Summary
Vi utviklet en lumbal intervertebral plate degenerasjon mus modell ved reseksjon av L3-L5 spinous prosesser sammen med supra- og inter-spinous leddbånd og løsrivelse av paraspinous muskler.
Abstract
Intervertebral plate degenerasjon (IDD) er en vanlig patologisk forandring som fører til ryggsmerter. Hensiktsmessige dyremodeller er ønsket for å forstå de patologiske prosessene og evaluere nye stoffer. Her introduserte vi en kirurgisk indusert lumbale ryggrads-ustabilitet (LSI) musemodell som utvikler IDD fra 1 uke etter operasjonen. I detalj ble musen under anestesi drevet av lav rygg hud snitt, L3-L5 spinous prosesser eksponering, løsrivelse av paraspinøse muskler, reseksjon av prosesser og leddbånd, og hudlukking. L4–L5 IVDer ble valgt for observasjonen. LSI-modellen utvikler lumbal IDD av porøsitet og hypertrofi i endeplater på et tidlig stadium, reduksjon i mellomvirvelskivevolum, krymping i kjernemasse på et mellomliggende stadium, og bentap i lumbal ryggvirvler (L5) på et senere tidspunkt. LSI-musemodellen har fordelene med sterk operabilitet, ingen krav til spesialutstyr, reproduserbarhet, billig og relativt kort periode med IDD-utvikling. Imidlertid er LSI-operasjonen fortsatt et traume som forårsaker betennelse i løpet av den første uken etter operasjonen. Dermed er denne dyremodellen egnet for studie av lumbale IDD.
Introduction
Intervertebral plate degenerasjon (IDD) er ofte sett i aldring og til og med unge mennesker forårsaket av mange faktorer1. Kirurgi for pasienter som lider av IDD, forårsaker ryggsmerter og nedsatt bevegelse, utføres vanligvis på et senere tidspunkt eller i alvorlige tilfeller og har potensielle risikoer som ikke-enhet eller infeksjon2. Ideell ikke-operativ behandling krever omfattende forståelse av IDD-mekanismen. IDD-dyremodellen fungerer som et avgjørende verktøy for studier av IDD-mekanisme og evaluering av IDD-behandling.
Større dyr har blitt valgt for IDD-modeller som primater, sauer, geiter, hunder og kaniner på grunn av deres likhet med menneskelig anatomisk struktur i stor grad og den sterke driften når det gjelder størrelse på mellomvirvelskiver (IVDer)3,4,5,6,7,8. Imidlertid er disse dyremodellene tidkrevende og kostnadskrevende9. Mus IVD er en dårlig representasjon av den menneskelige IVD basert på geometriske målinger av størrelsesforholdet, kjernemasse til skiveområdeforhold og normalisert høyde10. Til tross for forskjellen i størrelse, viser muslumbal IVD-segmentet mekaniske egenskaper som ligner på menneskelig IVD som kompresjon og torsjonsstivhet11. I tillegg har mus-IDD-modellen fordelen av lav pris, relativt kort IDD-utvikling og flere alternativer for genetisk modifiserte dyr og antistoffer som brukes i ytterligere mekanistiske studier12,13,14,15.
Eksperimentelle IDD-modeller varierer fra indusere og applikasjoner. For eksempel er kollagenseindusert ekstracellulær matrise (ECM) degenerasjon egnet for ECM regenereringsforskning16. Genmodifisert fenotype er egnet for å studere genfunksjonen i IDD-prosessen og i genetiske terapier17. Annulus fibrosus snitt og røyk modeller etterligne traumer og ikke-betennelse indusert IDD12,18.
Spinal ustabilitet (SI) fører til en ustabil ryggrad som ikke er i en optimal tilstand av likevekt. Det kan skyldes unormal bevegelse av et lumbal bevegelsessegment på grunn av svakheten i det omkringliggende støttende vevet som leddbånd og muskler. Det er også ofte sett etter spinal fusjonsoperasjon19. SI regnes som hovedårsaken til IDD. Derfor tar vi sikte på å utvikle en SI-musmodell (fokusert på lumbal ryggraden) som etterligner den menneskelige IDD-prosessen20,21.
I protokollen introduserte vi prosedyren for å etablere lumbal spinal ustabilitet (LSI) musemodell ved reseksjon av lumbal tredje (L3) til lumbal femte (L5) spinøse prosesser sammen med supraspinous og interspinous ligaments (Figur 1A, B). Dyremodellen utvikler IDD allerede i 1 uke etter operasjonen, som vist ved hypertrofi og porøsitet i endeplater (EPer). IVD-volumet begynner å reduseres 2 uker etter operasjonen gjennom 16 uker sammen med økt IVD-skår, noe som indikerer graden av IDD. Vi mener at den detaljerte og visualiserte prosedyren er nyttig for forskere å etablere LSI-musemodellen i laboratoriet og søke på IDD-forskning etter behov.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi utviklet lumbal ryggraden ustabilitet mus modell basert på cervical spondylose mus modell der bakre paravertebrale muskler fra ryggvirvlene ble løsnet og spinøse prosesser sammen med supraspinous og interspinous leddbånd ble resected25. Vi utførte en lignende operasjon på lumbal ryggraden, som har mer fremtredende spinøse prosesser. LSI-musemodellen utviklet lignende IDD i lumbalryggen.
Fordelene med LSI-modellen inkluderer sterk operabilitet, ingen krav til s…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (81973607) og Essential Drug Research and Development (2019ZX09201004-003-032) fra Kinas vitenskaps- og teknologidepartement.
Materials
| Chlortetracycline Hydrochloride Eye Ointment | Shanghai General Pharmaceutical Co., Ltd. | H31021931 | Prevent eye dry, Prevent wound infection |
| C57BL/6J male mice | Tian-jiang Pharmaceuticals Company (Jiangsu, CN) | SCXK2018-0004 | Animal model |
| Disposable medical towel | Henan Huayu Medical Devices Co., Ltd. | 20160090 | Platform for surgical operation |
| Inhalant anesthesia equipment | MIDMARK | Matrx 3000 | Anesthesia |
| Isoflurane | Shenzhen RWD Life Technology Co., Ltd. | 1903715 | Anesthesia |
| Lidocaine hydrochloride | Shandong Hualu Pharmaceutical Co., Ltd. | H37022839 | Pain relief |
| Medical suture needle | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 20S0401J | Suture skin |
| Ophthalmic forceps | Shanghai Medical Devices (Group) Co., Ltd. Surgical Instruments Factory | JD1050 | Clip the skin |
| Ophthalmic scissors(10cm) | Shanghai Medical Devices (Group) Co., Ltd. Surgical Instruments Factory | Y00030 | Skin incision |
| silk braided | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 11V0820 | Suture skin |
| Small animal trimmer | Shanghai Feike Electric Co., Ltd. | FC5910 | Hair removal |
| Sterile surgical blades(12#) | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. | 35T0707 | Muscle incision |
| Veet hair removal cream | RECKITT BENCKISER (India) Ltd | NA | Hair removal |
| Venus shears | Mingren medical equipment | Length:12.5cm | Clip the muscle and spinous process |
References
- Makino, H., et al. Lumbar disc degeneration progression in young women in their 20’s: a prospective ten-year follow up. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 22 (4), 635-640 (2017).
- Lee, Y. C., Zotti, M. G. T., Osti, O. L. Operative management of lumbar degenerative disc disease. Asian Spine Journal. 10 (4), 801-819 (2016).
- Wei, F., et al. In vivo experimental intervertebral disc degeneration induced by bleomycin in the rhesus monkey. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 340 (2014).
- Lim, K. Z., et al. Ovine lumbar intervertebral disc degeneration model utilizing a lateral retroperitoneal drill bit injury. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (123), e55753 (2017).
- Zhang, Y., et al. Histological features of the degenerating intervertebral disc in a goat disc-injury model. Spine. 36 (19), 1519-1527 (2011).
- Bergknut, N., et al. The dog as an animal model for intervertebral disc degeneration. Spine. 37 (5), 351-358 (2012).
- Kong, M. H., et al. Rabbit Model for in vivo Study of Intervertebral Disc Degeneration and Regeneration. Journal of Korean Neurosurgical Society. 44 (5), 327-333 (2008).
- Gullbrand, S. E., et al. A large animal model that recapitulates the spectrum of human intervertebral disc degeneration. Osteoarthritis and Cartilage. 25 (1), 146-156 (2017).
- Jin, L., Balian, G., Li, X. J. Animal models for disc degeneration-an update. Histology and Histopathology. 33 (6), 543-554 (2018).
- O’Connell, G. D., Vresilovic, E. J., Elliott, D. M. Comparative intervertebral disc anatomy across several animal species. 52nd Annual Meeting of the Orthopaedic Research Society. , (2006).
- Elliott, D. M., Sarver, J. J. Young investigator award winner: validation of the mouse and rat disc as mechanical models of the human lumbar disc. Spine. 29 (7), 713-722 (2004).
- Ohnishi, T., et al. In vivo mouse intervertebral disc degeneration model based on a new histological classification. Plos One. 11 (8), 0160486 (2016).
- Vo, N., et al. Accelerated aging of intervertebral discs in a mouse model of progeria. Journal of Orthopaedic Research. 28 (12), 1600-1607 (2010).
- Oichi, T., et al. A mouse intervertebral disc degeneration model by surgically induced instability. Spine. 43 (10), 557-564 (2018).
- Ohnishi, T., Sudo, H., Tsujimoto, T., Iwasaki, N. Age-related spontaneous lumbar intervertebral disc degeneration in a mouse model. Journal of Orthopaedic Research. 36 (1), 224-232 (2018).
- Stern, W. E., Coulson, W. F. Effects of collagenase upon the intervertebral disc in monkeys. Journal of Neurosurgery. 44 (1), 32-44 (1976).
- Silva, M. J., Holguin, N. LRP5-deficiency in OsxCreERT2 mice models intervertebral disc degeneration by aging and compression. bioRxiv. , (2019).
- Nemoto, Y., et al. Histological changes in intervertebral discs after smoking and cessation: experimental study using a rat passive smoking model. Journal of Orthopaedic Science: Official Journal of the Japanese Orthopaedic Association. 11 (2), 191-197 (2006).
- Mulholland, R. C. The myth of lumbar instability: the importance of abnormal loading as a cause of low back pain. European Spine Journal. 17 (5), 619-625 (2008).
- Bian, Q., et al. Mechanosignaling activation of TGFβ maintains intervertebral disc homeostasis. Bone Research. 5, 17008 (2017).
- Bian, Q., et al. Excessive activation of tgfβ by spinal instability causes vertebral endplate sclerosis. Scientific Reports. 6, 27093 (2016).
- Ni, S., et al. Sensory innervation in porous endplates by Netrin-1 from osteoclasts mediates PGE2-induced spinal hypersensitivity in mice. Nature Communications. 10 (1), 5643 (2019).
- Liu, S., Cheng, Y., Tan, Y., Dong, J., Bian, Q. Ligustrazine prevents intervertebral disc degeneration via suppression of aberrant tgfβ activation in nucleus pulposus cells. BioMed Research International. 2019, 5601734 (2019).
- Boos, N., et al. Classification of age-related changes in lumbar intervertebral discs: 2002 Volvo Award in basic science. Spine. 27 (23), 2631-2644 (2002).
- Miyamoto, S., Yonenobu, K., Ono, K. Experimental cervical spondylosis in the mouse. Spine. 16, 495-500 (1991).
