הדור של שברי הירך סגור בעכברים: מודל ללמוד ריפוי עצם
Summary
המודל מאתר סגור בשביליאתה לא רואה שיש הוא כלי עוצמתי ללמוד ריפוי השבר ואסטרטגיות טיפוליים חדשניים כדי להאיץ התחדשות העצם. המטרה של פרוטוקול כירורגי זה היא לייצר חד צדדית שברי הירך סגור בעכברים באמצעות של פלדה מוט. לייצב את עצם הירך.
Abstract
שברים בעצמות להטיל נטל חברתי-כלכלי עצום על חולים, בנוסף כדי להשפיע באופן משמעותי את איכות חייהם. אסטרטגיות טיפוליות אשר לקדם ריפוי עצם יעיל הן לא קיים ביקוש גבוה. לשחזור ויעילים מודלים חייתיים של ריפוי שברים נדרשים להבין תהליכים ביולוגיים מורכבים הקשורים התחדשות העצם. מודלים של שבר ריפוי בעלי חיים רבים נוצרו עם השנים; עם זאת, מודלים שבר מאתר שהתגלו לאחרונה כמו כלים רבי-עוצמה ללמוד ריפוי עצם. פותחו מגוון דגמים פתוחים וסגורים, אך המודל סגור בשביליאתה לא רואה שיש בולטת כמו שיטה פשוטה ליצירת תוצאות מהירה לשחזור באופן רלוונטי מבחינה פיזיולוגית. המטרה של פרוטוקול כירורגי זה היא ליצור חד צדדית שברי הירך סגור בעכברים וכדי להקל על ייצוב לאחר שבר של עצם הירך על-ידי הוספה של פלדה מוט. למרות התקנים כגון מסמר או בורג מציעים ציריים יותר ויציבות המסתובבת, השימוש מוט מספקת ייצוב מספיק לתוצאות ריפוי עקבי ללא בהפקת ליקויים חדשים ברקמת העצם או פגיעה בקרבת מקום רך רקמות. הדמיה רדיוגרפי משמש כדי לעקוב אחר ההתקדמות של היווצרות קסם, האיחוד גרמיות ו שיפוץ עוקבות של קסם הגרמי. תוצאות הריפוי העצמות בדרך כלל המשויך הכוח של העצם נרפא, נמדד עם בדיקות הכיווניות. עדיין, הבנת האירועים תאית ומולקולרית מוקדם הקשורים תיקון שבר היא קריטית במחקר של התחדשות רקמות העצם. דגם סגור בשביליאתה לא רואה שיש אצל עכברים עם קיבוע לשדי משמש פלטפורמה מושכת ללמוד ריפוי שבר עצם ולהעריך אסטרטגיות טיפוליות כדי להאיץ ריפוי.
Introduction
שברים הם בין הפציעות הנפוצות המתרחשות במערכת השלד והשרירים, משויכים נטל חברתי-כלכלי עצום, כולל עלויות הטיפול מוקרנים כדי לעלות על 25 מיליארד דולר מדי שנה ארצות הברית1, 2. אמנם רוב שברים לרפא ללא תקלות, ריפוי מזוהה עם זמן ההשבתה ניכר ואובדן הפרודוקטיביות. כ- 5-10% בשברים כל תוצאה עיכוב ריפוי או והמעלית, בשל גיל או תנאים אחרים בריאות כרוניות הבסיסית, כגון אוסטיאופורוזיס, סוכרת3,4,5. אין טיפול תרופתי שאושרו על-ידי ה-FDA זמינים כעת לקדם ריפוי עצם יעיל ולקצר את זמן ההחלמה.
שבר הריפוי הוא תהליך מורכב, דינמי מאוד מעורבים התיאום של סוגי תאים מרובים. לפיכך, הבנה מקיפה של האירועים תאית ומולקולרית הקשורים התחדשות העצם חיונית לזיהוי של מטרות טיפוליות להאיץ תהליך זה. כמו עם מחלות אנושיות אחרות, הקמת מודל בעלי חיים מאוד קלה, לשחזור חיוני במחקר של עצם ריפוי. בעלי חיים גדולים, כגון כבשים וחזירים, יש מאפיינים שיפוץ עצם וב ביומכניקה דומים לבני אדם, אבל יקרים, דורשים זמן ההחלמה משמעותי, לא ממושמעים ברצון מניפולציה גנטית6. מצד שני, מודלים בעלי חיים קטנים, כגון חולדות ועכברים, מציעים יתרונות רבים, כולל הקלה של טיפול, עלויות נמוכות של תחזוקה, במחזור הרבייה קצר, זמן ההחלמה קצר יותר7. יתר על כן, הגנום העכבר הוא מלא רציף, המאפשר הדור של משתנים גנטיים מניפולציה מהירה. לכן, העכבר הוא מערכת מודל חזק כדי ללמוד מחלות אנושיות, פציעה, ותיקון8. בבני אדם, מחלות רקע כגון סוכרת אוסטאופורוזיס להגביר את הסבירות של ריפוי מושהית. מספר מודלים קיימים של העכבר הינם זמינים לחקור את ההשפעות של מחלות רקע כגון סוכרת אוסטאופורוזיס על עצם הפגיעה הריפוי. חולים הסובלים מאוסטיאופורוזיס יש היווצרות העצם ירד במידה ניכרת במהלך בשלבים מאוחרים יותר של שבר ריפוי9. Ovariectomized (OVX) עכברים התערוכה אובדן עצם מהירה ועצם עיכוב ריפוי דומה לזה שנצפה באוסטיאופורוזיס בגיל המעבר10,11. בנוסף, דגמים רבים עכבר מסוג אני ואת סוג סוכרת II לחקות את פנוטיפים מסת עצם נמוכה וריפוי שבר לקוי אצל בני11. יתר על כן, שבר מאתר מודלים תשמש פלטפורמה תכליתי ללמוד תהליכים ביולוגיים מורכבים המתרחשים קסם ולחקור אסטרטגיות טיפוליות הרומן המאיצים התחדשות רקמות העצם.
למרות ההבדלים בין מבנה העצמות ומערכת חילוף החומרים, התהליך הכולל של שבר ריפוי נשאר דומה מאוד בעכברים ובבני אדם, שכלל שילוב של endochondral ואת התקשות intramembranous ואחריו עצם שיפוץ. התקשות Endochondral כרוכה בגיוס ובתאים לאזורים פחות מכנית יציב המקיפים את הפער שבר, איפה הם להתמיין chondrocytes יתר, mineralize הסחוס לייצר של קסם רך. הגל השני של ובתאים לחדור את קסם, להבדיל לתוך תאי העצם בוגרת להפריש חדש עצם מטריקס12,13,14,15. במהלך intramembranous התאבנות, אבות על משטחים חידוש ו endosteal ישירות להבדיל לתוך מטריצה הפרשת תאי העצם וכדי להקל על גישור על שבר פער9,11,12 ,13. ביחד, endochondral ואת intramembranous ossifications לגרום להתפתחות קסם קשה, אשר הוא השתקם נוספות לאורך זמן כדי ליצור עצם משני חזק מסוגל לתמוך עומסים מכאניים13,14 ,15. בבני אדם בריאים, תהליך הריפוי לוקח כ- 3 חודשים, לעומת 35 ימים בלבד ב עכברים16.
שבר ריפוי בדרך כלל נחקרה באמצעות מודלים ניתוח פתוח או סגור או17. פתח גישות כירורגיות, כגון הדור של פגם בגודל אנושות או להשלים osteotomy, לתקנן הגיאומטריה לצמצם סטיות הנגרמת על ידי שברים המרוסק והמיקום פציעה. אדוני לשמש מודל מצויין ללמוד את המנגנון הבסיסי מאחורי והמעלית כי הריפוי מתעכב לעיתים קרובות לעומת שברים סגורים. יתר על כן, נדרש קיבוע חיצוני נוקשה כדי לייצב את העצם osteotomized, כלומר שההתחדשות תלויות בעיקר התקשות intramembranous. גישות ניתוח פתוח להשתמש בהתקנים כגון מסמרים נעילה, pin-קטעי פלטות נעילה כדי לספק יציבות צירית, המסתובבת על האיבר השבור; עם זאת, מכשירים כאלה יקרים, דורשת באופן משמעותי יותר זמן הניתוח18,19,20,21. מצד שני, מודלים סגורים התייצבו עם מכשיר קיבעון לשדי פשוטה, המאפשר יציבות מספיק לעורר ריפוי endochondral. כתוצאה מכך, שבר סגור מודלים לא בקלות לחקות את התנאים של הלא-האיגוד. טכניקות קיבוע פנימי, כגון לשדי סיכות, מסמרים, ברגים דחיסה, הם יתרון כפי שהם זולים, קל לשימוש, ולצמצם את זמן הניתוח21,22,23. במקרים מסוימים, סיכות לשדי מוכנסים לפני השבר, אך הכיפוף של ה-pin לשדי יכול להוביל אפוזיציה או תזוזה של עצם הירך שבורה, לתרום בגודל משתנה קסם וריפוי. גאומטריה והמיקום שבר הם יותר קשה לתקנן במודלים סגורה, כמו הם נוצרים באמצעות התקן השלשה כיפוף, שבו משקל יוסב על diaphysis. עם זאת, הטכניקה הנכונה, גישה כירורגית זו מציעה תוצאות מהירה ועקבית. יתר על כן, המודל שבר סגור משמש ככלי הרלוונטית קלינית ללמוד שברים שנגרמו על ידי כוח גבוה ההשפעה או מכאניים22.
פרוטוקול כירורגי זה הותאמה מפעולות שתואר לעיל באמצעות pin אורתופדיים לייצב את עצמות הירך שבורה חולדות, עכברים22,24,25. ראשית, המחט לשדי של קוטר קטן מוחדר דרך החריץ intracondylar להקים נקודת כניסה ולאחר guidewire הוא הציג לפני יצירת שבר רוחבי ב midshaft הירך באמצעות שלוש-נקודת הכובד תלוית כיפוף התקן. בעקבות הדור מוצלחת של הירך שבר סגור, מעוגנת מוט של קוטר גדול יותר מעבר לגדר מדריך לייצב את עצם הירך שבורה. בשיטה זו מונע את הסיכון הריפוי מתעכב הנגרמת על ידי אפוזיציה של ה-pin לשדי במהלך השבר, כמו מיקום השבר שלאחר רוד מאפשר לייצוב מיקום מחדש, אופטימיזציה של עצם הירך הפגוע.
Protocol
Representative Results
Discussion
המטרה של הליך כירורגי היא לייצר מתוקננת שברי הירך סגור בעכברים. יתרון מפתח של מודל זה הוא כי קיבוע פנימי מתרחש לאחר הדור של השבר, ובכך למנוע של אפוזיציה של המוט אורתופדיים. אולי ההיבט הקריטי ביותר של פרוטוקול זה הוא הדור של שבר רוחבי סטנדרטית ב midshaft הירך, כמו הגיאומטריה שבר תלויה הכוח כיפוף …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענקי משרד ההגנה (משרד ההגנה) לנו צבא המחקר הרפואי ואת מסמכי הפקודה (USAMRMC) Congressionally ביים רפואי מחקר תוכניות (CDMRP) (PR121604) ואת מוסדות לאומיים של דלקת מפרקים השלד והשרירים מחלות (NIAMS), AR068332 NIH R01 כדי שי אילון Uma העור.
Materials
| Oster Minimax Trimmer | Animal World Network | 78049-100 | |
| POVIDONE-IODINE | Thermo Fisher Scientific | 395516 | |
| OPHTHALMIC OINTMENT | Thermo Fisher Scientific | NC0490117 | |
| Styker T/Pump Warm Water Recirculator | Kent Scientific Corporation | TP-700 | |
| 1ml Sub-Q Syringe | Thermo Fisher Scientific | 309597 | |
| ENCORE Sensi-Touch PF | Moore Medical LLC | 30347 | Latex, powder-free surgical glove |
| PrecisionGlide 25G Hypodermic Needles | Thermo Fisher Scientific | 14-826-49 | |
| Ultra-High-Temperature Tungsten Wire, | McMaster-Carr | 3775K37 | 0.005" Diameter, 1/16 lb. Spool, 380' Long |
| 304 stainless steel, 24G thin walled tubing | Microgroup Inc | 304h24tw-5ft | |
| #15 Scalpel Blades | Fine Science Tools | 10015-00 | |
| #10 Scalpel Blades | Fine Science Tools | 10010-00 | |
| Narrow Pattern Forceps | Fine Science Tools | 11002-12 | Serrated/Straight/12cm |
| Iris Forceps | Fine Science Tools | 11066-07 | 1×2 Teeth/Straight/7cm |
| Dissector Scissors | Fine Science Tools | 14081-09 | Slim Blades/Angled to Side/Sharp-Sharp/10cm |
| Fine Scissors | Fine Science Tools | 14058-11 | ToughCut/Straight/Sharp-Sharp/11.5cm |
| Olsen-Hegar Needle Holder with Suture Cutter | Fine Science Tools | 12002-12 | Straight/Serrated/12cm/with Lock |
| Crile Hemostat | Fine Science Tools | 13004-14 | Serrated/Straight/14cm |
| Tungsten Wire Cutter | ACE Surgical Supply Co., Inc. | 08-051-90 | ACE #150 Wire Cutter, tungsten carbide tips |
| 3-0 VICRYL Suture | Ethicon Suture | J423H | 3-0 VICRYL UNDYED 27" FS-2 CUTTING |
| piXarray 100 Digital Specimen Radiography System | Bioptics, Inc | Cabinet x-ray system | |
| Einhorn 3-Point Bending Device | N/A | N/A | Custom Built |
References
- Schnell, S., Friedman, S. M., Mendelson, D. A., Bingham, K. W., Kates, S. L. The 1-Year Mortality of Patients Treated in a Hip Fracture Program for Elders. Geriatric Orthopaedic Surgery & Rehabilitation. 1 (1), 6-14 (2010).
- Burge, R., et al. Incidence and economic burden of osteoporosis-related fractures in the United States, 2005-2025. Journal of Bone and Mineral Research. 22 (3), 465-475 (2007).
- Cunningham, B. P., Brazina, S., Morshed, S., Miclau, T. Fracture healing: A review of clinical, imaging and laboratory diagnostic options. Injury. 48, S69-S75 (2017).
- Einhorn, T. A. Can an anti-fracture agent heal fractures?. Clinical Cases in Mineral and Bone Metabolism. 7 (1), 11-14 (2010).
- Hak, D. J., et al. Delayed union and nonunions: epidemiology, clinical issues, and financial aspects. Injury. 45, S3-S7 (2014).
- Decker, S., Reifenrath, J., Omar, M., Krettek, C., Muller, C. W. Non-osteotomy and osteotomy large animal fracture models in orthopedic trauma research. Orthopaedic Reviews (Pavia). 6 (4), 5575 (2014).
- Histing, T., et al. Small animal bone healing models: standards, tips, and pitfalls results of a consensus meeting. Bone. 49 (4), 591-599 (2011).
- Jacenko, O., Olsen, B. R. Transgenic mouse models in studies of skeletal disorders. Journal of Rheumatology Supplement. 43, 39-41 (1995).
- 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).
- Bain, S. D., Bailey, M. C., Celino, D. L., Lantry, M. M., Edwards, M. W. High-dose estrogen inhibits bone resorption and stimulates bone formation in the ovariectomized mouse. Journal of Bone and Mineral Research. 8 (4), 435-442 (1993).
- 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).
- Einhorn, T. A., Gerstenfeld, L. C. Fracture healing: mechanisms and interventions. Nature Reviews in Rheumatology. 11 (1), 45-54 (2015).
- Schindeler, A., McDonald, M. M., Bokko, P., Little, D. G. Bone remodeling during fracture repair: The cellular picture. Seminar in Cellular and Developmental Biology. 19 (5), 459-466 (2008).
- Ai-Aql, Z. S., Alagl, A. S., Graves, D. T., Gerstenfeld, L. C., Einhorn, T. A. Molecular mechanisms controlling bone formation during fracture healing and distraction osteogenesis. Journal of Dental Research. 87 (2), 107-118 (2008).
- Gerstenfeld, L. C., et al. Three-dimensional Reconstruction of Fracture Callus Morphogenesis. Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 54 (11), 1215-1228 (2006).
- Marsell, R., Einhorn, T. A. Emerging bone healing therapies. Journal of Orthopaedic Trauma. 24, S4-S8 (2010).
- Lybrand, K., Bragdon, B., Gerstenfeld, L. Mouse models of bone healing: fracture, marrow ablation, and distraction osteogenesis. Current Protocols of Mouse Biology. 5 (1), 35-49 (2015).
- Garcia, P., et al. The LockingMouseNail–a new implant for standardized stable osteosynthesis in mice. Journal of Surgical Research. 169 (2), 220-226 (2011).
- 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).
- Garcia, P., et al. A new technique for internal fixation of femoral fractures in mice: impact of stability on fracture healing. Journal of Biomechistry. 41 (8), 1689-1696 (2008).
- Holstein, J. H., et al. Advances in the establishment of defined mouse models for the study of fracture healing and bone regeneration. Journal of Orthopaedic Trauma. 23 (5 Suppl), S31-S38 (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).
- Holstein, J. H., Menger, M. D., Culemann, U., Meier, C., Pohlemann, T. Development of a locking femur nail for mice. Journal of Biomechistry. 40 (1), 215-219 (2007).
- McBride-Gagyi, S. H., McKenzie, J. A., Buettmann, E. G., Gardner, M. J., Silva, M. J. Bmp2 conditional knockout in osteoblasts and endothelial cells does not impair bone formation after injury or mechanical loading in adult mice. Bone. 81, 533-543 (2015).
- Williams, J. N., et al. Inhibition of CaMKK2 Enhances Fracture Healing by Stimulating Indian Hedgehog Signaling and Accelerating Endochondral Ossification. Journal of Bone and Mineral Research. , (2018).
