本文介绍了一种人为造成Wistar白化大鼠股骨干骨折并观察骨痂形成过程的实验方案。该股骨截骨模型可帮助研究人员评估骨折愈合过程,并研究药物对骨折愈合的影响。
本文介绍了一种人为造成Wistar白化大鼠股骨干骨折并观察骨痂形成过程的实验方案。该股骨截骨模型可帮助研究人员评估骨折愈合过程,并研究药物对骨折愈合的影响。
骨折愈合是一个生理过程,通过成骨细胞和破骨细胞的协同作用实现骨缺损的再生。促骨形成药物具有促进骨折修复的潜力,但存在成本高或不良副作用等限制。一种药物的骨愈合潜力最初可通过体外(in vitro)研究来确定,但最终的概念验证仍需体内(in vivo)研究。我们的目标是建立一种股骨截骨啮齿类动物模型,以帮助研究人员理解股骨干骨折后骨痂形成的发育过程,并可用于评估潜在药物是否具有促进骨愈合的特性。实验采用经机构动物伦理委员会批准后的成年雄性Wistar白化大鼠。在无菌条件下对啮齿动物进行麻醉,通过开放性截骨术在股骨干中段三分之一处制造完全的横行骨折。骨折复位后,采用髓内克氏针进行内固定,允许发生继发性骨折愈合。术后给予腹腔注射镇痛药和抗生素,持续5天。通过连续每周的X光片评估骨痂形成情况。根据放射学预先确定的时间点处死大鼠,并通过放射学和免疫组织化学方法分析骨折骨痂的发育情况。
骨是一种致密的结缔组织,由成骨细胞(osteoblasts)和破骨细胞(osteoclasts)组成。骨折愈合是一个生理过程,通过成骨细胞与破骨细胞的协同作用实现骨缺损的再生1。当发生骨折时,骨折部位的成骨和破骨活动是决定骨愈合的重要因素之一2。当骨折愈合偏离正常过程时,会导致延迟愈合、畸形愈合或骨不连。若骨折在9个月内未实现骨性连接,并且在最近3个月内无任何修复进展,则定义为骨不连3。大约10%–15%的骨折会出现修复延迟,可能最终发展为骨不连4。所有骨折中骨不连的发生率为5%–10%,具体比例因受累骨及骨折部位的不同而有所差异5。
治疗骨折不愈合的现行方案包括外科和/或药物治疗手段。目前,可通过骨移植等外科策略来解决骨折延迟愈合或不愈合的问题。然而,骨移植存在若干局限性和并发症,例如移植物组织的可获得性、供区疼痛、病患率及感染风险。6医学治疗包括骨形成促进类药物,如骨形态发生蛋白(BMP)和特立帕肽(甲状旁腺激素类似物)。目前使用的骨形成促进剂虽具有增强骨折修复的潜力,但存在价格昂贵或不良反应等局限性。7因此,寻找经济有效的非手术骨愈合替代方法具有广阔前景。药物的骨愈合潜力最初可通过 体外 研究,但 体内 需要开展研究以最终验证概念。应评估一种已知可促进骨愈合的药物 体外 并且,如果显示出良好的前景,可被用于 体内 动物模型研究。如果该药物被证明可促进骨形成与骨重塑 体内 模型,则可进入下一阶段(即临床试验)。
在开展人体试验之前,评估新型骨愈合制剂的一个合乎逻辑的步骤是通过动物模型来评价骨折愈合情况。对于骨折愈合的体内动物模型研究,啮齿类动物已成为日益流行的模型8。由于操作成本低、所需空间小以及骨愈合所需时间较短,啮齿类动物模型受到越来越多的关注9。此外,啮齿类动物拥有广泛的抗体和基因靶点,可用于研究骨愈合与再生的分子机制10。一次共识会议全面概述了多种小型动物骨愈合模型,重点讨论了影响骨愈合的各种参数,并强调了若干小型动物骨折模型及植入物的应用11。
骨折基础模型 broadly 可分为开放性或闭合性模型。闭合性骨折模型通过对骨骼施加三点或四点弯曲力实现,无需常规手术入路。此类模型可产生斜行或螺旋形骨折,类似于人类的长骨骨折,但骨折位置和尺寸缺乏标准化,可能成为其中的混杂因素12。开放性骨折模型则需通过手术暴露骨骼进行截骨,有助于在骨折部位获得更一致的骨折形态,但与闭合性模型相比,其愈合过程较慢13。用于研究骨折愈合的骨骼主要选择胫骨和股骨,因其尺寸和可及性较佳。骨折部位通常选在骨干或干骺端。在研究骨质疏松受试者骨折愈合时,常特别选择干骺端区域,因为干骺端受骨质疏松影响更为显著14。多种植入物,如髓内钉和外固定器,可用于稳定骨折11,15。
本研究的目的是建立一种简单且易于操作的啮齿类动物模型,该模型不仅有助于研究人员理解股骨骨折后骨痂的形成过程,还可通过阐明药物的作用机制,帮助判断潜在药物是否具有促进骨愈合的特性。
动物实验在获得印度新德里全印度医学科学研究所机构动物伦理委员会(IAEC)的伦理批准后进行(批准编号:286/IAEC-1/2021)。
1. 术前操作
2. 通过开放性截骨术创建完全横断骨折的手术操作
注意:应使用配备手术台且环境温度适宜(26 °C)的专用手术室进行操作。
3. 术后护理
4. 放射学操作步骤
5. 动物安乐死与骨痂获取
6. 骨组织和骨痂组织的脱钙
本研究旨在建立一种Wistar白化大鼠的股骨截骨模型。该模型可用于评估骨愈合过程,以及有潜力的促骨形成药物在骨愈合中的成骨作用。实验过程中遵循标准外科手术预防措施和操作规程。手术时穿戴无菌手术衣、铺巾,并使用无菌外科器械(图1)。所有器械(Table 1)在手术前48小时进行灭菌处理。根据既定方案使用麻醉剂、镇痛剂和抗生素,以确保动物在整个实验过程中无痛且无感染。可在骨折愈合过程中,从每只大鼠尾静脉采集血液(0.5 mL),用于基线分析以及不同参数的连续时间序列比较随访。使用脱毛膏去除从侧腹部至膝关节区域的毛发(图2)。截骨手术操作耗时约10分钟(从首次切口至缝合完成)。严格遵守无菌操作后,感染率和死亡率均极低。局部麻醉(利多卡因)后做切口,牵开股外侧肌纤维暴露股骨干(图3)。使用手术刀片在骨表面制造凹痕(沟槽),以防止凿子滑脱。骨折时使用无菌硬质支撑物(大理石块)支撑骨骼,以确保产生整齐的断裂(图1)。使用骨凿和锤子在股骨干中段三分之一处造成完全的横行骨折(图4)。
使用无菌克氏针(1.0 mm)对骨折进行内固定。将克氏针经骨折部位插入远端骨块的髓腔中,随后从股骨远端钻出。复位骨折后,再将克氏针从远端推进至近端骨块的髓腔内,直至其在转子区域获得牢固固定。剪除穿出皮肤的克氏针远端部分。克氏针作为髓内夹板,使骨折维持在复位后的位置(图5)。
术后1天及此后每周对骨折部位拍摄X光片,以评估骨痂(骨折愈合的开始)的出现以及桥接骨痂(骨折间隙首次愈合的时间点)的出现,由放射科医生进行评估(图6)。用于比较评估骨折愈合的两个放射学时间点分别为(软)骨痂的出现(可视化)和桥接(硬)骨痂的出现。
处死后,将股骨小心地保存在福尔马林中,随后进行骨脱钙操作(图7)。在处死过程中取出克氏针,注意避免扰动骨痂。完全脱钙后,将骨骼切成矢状面切片,并包埋于石蜡块中,根据需要进行切片(切片厚度为4 µm)。苏木精-伊红染色显示,骨折部位及骨痂在5周结束时可见软骨及新骨形成(图8)。

图 1:放置在手术台无菌单上的无菌手术器械。 外科医生已准备好在无菌环境中使用无菌器械开始手术操作。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2:置于手术台上接受麻醉的大鼠。 对大鼠实施麻醉后,剃除切口部位周围的毛发,并将其以左侧卧位固定于手术台上,使右腿暴露以便进行截骨术。另使用一张手术洞巾,将右腿从洞巾中央的孔中穿过,确保仅有腿部暴露在外,从而最大限度地减少伤口感染的风险。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:外科手术:暴露大鼠股骨干。 在截骨过程中,暴露股外侧肌后,沿肌纤维方向将其切开以暴露股骨干。使用骨膜剥离器将骨骼从附着的肌肉中分离出来。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:使用骨凿和锤子在股骨干中段三分之一处制造完全横向截骨。 通过用锤子轻敲骨凿,在股骨干中段三分之一处制造一个完全的横向骨折。 请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:克氏针作为髓内夹板用于维持骨折复位。 克氏针经骨折处插入远端骨块的髓管中,随后从股骨远端钻出。骨折复位后,再将克氏针从远端推进至近端骨块的髓管内,直至其在转子区域获得固定。该操作使用电池驱动的动力钻完成。请点击此处查看此图的放大版本。

图6:大鼠股骨植入克氏针(K-wire)原位的X光影像。(A)骨折诱导前,(B)术后1天。通过连续每周对术区进行X光检查,以放射学方法监测骨折愈合过程,评估骨痂形成情况。骨折部位由髓内克氏针维持复位并固定。术前与术后的代表性数据并非来自同一只动物。请点击此处查看本图的放大版本。

图7:动物在预定时间点处死后获得的含骨痂的骨骼(经最佳脱钙处理后)。(A)完整的骨痂;(B)骨痂的矢状切面。动物处死后,获取骨折部位区域,进行保存并采用所述方法进行脱钙处理。在使用其他任何技术评估之前,需间歇性检查骨痂以确保达到最佳脱钙状态(比例尺单位为厘米)。请点击此处查看该图的放大版本。

图8:骨折部位的苏木精-伊红染色切片,显示硬性骨痂形成,伴有软骨及新骨生成。(A)低倍镜图像;(B)高倍镜图像。骨折部位的苏木精-伊红染色切片显示硬性骨痂,并可见软骨形成(黑色箭头)和新骨生成(黄色箭头)(A:40×;B:100×)。蓝色箭头指示骨的骨折端,红色箭头指示第二皮质骨区域。请点击此处查看该图的高清版本。
本方法清晰地描述了在Wistar大鼠中建立骨折截骨模型所需的各项细节。该模型可用于评估一种有前景的促骨形成药物在骨折愈合中的成骨作用,同时有助于理解骨愈合过程的复杂机制。本方法的显著优点在于操作简便,无需耗费过多时间或使用复杂的设备。在本方法中,选用成年雄性Wistar大鼠作为实验用啮齿类动物模型。选择单一性别是为了消除性激素对骨愈合可能带来的混杂因素影响。
本研究采用开放性截骨术的操作流程,该流程与其他研究团队以及其它小型动物模型所采用的方法相似11,18,19。与其它骨愈合模型相比,本方法所采用的开放性截骨术的优势在于,所造成的损伤(完全皮质骨骨折)更接近常规长骨骨折,且骨折愈合过程也类似于普通骨折,即通过骨痂形成实现间接骨愈合(软骨内成骨),而钻孔骨损伤模型则表现为直接骨愈合(膜内成骨)20。开放性截骨术方法也优于闭合性截骨术或三点加压致伤法,因为在后两种方法中可能存在骨碎裂以及骨折线不一致的情况,从而导致骨折愈合过程存在差异21。尽管开放性截骨术相较于闭合性截骨术更易增加伤口感染的风险,但与其他研究一致,我们观察到在采取适当预防措施的情况下,伤口感染可忽略不计22。在本方法中还观察到,在使用凿子和锤子造成骨折前,先用刀片在骨表面制作一个凹槽(压痕),有助于形成一致的骨折线,并防止凿子在骨面上滑脱。本方法中我们引入的另一项改进措施是在待截骨部位下方放置一块坚硬且无菌的支撑块。这不仅在制造骨折时提供了反作用力,还有助于避免骨碎裂、压碎或形成不规则的骨折线。该操作通常不会对下方的肌肉组织造成明显损伤。
本研究采用X射线确定动物在正式实验开始前的处死时间点:首次观察到骨痂影像的时间作为第一个时间点,出现连接性(硬化)骨痂的时间作为第二个时间点。当任一处理组或对照组达到特定时间点时,应同时处死全部比较组的动物,以便通过成骨细胞和破骨细胞标志物的免疫组织化学分析来比较各组骨痂情况。这将确保不同处理组与对照组之间的比较具有无偏性。应每周对大鼠骨折部位进行X射线检查,并每两周采集一次血液样本(尾静脉),直至达到相应的处死时间点。每周在麻醉状态下进行X射线检查,由对处理组和对照组信息设盲的放射科医师评估骨痂形成情况。X射线结果还有助于验证和佐证骨愈合的生物学参数。
该方法涉及使用克氏针作为髓内夹板,以使骨折端固定于复位后的位置。然而,与接骨板和外固定器相比,髓内针固定并不能为骨折提供绝对的稳定性,有时可能伴随伤口感染、针道移位、股骨干皮质穿孔等并发症。我们的研究还提示,最好在骨膜内及其周围注射利多卡因,因为骨膜对疼痛极为敏感。这可以防止截骨过程中出现剧烈疼痛及神经源性休克的风险。研究还观察到,保持腹腔注射体积较小有助于减轻大鼠术后可能出现的呼吸窘迫。术后继续使用镇痛药和抗生素5天,以预防疼痛或感染。本研究选择股骨作为骨折诱导部位,因其易于暴露、易于产生干净的骨折,且其解剖轮廓较直,便于克氏针插入。当克氏针向股骨近端骨折块推进时必须格外小心,因为可能损伤股动脉而导致出血。此外观察到,若残留过多克氏针尾端暴露于皮肤外,大鼠倾向于将其自行拔出。
骨愈合效果的评估参数包括动物(不同组别和不同时间点)血液和骨痂中的成骨细胞和破骨细胞标志物。对于成骨细胞标志物,可选择骨钙素、Col1A1、RANKL、P1NP 和骨特异性碱性磷酸酶;而评估破骨细胞活性则可检测 CTX 和 RANK。其中部分参数可在血清中进行检测,另一些则可通过免疫组织化学方法在骨痂组织中进行评估。这些参数通过同时评价成骨和破骨细胞活性,全面反映骨重建情况。
本研究的局限性在于未评估骨痂的抗张强度。理想情况下,生物力学研究可为数据增加价值。在对骨痂及邻近骨组织进行脱钙处理时需格外谨慎,因为脱钙不完全将导致免疫组织化学结果不理想。
本方案利用啮齿类动物模型评估骨折愈合,将有助于所有致力于评价具有成骨活性潜力药物的研究团队。该模型操作简便,可准确评估啮齿类动物模型中的骨组织及骨折愈合情况,同时检测成骨细胞与破骨细胞活性以及骨重建过程,从而提供有价值的机制性见解。若动物数量相关的资源与后勤条件允许,还可通过放射学方法评估骨折愈合情况,并结合拉伸强度测试(用于评估愈合后骨组织的力学性能)来进一步强化生物学指标。相较于纯观察性研究,能够阐明作用机制的研究更受青睐。
所有作者均无任何利益冲突或其他财务披露。
作者感谢印度政府 AYUSH 部下属的顺势疗法中央研究委员会(CCRH)提供的研究经费支持。作者对新德里全印度医学科学研究所(AIIMS)中央动物实验中心在动物实验方面提供的帮助与支持,以及对 AIIMS CMET 在摄影与视频拍摄方面提供的帮助与支持,表示衷心感谢。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 酒精 | Raman & Weil Pvt. Ltd, 孟买, 马哈拉施特拉邦, 印度 | MFG/MD/2019/000189 | Sterillium 手部消毒剂 |
| 血管钳 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | G.105.05S | 5", 直型 |
| Bard-Parker 手柄 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | G.103.03 | 3号尺寸 |
| 碘伏溶液 | Win-medicare 新德里, 印度 | UP14250000001 | 10% w/v 聚维酮碘溶液 |
| 猫爪皮肤牵开器 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 908.S | 小型 |
| EDTA | Sisco research laboratories Pvt. Ltd, 马哈拉施特拉邦, 印度 | 43272 | 二钠盐 |
| 伊红 | Sigma Aldrich, Merck Life Sciences Pvt Ltd, 孟买, 马哈拉施特拉邦, 印度 | 115935 | 用于配制染色液 |
| 无齿镊 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 115.06 | 6", 无齿 |
| 有齿镊 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 117.06 | 6", 有齿 |
| 甲醛 | Sisco research laboratories Pvt. Ltd, 马哈拉施特拉邦, 印度 | 84439 | 用于配制中性缓冲福尔马林 |
| 苏木精 | Sigma Aldrich, Merck Life Sciences Pvt Ltd, 孟买, 马哈拉施特拉邦, 印度 | 104302 | 用于配制染色液 |
| 锤子 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 401.M | |
| 注射用头孢呋辛 | Akumentis Healthcare Ltd, 塔那, 马哈拉施特拉邦, 印度 | 48/UA/SC/P-2013 | 注射用头孢呋辛钠 IP, 1.5 g/瓶 |
| 注射用氯胺酮 | Baxter Pharmaceuticals India Private Limited, 古吉拉特邦, 印度 | G/28-B/6 | 盐酸氯胺酮 IP, 50 mg/mL |
| 注射用赛拉嗪 | Indian Immunologicals Limited, 海得拉巴, 特伦甘纳邦, 印度 | 28/RR/AP/2009/F/G | 盐酸赛拉嗪 USP, 20 mg/mL |
| 注射用利多卡因 | Jackson laboratories Pvt Limited, 旁遮普邦, 印度 | 1308-B | 2% 盐酸利多卡因 IP, 21.3 mg/mL |
| 注射用曲马多 | Intas Pharmaceuticals Limited, 艾哈迈达巴德, 古吉拉特邦, 印度 | MB/07/500 | 盐酸曲马多 IP, 50 mg/mL |
| K型钢针 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 166 (1mm) | 12", 双头 |
| 用于插入K型钢针的机械钻 | Bosch, 德国 | 06019F70K4 | GSR 120-LI Professional |
| 梅克剪刀(Metzenbaum剪刀) | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | G.121.06S | 6", 直型 |
| 持针器 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | G.108.06 | 6", 直型 |
| 眼科软膏 | GlaxoSmithKline Pharmaceutical Limited, 班加罗尔, 卡纳塔克邦, 印度 | KTK/28a/467/2001 | 新霉素、硫酸多粘菌素B和杆菌肽锌眼科软膏 USP |
| 骨凿(凿子) | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 1001.S.10 | 10 mm, 直型 |
| 骨膜剥离器 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 918.10.S | 10 mm, 直型 |
| 钳子兼钢丝剪 | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | 604.65 | |
| 雷诺兹剪刀(Reynold’s scissors) | Nebula surgical, 古吉拉特邦, 印度 | G.110.06S | 6", 直型 |
| 标准半合成饲料 | Ashirvad Industries, 昌迪加尔, 印度 | 无目录编号 | 材料使用中提供详细成分 |
| 用于盛放碘伏的不锈钢杯 | 本地采购 | 无目录编号 | |
| 带盖不锈钢托盘(用于器械高压灭菌) | 本地采购 | 无目录编号 | |
| 无菌纱布 | Ideal Healthcare Industries, 德里, 印度 | E(0047)/14/MNB/7951 | 无菌, 5cm×5cm, 12层 |
| 用于支撑的无菌大理石块 | 本地采购 | 无目录编号 | 本地制作;可高压灭菌 |
| 注射器及针头(1 mL) | Becton Dickinson India Pvt. Ltd., 哈里亚纳邦, 印度 | REF 303060 | 1 mL 无菌注射器,配 26 G × 1/2 (0.45 mm × 13 mm) 针头 |
| 注射器及针头(2 mL) | Becton Dickinson India Pvt. Ltd., 哈里亚纳邦, 印度 | REF 307749 | 2 mL 无菌注射器,配 24 G × 1'' (0.55 mm × 25 mm) 针头 |
| 注射器及针头(10 mL) | Hindustan Syringes & Medical Devices Ltd. 法里达巴德, 印度 | 334-B(H) | 10 mL 无菌注射器,配 21 G ×1.5" (0.80 mm × 38 mm) 针头 |
| 手术刀片(15号) | Paramount Surgimed Ltd, 新德里, 印度,为 Medline Industries Inc, IL, 美国代工 | REF MDS15115E | 无菌,一次性使用 |
| 手术刀片(24号) | Paramount Surgimed Ltd, 新德里, 印度,为 Medline Industries Inc, IL, 美国代工 | REF MDS15124E | 无菌,一次性使用 |
| 缝合线 | Healthium Medtech Pvt Ltd, 班加罗尔, 卡纳塔克邦, 印度 | SN 3318 | 4-0, 16 mm, 3/8 圆弧切割针, 单丝聚酰胺缝合线 |
| 置于铝制托盘中的石蜡块 | 本地制作 | 无目录编号 | 30 cm × 30 cm × 4 cm 铝制托盘,内含石蜡(防止动物滑动) |
| X射线机 | Philips India Ltd, 古鲁格拉姆, 哈里亚纳邦 | SN19861013 | 型号:Philips Digital Diagnost R 4.2 |