 | |
| Absorbent Underpads | Medline Industries | MSC281230 |
Referências
- Mann, D. C., Rajmaira, S. Distribution of physeal and nonphyseal fractures in 2,650 long-bone fractures in children aged 0-16 years. J Pediatr Orthop. 10 (6), 713-716 (1990).
- Browne, L. P., et al. Community-acquired staphylococcal musculoskeletal infection in infants and young children: necessity of contrast-enhanced MRI for the diagnosis of growth cartilage involvement. AJR Am J Roentgenol. 198 (1), 194-199 (2012).
- Weitao, Y., Qiqing, C., Songtao, G., Jiaqiang, W. Epiphysis preserving operations for the treatment of lower limb malignant bone tumors. Eur J Surg Oncol. 38 (12), 1165-1170 (2012).
- Butler, M. S., Robertson, W. W., Rate, W., D’Angio, G. J., Drummond, D. S. Skeletal sequelae of radiation therapy for malignant childhood tumors. Clin Orthop Relat Res. (251), 235-240 (1990).
- Shapiro, F. Longitudinal growth of the femur and tibia after diaphyseal lengthening. J Bone Joint Surg Am. 69 (5), 684-690 (1987).
- Kronenberg, H. M. Developmental regulation of the growth plate. Nature. 423 (6937), 332-336 (2003).
- Dodwell, E. R., Kelley, S. P. Physeal fractures: basic science, assessment and acute management. Orthopaedics and Trauma. 25 (5), 377-391 (2011).
- Khoshhal, K. I., Kiefer, G. N. Physeal bridge resection. J Am Acad Orthop Surg. 13 (1), 47-58 (2005).
- Hasler, C. C., Foster, B. K. Secondary tethers after physeal bar resection: a common source of failure. Clin Orthop Relat Res. (405), 242-249 (2002).
- Xian, C. J., Zhou, F. H., McCarty, R. C., Foster, B. K. Intramembranous ossification mechanism for bone bridge formation at the growth plate cartilage injury site. J Orthop Res. 22 (2), 417-426 (2004).
- Chen, J., et al. Formation of tethers linking the epiphysis and metaphysis is regulated by vitamin d receptor-mediated signaling. Calcif Tissue Int. 85 (2), 134-145 (2009).
- Coleman, R. M., Schwartz, Z., Boyan, B. D., Guldberg, R. E. The therapeutic effect of bone marrow-derived stem cell implantation after epiphyseal plate injury is abrogated by chondrogenic predifferentiation. Tissue Eng Part A. 19 (3-4), 475-483 (2013).
- Chung, R., Foster, B. K., Xian, C. J. The potential role of VEGF-induced vascularisation in the bony repair of injured growth plate cartilage. J Endocrinol. 221 (1), 63-75 (2014).
- Coleman, R. M., et al. Characterization of a small animal growth plate injury model using microcomputed tomography. Bone. 46 (6), 1555-1563 (2010).
- Macsai, C. E., Hopwood, B., Chung, R., Foster, B. K., Xian, C. J. Structural and molecular analyses of bone bridge formation within the growth plate injury site and cartilage degeneration at the adjacent uninjured area. Bone. 49 (4), 904-912 (2011).
- Su, Y. W., et al. Neurotrophin-3 Induces BMP-2 and VEGF Activities and Promotes the Bony Repair of Injured Growth Plate Cartilage and Bone in Rats. J Bone Miner Res. , (2016).
- Zhou, F. H., Foster, B. K., Sander, G., Xian, C. J. Expression of proinflammatory cytokines and growth factors at the injured growth plate cartilage in young rats. Bone. 35 (6), 1307-1315 (2004).
- Sayers, D., Volpin, G., Bentley, G. The demonstration of bone and cartilage remodelling using alcian blue and hematoxylin. Biotechnic & Histochemistry. 63 (1), 59-63 (1988).
- Riederer, M. S., Requist, B. D., Payne, K. A., Way, J. D., Krebs, M. D. Injectable and microporous scaffold of densely-packed, growth factor-encapsulating chitosan microgels. Carbohydrate Polymers. 152, 792-801 (2016).
- Lee, M. A., Nissen, T. P., Otsuka, N. Y. Utilization of a murine model to investigate the molecular process of transphyseal bone formation. J Pediatr Orthop. 20 (6), 802-806 (2000).
- Coleman, R. M., et al. Characterization of a small animal growth plate injury model using microcomputed tomography. Bone. 46 (6), 1555-1563 (2010).
- Lee, S. U., Lee, J. Y., Joo, S. Y., Lee, Y. S., Jeong, C. Transplantation of a Scaffold-Free Cartilage Tissue Analogue for the Treatment of Physeal Cartilage Injury of the Proximal Tibia in Rabbits. Yonsei Med J. 57 (2), 441-448 (2016).
- Planka, L., et al. Nanotechnology and mesenchymal stem cells with chondrocytes in prevention of partial growth plate arrest in pigs. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 156 (2), 128-134 (2012).
- Hansen, A. L., et al. Growth-plate chondrocyte cultures for reimplantation into growth-plate defects in sheep. Characterization of cultures. Clin Orthop Relat Res. (256), 286-298 (1990).
- Cepela, D. J., Tartaglione, J. P., Dooley, T. P., Patel, P. N. Classifications In Brief: Salter-Harris Classification of Pediatric Physeal Fractures. Clin Orthop Relat Res. , (2016).
- Salter, R. B., Harris, W. R. Injuries Involving the Epiphyseal Plate. The Journal of Bone & Joint Surgery. 83 (11), 1753 (2001).
- Chung, R., Foster, B. K., Zannettino, A. C., Xian, C. J. Potential roles of growth factor PDGF-BB in the bony repair of injured growth plate. Bone. 44 (5), 878-885 (2009).
- Fischerauer, E., Heidari, N., Neumayer, B., Deutsch, A., Weinberg, A. M. The spatial and temporal expression of VEGF and its receptors 1 and 2 in post-traumatic bone bridge formation of the growth plate. J Mol Histol. 42 (6), 513-522 (2011).
- Chung, R., Cool, J. C., Scherer, M. A., Foster, B. K., Xian, C. J. Roles of neutrophil-mediated inflammatory response in the bony repair of injured growth plate cartilage in young rats. J Leukoc Biol. 80 (6), 1272-1280 (2006).
- Chung, R., et al. Roles of Wnt/beta-catenin signalling pathway in the bony repair of injured growth plate cartilage in young rats. Bone. 52 (2), 651-658 (2013).
- Zhou, F. H., Foster, B. K., Zhou, X. F., Cowin, A. J., Xian, C. J. TNF-alpha mediates p38 MAP kinase activation and negatively regulates bone formation at the injured growth plate in rats. J Bone Miner Res. 21 (7), 1075-1088 (2006).
- Arasapam, G., Scherer, M., Cool, J. C., Foster, B. K., Xian, C. J. Roles of COX-2 and iNOS in the bony repair of the injured growth plate cartilage. J Cell Biochem. 99 (2), 450-461 (2006).
