结扎诱导型牙周炎小鼠模型是研究牙周病的一种有效且日益普及的工具。本文详细介绍了该模型的一种简化版本的实施方法,重点在于邻间隙牙槽骨破坏,包括实验室研究设计、3D打印工具的制作,以及利用μCT分析进行骨量定量。
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结扎诱导型牙周炎小鼠模型是研究牙周病的一种有效且日益普及的工具。本文详细介绍了该模型的一种简化版本的实施方法,重点在于邻间隙牙槽骨破坏,包括实验室研究设计、3D打印工具的制作,以及利用μCT分析进行骨量定量。
小鼠结扎诱导牙周炎的实验模型在理解牙周病发病机制方面发挥了基础性作用;然而,该模型在转化研究和治疗应用方面尚未得到充分利用。与人类疾病相似,小鼠结扎诱导的牙周炎通过一系列明确的微生物、炎症及骨免疫学事件发展而来。结扎引起的牙槽骨破坏在相对较短的时间内进展,且易于量化,使其成为一种经济高效的临床前研究疾病模型。
为克服经典结扎模型的技术难题,研究人员建立了简化的结扎诱导型小鼠牙周炎模型。该简化模型并非在两颗相邻牙齿的整个周径诱导疾病,而是仅针对两颗后牙的邻间区域引发炎性骨质破坏,此区域亦是人类常见牙周病的起始部位。由于该方法采用三维(3D)打印工具辅助结扎,操作快速且高效 领先的 每只小鼠的操作时间为5-10分钟。结扎后3天可检测到破骨细胞生成信号,而骨破坏则在结扎后9天持续出现。
在此,通过强调研究设计中的关键要素(即功效计算、操作标准化、校准),对简化的结扎模型方案进行了详细阐述,并介绍了3D打印工具的开发(即 "小鼠牙床" 和 "结扎夹持器"),以及采用μCT分析进行牙槽骨定量。牙龈基因表达的检测 Rank、Rankl 和 Opg 作为治疗有效性的间接证据,破骨细胞生成的关键调控三联因子被广泛应用。本文所述方法将指导研究者在临床前阶段应用简化的结扎诱导性牙周炎模型,以评估创新性牙周治疗手段的效果。
牙周病是一种复杂的炎性过程,可导致牙周支持结构的破坏,包括牙龈、牙周膜、牙骨质和牙槽骨。牙槽骨丧失的发生需要牙龈屏障的破坏和细菌侵入,同时伴有炎性细胞的募集,以及免疫反应从以固有免疫为主向以获得性免疫为主的转变1。成骨细胞与破骨细胞之间最终的失衡将导致牙槽骨的破坏性吸收2。区别牙周病与可逆性牙龈炎症(牙龈炎)的关键表型特征是牙槽骨的丧失。因此,在临床前研究中,牙周支持性牙槽骨的量是评估治疗效果的关键指标。
没有一种动物模型能够复制开发不同治疗方法所需的全部生物学特征3,4,5结扎诱导的牙周炎小鼠模型可在相对较短的时间内(3-9天)产生可量化的骨质破坏5,使其成为测试牙周炎预防和调控新型治疗干预措施的经济高效模型。尽管其 成功支持II-III期人体临床试验的开展6,7,8,9,10,小鼠结扎诱导性牙周炎作为临床前模型并不常用。为克服 经典模型中结扎线环绕牙齿所带来技术难题,简化结扎诱导牙周炎小鼠模型11,12 已建立该模型。对经典模型的这一简单改良主要集中在牙齿之间而非牙齿周围的一个明确的骨破坏区域。这种改良具有多重优势,包括缩短以下方面所需的时间:1)人员培训,2)实验操作的技术难度,以及3)结果的可重复性 骨量定量。此外,研究发现,在该简化模型下发生和表现的多种微生物学和免疫学事件,与目前对人类常见牙周病的认识相一致2,11,12,13最后,我们先前已报道的有效药物诱导的骨丢失预防措施2,14 进一步支持将简化的结扎诱导牙周炎模型作为 体内 评估新型牙周治疗关键方面的工具。
简化型结扎诱导牙周炎模型的一个创新之处在于开发了3D打印工具,以更便捷地促进疾病诱导过程11,12尽管对某些人来说较为直观,但研究人员报告称无法组装这些3D打印工具15,这可能会进一步阻碍或延迟动物实验的启动。本研究在我们先前报告的基础上进行了拓展 先前的实验方案研究11并提供详细信息,以确保在实验室环境中成功实施简化的结扎诱导牙周炎模型。本方案中包含的细节属于一系列复杂的因素,这些因素可能导致科学研究结果的可重复性不足。15,16,17多项研究中一致的模型应用和可靠的骨吸收结果2,11,12,14,18 以及合作研究团队13,19,20,21 在过去10年中,支持传播详细信息以促进科学界可重复性的重要性。
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本方案遵循《动物研究:体内实验报告指南》(ARRIVE指南)22,23。本方案中描述的所有实验程序均经北卡罗来纳大学教堂山分校动物照护与使用委员会(IACUC)批准。
1. 实验设计
2. 制备用于在小鼠中诱导结扎性牙周炎的打印工具
注意:为了优化结扎线的放置,开发了名为Mouse Dental Bed和Ligature Holder的3D打印工具,这些工具由多个单独打印的3D打印部件组成,需手动进一步组装。这些装置的蓝图规格此前已发表11,可供有经验的研究人员用于创建各自的STL文件。 本研究中的新装置是与北卡罗来纳大学教堂山分校BeAM设计中心合作开发的。材料可通过相应的核心设施获取,或 使用补充文件1中的STL文件进行3D打印。
3. 结扎线放置
注意:结扎丝可用于小鼠牙齿之间,可选择是否添加人类牙周致病菌11。对结扎丝上微生物组成(未添加人类细菌种类)进行的时间依赖性分析显示,在牙周炎发展过程中,微生物群落发生了改变(菌群失调)12。因此,不建议更换结扎丝,以免影响实验结果的可重复性。是否在结扎丝基础上引入细菌种类,取决于具体研究中所要解决的科学问题。由于预计会有10–15%的结扎丝脱落率11,通常在同一只小鼠双侧同时放置结扎丝。该方法可最大限度减少实验过程中小鼠的损失。
4. 骨破坏定量分析
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野生型雌性和雄性小鼠在基线(健康状态)和结扎后9天的线性牙槽骨测量值的代表性数据分析如图所示 图1A功效计算表明,如果主要结局指标为通过μCT测量的线性骨水平,则每组需要4-5只小鼠,共需10只小鼠,以检测各组之间的差异图1B)。然而,临床前研究的统计功效计算要求两组小鼠均需发展出牙周炎,但其中一组接受治疗干预图1C)。对于此类研究,每组所需小鼠数量较多,为19–31只(图1D)。临床前研究中所需动物数量较多主要有两个原因:1)虽然两组均诱导疾病发生,但仅对其中一组施加实验干预,这会增加结果的变异性并影响可重复性;2)
将牙槽骨测量值与破骨细胞生成主调控三联体 Rank-Rankl-Opg 的信号特征相整合2 可为揭示驱动骨代谢调控的机制提供重要见解。为验证实验性药物VX-765(caspase-1...
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本研究提供了有关先前报道的简化型结扎诱导牙周炎小鼠模型方案的深入信息和详细的分步指导10。本文所包含的细节可显著影响实验的可重复性,并基于该研究团队在使用这一特定结扎诱导牙周炎小鼠模型方面的经验而提出11,12,13,18,19,21。文中详细描述了实验设计的具体内容、3D打印工具的开发与组装过程,以及量化骨破坏的分步操作指南。预计本文提供的详细信息将有助于推广并简化该简化型结扎诱导牙周炎小鼠模型的应用,使其成为未来治疗干预措施开发中一种经济高效的临床前研究模型。
该研究团队11开发的3D打印材料...
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先前发表的研究中用于创建3D打印设备的STL文件9 受北卡罗来纳大学教堂山分校("UNC-Mouse Surgical Bed 和 UNC-Ligature Holder",UNC 参考编号:18-0024)的版权协议保护。作者声明不存在竞争性财务利益。
本出版物中报告的研究由美国国家牙科与颅面研究所 & 美国国立卫生研究院颅面研究项目资助编号 K01DE027087(JTM)和 R01DE032830(JTM)。本工作还获得美国国立卫生研究院过敏与传染病研究所资助编号 R01-AI153265(KVS)的支持。上述内容仅代表作者观点,不代表美国国立卫生研究院的官方立场。此外,本研究所报告的工作还得到富布赖特/CAPES 项目(资助代码 001,TA)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 刀片 | Integra | 4-315C | 15C 刀片 |
| 陶瓷珠 | VWR | 10158-608 | 0.5 mL × 1.4 mm 陶瓷珠 |
| 胶/树脂材料 | The Gorilla Glue Company | 8401519 | |
| 结扎夹持器(带凹槽) | 北卡罗来纳大学教堂山分校 BeAM 设计中心核心设施 | 不适用 | 118.01 mm × 13 mm × 13.74 mm |
| 结扎夹持器锁 | 北卡罗来纳大学教堂山分校 BeAM 设计中心核心设施 | 不适用 | 17.5 mm × 14.57 mm × 17.8 mm |
| Lulzbot mini v1.0 3D 打印机 | Lulzbot(Fargo Additive Manufacturing Equipment 3D, LLC) | 不适用 | Aleph Objects Lulzbot Mini v1.0 型号 |
| MicroView 软件 | Parallax Innovations | 2.5.0-3139 | 用于骨测量的软件 |
| 小鼠牙科床(带凹槽) | 北卡罗来纳大学教堂山分校 BeAM 设计中心核心设施 | 不适用 | 103.86 mm × 196.85 mm × 50.99 mm |
| 小鼠牙科床上盖 | 北卡罗来纳大学教堂山分校 BeAM 设计中心核心设施 | 不适用 | 99.8 mm × 77 mm × 21.5 mm |
| 聚乳酸(PLA)线材 | Verbatim | 55259 | 3.0 mm PLA |
| Rapidpure RNA 组织试剂盒 | MP Biomedicals | 112721050 | |
| 手术刀片手柄 | Bard-Parker | 371030 | 15C 手术刀片手柄 |
| 丝线缝合线 | Roboz Surgical Instrument | SUT-15-1 | |
| Taqman qPCR 引物 | Thermo Fisher | Rank (Mm00437135_ m1), Rankl (Mm00441906_ m1), Opg (Mm00435452_ m1), Gapdh (Mm99999915_g 1) | |
| VX-765 | InvivoGen, San Diego, USA | #inh-vx765-1 | 用于宿主调节的 Caspase-1 抑制剂 |
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