Поперечный перелом бедренной кости мыши стабилизирующим штифтом
Summary
Этот протокол описывает метод выполнения переломов на взрослых мышах и мониторинга процесса заживления.
Abstract
Восстановление переломов является важной функцией скелета, которая не может быть надежно смоделирована in vitro. Модель травмы мыши является эффективным подходом к проверке того, влияет ли ген, генный продукт или лекарство на восстановление костей, потому что мышиные кости повторяют этапы, наблюдаемые во время заживления переломов человека. Когда мышь или человек ломает кость, инициируется воспалительная реакция, и надкостница, ниша стволовых клеток, окружающая саму кость, активируется и расширяется. Клетки, находящиеся в надкостнице, затем дифференцируются, образуя васкуляризированную мягкую мозоль. Переход от мягкой мозоли к твердой мозоли происходит, когда рекрутированные скелетные клетки-предшественники дифференцируются в минерализующие клетки, а мост сломанных концов приводит к объединению костей. Минерализованная мозоль затем подвергается ремоделированию, чтобы восстановить первоначальную форму и структуру зажившей кости. Заживление переломов было изучено на мышах с использованием различных моделей травм. Тем не менее, лучший способ повторить весь этот биологический процесс – прорваться через поперечное сечение длинной кости, которая охватывает обе коры. Этот протокол описывает, как стабилизированный поперечный перелом бедренной кости может быть безопасно выполнен для оценки заживления у взрослых мышей. Также предоставляется хирургический протокол, включающий подробные методы сбора и визуализации для характеристики различных этапов заживления переломов.
Introduction
Переломы, разрывы в непрерывности костной поверхности, происходят во всех слоях населения. Они становятся тяжелыми у людей с хрупкими костями из-за старения или болезней, а расходы на здравоохранение при переломах хрупкости, как ожидается, превысят 25 миллиардов долларов через 5 лет 1,2,3,4,5. Понимание биологических механизмов, участвующих в восстановлении переломов, станет отправной точкой в разработке новых методов лечения, направленных на улучшение процесса заживления. Предыдущие исследования показали, что при переломе происходят четыре значительных шага, которые позволяют кости заживать: (1) образование гематомы; (2) образование фиброхрящевой мозоли; (3) минерализация мягкой мозоли с образованием кости; и 4) ремоделирование зажившей кости 6,7. Многие биологические процессы активизируются для успешного заживления перелома. Во-первых, острая провоспалительная реакция инициируется сразу после перелома 6,7. Затем надкостница активируется и расширяется, а периостальные клетки дифференцируются в хондроциты, образуя мозоль хряща, которая растет, чтобы заполнить пробел, оставленный нарушенными сегментамикости 6,7,8,9. Нервные и сосудистые клетки вторгаются во вновь образованную мозоль, чтобы обеспечить дополнительные клетки и сигнальные молекулы, необходимые для облегчения восстановления 6,7,8,9,10. В дополнение к содействию образованию мозоли, периостальные клетки также дифференцируются в остеобласты, которые откладывают тканую кость в мостовой мозоли. Наконец, остеокласты ремоделируют вновь образованную кость, чтобы вернуть свою первоначальную форму и пластинчатую структуру 7,8,9,10,11. Многие группы разработали мышиные модели восстановления переломов. Одной из более ранних и наиболее часто используемых моделей переломов у мышей является подход Эйнхорна, при котором вес падает на ногу с определенной высоты12. Отсутствие контроля над углом и силой, приложенной для индуцирования перелома, создает большую изменчивость в расположении и размере разрыва кости. Впоследствии это приводит к изменениям в специфической реакции заживления переломов. Другими популярными подходами являются хирургическое вмешательство для получения монокортикального дефекта большеберцовой кости или стрессовых переломов, процедуры, которые вызывают сравнительно более мягкие реакции заживления10,13. Изменчивость в этих моделях обусловлена в первую очередь человеком, проводящим процедуру14.
Здесь подробная модель травмы бедренной кости мыши позволяет контролировать разрыв, чтобы обеспечить воспроизводимую травму и позволить количественную и качественную оценку восстановления перелома бедренной кости. В частности, вводится полный прорыв в бедренных костях взрослых мышей и стабилизирует концы переломов, чтобы учесть роль физической нагрузки в заживлении костей. Также подробно представлены методы сбора тканей и визуализации различных этапов процесса заживления с использованием гистологии и микрокомпьютерной томографии (микроКТ).
Protocol
Representative Results
Discussion
Модель травмы, подробно описанная в этом протоколе, охватывает все четыре значительных этапа, наблюдаемых во время заживления спонтанных переломов, включая (1) провоспалительную реакцию с образованием гематомы, (2) набор скелетных предшественников из надкостницы для формирования мягко…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим д-ра Вики Розен за финансовую поддержку и руководство проектом. Мы также хотели бы поблагодарить ветеринаров и сотрудников IACUC в Гарвардской школе медицины за консультации относительно стерильной техники, благополучия животных и материалов, используемых для разработки этого протокола.
Materials
| 23 G x 1 TW IM (0.6 mm x 2 5mm) needle | BD precision | 305193 | Use as guide needle |
| 27 G x 1 ¼ (0.4 mm x 30 mm) | BD precision | 305136 | Use as stabilizing pin |
| 9 mm wound autoclip applier/remover/clips kit | Braintree Scientific, INC | ACS-KIT | |
| Alcian Blue 8 GX | Electron Microscopy Sciences | 10350 | |
| Ammonium hydroxide | Millipore Sigma | AX1303 | |
| Circular blade X926.7 THIN-FLEX | Abrasive technologies | CELBTFSG633 | |
| DREMEL 7700-1/15, 7.2 V Rotary Tool Kit | Dremel | 7700 1/15 | |
| Eosin Y | ThermoScientific | 7111 | |
| Fine curved dissecting forceps | VWR | 82027-406 | |
| Hematoxulin Gill 2 | Sigma-Aldrich | GHS216 | |
| Hydrochloric acid | Millipore Sigma | HX0603-4 | |
| Isoflurane | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | |
| Microsurgical kit | VWR | 95042-540 | |
| Orange G | Sigma-Aldrich | 1625 | |
| Phloxine B | Sigma-Aldrich | P4030 | |
| Povidone-Iodine Swabs | PDI | S23125 | |
| SCANCO Medical µCT35 | Scanco | ||
| Slow-release buprenorphine | Zoopharm |
References
- Black, D. M., Rosen, C. J. Postmenopausal osteoporosis. The New England Journal of Medicine. 374, 2096-2097 (2016).
- Curtis, E. M., Moon, R. J., Harvey, N. C., Cooper, C. The impact of fragility fracture and approaches to osteoporosis risk assessment worldwide. Bone. 104, 29-38 (2017).
- Laurent, M. R., Dedeyne, L., Dupont, J., Mellaerts, B., Dejaeger, M., Gielen, E. Age-related bone loss and sarcopenia in men. Maturitas. 122, 51-56 (2019).
- NOF – Just for men. National Osteoporosis Foundation Available from: https://cdn.nof.org/wp-content/uploads/2015/12/Osteoporosis-Fast-Facts.pdf (2019)
- Williams, S. A., et al. Economic burden of osteoporotic fractures in US managed care enrollees. The American Journal of Managed Care. 26, 142-149 (2020).
- Sheen, J. R., Garla, V. V. Fracture healing overview. StatPearls. , (2021).
- Holmes, D. Closing the gap. Nature. 550, 194-195 (2017).
- Duchamp de Lageneste, O., et al. Periosteum contains skeletal stem cells with high bone regenerative potential controlled by Periostin. Nature Communications. 9, 773 (2018).
- Bahney, C. S., et al. Cellular biology of fracture healing. Journal of Orthopaedic Research. 37, 35-50 (2019).
- Li, Z., et al. Fracture repair requires TrkA signaling by skeletal sensory nerves. Journal of Clinical Investigation. 129, 5137-5150 (2019).
- Colnot, C., Thompson, Z., Miclau, T., Werb, Z., Helms, J. A. Altered fracture repair in the absence of MMP9. Development. 130, 4123-4133 (2003).
- Bonnarens, F., Einhorn, T. A. Production of a standard closed fracture in laboratory animal bone. Journal of Orthopaedic Research. 2, 97-101 (1984).
- Hu, K., Olsen, B. R. Osteoblast-derived VEGF regulates osteoblast differentiation and bone formation during bone repair. Journal of Clinical Investigation. 126, 509-526 (2016).
- Collier, C. D., et al. Characterization of a reproducible model of fracture healing in mice using an open femoral osteotomy. Bone Reports. 12, 100250 (2020).
- Glatt, V., Canalis, E., Stadmeyer, L., Bouxsein, M. L. Age-related changes in trabecular architecture differ in female and male C57BL/6J mice. Journal of Bone and Mineral Research. 22, 1197-1207 (2007).
- Garcia, P., et al. A new technique for internal fixation of femoral fractures in mice: impact of stability on fracture healing. Journal of Biomechanics. 41, 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, 31-38 (2009).
- Garcia, P., et al. Rodent animal models of delayed bone healing and non-union formation: a comprehensive review. European Cells & Materials. 26 (1-12), 12-14 (2013).
- Histing, T., et al. Ex vivo analysis of rotational stiffness of different osteosynthesis techniques in mouse femur fracture. Journal of Orthopaedic Research. 27, 1152-1156 (2009).
- Williams, J. N., Li, Y., Valiya Kambrath, A., Sankar, U. The Generation of closed femoral fractures in mice: A model to study bone healing. Journal of Visualized Experiments. (138), e58122 (2018).
- Haffner-Luntzer, M., et al. A novel mouse model to study fracture healing of the proximal femur. Journal of Orthopaedic Research. 38, 2131-2138 (2020).
