一种可重复的兔膝关节软骨撞击模型以诱导创伤后骨关节炎

摘要

兔内侧股骨髁开放撞击模型是研究创伤后骨关节炎（PTOA）及减缓PTOA进展的新型治疗策略的可靠模型。本方案利用基于滑车的落塔装置配合撞击头，在兔后内侧股骨髁上制造孤立的软骨缺损。

摘要

创伤后骨关节炎（PTOA）占美国所有骨关节炎病例的12%。PTOA可由单次创伤事件引发，例如作用于关节软骨的高冲击载荷，或由关节不稳引起，如前交叉韧带断裂时所发生的情况。目前尚无有效的治疗方法可预防PTOA。建立可靠的PTOA动物模型对于深入理解软骨损伤的发生机制以及探索缓解或阻止PTOA进展的新型治疗策略至关重要。本方案描述了一种开放式的、基于落塔装置的兔股骨髁冲击模型，用于诱导软骨损伤。该模型产生的峰值载荷为579.1 ± 71.1 N，峰值应力为81.9 ± 10.1 MPa，达到峰值载荷的时间为2.4 ± 0.5 ms。受冲击的股骨内侧髁（MFC）关节软骨中凋亡细胞的比例更高（p = 0.0058），其Osteoarthritis Research Society International（OARSI）评分为3.38 ± 1.43，显著高于未受冲击的对侧MFC（0.56 ± 0.42）以及受冲击膝关节的其他软骨表面（p < 0.0001）。在未受冲击的各关节软骨表面之间，OARSI评分无显著差异（p > 0.05）。

引言

创伤后骨关节炎（PTOA）是全球范围内导致残疾的主要原因之一，占症状性骨关节炎（OA）的12%–16%¹。目前，终末期OA治疗的金标准是全膝关节和全髋关节置换术²，或在终末期胫距关节或距下关节关节炎情况下进行关节融合术。尽管关节置换术总体成功率较高，但仍可能带来昂贵且具有较高发病率的并发症³。此外，对于50岁以下的患者而言，关节置换术并非理想选择，因其假体无翻修存活率仅为77%–83%^4,5。目前尚无经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的用于预防或延缓PTOA进展的治疗方法。

PTOA 影响整个关节，包括滑膜组织、软骨下骨和关节软骨。其特征表现为关节软骨退变、滑膜炎症、软骨下骨重塑以及骨赘形成^6,7。PTOA 的表型通过关节软骨、滑膜和软骨下骨之间复杂的相互作用过程而发展。目前认为，软骨损伤会导致细胞外基质（ECM）成分（如 II 型胶原蛋白（COL2）和聚集蛋白聚糖（ACAN））的释放。这些 ECM 成分片段具有促炎性，可引起 IL-6、IL-1β 和活性氧（ROS）的产生增加。这....

方案

本实验方案已获得印第安纳大学医学院机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准。所有存活手术均按照美国国立卫生研究院（NIH）指南所述在无菌条件下进行。通过使用适当的镇痛药和抗生素控制疼痛和感染风险，以优化实验成功率。本研究采用骨骼成熟的雄性新西兰白兔，体重为3.0–4.0 kg。

1. 下落塔的制备

1. 为落塔组件、基座平台以及固定斯坦曼针的装置生成CAD图纸补充图1-14).
2. 购买市售组分（参见 材料表).
3. 采购设备的机械部件，或将CAD图纸提供给机械师进行加工。
   注意：需要具备工模具制造能力的高精度机械师来加工直径为3 mm的撞击头补充图1，第20部分 补充图13、14冲击头的冲击面在矢状面和冠状面上的曲率分别为7.14 mm和5.56 mm，以匹配兔内侧髁的曲率³⁵(补充图13、14).
4. 将部件组装，使落塔由沿两根垂直导杆运动的滑车构成 通过 固定式直线球轴承，基座平台用于支撑兔子并固定斯坦曼针（Steinman pin）图1 和

结果

手术医生在撞击后立即通过观察髁突来监测该手术的成功情况（图4A），并进行放射影像学检查以确认未发生骨折（图4B）。存在因撞击失败而导致髁突术中骨折的风险，这种情况通常由斯氏针放置不当引起（图5）。在本模型中，因术中骨折导致的失败率为9.0%（67例手术中6例）。平均峰值冲击应力为81.9 ± 10.1 MPa（变异系数 = 12.3%），平均加载速率为36.6 ± 11.0 MPa/ms（变异系数 = 30.1%）。其他参数也保持一致，变异系数范围为5%–23.5%（表1）。

膝关节的番红O-快绿染色组织切片 n 采用国际骨关节炎研究学会（OARSI）评分系统对8只兔子的软骨退变和骨关节炎病理进行评估⁴³对侧未受伤的股骨髁中未观察到软骨损伤 (图6A.......

讨论

该手术旨在建立一种创伤后骨关节炎（PTOA）模型，通过在兔内侧股骨髁的负重面产生一致的软骨损伤。该手术的一个优点是采用膝关节后入路，可直接完整观察整个后内侧股骨髁，且手术时间约为37分钟（表2）。还应注意，该模型属于开放性损伤模型，除撞击本身外，可能因滑膜和关节囊的潜在损伤而引发超出撞击区域的急性炎症反应^17,44。该模型的优缺点总结于表3。手术过程中特别注意避免损伤韧带和半月板结构，以确保关节稳定性。因此，在撞击区域以外的关节腔室（内侧和外侧胫骨平台以及外侧股骨髁）中，撞击肢体与对侧对照肢体之间未检测到差异。

本方案最关键的步骤是在股骨髁上制造一个孤立的软骨损伤。斯氏针的进针轨迹对该方法的成功至关重要。如果导针与关节面不平行，或相对于内侧股骨髁中心位置过于偏后，可能导致股骨髁的骨软骨骨折（图5）。外侧上髁是一个始终可触及的解剖标志，可用于.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
平头螺钉	McMaster-Carr	92210A194	不锈钢六角驱动平头螺钉，8-32，1/2"
#15 手术刀片	McKesson	1029066	McKesson 15号手术刀片，不锈钢/塑料经典握柄，无菌一次性使用
1/2”-20 螺纹杆	McMaster-Carr	99065A120	1/2”-20 螺纹杆
10 mL 注射器	McKesson	1031801	用于冲洗；McKesson 通用注射器，10 mL， blister pack 包装，鲁尔锁扣接头，无安全装置
3 mL 注射器	McKesson	1031804	用于利多卡因/布比卡因注射；McKesson 通用注射器，3 mL，blister pack 包装，鲁尔锁扣接头，无安全装置
3-0 Polysorb	Ethicon	J332H	3-0 Vircryl，CT-2，1/2 圆弧，26 mm，锥形针
4-0 Monosorb	Ethicon	Z397H	4-0 PDS II，FS-2，3/8 圆弧，19 mm，切割刃
5-0 Polysorb	Med Vet International	NC9335902	Med Vet International 5-0 ETHICON 涂层 Vicryl C-3
加速度计	Kistler	8743A5	加速度计
Adson-Browns 镊子	World precision tools	500177	Adson-Brown 镊子，12 cm，直型，TC 齿状夹头，7 x 7 齿
阿法沙龙	Jurox	49480-002-01	Jurox Alfaxan 多剂量：10 mg/mL
布托啡诺	Par Pharmaceuticals	42023-0179-05	盐酸布托啡诺注射液：0.3 mg/mL
布托啡诺	Zoetis	54771-2033	Zoetis 布托啡诺酒石酸盐 10 mg/mL
氯己定手部消毒液	BD	371073	BD E-Z Scrub 107 外科刷/海绵，含 4% CHG，红色
夹头	STRYKER	14023	Stryker 4100-62 导丝夹头 0.28-0.71''
无线驱动手柄	STRYKER	OR-S4300	Stryker 4300 CD3 无线驱动器 3 手柄
Cricket 拉钩	Novosurgical	G3510 21	2× Heiss（Holzheimer）交叉动作拉钩
分离剪	Jorvet labs	J0662	Aesculap AG，Metzenbaum 剪，直型，5 3/4″
伊丽莎白圈	ElizaSoft	62054	ElizaSoft 伊丽莎白康复圈
恩诺沙星	Custom Meds		Custom Meds 配制的恩诺沙星
眼膏	Pivetal	46066-753-55	Pivetal 人工泪液——近期已召回
端面固定轴套	McMaster-Carr	5631T11	端面固定轴套
快绿	Millipore Sigma	F7258	快绿
Freer 剥离器	Jorvet labs	J0226Q	Freer 抬举器
头部螺钉 -1	McMaster-Carr	91251A197	黑色氧化合金钢内六角头螺钉，8-32，3/4"
头部螺钉 -2	McMaster-Carr	92196A194	不锈钢内六角头螺钉，8-32，1/2"
头部螺钉 -3	McMaster-Carr	92196A146	不锈钢内六角头螺钉，8-32，1/2"
头部螺钉 -4	McMaster-Carr	92196A151	不锈钢内六角头螺钉，6-32，3/4"
苏木精溶液，Gill No. 1	Millipore Sigma	GHS132-1L	苏木精溶液，Gill No. 1
六角螺母	McMaster-Carr	91841A007	不锈钢六角螺母，6-32
压紧式杠杆夹具	McMaster-Carr	5126A71	压紧式杠杆夹具
冲击装置	n/a	n/a	定制制作
冲击平台	n/a	n/a	定制制作
Kirschner 钢丝（K-wires）	Jorvet Labs	J0250A	JorVet 髓内 Steinman 针，Trocar-Trocar 型，1/16" × 7"
LabVIEW	National Instruments	n/a	n/a
测力传感器	Kistler	9712B5000	测力传感器
MATLAB	The MathWorks Inc.	n/a	n/a
显微镜	Leica	DMi-8	Leica DMi8 显微镜，配备 LAS-X 软件
咪达唑仑	Almaject	72611-749-10	Almaject 盐酸咪达唑仑注射液：5 mg/mL
铣床深度限位器	McMaster-Carr	2949A71	夹装式铣床深度限位器
移动式C型臂	Philips	718095	BV Pulsera，移动式C型臂
安装式直线滚珠轴承	McMaster-Carr	9338T7	安装式直线滚珠轴承
持针器	A2Z Scilab	A2ZTCIN39	TC Webster 持针器，光滑夹头，5"，高级型
戊巴比妥	Vortech	0298-9373-68	Vortech 戊巴比妥 390 mg/mL
番红O	Millipore Sigma	HT90432	番红O
小型电池组	STRYKER	NS014036	6212 小型电池组 - 9.6 V
钢杆，2’	McMaster-Carr	89535K25	钢杆，2’
无菌生理盐水	ICU Medical	6139-22	AquaLite 溶液倾倒瓶，250 mL
Stryker 6110-120 System 6 电池充电器	STRYKER	OR-S6110-120
外科手套	McKesson	1044729	McKesson Perry 外科手套，6.5 号，无菌配对，乳胶，加长袖口，光滑棕色，非化疗认证
手术衣	McKesson	1104452	非加强型手术衣，带毛巾布，McKesson 大号，蓝色，无菌，AAMI 3 级，一次性使用
缝合剪	Jorvet Labs	J0910SA	Super Cut 剪，Mayo 型，直型，5 1/2″
TUNEL 染色试剂盒	ABP Bioscience	A049	TUNEL 显色法细胞凋亡检测试剂盒
Weitlaner 拉钩	Fine Science Tools	17012-11	2× Weitlaner-Locktite 拉钩