Summary
Qui introduciamo un metodo per valutare le viti transpediciche utilizzando un modello di colonna vertebrale lombare in vivo .
Abstract
La fissazione a vite a pedicella è il gold standard per il trattamento delle malattie spinali. Tuttavia, molti studi hanno riportato la questione dell'allentamento delle viti di peduncolo dopo la chirurgia spinale, che è una preoccupazione grave. Per risolvere questo problema, sono stati esaminati diversi tipi di viti di peduncolo per identificare quelli con buona forza di fissazione e osseointegrazione nell'osso della colonna vertebrale. La colonna vertebrale è una buona alternativa per la colonna vertebrale umana nella valutazione delle viti peduncolari a causa della dimensione anatomica, delle caratteristiche meccaniche e dei costi. Sebbene diversi studi abbiano riportato che le viti di peduncolo sono efficaci nel modello della suina, nessuno studio ha descritto protocolli dettagliati per la valutazione di una vite a peduncolo usando il modello porcino. Qui descriviamo un metodo dettagliato per valutare le viti transpedicolari usando un modello di colonna vertebrale lombare in vivo . I dettagli tecnici per l'anestesia, la chirurgia della colonna vertebrale e il raccolto forniti qui faciliteranno con la valutazione del tModello di fissaggio a vite ranspedrici.
Protocol
Il comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali della Chonbuk National University ha approvato questo studio. Il trattamento, l'uso e la manipolazione degli animali hanno seguito tutte le linee guida e le politiche. Mantenere la sala operatoria a 24 ° C.
1. Anestesia
- Acclimatizzare i maiali in miniatura, di età compresa tra 12 mesi, nell'unità sperimentale per almeno una settimana. Esegui un esame clinico che misura la frequenza respiratoria, il cuore e la temperatura corporea. Non alimentare ogni maiale in miniatura per 12 ore prima della procedura di anestesia.
- Iniettare l'atropina (0,05 mg / kg) e il ketamina (20 mg / kg) / xilaxina (2 mg / kg) nella regione muscolare laterale del muscolo cervicale, dietro l'orecchio, per la premedicazione.
- Dopo la sedazione, applicare strettamente una fascia di gomma intorno alla base dell'orecchio e pulire l'orecchio con l'alcool attivo.
- Posizionare un catetere plastico sopra l'ago nella vena dell'orecchio e rimuovere la fascia di gomma. Verificare che il catetere sia posizionato correttamente. InfluenzaIl catetere con salina eparinizzata e fissare con nastro.
- Per l'intubazione endotracheale, posizionare il maiale in miniatura nella ricostruzione sternale. Con l'aiuto di un assistente, tenere la mascella del maiale con una fionda adatta e aprire la bocca.
- Passare la punta del laringoscopio nella cavità faringea per spostare l'epiglotta dal palato morbido. Utilizzare la punta della lama del laringoscopio per rendere visibili i cavi vocali e far avanzare il tubo endotracheale nella trachea durante la scadenza.
- Sentitevi per un libero passaggio di aria per una corretta intubazione e controllate l'auscultazione del petto per i suoni della respirazione nei lati sinistro e destro del maiale in miniatura.
- Riempire il bracciale con un adeguato volume d'aria del tubo endotracheale in aria utilizzando una siringa da 10 ml e fissare il tubo al muso utilizzando nastro adesivo.
- Fornire una concentrazione del 2,0% di isoflurano, un anestetico per inalazione per anestesia prolungata, attraverso l'endotrTubo di intubazione acheal. Testare i riflessi corneali e palpebrali per confermare l'anestetizzazione e utilizzare unguento sugli occhi per prevenire la secchezza.
- Monitorare il sistema cardiovascolare, il sistema respiratorio e la temperatura corporea durante l'anestesia almeno ogni 5 minuti fino a quando il maiale in miniatura recupera.
- 30 minuti prima della chirurgia della colonna vertebrale, applicare lentamente 30 mg / kg di cefazolina IV, la prima generazione di antibiotici di cefalosporina.
- Amministrare 5-10 ml / kg / h di salina calda (37 ° C) usando una linea IV per mantenere l'omeostasi e fornire 50 μg / kg / min di fentanile per controllare il dolore.
- Dopo la chirurgia della spina, eseguire l'estubazione quando è evidente un forte riflesso di deglutizione.
- Prendi il maiale in miniatura in una stanza e in un monitor fino a ricuperare l'anestesia. Fornire cibo e acqua quando il maiale in miniatura è pienamente consapevole.
- Applicare 3 mg / kg di antibiotico enrofloxacin con 4,4 mg / kg carprofen al giorno per il controllo del dolore durante i primi 3 giorni.
- MoniIl maiale al giorno fino alla rimozione delle suture.
2. Chirurgia della colonna vertebrale
- Autoclave le viti transpedicolari e i sistemi di fissaggio posteriori per la sterilizzazione, seguendo le linee guida del produttore.
- Rasare la parte posteriore del maiale in miniatura, circa 10 cm dal centro verso sinistra o verso destra, utilizzando un rasoio mentre il maiale è in posizione supina. Pulire la pelle con soluzione povidone-iodio e alcool al 70%.
- Fai un'incisione mediana longitudinale dal secondo processo spinoso della colonna lombare alla prima cresta sacrale mediana usando un bisturi. Dissect attraverso il tessuto sottocutaneo e fascia alla punta dei processi spinosi.
- Elevate i muscoli paraspinalini sottoperialmente dalla lamina sottostante usando un ascensore Cobb. Dissect lungo il processo spinoso e lamina limitata ai giunti del facet.
- Aprire la corteccia superficiale del punto di entrata (che è appena inferiore al processo mammillario da L3A L5 su entrambi i lati) con una burr o un rongeur.
- Inserire il perno di guida in un luogo aperto, parallelo alla lastra superiore e ad un angolo di 20 ° rispetto al processo spinoso. Definire il punto di partenza ideale utilizzando i bracci a C oi raggi X postero-anteriori / laterali portatili.
- Inserire una sonda a pedale fino a 25 mm secondo il raggio X. Confermare la traiettoria intraossea completa dalla peduncolo e dalla palpazione del corpo usando un dispositivo di suonatura pedicle.
- Inserire sei viti di peduncolo nel pedone preparato da L3 a L5 finché la testa della vite non è ben posizionata. Puntare l'apertura laterale della testa dell'impianto nella direzione desiderata e allineare la posizione orizzontale con la traiettoria dell'asta.
- Inserire rispettivamente due bacchette su entrambi i lati delle teste a vite. Inserire il manicotto e il dado alla testa della vite di pedice utilizzando una maniglia universale.
- Serrare a fondo il dado con una chiave a filo diritto e stringere saldamente il dado utilizzando una chiave a contatore torcente.
- Confermare le posizioni oLe viti a pedale che utilizzano raggi X posteriori postero-anteriori / laterali.
NOTA: attendere che il maiale in miniatura si svegli e controllare i pattern di andatura e la funzione motore dell'arto posteriore per determinare se una vite è stata impigliata male. - Irrigare il sito di chirurgia con 3 L di salina normale utilizzando una siringa per irrigazione a bulbo con aspirazione.
- Mettere un drenante in silicone nel sito di chirurgia e togliere la punta del silicone. Chiudere i muscoli paraspinal e sottocutanei utilizzando 1,0 suture assorbibili metriche. Chiudere la pelle con suture di nylon non assorbibili di 2,0 metri.
- Disinfettare il sito di sutura con povidone-iodio e applicare una medicazione usando la garza sterilizzata e il nastro.
3. Procedura di raccolta
- A 12 settimane dopo l'intervento, iniettare xilazina (2 mg / kg) e ketamina (10 mg / kg) nella regione muscolare laterale del muscolo cervicale, dietro l'orecchio, per la premedicazione.
- Dopo la sedazione, somministrare 15 mg / kg di KCl direttamente nella vena dell'orecchioCatetere per l'eutanasia.
- Effettuare un'incisione midline longitudinale alla precedente lesione della cicatrice. Disseccare i tessuti molli e i muscoli paraspinal.
- Esponete il processo spinoso delle spine lombari, delle lamelle, delle aste, dei dadi e dei processi trasversali da L3 a L5.
- Rimuovere i dadi usando una chiave e tiranti di coppia. Tagliare lo spazio del disco L2-3 e lo spazio del disco L5-S1 utilizzando una sega oscillante.
- Disseccare entrambi i lati della parte centrale e anteriore della colonna vertebrale L3-5 con un'aspirazione Cobb e una pinza a torre. Dopo la raccolta, se la colonna vertebrale non può essere testata immediatamente, avvolgerla in garza imbevuta di soluzione salina e conservare a -20 ° C.
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Representative Results
Qui viene descritto un protocollo dettagliato per l'anestesia, la chirurgia e il raccolto per la valutazione delle viti transpedicolari utilizzando un modello di colonna vertebrale lombare in vivo . Questo protocollo è adatto a numerose analisi a valle, inclusi i test meccanici ( Figura 1 ), la valutazione micro-CT quantitativa ( Figura 2 ) e l'istologia ( Figura 3 ). La prova meccanica rappresentativa ( figura 1 ) mostra la coppia di torsione massima di estrazione media. Rappresenta la forza di legame tra la vite pedicolare e l'osso utilizzando un manometro meccanico. Sono state valutate tre tipi di viti di peduncolo: non rivestite, idrossiapatite (HA) e rivestite in titanio. I dati sono stati raccolti da 14 viti di peduncolo di ciascuno dei tre gruppi. La coppia di picco torsionale di estrazione media è stata maggiore nel gruppo a vite a pedana con titanio.
Figura 2A ) dimostrano che la regione di interesse (lo spazio interno della lunghezza totale della vite) può essere valutata mediante un programma micro-CT per l'analisi dell'osso Frazione di volume ( Figura 2B1 ), densità della superficie ossea ( Figura 2B2 ), e superficie specifica dell'osso ( Figura 2B3 ). I dati sono stati raccolti da 4 viti a pedale di ciascuno dei tre gruppi.
Un'immagine di istologia rappresentativa ( Figura 3 ) è stata macchiata con il tricromo Goldner. È stata osservata l'interfaccia tra la vite e l'osso della pedana. Il colore rosso indica il tessuto fibroso, mentre il colore blu indica l'osso. Nelle viti di peduncolo non verniciate, il tessuto fibroso è stato osservato all'interfaccia tra la vite pedicolare e l'osso. Nuova formazione ossea è stata trovata all'interfaccia tra i filetti di entrambe le viti di peduncolo con titanio e titanio. Nel tIl gruppo di vite a pedana rivestito in itanium, lo spazio tra i filetti della vite e l'osso sono stati compattati con l'osso ( Figura 3 ).
Figura 1: Analisi meccaniche delle viti pedicole nella colonna vertebrale della porcina. La coppia di torsione massima di estrazione media per la forza di legame tra la vite pedicolare e l'osso è stata misurata con un manometro meccanico. Modificato dal riferimento 6 . I valori sono presentati come la media ± SEM ( n = 14). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Analisi istomorfologiche delle viti pedicole nel POrcina Lombare Spina. ( A ) Le regioni di interesse manuale (ROI) sono state impostate con lo spazio interno della lunghezza totale della vite. ( B ) La frazione del volume osseo, la densità della superficie ossea e la superficie specifica dell'osso sono stati misurati con micro-CT. Modificato dal riferimento 6 . I valori sono presentati come la media ± SEM ( n = 4). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Analisi istologica delle viti pedicole nella colonna vertebrale della porcina. La colorazione tricromica Goldner (x1, x20 e x40) è stata eseguita per osservare l'interfaccia tra la superficie della vite pedicolare e l'osso. Modificato dal riferimento 6 . Barra scala (nero) = 1 mm. Barra di scala (whiTe) = 500 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La valutazione delle viti transpedicolari nella colonna vertebrale richiede molto tempo e fatica. In primo luogo, il maiale in miniatura è un grande animale. Per la cura degli animali e l'anestesia, il ricercatore necessita di un protocollo specializzato. In secondo luogo, la chirurgia dovrebbe mantenere un ambiente simile a quello della chirurgia umana. Lo scopo di valutare le viti di peduncolo nella colonna vertebrale è quello di sviluppare una vite efficiente applicabile agli esseri umani. In terzo luogo, la valutazione della stabilità a lungo termine delle viti transpedicolari richiede circa tre mesi dopo la chirurgia della colonna vertebrale. Di conseguenza, i ricercatori nel settore della fissazione a vite di piede devono uniformare il protocollo eseguendo una pianificazione accurata. Sebbene siano stati eseguiti numerosi studi sulle viti di peduncolo nei modelli di colonna vertebrale, 9 , 10 , 11 nessuno studio ha fornito un protocollo dettagliato per la valutazione delle viti transpedicili usando una lombalina siva in vivoModello di pino.
Anche se non esiste un modello ideale per la colonna vertebrale umana, il modello della colonna vertebrale è un'alternativa dovuta alla natura di questo esperimento e alle dimensioni anatomiche e alle caratteristiche meccaniche della colonna vertebrale. Inoltre, è relativamente poco costoso. McLain et al. 12 hanno confrontato la morfometria della quarta vertebra lombare da esemplari umani, sani, ovini, ovini e cani e ha concluso che i campioni di suini dimostrano diversi vantaggi rispetto ad altri modelli animali in alternativa alla colonna vertebrale umana. Inoltre, la colonna vertebrale quadrupediale del modello porcino è essenzialmente caricata nello stesso modo della colonna vertebrale 8 . Pertanto, la colonna vertebrale è utilizzata come modello alternativo alla colonna vertebrale umana per esperimenti che coinvolgono tecniche di fissazione spinale e strumentazione.
In questo studio abbiamo descritto il metodo dettagliato di anestesia, chirurgia e raccolta nellaLa colonna vertebrale lombare porcina L3-L5 per la valutazione della fissazione a vite della pedina. Molti studi hanno valutato le viti di peduncolo dopo interventi chirurgici spinali multipli 7 , 13 , 14 . In molti casi di malattia degenerativa umana, gli interventi chirurgici della colonna vertebrale vengono eseguiti attraverso una o due fusioni di colonna vertebrale. Ciò significa che due o tre livelli di colonna vertebrale sono utilizzati per la fissazione 15 . Micro-CT per la valutazione della formazione dell'osso attorno alle viti di peduncolo ha un campo di misura limitato. In questo caso, abbiamo utilizzato due viti di controllo per i pedali L3, due viti HA rivestite per i pedali L4 e due viti rivestite in titanio per le pedane L5. Poiché le dimensioni anatomiche delle spine lombari L3-L5 sono quasi uguali a 16 , un confronto tra le viti L3-L5 è più affidabile di un confronto tra le viti a più livelli. Di conseguenza, una fissazione a due o tre livelli di viti di peduncolo nella lombataLa colonna vertebrale è più appropriata rispetto ai fissaggi a più livelli.
Per valutare e confrontare con precisione le viti transpedicolari, occorre tenere presente un punto critico: ogni vite deve trovarsi in una posizione simile sul corpo vertebrale. Tuttavia, la maggior parte dei protocolli per l'impianto delle viti transpedicolari nei modelli animali richiede l'esposizione e la pre-foratura dei pedoni della colonna vertebrale prima di inserire le viti di peduncolo 5 , 13 , 14 . D'altra parte, Upasani et al . Ha proposto un protocollo chirurgico che comprende la determinazione della posizione e delle dimensioni delle viti di peduncolo prima dell'intervento chirurgico utilizzando immagini tomografiche calcolate della colonna vertebrale 2 . Questo protocollo suggerisce l'inserimento di un perno di guida al punto di entrata della vite pedicolare nella colonna lombare. È anche suggerita la definizione della posizione della vite pedonale con braccio a C o raggi X portatiliQuesto protocollo. Inoltre, utilizzando un dispositivo a pedule, è possibile confermare la completa traiettoria intraossea. Questo protocollo può essere utilizzato per determinare il corretto posizionamento delle viti di peduncolo in modo da impedire la cattiva posizione del pedicello. Questo protocollo si basa sulla tecnica di chirurgia spinale umana utilizzata nel nostro ospedale.
Questo metodo ha alcune limitazioni. In primo luogo, l'intervento è stato eseguito con un modello sano di suini. Poiché lo scopo della valutazione delle viti di peduncolo è quello di ridurre le complicazioni nei pazienti con osteoporosi, questo protocollo dovrebbe essere applicato ai modelli della colonna vertebrale osteoporotica per dimostrare l'efficacia delle viti di peduncolo. In secondo luogo, il modello della colonna vertebrale richiede l'acquisto e l'alloggiamento di, come pure l'attrezzatura chirurgica per, maiali. Ciò può aumentare il costo, limitando così il numero di animali che possono essere utilizzati in ciascun gruppo di studio. In terzo luogo, questo studio ha incluso solo i maiali in miniatura di 12 mesi perché erano eAsy per acquisire e gestire. Inoltre, anche se ci sono diversi tipi di dispositivi per la fissazione della colonna vertebrale, solo un protocollo che utilizza un sistema di fissaggio rigido è stato utilizzato qui perché è il più comunemente utilizzato nella chirurgia della colonna vertebrale.
In conclusione, un modello porcino di fissazione a vite a pedone fornisce una piattaforma clinica chiave per studiare tecniche di fissazione efficienti che causano minori complicazioni nei pazienti con osteoporosi. Questo protocollo fornisce dettagli tecnici per l'anestesia, la chirurgia e la raccolta in un modello di colonna vertebrale lombare. Questo faciliterà la valutazione della fissazione a vite con transpedicazione utilizzando questo modello.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a che fare con questo documento per rivelare.
Acknowledgments
Questo studio è stato sostenuto da una sovvenzione (CNUH-BRI-2012-02-005) finanziata dall'Istituto di Ricerca Biomedica dell'ospedale universitario di Chonbuk (CNUH-BRI), Repubblica di Corea.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miniature pig | OrientBio | ||
| Atropine | Jeil pharmaceutical | A04900241 | Anesthesia |
| Over-the needle plastic catheter | BD | REF382412 | Maintenance of IV line |
| Ketamine | Yuhan | A04502441 | Anesthesia |
| Xylazine | Bayer Korea | A00800071 | Anesthesia |
| Laryngoscope | Karl storz | Intubation | |
| Endotracheal tube | Covidien | Intubation | |
| Isoflurane | JW pharmaceutical Co | A02104781 | Anesthesia |
| Eye ointment | Hanlim pharma | A37851721 | Protection of pig's eye |
| Cefazolin | Donga pharma | A01503951 | Antibiotics |
| Saline | JW pharmaceutical Co | A02151392 | Maintenance of fluid homeostasis |
| Fentanyl | Hana pharm | C03200032 | Pain control |
| Enrofloxacin | Bayer | 93106-60-6 | Antibiotics |
| Morphine | Myungmoon pharma | C03700091 | Pain control |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | A07600711 | Antibiotics |
| Povidone-iodine | Hyundai pharma | Wound dressing | |
| Scalpel blade size 15 | Braun | I1 BB515 | Skin incision |
| Cobb elevator | Codman | 65-2546 | Dissection of muscle |
| Burr | Medtronic | Making of starting point of screw | |
| Rongeur | Aesculap | FO515R | Making of starting point of screw |
| Guide pin (K-wire) | CE | 01067803 | Guidance of screw trajectory |
| C-arm | GE | OEC 9800 plus | Guidance of screw trajectory |
| Portable X-ray | Siemens | Mobile XP hybrid | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle probe | OtisBiotech | SPI-02-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle sounding device | OtisBiotech | SPI-03-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle screw | OtisBiotech | MS-40025 | |
| Posterior fixator systems | OtisBiotech | ||
| Rod | OtisBiotech | ROD-60140 | Rigid fixation between screws |
| Universal handle | OtisBiotech | SPI-08-01 | To fix the screws to the rod |
| Straight socket wrench | OtisBiotech | SPI-06-01 | To fix the screws to the rod |
| counter torque wrench | OtisBiotech | SPI-07-01 | To fix the screws to the rod |
| Bulb irrigation syringe | Hyupsug medical | HS-IR-140 | Irrigation |
| Silicone drain | Sewon medical | 2205-006 | To drain the fluid at the surgical site |
| 3.0 metric absorbable suture | Ethicon | BA1673H | Muscle suture |
| 2.0 metric nonabsorbable nylon suture | Ethicon | W1626T | Skin suture |
| Gauze | Kingphar Korea | KP120-06 | |
| Pentobarbital | Hanlim pharma | 645301221 | Euthanasia |
| Oscillating saw | Zimmer | Harvest spine | |
| Tower forceps | Aesculap | BF461R | Harvest spine |
References
- Greenfield, R. T., Grant, R. E., Bryant, D. Pedicle screw fixation in the management of unstable thoracolumbar spine injuries. Orthop Rev. 21 (6), 701-706 (1992).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Halvorson, T. L., Kelley, L. A., Thomas, K. A., Whitecloud, T. S., Cook, S. D. Effects of bone mineral density on pedicle screw fixation. Spine. 19 (21), 2415-2420 (1994).
- Weinstein, J. N., Spratt, K. F., Spengler, D., Brick, C., Reid, S. Spinal pedicle fixation: reliability and validity of roentgenogram-based assessment and surgical factors on successful screw placement. Spine. 13 (9), 1012-1018 (1988).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Kim, D. Y., et al. Evaluation of Titanium-Coated Pedicle Screws: In Vivo Porcine Lumbar Spine Model. World Neurosurg. 91, 163-171 (2016).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Smit, T. H. The use of a quadrupted as an in vivo model for the study of the spine-biomechanical considrations. Eur Spine J. 11 (2), 137-144 (2002).
- Aldini, N. N., et al. Pedicular fixation in the osteoporotic spine: a pilot in vivo study on long-term ovariectomized sheep. J Orthop Res. 20 (6), 1217-1224 (2002).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Branemark, R., Ohrnell, L. O., Skalak, R., Carlsson, L., Branemark, P. I. Biomechanical characterization of osseointegration: an experimental in vivo investigation in the beagle dog. J Orthop Res. 16 (1), 61-69 (1998).
- McLain, R. F., Yerby, S. A., Moseley, T. A. Comparative morphometry of L4 vertebrae: comparison of large animal models for the human lumbar spine. Spine. 27 (8), E200-E206 (2002).
- Giavaresi, G., et al. In vivo preclinical evaluation of the influence of osteoporosis on the anchorage of different pedicle screw designs. Eur Spine J. 20 (8), 1289-1296 (2011).
- Hasegawa, T., et al. Hydroxyapatite-coating of pedicle screws improves resistance against pull-out force in the osteoporotic canine lumbar spine model: a pilot study. Spine J. 5 (3), 239-243 (2005).
- Smorgick, Y., et al. Single- versus multilevel fusion for single-level degenerative spondylolisthesis and multilevel lumbar stenosis: four-year results of the spine patient outcomes research trial. Spine. 38 (10), 797-805 (2013).
- Busscher, I., Ploegmakers, J. J., Verkerke, G. J., Veldhuizen, A. G. Comparative anatomical dimensions of the complete human and porcine spine. Eur Spine J. 19 (7), 1104-1114 (2010).
