Utveckling och utvärdering av en råttmodell av broskdefekter i fulltjocklek
Summary
Detta protokoll etablerar en FTCD-modell (full-thickness cartilage defects) genom att borra hål i lårbensspåret hos råttor och mäta efterföljande smärtbeteende och histopatologiska förändringar.
Abstract
Broskdefekter i knäleden orsakade av trauma är en vanlig idrottsledskada i kliniken, och dessa defekter resulterar i ledvärk, nedsatt rörelse och så småningom knäartros (kOA). Det finns emellertid liten effektiv behandling för broskdefekter eller till och med kOA. Djurmodeller är viktiga för att utveckla terapeutiska läkemedel, men de befintliga modellerna för broskdefekter är otillfredsställande. Detta arbete etablerade en FTCD-modell (full-thickness cartilage defects) genom att borra hål i lårbensspåret hos råttor, och det efterföljande smärtbeteendet och histopatologiska förändringar användes som avläsningsexperiment. Efter operationen sänktes den mekaniska abstinenströskeln, kondrocyter på det skadade stället förlorades, matrismetalloproteinas MMP13-uttryck ökades och kollagenuttryck av typ II minskade, i överensstämmelse med de patologiska förändringar som observerats vid humana broskdefekter. Denna metod är enkel och enkel att utföra och möjliggör grov observation omedelbart efter skadan. Dessutom kan denna modell framgångsrikt efterlikna kliniska broskdefekter, vilket ger en plattform för att studera den patologiska processen för broskdefekter och utveckla motsvarande terapeutiska läkemedel.
Introduction
Ledbrosk är en mycket differentierad och tät vävnad bestående av kondrocyter och extracellulär matris1. Ytskiktet av ledbrosk är en form av hyalinbrosk, som har en slät yta, låg friktion, god styrka och elasticitet och utmärkt mekanisk spänningstolerans2. Den extracellulära matrisen består av kollagenproteoglykan och vatten, och kollagen av typ II är den huvudsakliga strukturella komponenten i kollagenet, eftersom det står för cirka 90% av det totala kollagenet3. Eftersom inga blodkärl eller nerver finns i broskvävnad saknar den förmågan att självreparera efter skada4. Därför har broskdefekter orsakade av trauma alltid varit en svårbehandlad ledsjukdom i kliniker; Dessutom tenderar denna ledsjukdom att slå unga människor, och den globala förekomsten ökar 5,6. Knäleden är den vanligaste platsen för broskdefekter, och defekter här åtföljs av ledvärk, leddysfunktion och ledbroskdegeneration, vilket så småningom leder till knäartros (kOA)7. Broskdefekter i knäleden medför ekonomiska och fysiologiska bördor för patienterna och påverkar allvarligt patienternas livskvalitet8. Denna sjukdom utgör en stor och akut klinisk utmaning utan överhängande lösningar. För närvarande är kirurgi grundpelaren i behandlingen av broskdefekter, men dess långsiktiga resultat är fortfarande otillfredsställande9.
Kliniska broskdefekter leder så småningom till kOA, och därför används kOA-djurmodeller ofta för patologisk studie av broskdefekter och läkemedelsutveckling. Upprättandet av djurmodeller är viktigt för att förstå den patofysiologiska processen för reparation av broskdefekter, som kan användas för att observera broskregenerering och förändringen mellan fibrobrosk och hyalinbrosk10. Vanligt förekommande kOA-djurmodeller, såsom kirurgiska modeller av främre korsbandstranssektion (ACLT), destabilisering av medial menisk (DMM), ovariektomi (OVX) och Hulth, behöver dock vanligtvis långsiktig modellering och tillåter endast patologiska och smärtutvärderingar, vilket medför begränsningar för effektiviteten av läkemedelsutveckling11. Förutom de kirurgiska modellerna resulterar kemiska modeller, såsom monojodacetat (MIA) och papaininjektion, också i broskdefekter, men graden av defekten kan inte hanteras väl och förhållandena är långt ifrån den kliniska verkligheten11. Kollision är ett annat tillvägagångssätt för att modellera broskdefekter hos större djur, men denna metod beror på användningen av specifika instrument och tillämpas sällan12.
Sammanfattningsvis är de befintliga kOA-modellerna inte idealiska för att studera patogenesen av broskdefekter eller utveckla nya läkemedel, och en specifik och standardiserad modell för broskdefekter behövs. Denna studie etablerade en FTCD-modell (full-thickness cartilage defects) genom att borra hål i lårbensspåret hos råttor. Grov observation, smärtbeteendetester och histopatologisk analys utfördes för modellutvärdering. Till skillnad från andra djurmodeller av kOA har denna modell liten effekt på råttornas allmäntillstånd. Denna modelleringsmetod är tillgänglig, kan hanteras väl och stöder förståelsen av progression från broskdefekter till kOA och utvecklingen av effektiva terapier. Denna modell kan också användas för att testa terapier som förhindrar kOA genom att läka defekter i pre-osteoartritiska leder.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie beskriver en djurmodell för att efterlikna kliniska broskdefekter genom att borra hål i lårbensspåret hos råttor (kompletterande figur 1). Efter broskskada förbättras excitabiliteten eller lyhördheten hos perifera nociceptorer, vilket kan resultera i en minskning av smärtgränsen och förbättring av respons på stimulering18. I prekliniska studier har modellering av broskdefekter hos olika djurarter alltid orsakat smärta19…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie stöddes av Zhejiang Natural Science Foundation (bidragsnummer LQ20H270009), Natural Science Foundation of China (bidragsnummer 82074464 och 82104890), Zhejiang Traditional Chinese Medical Science Foundation (bidragsnummer 2020ZA039, 2020ZA096 och 2022ZB137) och Medical Health Science and Technology Project of Zhejiang Provincial Health Commission (bidragsnummer 2016KYA196).
Materials
| 3, 3 '-diaminobenzidine | Hangzhou Zhengbo Biotechnology Co., Ltd. | ZLI-9019 | The dye for IHC staining |
| Anti-Collagen III antibody | Novus | NB600-594 | Primary antibody for IHC |
| Anti-Collagen II antibody | Abcam (UK) | 34712 | Primary antibody for IHC |
| Anti-Collagen I antibody | Novus | NB600-408 | Primary antibody for IHC |
| Bouin solution | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Celestite blue | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Corncob paddings | Xiaohe Technology Co., Ltd | Bedding for animal | |
| Eosin | Sigma-Aldrich | 861006 | The dye for HE staining |
| Fast Green FCF | Sigma-Aldrich | F7252 | The dye for SO staining |
| Goat anti-mouse antibody | ZSGQ-BIO (Beijing, China) | PV-9002 | Secondary antibody for IHC |
| Goat anti-rabbit antibody | ZSGQ-BIO (Beijing, China) | PV-9001 | Secondary antibody for IHC |
| Hematoxylin | Sigma-Aldrich | H3163 | The dye for HE staining |
| Masson | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Microdrill | Rwd Life Science Co., Ltd | 78001 | Equipment for surgery |
| MMP13 | Cell Signaling Technology, Inc. (Danvers, MA, USA) | 69926 | Primary antibody for IHC |
| Modular tissue embedding center | Thermo Fisher Scientific (USA) | EC 350 | Produce paraffin blocks |
| Neutral resin | Hangzhou Zhengbo Biotechnology Co., Ltd. | ZLI-9555 | Seal for IHC |
| Nonabsorbable suture | Hangzhou Huawei Medical Supplies Co.,Ltd. | 4-0 | Equipment for surgery |
| Pentobarbital sodium | Hangzhou Zhengbo Biotechnology Co., Ltd. | WBBTN5G | Anesthetized animal |
| phosphomolybdic acid | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Ponceau fuchsin | Shanghai Yuanye Technology Co., Ltd. | R20381 | The dye for Masson staining |
| Rotary and Sliding Microtomes | Thermo Fisher Scientific (USA) | HM325 | Precise paraffin sections |
| Safranin-O | Sigma-Aldrich | S2255 | The dye for SO staining |
| Scalpel blade | Shanghai Lianhui Medical Supplies Co., Ltd. | 11 | Equipment for surgery |
| Sodium citrate solution (20x) | Hangzhou Haoke Biotechnology Co., Ltd. | HK1222 | Antigen retrieval for IHC |
| Sprague Dawley (SD) rats | Shanghai Slake Experimental Animal Co., Ltd. | SD | Experimental animal |
| Tissue-Tek VIP 5 Jr | Sakura (Japan) | Vacuum Infiltration Processor | |
| Toluidine Blue | Sigma-Aldrich | 89640 | The dye for TB staining |
| Von Frey filament | UGO Basile (Italy) | 37450-275 | Equipment for MWT assay |
| Wire mesh platform | Shanghai Yuyan Instruments Co.,Ltd. | Equipment for MWT assay |
References
- Zhang, Z. Chondrons and the pericellular matrix of chondrocytes. Tissue Engineering. Part B, Reviews. 21 (3), 267-277 (2015).
- Correa, D., Lietman, S. A. Articular cartilage repair: Current needs, methods and research directions. Seminars in Cell & Developmental Biology. 62, 67-77 (2017).
- Kuo, S. M., Wang, Y. J., Weng, C. L., Lu, H. E., Chang, S. J. Influence of alginate on type II collagen fibrillogenesis. Journal of Materials Science. Materials in Medicine. 16 (6), 525-531 (2005).
- Li, M., et al. The immune microenvironment in cartilage injury and repair. Acta Biomaterialia. 140, 23-42 (2022).
- Epanomeritakis, I. E., Lee, E., Lu, V., Khan, W. The use of autologous chondrocyte and mesenchymal stem cell implants for the treatment of focal chondral defects in human knee joints-A systematic review and meta-analysis. International Journal of Molecular Sciences. 23 (7), 4065 (2022).
- Jiang, Y. H., et al. Cross-linking methods of type I collagen-based scaffolds for cartilage tissue engineering. American Journal of Translational Research. 14 (2), 1146-1159 (2022).
- Southworth, T. M., Naveen, N. B., Nwachukwu, B. U., Cole, B. J., Frank, R. M. Orthobiologics for focal articular cartilage defects. Clinics in Sports Medicine. 38 (1), 109-122 (2019).
- Chen, Z., et al. Kindlin-2 promotes chondrogenesis and ameliorates IL-1beta-induced inflammation in chondrocytes cocultured with BMSCs in the direct contact coculture system. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2022, 3156245 (2022).
- Richter, D. L., Schenck, R. C., Wascher, D. C., Treme, G. Knee articular cartilage repair and restoration techniques: A review of the literature. Sports Health. 8 (2), 153-160 (2016).
- Tessaro, I., et al. Animal models for cartilage repair. Journal of Biological Regulators and Homeostatic Agents. 32 (6), 105-116 (2018).
- Kim, J. E., Song, D. H., Kim, S. H., Jung, Y., Kim, S. J. Development and characterization of various osteoarthritis models for tissue engineering. PLoS One. 13 (3), e0194288 (2018).
- Mrosek, E. H., et al. Subchondral bone trauma causes cartilage matrix degeneration: An immunohistochemical analysis in a canine model. Osteoarthritis and Cartilage. 14 (2), 171-178 (2006).
- Ralphs, J. R., Benjamin, M., Thornett, A. Cell and matrix biology of the suprapatella in the rat: A structural and immunocytochemical study of fibrocartilage in a tendon subject to compression. Anatomical Record. 231 (2), 167-177 (1991).
- Jin, Y., et al. A somatosensory cortex input to the caudal dorsolateral striatum controls comorbid anxiety in persistent pain. Pain. 161 (2), 416-428 (2020).
- Zhanmu, O., Yang, X., Gong, H., Li, X. Paraffin-embedding for large volume bio-tissue. Scientific Reports. 10 (1), 12639 (2020).
- Mankin, H. J., Dorfman, H., Lippiello, L., Zarins, A. Biochemical and metabolic abnormalities in articular cartilage from osteo-arthritic human hips. II. Correlation of morphology with biochemical and metabolic data. Journal of Bone and Joint Surgery. American Volume. 53 (3), 523-537 (1971).
- Levey, A. I., et al. A light and electron microscopic procedure for sequential double antigen localization using diaminobenzidine and benzidine dihydrochloride. Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 34 (11), 1449-1457 (1986).
- Pace, M. C., et al. Neurobiology of pain. Journal of Cellular Physiology. 209 (1), 8-12 (2006).
- Zhang, X., et al. Magnetic nanocarriers as a therapeutic drug delivery strategy for promoting pain-related motor functions in a rat model of cartilage transplantation. Journal of Materials Science. Materials in Medicine. 32 (4), 37 (2021).
- Siebold, R., Suezer, F., Schmitt, B., Trattnig, S., Essig, M. Good clinical and MRI outcome after arthroscopic autologous chondrocyte implantation for cartilage repair in the knee. Knee Surgery, Sports Traumatology, Arthroscopy. 26 (3), 831-839 (2018).
- Katagiri, H., Mendes, L. F., Luyten, F. P. Definition of a critical size osteochondral knee defect and its negative effect on the surrounding articular cartilage in the rat. Osteoarthritis and Cartilage. 25 (9), 1531-1540 (2017).
- Farnham, M. S., Larson, R. E., Burris, D. L., Price, C. Effects of mechanical injury on the tribological rehydration and lubrication of articular cartilage. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 101, 103422 (2020).
- Wu, L., et al. Lysophosphatidic acid mediates fibrosis in injured joints by regulating collagen type I biosynthesis. Osteoarthritis and Cartilage. 23 (2), 308-318 (2015).
- Chu, C. R., Szczodry, M., Bruno, S. Animal models for cartilage regeneration and repair. Tissue Engineering. Part B, Reviews. 16 (1), 105-115 (2010).
- Murphy, M. P., et al. Articular cartilage regeneration by activated skeletal stem cells. Natural Medicines. 26 (10), 1583-1592 (2020).
