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方法文章

在啮齿类动物模型中通过前交叉韧带横断与关节腔灌洗研究关节炎症及创伤后骨关节炎

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DOI：

10.3791/68713

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2025年9月2日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Orthopaedic Surgery, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 2Department of Medicine, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School

通讯作者： Chilan B.G. Leite <cbleite@bwh.harvard.edu>

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本文介绍了一种切断前交叉韧带（ACL）的手术方法，作为一种可靠的诱导啮齿类动物膝骨关节炎的模型，以及采集膝关节滑液、测量膝关节水肿和评估骨关节炎严重程度的方法。

摘要

骨关节炎（OA）是一种以慢性疼痛为特征的关节疾病，目前尚无治愈方法。OA 的一种亚型是创伤后骨关节炎（PTOA），可在关节损伤后发生。膝关节是最常受累的关节之一，在膝关节损伤中，前交叉韧带（ACL）损伤尤为常见。症状性 OA 通常伴随关节的改变，如软骨退变和骨赘形成，可能在初次损伤数年后才出现，但早期的关节变化可在损伤后不久即被检测到。炎症被认为是促进 PTOA 发生的因素之一，损伤后产生的促炎介质可能加速 PTOA 的发展。在动物模型中，通过手术损伤膝关节结构是诱导 OA 的常用方法，其中一种常见的手术技术是前交叉韧带横断术（ACLT）。本研究旨在介绍我们用于诱导 OA 的 ACLT 技术，以及监测关节炎症和量化 OA 严重程度的方法。为评估术后炎症，我们描述了测量膝关节水肿的技术，以及采集和分析膝关节滑液的技术。为评估与 OA 相关的长期关节变化，我们提出了一种自行开发的半定量评分系统，用于通过显微CT成像评估 OA 的严重程度。

引言

前交叉韧带（ACL）是膝关节中的关键结构，可提供稳定性并防止胫骨相对于股骨过度前移1。ACL损伤是最常见的膝关节损伤之一，尤其多见于涉及突然停止、跳跃或变向的体育运动中2。这些损伤的程度可从部分撕裂到完全断裂不等，通常需要手术干预以实现最佳康复3。然而，即使经过手术治疗，ACL损伤仍常导致长期的关节改变，包括软骨磨损、骨赘形成以及软骨下骨的结构改变。这些变化共同促成关节退变，通常称为创伤后骨关节炎（PTOA）4,5。

尽管前交叉韧带（ACL）损伤后发展为有症状的创伤后骨关节炎（PTOA）的时间可短至伤后2年，长至20年，但关节的早期变化在伤后数周内即可被检测到6,7,8,9。这些早期变化的一个关键特征是炎性细胞因子（如白细胞介素（IL）-1、IL-6、肿瘤坏死因子（TNF））以及细胞外基质降解标志物（如基质金属蛋白酶（MMPs）和CTX-II）水平升高。对这些炎症和降解标志物的滑液检测，可为关节病理的急性和慢性阶段提供重要信息。例如，损伤关节滑液中的IL-1和IL-6水平在损伤后第一个月内达到峰值。尽管这些水平随时间下降，但即使在治疗多年后，也极少能恢复到正常的基线水平10,11,12。这种初始的促炎反应会引发一系列关节损伤，包括滑膜炎症、软骨降解和生物力学改变，持续导致组织破坏并加速关节退变13。此外，ACL损伤后的急性炎症常导致关节积液和膝关节水肿，表现为关节内的肿胀和液体积聚14。

为了模拟前交叉韧带（ACL）损伤并研究创伤后骨关节炎（PTOA）的进展过程，小鼠手术诱导的前交叉韧带切断（ACLT）模型被广泛应用15,16。该模型通过切断前交叉韧带来模拟损伤，并评估由此产生的生物学和力学后果。ACLT模型是研究损伤后炎症反应、软骨降解以及生物力学改变的有力工具，有助于揭示驱动PTOA发展的分子与细胞机制。此外，该模型还可用于评估旨在减轻关节退变并保留关节功能的治疗策略。在人类临床实践中，滑膜液分析被广泛用于随时间监测炎症和软骨降解情况，因为获取滑膜液相对简便17,18。然而，在小鼠中，损伤模型后采集滑膜液具有较大挑战性。本文中，我们描述了ACLT手术技术以及一种通过膝关节灌洗采集滑膜液的方法，以检测炎症和降解相关标志物。我们还介绍了一种测量膝关节尺寸的方法，用于量化关节损伤后的水肿程度。此外，我们阐述了采用显微CT（microCT）评估ACLT术后PTOA严重程度的分级方法。这些方法为在临床前研究中评估ACL损伤的急性和慢性效应提供了互补的研究工具。

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方案

所有动物实验均按照《实验动物护理和使用指南》进行，并经布莱根妇女医院机构动物护理和使用委员会批准。

1. 动物准备

注意：小鼠性别的选择应与研究目的保持一致，因为尽管ACLT在两种性别中均能可靠地诱导PTOA，但其严重程度和进展可能有所不同。

  1. 麻醉准备：提前配制氯胺酮-赛拉嗪（KX）麻醉剂溶液。
    注：也可使用吸入性麻醉剂（2% 异氟烷）。
  2. 手术对照：使用一组独立的、年龄匹配的假手术动物作为手术对照。
    注：不应将对侧膝关节作为假手术对照，因为这可能引发动物福利方面的顾虑。然而，可将其作为健康的未损伤对照，用于在配对分析中建立关节的基线状态。
  3. 动物年龄选择：使用8周龄小鼠，以反映前交叉韧带（ACL）撕裂最常见发生年龄。但任何骨骼成熟的鼠类均可接受该手术操作。

2. 术前护理

注意：如果小鼠从不同设施转运而来，在进行手术前应至少让其在新环境中适应1周。

  1. 确保手术以无菌方式进行，所有表面均需消毒（例如使用无菌铺巾覆盖手术区域），并确保使用无菌器械和适当的外科个人防护装备（PPE）。
  2. 通过腹腔注射给予氯胺酮（100 mg/kg）和赛拉嗪（10 mg/kg）以诱导麻醉。
  3. 动物麻醉后，涂抹眼用润滑剂，并使用小型毛发推剪剃除拟手术膝关节区域的毛发，范围包括从小腿中段至大腿中段的前侧和外侧。
    注意：后肢膝关节的选择由研究人员根据手术操作便利性自行决定
  4. 确认小鼠已完全麻醉，对脚趾夹捏反射无反应。
  5. 使用抗菌皮肤清洁剂（例如聚维酮碘和70%酒精）对暴露的皮肤进行消毒，重复消毒3次。
  6. 皮下注射阿片类镇痛药（例如0.05 mg/kg的丁丙诺啡）以进行预先镇痛。
    注意：所用镇痛药应为缓释剂型，可在术后提供长达72小时的镇痛效果，或在此期间定期给药，以减轻恢复期疼痛。
  7. 除非非甾体抗炎药（NSAID）的使用可能干扰目标观察结果，否则应按推荐剂量给予NSAID（例如美洛昔康5 mg/kg）。
  8. 将小鼠仰卧位置于解剖显微镜下，确保待手术膝关节朝上并位于显微镜视野范围内。
  9. 用无菌铺巾覆盖小鼠身体，仅留出一个小的钥匙孔样开口。
  10. 将待手术肢体摆放成膝关节屈曲约90°，髌骨朝上。使用手术胶带固定膝关节于屈曲位置。

3. 前交叉韧带横断

  1. 调节显微镜以聚焦于髌骨。
  2. 使用镊子夹住髌骨上方的皮肤，用手术刀片在膝关节处做一较小的正中纵向切口。将切口延长至约1 cm，牵开皮肤以暴露髌腱。图1A).
  3. 将膝关节屈曲至约120°。用非优势手维持膝关节屈曲，并将皮肤边缘牵开，以利于观察髌腱图1B).
  4. 确定髌腱的内侧缘，使用11号刀片沿此边缘从其中点向髌骨上极做切口，以打开关节囊（图1C-).
    注意：若发生出血，用无菌棉签轻轻按压5-10秒以止血。
  5. 使用钝头镊子轻轻夹住髌腱，略微向上提起并横向移动，使髌骨脱位，充分暴露膝关节图1F).
  6. 此时，髌下脂肪垫（IFP）将可见（图2A）。使用钝头镊子轻轻移动髌下脂肪垫（IFP）的内侧部分，以暴露前交叉韧带（ACL），同时保持IFP的完整性（图2B).
    注意：应避免完全切除髌下脂肪垫（IFP），因其在产生炎症标志物方面具有作用。由于该模型旨在研究导致创伤后骨关节炎（PTOA）的损伤所引发的炎症反应，因此建议保留IFP。若出现出血，可用无菌棉签轻轻按压5–10秒以控制止血。
  7. 在保持膝关节屈曲120°的同时，辨认前交叉韧带（ACL），该韧带从股骨外侧髁的内侧面延伸至胫骨平台的中心图 2C，D).
  8. 使用显微外科剪刀，在显微镜直视下小心横断前交叉韧带（ACL），确保周围软骨、半月板及其他韧带保持完整（图 2E）。此时，ACLT模型已建立完成。在某些情况下，可观察到被横断的ACL残余组织（图2F).
  9. 通过前后抽屉试验确认前交叉韧带横断。将膝关节屈曲至约90°，用手指固定近端胫骨，使用钝头镊子轻轻对远端股骨施加向后作用力。远端股骨出现向后移位即证实前交叉韧带横断成功（ACLT）图3).
  10. 将髌骨和髌腱复位至解剖位置，方法为轻微抬起并向内侧移动（图4A，B）。使用可吸收的6-0缝线单针缝合关节囊，将髌骨周围肌肉固定至相邻的内侧肌肉组织。随后使用可吸收的6-0缝线缝合皮肤，缝2-3针（图 4C).
  11. 假手术组采用相同操作步骤，但不切断前交叉韧带（ACL）。切开关节囊，按前述方法脱位髌骨和髌下脂肪垫（IFP），观察前交叉韧带但不予以切断，随后复位髌骨和IFP，缝合关节囊及皮肤。

4. 术后护理

  1. 手术后，将小鼠置于加热垫上，使其从麻醉状态中恢复，直至完全清醒。
  2. 当小鼠完全恢复自主活动能力后，将其转移至铺有新鲜垫料的清洁笼具中继续恢复。
  3. 术后前72小时内，需密切监测小鼠是否出现疼痛或痛苦的迹象，包括：体重变化（通常不超过5%的下降）、理毛行为减少或在切口部位过度理毛、整体健康状况恶化（如弓背姿势、面部皱缩、呼吸异常）以及伤口感染（如肿胀、渗出物或伤口裂开）。若使用美洛昔康，应每24小时给药一次，持续48小时。
  4. 术后初始72小时后，根据研究设计，按常规方式饲养小鼠直至达到预设的实验终点。

5. 膝关节大小（水肿）的评估

  1. 使用游标卡尺测量膝关节内外侧宽度，以评估膝关节水肿（建议使用带微调拇指轮的数字卡尺，以实现精确且可控的测量）。可在活体动物或死后进行测量。逐渐闭合卡尺，直至其轻轻接触膝关节内侧和外侧边界。
    注意：卡尺应贴合但需小心避免施加过大压力，否则可能压迫膝关节，导致测量宽度人为减小，从而产生不准确的结果。目标是在不明显压迫膝关节的前提下使卡尺适当贴合。一旦继续调整导致膝关节尺寸读数开始减小，即应停止 tightening（图5）。
  2. 将麻醉或处死后的动物仰卧置于平坦表面，确保膝关节朝上。将膝关节屈曲至约90°，并保持该位置。为维持膝关节屈曲状态，可使用手术胶带固定肢体；若在处死后操作，也可使用解剖针固定。按照上述方法使用卡尺测量膝关节宽度。
  3. alternatively，若不希望使用麻醉，可由多人协作进行测量，其中一人轻轻固定动物，另一人进行膝关节宽度测量。
  4. 为确保测量的可靠性，每个膝关节至少测量两次。对损伤侧和对侧（未损伤）膝关节均采用相同技术进行测量。数据应以两侧膝关节尺寸之差（delta knee size）表示，而非绝对值，这有助于减少因测量技术差异及个体小鼠体型不同带来的变异性。

6. 滑液采集（膝关节灌洗）

  1. 根据国家许可法规、当地指南和实验方案，采用批准的方法对动物实施安乐死。本研究中采用二氧化碳（CO2）窒息法结合颈椎脱位进行安乐死。
  2. 在膝关节前方做纵向切口，切开皮肤及皮下组织，充分暴露髌腱和髌骨。
  3. 使用11号刀片，沿髌韧带内侧从其中点至髌骨上缘切开关节囊（图6A，B）。
  4. 轻柔地将髌骨向外侧移位，以进入关节腔，操作时需注意避免损伤周围结构。
  5. 将膝关节屈曲至约120°，以确保关节腔处于适宜灌洗的位置，便于滑液采集（图6C）。
  6. 预先在离心管中加入100 µL室温磷酸盐缓冲液（PBS）。
  7. 使用P10移液器，用2.5 µL室温PBS对膝关节进行连续灌洗（图6D-F），每次灌洗液加入预装管中，共重复8次。膝关节灌洗液的总体积应达到120 µL。
  8. 将膝关节灌洗液在4 °C、240 g 条件下离心5分钟，以分离细胞成分与上清液。
    注：细胞成分可用于细胞计数、细胞离心涂片分析或流式细胞术分析。进行流式细胞术分析时，可能需要合并多只动物的样本以获得足够数量的细胞用于准确分析。
  9. 将上清液储存于-80 °C，以备后续分析。
    注：本研究中，上清液用于促炎性细胞因子和基质金属蛋白酶（MMPs）的多重检测分析。

7. 微计算机断层扫描分析（远端股骨中PTOA严重程度）

  1. 样本制备：采集滑膜液后，通过仔细解剖远端股骨和近端胫骨获取胫股关节，确保关节完整性得以保留。
    注意：去除膝关节周围多余的肌肉组织时需谨慎，以保持骨结构的完整性。若通过组织学分析滑膜炎，则保留滑膜组织；若通过qPCR评估促炎标志物，则独立采集滑膜组织。
  2. 将样本在4%多聚甲醛（PFA）中4 °C固定5天，随后转移至70%乙醇中，并于4 °C保存。
  3. 使用以下参数进行高分辨率显微CT扫描：7-µm各向同性体素尺寸，X射线管电压55 kVp，电流0.145 mA，每投影积分时间600 ms。
  4. 扫描完成后，将显微CT数据导出为DICOM文件以供进一步分析。
  5. 将DICOM文件载入图像处理软件，用于可视化、三维重建及分析。
  6. 使用三维重建工具评估膝关节所有区域，并在远端股骨的矢状面视图中，从后至前确定四个感兴趣区域（ROI）用于评分（图9）19：生长板的后方沟槽、生长板峰的后方区域、生长板峰的前方区域，以及生长板的前方沟槽。
  7. 确定一个ROI后，选择其在冠状面视图中的对应图像。每个ROI均重复此步骤，每个胫股关节共获得四幅图像。
  8. 将图像保存为盲法文件，以确保分析无偏倚。
  9. 根据既往报道的方法19，在冠状面显微CT图像上对PTOA严重程度进行分级。简言之，该半定量评分系统在四个解剖位置评估股骨不对称性、骨赘的存在与否及其大小，以及股骨髁的扁平化程度。每个部位按0–6分进行评分，6分为最严重，总分最高为24分。至少由两名独立且处于盲态的评估者对各部位进行评分，并取平均值作为最终得分。
    注意：应由两名独立评估者阅片，且评估者必须对实验条件设盲，以减少偏倚。最终PTOA评分由两名评估者的评分取平均值确定。

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结果

ACLT 手术是一种有效且可重复的手术方法，用于在啮齿类动物膝关节中诱导骨关节炎。在无菌条件下完成 ACLT 手术后，小鼠切口部位未出现痛苦或感染迹象，并且活动自如，手术肢体无跛行表现。

通过测量膝关节尺寸来监测前交叉韧带切断术（ACLT）后的膝关节水肿（图7A）。为排除小鼠个体体型差异的影响，将损伤侧膝关节的宽度标准化为对侧未损伤膝关节的宽度。ACLT术后，膝关节尺寸显著增大，随后逐渐回落至基线水平。在ACLT术后不同时间点，通过膝关节灌洗收集膝关节腔内的滑液，以监测损伤后的炎症反应（图7B-F）。通过人工计数滑液中的细胞，发现膝关节滑膜中白细胞募集增加，且这一现象在术后第一周内持续存在（图7B）。采用多重检测法测定术后膝关节滑液中促炎因子的水平。术后第一天，IL-1β水平显著升高，但随后迅速下降（

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讨论

该技术描述提供了一种通过横断前交叉韧带（ACL）在小鼠中诱导ACL损伤的详细外科手术方法，为研究创伤后骨关节炎（PTOA）提供了可控的模型。ACL横断（ACLT）手术模型是一种广泛使用的临床前方法，可有效模拟人类ACL损伤中观察到的关键病理特征，包括关节生物力学改变、滑膜炎症以及软骨降解。图7 和 图8)15,16,17,18,19此外，前交叉韧带横断（ACLT）后的炎症反应特征是促炎介质的上调，这会加速细胞外基质降解和软骨损伤，最终导致创伤后骨关节炎（PTOA）22,

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1x 磷酸盐缓冲液 (PBS)CytivaSH30256.02
4% 多聚甲醛Fisher ScientificAAJ19943K2
70% 乙醇Fisher ScientificBP82031GAL
可吸收性6-0缝合线Patterson Veterinary Supply07-893-1916
钝头镊子 Fine Science Tools11051-10
棉签Fisher Scientific22-029-685
解剖显微镜Leica MicrosystemsM165 FC
电动剃须刀Braintree Scientific CLP-9961
乙醇擦拭巾Fisher Scientific22-246073
Ethiqa XR (缓释布托啡诺)Covertus721171.3 mg/mL
眼用润滑剂Patterson Veterinary SupplyNC1701236 
精细剪刀Fine Science Tools14061-10
加热垫Fisher ScientificNC1061604
HorosHoroshorosproject.org
异氟烷 Patterson Veterinary Supply07-890-8115
氯胺酮Patterson Veterinary Supply07-890-8598
美洛昔康Patterson Veterinary Supply07-893-75655 mg/mL
多重检测分析MesoScaleDiscoveryK15069M-1
持针器Codman36-2000
11号手术刀片 Fine Science Tools10011-00
P10 移液器GilsonF144055M
P10 移液器吸头Fisher Scientific02-707-439
聚维酮碘棉签棒MedlineMDS093901ZZ
Scanco Medical µCT-35 系统Scancohttps://www.scanco.ch/systems-overview.html7 µm 体素尺寸，55 kVp，0.145 mA，600 ms
无菌手术单McKesson General MedicalNC2032042
外科口罩Fisher Scientific18-048-010
外科手套Encore7823PF
手术胶带Patterson Veterinary Supply07-888-0614
注射器BD3096231 mL
Vannas 弹簧剪World Precision Instruments5017783 mm 刀头
游标卡尺Neiko 01407A
赛拉嗪 Patterson Veterinary Supply07-893-8424

参考文献

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