Un modèle d’impact cartilagineux reproductible pour générer de l’arthrose post-traumatique chez le lapin

Summary

Le modèle d’impact du condyle fémoral médial ouvert chez le lapin est fiable pour l’étude de l’arthrose post-traumatique (PTOA) et de nouvelles stratégies thérapeutiques pour atténuer la progression de la PTOA. Ce protocole génère un défaut cartilagineux isolé du condyle fémoral médial postérieur chez le lapin à l’aide d’une tour de chute basée sur un chariot avec une tête d’impacteur.

Abstract

L’arthrose post-traumatique (PTOA) est responsable de 12% de tous les cas d’arthrose aux États-Unis. La PTOA peut être déclenchée par un seul événement traumatique, tel qu’une charge d’impact élevée agissant sur le cartilage articulaire, ou par une instabilité articulaire, comme cela se produit avec la rupture du ligament croisé antérieur. À l’heure actuelle, il n’existe aucun traitement efficace pour prévenir la PTOA. La mise au point d’un modèle animal fiable de PTOA est nécessaire pour mieux comprendre les mécanismes par lesquels les lésions cartilagineuses se produisent et pour étudier de nouvelles stratégies de traitement afin d’atténuer ou de prévenir la progression de la PTOA. Ce protocole décrit un modèle d’impact de condyle fémoral de lapin basé sur une tour de chute ouverte pour induire des dommages au cartilage. Ce modèle a fourni des charges de pointe de 579,1 ± 71,1 N et des contraintes de pointe de 81,9 ± 10,1 MPa avec un temps de charge de pointe de 2,4 ± 0,5 ms. Le cartilage articulaire des condyles fémoraux médians (CMF) inclus présentait des taux plus élevés de cellules apoptotiques (p = 0,0058) et présentait des scores plus élevés de 3,38 ± 1,43 par rapport aux CMF controlatérales non incluses (0,56 ± 0,42) et aux autres surfaces cartilagineuses du genou touché (p < 0,0001). Aucune différence dans les scores OARSI n’a été détectée entre les surfaces articulaires non impactées (p > 0,05).

Introduction

L’arthrose post-traumatique est l’une des principales causes d’invalidité dans le monde et représente 12 à 16 % des arthroses symptomatiques1^. L’étalon-or actuel pour la prise en charge de l’arthrose terminale est l’arthroplastie totale du genou et de la hanche² ou arthrodèse, comme dans le cas de l’arthrite tibiotalienne ou sous-talienne terminale. Bien qu’elle soit largement couronnée de succès, l’arthroplastie peut entraîner des complications coûteuses et morbides³. De plus, l’arthroplastie est moins souhaitable chez les patients de moins de 50 ans, étant donné le faible taux de survie sans révision de l’implant de 77 % à 83 %^4,5. À l’heure actuelle, il n’existe aucun traitement approuvé par la FDA pour prévenir ou atténuer la progression de la PTOA.

La PTOA affecte l’ensemble de l’articulation, y compris le tissu synovial, l’os sous-chondral et le cartilage articulaire. Elle se caractérise par une dégénérescence du cartilage articulaire, une inflammation synoviale, un remodelage osseux sous-chondral et la formation d’ostéophytes ^6,7. Le phénotype de la PTOA se développe via un processus complexe d’interaction entre le cartilage, la synoviale et l’os sous-chondral. La compréhension actuelle est que les lésions cartilagineuses conduisent à la libération de composants de la matrice extracellulaire (MEC) tels que le collagène de type 2 (COL2) et l’aggrécan (ACAN). Ces fragments de composants de l’ECM sont pro-inflammatoires et provoquent une production accrue d’IL-6, d’IL-1β et d’espèces réactives de l’oxygène. Ces médiateurs agissent sur les chondrocytes, provoquant une régulation à la hausse des métalloprotéinases matricielles (MMP), telles que MMP-13, qui dégradent le cartilage articulaire tout en diminuant la synthèse matricielle, conduisant à un environnement catabolique global pour le cartilage articulaire⁸. De plus, il existe des preuves d’une augmentation de l’apoptose des chondrocytes dans l’arthrose primaire et la PTOA ^9,10. Le dysfonctionnement mitochondrial survient après une charge supraphysiologique du cartilage 11,12,13,14, ce qui peut entraîner une augmentation de l’apoptose des chondrocytes ^12,15. L’amélioration de l’apoptose des chondrocytes a été associée à une augmentation de l’épuisement des protéoglycanes et du catabolisme cartilagineux et il a été démontré qu’elle précède les changements dans le cartilage et le remodelage osseux sous-chondral^16,17,18.

Comme pour la plupart des maladies humaines, des modèles fiables et translationnels de PTOA sont nécessaires pour mieux comprendre la physiopathologie de la maladie et tester de nouvelles thérapies. Les grands animaux tels que les porcs et les canidés ont été utilisés dans les modèles de fracture intra-articulaire et d’impact de PTOA^17,19, mais ils sont coûteux. Les modèles animaux plus petits, tels que les souris, les rats et les lapins, sont moins coûteux et sont utilisés pour étudier la PTOA générée par la déstabilisation articulaire, qui implique généralement une section chirurgicale du ligament croisé antérieur (LCA) et/ou une rupture du ménisque médial 20,21,22,23,24,25. Bien que les traumatismes articulaires puissent entraîner diverses conséquences, y compris une lésion ligamentaire²⁶, une surcharge mécanique du cartilage se produit dans presque tous les cas.

Il existe de nouvelles preuves que la pathologie à l’origine du développement de la PTOA après une instabilité ligamentaire (comme dans la transection du LCA) et une lésion chondrale aiguë est due à des mécanismes distincts²⁷. Par conséquent, il est important de développer des modèles de lésions directes du cartilage. Il existe actuellement un nombre limité de modèles d’impact générant des lésions ostéochondrales ou chondrales chez le rat et la souris^28,29. Cependant, le cartilage murin n’est pas bien adapté pour générer des défauts chondrals isolés. En effet, le cartilage articulaire murin n’a que 3 à 5 couches cellulaires d’épaisseur et n’a pas de zones cartilagineuses superficielles, radiales et transitionnelles organisées, ainsi que l’épaisse couche de cartilage calcifié que l’on trouve chez les humains et les animaux de plus grande taille. Les modèles murins présentent également une résolution spontanée des défauts partiels du cartilage^30,31. Par conséquent, nous avons choisi le lapin pour ce modèle d’impact car l’épaisseur et l’organisation de son cartilage sont similaires à celles des humains, et c’est le plus petit modèle animal qui permettra de délivrer un impact chondral cohérent qui se traduit par une PTOA. Des modèles chirurgicaux ouverts antérieurs d’impact sur le condyle fémoral chez le lapin ont utilisé un pendule³², un dispositif d’impaction cartilagineux à ressort portatif 33 et une tour de chute qui a permis la création d’impacteurs spécifiques au lapin³⁴. Cependant, ces études manquaient de données in vivo. D’autres ont rapporté des données in vivo avec des dispositifs d’impact à pendule³⁵, pneumatiques 36 et à ressort^{37 10}, et ces études montrent un taux élevé de variabilité des taux de contrainte et de charge de pointe entre les méthodes. Pourtant, le domaine manque d’une approche cohérente pour modéliser de manière fiable les traumatismes cartilagineux aigus in vivo.

Le protocole actuel utilise un système basé sur une tour de chute pour fournir un impact constant sur le condyle médial postérieur du genou du lapin. Une approche postérieure du genou est utilisée pour exposer le condyle fémoral médial postérieur. Une broche Steinman est ensuite placée sur les condyles fémoraux, de la partie médiale à la partie latérale, dans l’alignement de la surface articulaire, et fixée à la plate-forme. Une fois fixée, une charge est délivrée au condyle fémoral médial postérieur. Cette méthode permet d’acheminer des lésions cartilagineuses constantes vers la surface portante du fémur distal du lapin.

Protocol

La procédure suivante a été réalisée avec l’approbation du Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux (IACUC) de l’École de médecine de l’Université de l’Indiana. Toutes les chirurgies de survie ont été effectuées dans des conditions stériles, comme le soulignent les directives du NIH. Les risques de douleur et d’infection ont été gérés avec des analgésiques et des antibiotiques appropriés pour optimiser les résultats positifs. Des lapins blancs de Nouvelle-Zélande mâles…

Representative Results

Le succès de cette intervention a été surveillé immédiatement après l’impact par la visualisation du condyle par le chirurgien (figure 4A) et par radiographie pour s’assurer qu’aucune fracture ne s’est produite (figure 4B). Il existe un risque de rupture d’impact conduisant à une fracture peropératoire du condyle. Cela était généralement dû à un mauvais placement des broches Steinman (Figure 5). En utilisant c…

Discussion

Cette intervention chirurgicale vise à générer des lésions cartilagineuses constantes sur la surface portante du condyle fémoral médial du lapin dans un modèle de PTOA. L’un des avantages de cette procédure est que l’approche postérieure du genou permet une visualisation directe du condyle fémoral médial postérieur complet, et qu’elle peut être réalisée en environ 37 minutes (tableau 2). Il convient également de noter qu’il s’agit d’un modèle de blessure ouverte et qu’il pe…

Materials

Flat head screw	McMaster-Carr	92210A194	Stainless steel hex drive flat head screw, 8-32, 1/2"
#15 scalpel blades	McKesson	1029066	Scalpel McKesson No. 15 Stainless Steel / Plastic Classic Grip Handle Sterile Disposable
1/2”-20 threaded rod	McMaster-Carr	99065A120	1/2”-20 threaded rod
10 mL syringe	McKesson	1031801	For irrigation; General Purpose Syringe McKesson 10 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety
3 mL syringe	McKesson	1031804	For lidocaine/bupiviacaine injection; General Purpose Syringe McKesson 3 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety.
3-0 polysorb	Ethicon	J332H	3-0 Vircryl, CT-2, 1/2 circle, 26 mm, tapered
4-0 monosorb	Ethicon	Z397H	4-0 PDS 2, FS-2, 3/8 circle, 19mm, cutting edge
5-0 polysorb	Med Vet International	NC9335902	Med Vet International 5-0 ETHICON COATED VICRYL C-3
Accelerometer	Kistler	8743A5	Accelerometer
Adson-Browns Forceps	World precision tools	500177	Adson-Brown Forceps, 12 cm, Straight, TC Jaws, 7 x 7 Teeth
Alfaxalone	Jurox	49480-002-01	Alfaxan Multidose by Jurox : 10 mg/mL
Buprenorphine	Par Pharmaceuticals	42023-0179-05	Buprenorphine HCL injection: 0.3 mg/mL
Butorphanol	Zoetis	54771-2033	Butorphanol tartrate 10mg/ml by Zoetis
Chlorhexidine Hand Scrub	BD	371073	BD E-Z Scrub 107 Surgical Scrub Brush/Sponge, 4% CHG, Red
Collet	STRYKER	14023	Stryker 4100-62 wire Collet 0.28-0.71''
Cordless Driver handpiece	STRYKER	OR-S4300	Stryker 4300 CD3 Cordless Driver 3 handpiece
Cricket Retractors	Novosurgical	G3510 21	2x Heiss (Holzheimer) Cross Action Retractor
Dissector Scissors	Jorvet labs	J0662	Aesculap AG, Metzenbaum, Scissors, Straight 5 3/4″
Elizabethian Collar	ElizaSoft	62054	ElizaSoft Elizabethan Recovery Collar
Enrofloxacin	Custom Meds		Enrofloxacin compounded by Custom Meds
Eye Ointment	Pivetal	46066-753-55	Pivetal Articifical Tears- recently recalled
Face-mount shaft collar	McMaster-Carr	5631T11	Face-mount shaft collar
Fast green	Millipore Sigma	F7258	Fast green
Freer	Jorvet labs	J0226Q	Freer elevator
Head screw -1	McMaster-Carr	91251A197	Black-oxide alloy steel socket head screw, 8-32, 3/4"
Head screw -2	McMaster-Carr	92196A194	Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2"
Head screw -3	McMaster-Carr	92196A146	Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2"
Head screw -4	McMaster-Carr	92196A151	Stainless steel socket head screw, 6-32, 3/4"
Hematoxylin Solution, Gill No. 1	Millipore Sigma	GHS132-1L	Hematoxylin Solution, Gill No. 1
Hex nut	McMaster-Carr	91841A007	Stainless steel hex nut, 6-32
Hold-down toggle clamp	McMaster-Carr	5126A71	Hold-down toggle clamp
Impact device	n/a	n/a	custom made
Impact platform	n/a	n/a	custom made
K-wires	Jorvet Labs	J0250A	JorVet Intramedullary Steinman Pins, Trocar-Trocar 1/16" x 7"
Lab View	National Instruments	n/a	n/a
Load cell	Kistler	9712B5000	Load cell
MATLAB	The MathWorks Inc.	n/a	n/a
Microscope	Leica	DMi-8	Leica DMi8 microscope with LAS-X software
Midazolam	Almaject	72611-749-10	Midazolam Hydrochloride injection: 5mg/ml by Almaject
milling machine depth stops	McMaster-Carr	2949A71	Clamp-on milling machine depth stops
Mobile C-arm	Philips	718095	BV Pulsera, Mobile C-arm
Mounted linear ball bearing	McMaster-Carr	9338T7	Mounted linear ball bearing
Needle Driver	A2Z Scilab	A2ZTCIN39	TC Webster Needle Holder Smooth Jaws 5", Premium
Pentobarbital	Vortech	0298-9373-68	Pentobarbital 390 mg/mL by Vortech
Safranin O	Millipore Sigma	HT90432	Safranin O
Small Battery pack	STRYKER	NS014036	6212 Small Battery pack- 9.6 V
Steel rod, 2’	McMaster-Carr	89535K25	Steel rod, 2’
Sterile Saline	ICU Medical	6139-22	AquaLite Solution Pour Bottles, 250 mL
Stryker 6110-120 System 6 Battery Charger	STRYKER	OR-S6110-120
Surgical gloves	McKesson	1044729	Surgical Glove McKesson Perry Size 6.5 Sterile Pair Latex Extended Cuff Length Smooth Brown Not Chemo Approved
Surgical gown	McKesson	1104452	Non-Reinforced Surgical Gown with Towel McKesson Large Blue Sterile AAMI Level 3 Disposable
Suture scissors	Jorvet Labs	J0910SA	Super Cut Scissors, Mayo, Straight, 5 1/2″
TUNEL staining kit	ABP Bioscience	A049	TUNEL Chromogenic Apoptosis Detection Kit
Weitlaner Retractors	Fine Science Tools	17012-11	2x Weitlaner-Locktite Retractors