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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Dieses Protokoll beschreibt eine Methode, um Frakturen an erwachsenen Mäusen durchzuführen und den Heilungsprozess zu überwachen.
Die Frakturreparatur ist eine wesentliche Funktion des Skeletts, die in vitro nicht zuverlässig modelliert werden kann. Ein Mausverletzungsmodell ist ein effizienter Ansatz, um zu testen, ob ein Gen, ein Genprodukt oder ein Medikament die Knochenreparatur beeinflusst, da murine Knochen die während der menschlichen Frakturheilung beobachteten Stadien rekapitulieren. Wenn eine Maus oder ein Mensch einen Knochen bricht, wird eine Entzündungsreaktion ausgelöst, und das Periost, eine Stammzellnische, die den Knochen selbst umgibt, wird aktiviert und expandiert. Zellen, die sich im Periost befinden, differenzieren sich dann zu einem vaskularisierten weichen Kallus. Der Übergang vom weichen Kallus zu einem harten Kallus erfolgt, wenn sich die rekrutierten Skelettvorläuferzellen in mineralisierende Zellen differenzieren und die Überbrückung der gebrochenen Enden zur Knochenvereinigung führt. Der mineralisierte Kallus wird dann umgebaut, um die ursprüngliche Form und Struktur des geheilten Knochens wiederherzustellen. Die Frakturheilung wurde an Mäusen mit verschiedenen Verletzungsmodellen untersucht. Dennoch ist der beste Weg, diesen gesamten biologischen Prozess zu rekapitulieren, den Querschnitt eines langen Knochens zu durchbrechen, der beide Kortexe umfasst. Dieses Protokoll beschreibt, wie eine stabilisierte, transversale Femurfraktur sicher durchgeführt werden kann, um die Heilung bei erwachsenen Mäusen zu beurteilen. Ein chirurgisches Protokoll mit detaillierten Ernte- und Bildgebungstechniken zur Charakterisierung der verschiedenen Stadien der Frakturheilung wird ebenfalls bereitgestellt.
Frakturen, Brüche in der Kontinuität der Knochenoberfläche, treten in allen Segmenten der Bevölkerung auf. Sie werden bei Menschen, die aufgrund von Alterung oder Krankheit zerbrechliche Knochen haben, schwer, und die Gesundheitskosten von Fragilitätsfrakturen werden in 5 Jahren voraussichtlich 25 Milliarden US-Dollar übersteigen 1,2,3,4,5. Das Verständnis der biologischen Mechanismen, die an der Frakturreparatur beteiligt sind, wäre ein Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Therapien, die darauf abzielen, den Heilungsprozess zu verbessern. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass bei einer Fraktur vier signifikante Schritte auftreten, die es dem Knochen ermöglichen, zu heilen: (1) Bildung des Hämatoms; (2) Bildung eines fibroknorpeligen Kallus; (3) Mineralisierung des weichen Kallus zur Bildung von Knochen; und (4) Umbau des verheilten Knochens 6,7. Viele biologische Prozesse werden aktiviert, um die Fraktur erfolgreich zu heilen. Zunächst wird unmittelbar nach einer Fraktur eine akute entzündungsfördernde Reaktion eingeleitet 6,7. Dann wird das Periost aktiviert und dehnt sich aus, und periostale Zellen differenzieren sich in Chondrozyten, um einen Knorpelkallus zu bilden, der wächst, um die Lücke zu füllen, die die gestörten Knochensegmente hinterlassen 6,7,8,9. Nerven- und Gefäßzellen dringen in den neu gebildeten Kallus ein, um zusätzliche Zellen und Signalmoleküle bereitzustellen, die zur Erleichterung der Reparaturbenötigt werden 6,7,8,9,10. Periostatale Zellen tragen nicht nur zur Bildung von Kallusen bei, sondern differenzieren sich auch zu Osteoblasten, die gewebten Knochen im überbrückenden Kallus ablegen. Schließlich bauen Osteoklasten den neu gebildeten Knochen um, um zu seiner ursprünglichen Form und lamellären Strukturzurückzukehren 7,8,9,10,11. Viele Gruppen entwickelten Mausmodelle zur Frakturreparatur. Eines der früheren und am häufigsten verwendeten Frakturmodelle bei Mäusen ist der Einhorn-Ansatz, bei dem ein Gewicht ab einer bestimmten Höhe12 auf das Bein fällt. Die mangelnde Kontrolle über den Winkel und die Kraft, die angewendet wird, um die Fraktur zu induzieren, erzeugt eine große Variabilität in der Lage und Größe der Knochendiskontinuität. Anschließend führt dies zu Variationen in der beobachteten spezifischen Frakturheilungsreaktion. Andere beliebte Ansätze sind chirurgische Eingriffe zur Erzeugung eines tibialen monokortikalen Defekts oder Stressfrakturen, Verfahren, die vergleichsweise mildere Heilungsreaktionen induzieren10,13. Die Variabilität in diesen Modellen ist in erster Linie auf die Person zurückzuführen, die das Verfahren durchführt14.
Hier ermöglicht ein detailliertes Maus-Femurverletzungsmodell die Kontrolle über den Bruch, um eine reproduzierbare Verletzung zu ermöglichen und eine quantitative und qualitative Bewertung der Femurfrakturreparatur zu ermöglichen. Insbesondere wird ein vollständiger Durchbruch in den Oberschenkelknochen erwachsener Mäuse eingeführt und stabilisiert die Frakturenden, um die Rolle der körperlichen Belastung bei der Knochenheilung zu berücksichtigen. Die Methoden zur Gewebeentnahme und Bildgebung der verschiedenen Schritte des Heilungsprozesses mittels Histologie und Mikrocomputertomographie (MikroCT) werden ebenfalls ausführlich erläutert.
Alle beschriebenen Tierversuche wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee der Harvard Medical Area genehmigt. In diesem Protokoll wurden 12 Wochen alte C57BL/6J-Mäuse (Männchen und Weibchen) verwendet. C57BL/6J männliche und weibliche Mäuse erreichen eine maximale Knochenmasse im Alter von etwa 12 Wochen mit Oberschenkelknochen, die breit genug sind, um einen stabilisierenden Stift unterzubringen, was sie zu einer geeigneten Belastung für dieses Protokoll15 macht.
1. Vorbereitung auf die Operation
2. Chirurgie
3. Gewebeentnahme
4. Histologie - Alcian Blue / Eosin / Orange G Färbung
HINWEIS: Die Alcian Blue / Orange G / Eosin-Färbung wird routinemäßig verwendet, um Knorpel (blau) und den Knochen (rosa) zu visualisieren. Die Knorpelfläche kann als Anteil an der gesamten Kallusfläche quantifiziert werden (Abbildung 2A,B).
5. Mikro-CT
HINWEIS: In den späteren Stadien der Heilung kann eine MikroCT durchgeführt werden, um die Mineralisierung im harten Kallus und die Frakturlücke abzubilden und zu quantifizieren. Bei C57BL/6J-Mäusen ist der Kallus in der Regel mineralisiert und nach 10 Tagen nach der Fraktur (dpf) durch MikroCT nachweisbar (Abbildung 2C).
Bei C57BL/6J-Mäusen schließt eine erfolgreiche Operation die zuvor erwähnten Heilungsschritte mit wenig bis gar keiner lokalen Entzündungsreaktion oder periostalen Beteiligung am scheinoperierten kontralateralen Femur ab. Ein Hämatom wird einige Stunden nach der Operation gebildet, und das Periost wird aktiviert, um Skelettvorläufer für die Chondrogenese zu rekrutieren. Verschiedene Zellpopulationen, wie z.B. Prx1+ mesenchymale Vorläufer, können während des Reparaturprozesses mit handelsüblichen fluoreszierenden Reporter-Mausmodellen verfolgt werden (Abbildung 3). Bei 5 Tagen nach der Fraktur (dpf) kann die Alcian Blue-Färbung verwendet werden, um den weichen Kallus sichtbar zu machen und anschließend die Knorpelfläche zu quantifizieren (Abbildung 2A, B). Die Mineralisierung ist durch Mikro-CT bei 28 dpf nachweisbar (Abbildung 2C). Das Volumen des mineralisierten Kallus, der Abstand der Frakturlücke und die Knochenstärke, die durch mechanische Tests gemessen wird, werden häufig als quantifizierbare Ergebnisse der Frakturreparatur verwendet. Genetische Veränderung oder medikamentöse Intervention können den Verlauf der Genesung verändern, daher wird empfohlen, eine Zeitstudie durchzuführen, um Frakturen in verschiedenen Stadien der Reparatur zu charakterisieren. Der gesamte Kallus kann für die molekulare Analyse seziert werden und der kontralaterale Knochenschaft kann als Kontrolle verwendet werden. Wenn die Bruchenden nicht mit dem Stift ausgerichtet oder ausreichend gesichert sind, zeigen die resultierenden Bilder einen Mangel an Kallusbildung auf der gesamten oder einer Seite der Bruchstelle (Abbildung 4).

Abbildung 1: Bruch und Einsetzen des stabilisierenden Stiftes . (A) Ein Quadrat wird am rechten Bein einer C57BL/6J-Maus rasiert. (B) Nachdem ein Schnitt in Haut und Faszie gemacht wurde, wird eine gekrümmte Pinzette unter dem Femur befestigt, um den Muskel, die Haut und den Knochen zu trennen. (C) Nachdem der Schnitt vorgenommen wurde, werden zwei Frakturenden erstellt: der proximale Abschnitt des Femurs, der am Hüftknochen befestigt ist, und der distale Abschnitt, der am Knie befestigt ist. Die Führungsnadel (grün) wird in den distalen Abschnitt eingeführt und durch das Kniegelenk gedrückt. (D) Die Führungsnadel wird aus dem distalen Abschnitt entfernt, in den proximalen Abschnitt eingeführt und durch das Hüftgelenk gedrückt. (E) Der stabilisierende Stift (graue Nadel) wird in die aus dem Hüftgelenk ragende Führungsnadel eingeführt. (F) Der stabilisierende Stift wird durch den proximalen Abschnitt, in den distalen Abschnitt und durch das Kniegelenk gedrückt, wobei der Weg der Führungsnadel in C verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Histologie und MikroCT von Femurfrakturen. (A) Formalin-fixierte Paraffinabschnitte von Femurfrakturen wurden bei 5, 10 und 28 dpf gesammelt und mit Alcian Blue/Eosin/Orange G gefärbt. Skalenbalken = 500 μm. (B) Die Knorpelfläche wurde mit der ImageJ-Software bei 5, 10 und 28 dpf quantifiziert. (C) Bei 28 dpf wurde eine Mineralisierung beobachtet, und das Kallusvolumen und die Frakturlücke konnten mittels MikroCT gemessen werden. Maßstabsleiste = 1.000 μm. Daten, die als Mittelwert ± REM angezeigt werden. Das mineralisierte Kallusvolumen wurde durch Konturierung um den kortikalen Knochen an der Frakturstelle gemessen. Der dunkelgraue Bereich grenzt den mineralisierten Kallus auf dem Bild ab, während der kortikale Knochen (hellgrau) nicht in die Messung einbezogen wird. Die Daten werden als Mittelwert ± REM angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Fluoreszierendes Reportermodell, das zur Visualisierung der Expansion von Prx1+ periostalen Zellen nach einer Fraktur verwendet wird. Prx1CreER; Rosa26tdTomato-Mäuse wurden fünf Tage lang täglich mit 80 mg/kg Tamoxifen Körpergewicht injiziert, um die tdTomato-Expression zu induzieren. Drei Tage nach der letzten Injektion wurde eine Femurfraktur eingeleitet, und Mäuse wurden bei 7 oder 14 dpf geopfert, um zu verfolgen, wo sich Prx1-exprimierende Zellen und ihre Nachkommen (Prx1+) innerhalb des Frakturkallus und des erweiterten Periosts befinden. Maßstabsleiste = 500 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Beispiel für eine unregelmäßige Heilung aufgrund von chirurgischen Problemen. Die Bruchenden waren in diesem Beispiel nicht richtig ausgerichtet und der stabilisierende Stift durchbohrte den proximalen Abschnitt des Femurs. Diese Fehler führten zur Kallusbildung, bei der der Femur durchbohrt wurde (gelber Kasten) und nicht an der Schnittstelle. Maßstabsleiste = 500 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Zusatzdatei 1: Zusammensetzung der für die Histologie erforderlichen Lösungen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Dieses Protokoll beschreibt eine Methode, um Frakturen an erwachsenen Mäusen durchzuführen und den Heilungsprozess zu überwachen.
Wir danken Dr. Vicki Rosen für die finanzielle Unterstützung und Begleitung des Projekts. Wir möchten uns auch bei den Veterinär- und IACUC-Mitarbeitern der Harvard School of Medicine für die Beratung in Bezug auf die Steriltechnik, das Wohlergehen der Tiere und die Materialien, die zur Entwicklung dieses Protokolls verwendet wurden, bedanken.
| 23 G x 1 TW IM (0,6 mm x 2 5 mm) Nadel | BD Präzision | 305193 | Verwendung als Führungsnadel |
| 27 G x 1 ¼ (0,4 mm x 30 mm) | BD | Präzisions-305136 | Verwendung als Stabilisierungsstift |
| 9 mm gewickelter Autoclip-Applier/-Entferner/Clip-Kit | Braintree Scientific, INC | ACS-KIT | |
| Alcian Blue 8 GX | Elektronenmikroskopie Sciences | 10350 | |
| Ammoniumhydroxid | Millipore Sigma | AX1303 | |
| Kreissäge X926.7 THIN-FLEX | Schleiftechnologien | CELBTFSG633 | |
| DREMEL 7700-1/15, 7,2 V Rotationswerkzeugsatz | Dremel | 7700 1/15 | |
| Eosin Y | ThermoScientific | 7111 | |
| Fein gebogene Präparierzange | VWR | 82027-406 | |
| Hämatoxulin Gill 2 | Sigma-Aldrich | GHS216 | |
| Salzsäure | Millipore Sigma | HX0603-4 | |
| Isofluran | Patterson Veterinary | 07-893-1389 | |
| Mikrochirurgisches Set | VWR | 95042-540 | |
| Orange G | Sigma-Aldrich | 1625 | |
| Phloxin B | Sigma-Aldrich | P4030 | |
| Povidon-Jod-Tupfer | PDI | S23125 | |
| SCANCO Medical & Micro; CT35 | Scanco | ||
| Buprenorphin mit langsamer Freisetzung | Zoopharm |