In Vivo Evaluering af fraktur Callus udvikling under knogleheling i mus ved hjælp af en Mr-kompatible osteosyntese enhed for musen lårben
Summary
Evaluering af væv udvikling i fraktur callus under endochondral knogleheling er afgørende at overvåge helingsprocessen. Her rapporterer vi brug af en magnetisk resonans imaging (MR)-kompatibel ekstern fiksator for musen lårbenet tillade MR scanner under knogle regenerering i mus.
Abstract
Endochondral frakturheling er en kompleks proces, der omfatter udvikling af fibrøst, bruskspidserne og ossøse væv i fraktur callus. Mængden af de forskellige væv i callus indeholder vigtige oplysninger om fraktur healing fremskridt. Tilgængelige i vivo teknikker på langs overvåge callus væv udviklingen i prækliniske frakturheling studier ved hjælp af små dyr omfatter digital radiografi og µCT billeddannelse. Begge teknikker er imidlertid kun muligt at skelne mellem mineraliseret og ikke-mineraliseret væv. Det er derfor umuligt at diskriminere brusk fra fibrøst væv. I modsætning, magnetisk resonans imaging (MR) visualiserer anatomiske strukturer, der bygger på deres vandindhold og kunne derfor noninvasively identificere blødt væv og brusk i fraktur callus. Her rapporterer vi brugen af Mr-kompatibel ekstern fiksator for musen lårbenet tillade Mr-scanninger under knogle regenerering i mus. Forsøgene viste, at fiksator og en skræddersyet monteringsudstyret tillade gentagne Mr-scanninger, således at langsgående analyse af fraktur-callus væv udvikling.
Introduction
Sekundære frakturheling er den mest almindelige form for knogleheling. Det er en kompleks proces efterligne specifikke aspekter af ontogenic endochondral ossifikation1,2,3. Den tidlige fraktur hæmatom består overvejende af immunceller, granulering og fibrøst væv. Lav ilt spænding og høje biomekaniske stammer hæmme osteoblastdannelse differentiering på fraktur gap, men fremme differentieringen af stamceller til chondrocytter4,5,6. Disse celler begynder at formere sig på stedet for skade at danne en bruskspidserne matrix giver indledende stabilitet af den brækkede knogle. Under callus modning, chondrocytter blive hypertrofisk, gennemgå apoptose, eller trans-differentiering til osteoblaster. Neovascularization på brusk til ben overgangszone giver forhøjet iltindhold, så dannelsen af benede væv7. Efter knoklet bridging fraktur Gap, biomekaniske stabilitet er øget og osteoclastic remodellering af eksterne fraktur hård hud opstår, for at få fysiologiske knogle omrids og struktur3. Derfor, mængder af fibrøst, bruskspidserne og knoklet væv i fraktur callus indeholder vigtige oplysninger om knoglen helingsproces. Forstyrret eller forsinket heling bliver synlig ved ændringer af hård hud væv udvikling både hos mennesker og mus8,9,10,11. Tilgængelige i vivo teknikker på langs overvåge callus væv udvikling i prækliniske fraktur healing undersøgelser ved hjælp af små dyr omfatter digital radiografi og µCT imaging12,13. Begge teknikker er imidlertid kun mulighed for at forskelsbehandle mineraliseret og ikke-mineraliseret væv. Derimod Mr giver fremragende bløddele kontrast og kunne derfor identificere blødt væv og brusk i fraktur callus.
Tidligere arbejde viste lovende resultater for post mortem Mr i mus med artikulære14 og i vivo Mr i mus under intramembranous knogle-defekt helbredende15. Begge undersøgelser erklærede imidlertid også begrænset rumlige opløsning og væv kontrast. Vi viste tidligere gennemførligheden af høj opløsning i vivo Mr langsgående vurdering af bløde callus dannelse under murine endochondral fraktur healing16. Her rapporterer vi protokollen for at anvende ekstern fiksator Mr-kompatible til lårbenet osteotomi i mus for at overvåge callus væv udvikling på langs under endochondral fraktur helingsproces. Design af en specialfremstillet monteringsudstyret til indsættelse af den ekstern fiksator sikret en standardiseret holdning under gentagne scanninger.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ændringer og fejlfinding:
Hovedformålet med denne undersøgelse var at beskrive en protokol for ved hjælp af ekstern fiksator Mr-kompatible til lårbenet osteotomi i mus med evnen til at overvåge callus væv udvikling på langs under endochondral frakturheling processen. Design af en specialfremstillet monteringsudstyret til indsættelse af den ekstern fiksator sikret en standardiseret holdning under gentagne scanninger. Semi-automatiske væv segmentering giver mulighed fo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Sevil Essig, Stefanie Schroth, Verena Fischer, Katja Prystaz, Yvonne Hägele og Anne Subgang for fremragende teknisk support. Vi takker også tyske Research Foundation (CRC1149, INST40/499-1) og Tysklands AO traumer fundament til finansiering af denne undersøgelse.
Materials
| Anaesthesia tube | FMI, Seeheim, Germany | ZUA-82-ANA-TUB-Mouse | |
| Anaesthetic machine | FMI, Seeheim, Germany | ZUA-82-GME-MA | |
| Artery forceps | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BH104R | |
| Autoclave | Systec, Wettenberg, Germany | DX-150 | |
| Autoclaving packaging | Stericlin, Feuchtwangen, Germany | 2301-04/06/10/12/16 | |
| Avizo software | FEI, Burlington, USA | – | Version 8.0.1 |
| BioSpec 117/16 magnetic resonance imaging system | Bruker Biospin, Ettlingen, Germany | 117/16 | |
| Bulldog clamp | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BH 021R | |
| Carbon steel scalpel no. 11/15 | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BA211/215 | |
| Ceramic mounting pin 0.45 mm | RISystem, Davos, Switzerland | HS691490 | |
| Clindamycin (300 mg / 2ml) | Ratiopharm, Ulm, Germany | – | |
| Dressing forceps 115 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD210R | |
| Dressing forceps 130 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD025R | |
| Drill bit coated 0.45 mm | RISystem, Davos, Switzerland | HS820420 | |
| Durogrip needle holder 125 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BM024R | |
| Foliodrape | Hartmann, Heidenheim, Germany | 2513026 | |
| Frekaderm | Fresenius, Bad Homburg, Germany | 4928211 | |
| Gigli saw 0.44 mm | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.590.110.25 | |
| Hand drill | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.390.130-01 | |
| Heating plate | FMI, Seeheim, Germany | IOW-3704 | |
| Hygonorm gloves | Hygi, Telgte, Germany | 2706 | |
| Isoflurane | Abbot, London, UK | Forene | |
| Micro forceps 155 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD343R | |
| Micro scissors 120 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | FD013R | |
| Mouse FixEx L 0.7 mm | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.611.300-10 | |
| Needle case for drills | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BL911R | |
| Needle holder | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB078R | |
| Octenisept | Schülke, Norderstedt, Germany | 121403 | |
| Osirix software | Pixmeo SARL, Bernex, Switzerland | – | Version 4.0 |
| Oxygen, medical grade | MTI, Ulm, Germany | – | |
| Resolon 5/0 | Resorba, Nürnberg, Germany | 88143 | |
| Saline 0.9% | Braun, Melsungen, Germany | 3570350 | |
| Scalpel handle 125 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB073R | |
| Scissors 150 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BC006R | |
| Sealer for autoclave packaging | Hawo GmbH, Obrigheim, Germany | HM500 | |
| Sterican 27 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657705 | |
| Sterile surgical blades no. 11/15 | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB511/515 | |
| Surgical gloves | Hartmann, Heidenheim, Germany | Peha-micron 9425712 | |
| Surgical light | Maquet SA, Ardon, France | Blue line 80 | |
| Syringes 5 ml | Braun, Melsungen, Germany | Injekt 4606051V | |
| Tissue forceps 80 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | OC091R | |
| Tramadol 25 mg/l | Grünenthal, Aachen, Germany | 100mg/ml | |
| Vasofix Safety | Braun, Melsungen, Germany | 4268113S-01 | |
| Vicryl 5-0 | Ethicon, Norderstedt, Germany | V30371 | |
| Visdisic eye ointment | Bausch & Lomb, Berlin, Germany | 3099559 |
References
- Claes, L., Recknagel, S., Ignatius, A. Fracture healing under healthy and inflammatory conditions. Nat Rev Rheumatol. 8 (3), 133-143 (2012).
- Einhorn, T. A. The cell and molecular biology of fracture healing. Clin Orthop Relat Res. (355), S7-S21 (1998).
- Einhorn, T. A., Gerstenfeld, L. C. Fracture healing: mechanisms and interventions. Nat Rev Rheumatol. 11 (1), 45-54 (2015).
- Augat, P., et al. Local tissue properties in bone healing: influence of size and stability of the osteotomy gap. J Orthop Res. 16 (4), 475-481 (1998).
- Claes, L. E., Heigele, C. A. Magnitudes of local stress and strain along bony surfaces predict the course and type of fracture healing. J Biomech. 32 (3), 255-266 (1999).
- Claes, L. E., et al. Effects of mechanical factors on the fracture healing process. Clin Orthop Relat Res. (355), 132-147 (1998).
- Hu, D. P., et al. Cartilage to bone transformation during fracture healing is coordinated by the invading vasculature and induction of the core pluripotency genes. Development. 144 (2), 221-234 (2017).
- Hankenson, K. D., Zimmerman, G., Marcucio, R. Biological perspectives of delayed fracture healing. Injury. 45, 8-15 (2014).
- Meyer, R. A., et al. Age and ovariectomy impair both the normalization of mechanical properties and the accretion of mineral by the fracture callus in rats. J Orthop Res. 19 (3), 428-435 (2001).
- Nikolaou, V. S., Efstathopoulos, N., Kontakis, G., Kanakaris, N. K., Giannoudis, P. V. The influence of osteoporosis in femoral fracture healing time. Injury. 40 (6), 663-668 (2009).
- Haffner-Luntzer, M., Kovtun, A., Rapp, A. E., Ignatius, A. Mouse Models in Bone Fracture Healing Research. Current Molecular Biology Reports. 2 (2), 101-111 (2016).
- Garcia, P., et al. Rodent animal models of delayed bone healing and non-union formation: a comprehensive review. Eur Cell Mater. 26, 1-14 (2013).
- Histing, T., et al. Small animal bone healing models: standards, tips, and pitfalls results of a consensus meeting. Bone. 49 (4), 591-599 (2011).
- Zachos, T. A., Bertone, A. L., Wassenaar, P. A., Weisbrode, S. E. Rodent models for the study of articular fracture healing. J Invest Surg. 20 (2), 87-95 (2007).
- Taha, M. A., et al. Assessment of the efficacy of MRI for detection of changes in bone morphology in a mouse model of bone injury. J Magn Reson Imaging. 38 (1), 231-237 (2013).
- Haffner-Luntzer, M., et al. Evaluation of high-resolution In Vivo MRI for longitudinal analysis of endochondral fracture healing in mice. PLoS One. 12 (3), 0174283 (2017).
- Beckmann, N., Falk, R., Zurbrugg, S., Dawson, J., Engelhardt, P. Macrophage infiltration into the rat knee detected by MRI in a model of antigen-induced arthritis. Magn Reson Med. 49 (6), 1047-1055 (2003).
- Al Faraj, ., Shaik A, S. u. l. t. a. n. a., Pureza, A., A, M., Alnafea, M., Halwani, R. Preferential macrophage recruitment and polarization in LPS-induced animal model for COPD: noninvasive tracking using MRI. PLoS One. 9 (3), 90829 (2014).
- Rolle, A. M., et al. ImmunoPET/MR imaging allows specific detection of Aspergillus fumigatus lung infection in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (8), 1026-1033 (2016).
- Niemeyer, M., et al. Non-invasive tracking of human haemopoietic CD34(+) stem cells in vivo in immunodeficient mice by using magnetic resonance imaging. Eur Radiol. 20 (9), 2184-2193 (2010).
