Fraktur apparater Nätbyggnad protokoll för stängt-stabiliserad frakturer hos gnagare
Summary
Syftet med protokollet är att optimera parametrarna fraktur generation för att ge konsekvent frakturer. Detta protokoll står för variationer i ben storlek och morfologi som kan finnas mellan djur. Dessutom beskrivs en kostnadseffektiv, justerbar fraktur apparatur.
Abstract
Den tillförlitliga generationen av konsekvent stabiliserad frakturer i djurmodeller är viktigt för att förstå biologin av ben och utveckla therapeutics och enheter. Dock plågas finns skada modeller av inkonsekvens vilket resulterar i slöseri djur och resurser och ofullkomlig data. För att lösa problemet med fraktur heterogenitet, är syftet med den metod som beskrivs häri att optimera fraktur generation parametrar specifika för varje djur och ge ett konsekvent fraktur läge och mönster. Detta protokoll står för variationer i ben storlek och morfologi som kan finnas mellan mus stammar och kan anpassas för att generera konsekvent frakturer i andra arter, såsom råtta. Dessutom beskrivs en kostnadseffektiv, justerbar fraktur apparatur. Jämfört med nuvarande stabiliserad fraktur tekniker, visar optimering protokollet och ny fraktur apparaten ökad konsekvens i stabiliserad fraktur mönster och platser. Med optimerade parametrar som är specifika för provtypen, den beskrivna protokoll ökar precisionen av inducerad trauman, minimera fraktur heterogenitet vanligen observerats i stängt-fraktur generation förfaranden.
Introduction
Forskning om frakturläkning är nödvändigt att ta itu med ett stort kliniska och ekonomiska problem. Varje år över 12 miljoner frakturer behandlas i USA1, kostar 80 miljarder dollar per år2. Sannolikheten för en manlig eller kvinnlig lidande en fraktur under sin livstid är 25% och 44%, respektive3. Problemen med frakturläkning förväntas öka med ökad samsjuklighet som befolkningen åldras. För att studera och ta itu med detta problem, krävs robusta modeller av fraktur generation och stabilisering. Gnagare modeller är idealiska för detta ändamål. De ger klinisk relevans och kan ändras till adress särskilda villkor (dvs., flera skador, öppna, slutna, ischemisk och infekterade frakturer). Förutom att replikera klinisk scenarier, är djur fraktur modeller viktiga för att förstå ben biologi och utveckla therapeutics och enheter. Försök att studera skillnader mellan interventioner kan dock kompliceras av det variabilitet som införs genom inkonsekvent fraktur generation. Generera reproducerbara och konsekvent slutna frakturer i djurmodeller är således viktigt att muskuloskeletala forskningsområdet.
Trots korrekt kontrollera för potentiella ämne heterogenitet genom att säkerställa lämplig genetisk bakgrund, kön, ålder och miljöförhållanden, tillverkning av kliniskt relevanta konsekvent ben skador är en viktig variabel som påverkar reproducerbarhet som måste kontrolleras. Statistiska jämförelser med inkonsekvent frakturer plågas med experimentella buller och hög variabilitet4; Dessutom kan fraktur variabilitet leda till onödiga animaliska döden på grund av behovet att öka stickprovsstorleken eller nödvändigheten av att avliva djur med finfördelade eller malpositioned frakturer. Syftet med den metod som beskrivs häri är att optimera parametrarna fraktur generation som är specifika för Provtyp och ge ett konsekvent fraktur läge och mönster.
Aktuella modeller av fraktur generation falla i två breda kategorier, var och en med sina egna styrkor och svagheter. Öppna-fraktur (osteotomi) modeller opereras för att exponera ben, varefter en fraktur induceras genom att skära benet eller försvaga det och sedan manuellt bryta5,6,7,8. Fördelarna med denna metod är direkt visualisering av frakturstället och ett mer konsekvent fraktur läge och mönster. Fysiologiska och kliniska relevansen av strategin och mekanismen av skada är dock begränsad. Dessutom kräver öppna metoder för fraktur generation en kirurgisk metod och stängning med långa perioder under vilken gnagare är utsatta för en ökad risk för kontaminering.
Stängda tekniker ta itu med många av den öppna tekniken begränsningar. Stängda tekniker producera frakturer med hjälp av ett externt tillämpad blunt force trauma som inducerar skador på ben och omgivande vävnader, mer liknande de som setts i mänskliga kliniska skador. Den vanligaste metoden beskrevs av Bonnarens och Einhorn i 19849. De beskrev en vägda giljotin som används för att förmedla trubbigt trauma för att bryta benet utan att orsaka någon yttre hudsår. Denna metod har allmänt antagits för att studera effekten av genetik10,11, farmakologisk terapi12,13,14,15, mekanik16, 17, och fysiologi18,19,20 ben healing på möss och råttor. Fördelen med stängda metoder är fysiologiskt relevanta frakturer, är experimentell reproducerbarhet och noggrannhet begränsade av fraktur heterogenitet. Den inkonsekventa fraktur generationen resulterar i en begränsad mellan-grupp-differentiering, förlorade exemplar och en ökning av djur som behövs för att uppnå statistisk signifikans.
Kontroll av variabiliteten i fraktur generation och stabilisering är viktigt att ge meningsfulla resultat. För att korrekt studera biologi frakturreparation, behövs en enkel men robust fraktur modell. Modellen bör översättas till gnagare, ben typer (lårbenet eller tibiae, till exempel), och över rörlig mus genetiska bakgrunder och inducerade mutationer. Dessutom bör perfekt förfarandet vara tekniskt enkel och producera konsekventa resultat. Till adress fraktur heterogenitet, den metod som beskrivs häri är byggandet av en väl kontrollerad fraktur-enhet som kan användas för att optimera parametrar och generera konsekvent slutna frakturer oavsett ålder, kön eller genotyp.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna fraktur optimering och generation protokollet ger forskare en effektiv metod att härleda på fraktur parametrar och utföra en minimalt invasiv förfarande, som producerar exakt, repeterbar, tvärgående frakturer. Detta protokoll fastställs dessutom en gemensam uppsättning fraktur generation parametrar, som främjar metod enhetlighet bland forskare. Dessa parametrar kommer att möjliggöra skapandet av en gemensam fraktur databas att upprätta fraktur normer som bygger på en mängd olika parametrar (t.ex.<…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Den forskning som redovisas i denna publikation stöddes av National Institute of Arthritis och muskuloskeletala systemet och hudsjukdomar av det nationella Institutes of Health under award nummer F30AR071201 och R01AR066028.
Materials
| Support Subassembly | Supplementary Figure 1 | ||
| Beam, Support–Jaw Section | 80/20 | 1003 x 9.00 | w/ #7042 at A, C, in Left End |
| Beam, Support–Horizontal Section | 80/20 | 1002 x 14.00 | |
| Beam, Support–Vertical 1 | 80/20 | 1050 x 10.50 | w/ #7042 at A in Left End and at A in Right End |
| Beam, Support–Vertical 2 | 80/20 | 1010 x 10.50 | w/ #7042 at D, B in Left End and at A in Right End |
| Beam, Support–Plate Mount | 80/20 | 1030 x 8.00 | w/ #7036 at Left End |
| Beam, Support–Magnet | 80/20 | 1010 x 13.50 | w/ #7042 at A, C, in Right End |
| Anchors (3) | 80/20 | 3392 | |
| Double Anchor (3) | 80/20 | 3091 | |
| Bolt Assembly (6) | 80/20 | 3386 | 1/4-20 x 3/8" |
| Button Head Socket Cap Screw (6) | 80/20 | 3604 | 1/4-20 x 3/4" |
| Ram Subassembly | Supplementary Figure 2 | ||
| Block, Stop | Custom | Supplementary Figure 3 | |
| Block, Guide | Custom | Supplementary Figure 3 | |
| Rod, Ram | Custom | Supplementary Figure 4 | |
| Alignment Screw | Custom | Supplementary Figure 5 | |
| Plate, Mounting | Custom | Supplementary Figure 6 | |
| Linear Sleeve Bearing (2) | McMaster-Carr | 8649T2 | |
| Hex Nut (3) | McMaster-Carr | 92673A125 | 3/8-16 UNC |
| Socket Cap Screw (8) | McMaster-Carr | 92196A108 | 4/40 x 3/8" |
| Socket Cap Screw (6) | McMaster-Carr | 92196A032 | 4/40 x 1 1/8" |
| Socket Cap Screw (1) | McMaster-Carr | 92196A267 | 10/32 3/8" |
| Magnet Subassembly | Supplementary Figure 7 | ||
| Mount, Magnet | Custom | Supplementary Figure 8 | |
| Power Supply | McMaster-Carr | 70235K23 | |
| Foot Switch | McMaster-Carr | 7376k2 | |
| Electromagnet | McMaster-Carr | 5698k111 | |
| Wire – 10 feet | McMaster-Carr | 9936k12 | |
| Rod, Magnet | McMaster-Carr | 95412A566 | 1/4" Threaded Rod x 7" |
| Corner Bracket (6) | 80/20 | 4108 | |
| Socket Cap Screw (1) | McMaster-Carr | 92196A705 | 10/32 1 1/4" |
| Hex Nut (4) | McMaster-Carr | 92673A113 | 1/4-20 UNC |
| Complete Assembly | Supplementary Figure 9 | ||
| Bracket, Leg Jaw (2) | Custom | Supplementary Figure 10 | |
| Platform, Fracture | Custom | Supplementary Figure 11 | |
| Jig, Positioning-Fracture | Custom | Supplementary Figure 12 | |
| Other | |||
| Pin Cutter | Medical Supplies and Equipment | 150S | |
| Needles | Sigma | Z192430, Z192376 | 23g x 1.5" – mouse femur, 27g x 1.25" – mouse tibia |
References
- Corso, P., Finkelstein, E., Miller, T., Fiebelkorn, I., Zaloshnja, E. Incidence and lifetime costs of injuries in the United States. Injury Prevention. 12 (4), 212-218 (2006).
- Nguyen, N. D., Ahlborg, H. G., Center, J. R., Eisman, J. A., Nguyen, T. V. Residual lifetime risk of fractures in women and men. Journal of Bone and Mineral Research: The Official Journal of the American Society for Bone and Mineral Research. 22 (6), 781-788 (2007).
- Thompson, Z., Miclau, T., Hu, D., Helms, J. A. A model for intramembranous ossification during fracture healing. Journal of Orthopaedic Research: Official Publication of the Orthopaedic Research Society. 20 (5), 1091-1098 (2002).
- Cheung, K. M. C., Kaluarachi, K., Andrew, G., Lu, W., Chan, D., Cheah, K. S. E. An externally fixed femoral fracture model for mice. Journal of Orthopaedic Research. 21 (4), 685-690 (2003).
- Connolly, C. K., et al. A reliable externally fixated murine femoral fracture model that accounts for variation in movement between animals. Journal of Orthopaedic Research. 21 (5), 843-849 (2003).
- Histing, T., et al. An internal locking plate to study intramembranous bone healing in a mouse femur fracture model. Journal of Orthopaedic Research. 28 (3), 397-402 (2010).
- Gröngröft, I., et al. Fixation compliance in a mouse osteotomy model induces two different processes of bone healing but does not lead to delayed union. Journal of Biomechanics. 42 (13), 2089-2096 (2009).
- Bonnarens, F., Einhorn, T. A. Production of a standard closed fracture in laboratory animal bone. Journal of Orthopaedic Research. 2 (1), 97-101 (1984).
- Huang, C., et al. The spatiotemporal role of COX-2 in osteogenic and chondrogenic differentiation of periosteum-derived mesenchymal progenitors in fracture repair. PloS One. 9 (7), 100079 (2014).
- Waki, T., et al. Profiling microRNA expression during fracture healing. BMC Musculoskeletal Disorders. 17, 83 (2016).
- Yee, C. S., et al. Sclerostin antibody treatment improves fracture outcomes in a Type I diabetic mouse. Bone. 82, 122-134 (2016).
- Wong, E., et al. A novel low-molecular-weight compound enhances ectopic bone formation and fracture repair. The Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 95 (5), 454-461 (2013).
- Prodinger, P. M., et al. Does Anticoagulant Medication Alter Fracture-Healing? A Morphological and Biomechanical Evaluation of the Possible Effects of Rivaroxaban and Enoxaparin Using a Rat Closed Fracture Model. PloS One. 11 (7), 0159669 (2016).
- Menzdorf, L., et al. Local pamidronate influences fracture healing in a rodent femur fracture model: an experimental study. BMC Musculoskeletal Disorders. 17, 255 (2016).
- Hagiwara, Y., et al. Fixation stability dictates the differentiation pathway of periosteal progenitor cells in fracture repair. Journal of Orthopaedic Research: Official Publication of the Orthopaedic Research Society. 33 (7), 948-956 (2015).
- Gardner, M. J., et al. Differential fracture healing resulting from fixation stiffness variability: a mouse model. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 16 (3), 298-303 (2011).
- Catma, M. F., et al. Remote ischemic preconditioning enhances fracture healing. Journal of Orthopaedics. 12 (4), 168-173 (2015).
- Lichte, P., et al. Impaired Fracture Healing after Hemorrhagic Shock. Mediators of Inflammation. 2015, 132451 (2015).
- Lopas, L. A., et al. Fractures in geriatric mice show decreased callus expansion and bone volume. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (11), 3523-3532 (2014).
- Bonnarens, F., Einhorn, T. A. Production of a standard closed fracture in laboratory animal bone. Journal of orthopaedic research. 2 (1), 97-101 (1984).
- Marturano, J. E., et al. An improved murine femur fracture device for bone healing studies. Journal of Biomechanics. 41 (6), 1222-1228 (2008).
- Jackson, R. W., Reed, C. A., Israel, J. A., Abou-Keer, F. K., Garside, H. Production of a standard experimental fracture. Canadian Journal of Surgery. Journal Canadien De Chirurgie. 13 (4), 415-420 (1970).
- Byrne, M., Cleveland, B., Marturano, J., Wixted, J., Billiar, K. Design of a reproducible murine femoral fracture device. Conference: Bioengineering Conference, 2007. NEBC ’07. IEEE 33rd Annual Northeast. , (2007).
- Carter, D. R., Hayes, W. C. Compact bone fatigue damage-I. Residual strength and stiffness. Journal of Biomechanics. 10 (5), 325-337 (1977).
- McGee, A., Qureshi, A., Porter, K. Review of the biomechanics and patterns of limb fractures. Trauma. 6 (1), 29-40 (2004).
