Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Ikke-invasiv kompresjonsindusert fremre korsbåndskade (ACL) og in vivo-avbildning av proteaseaktivitet hos mus

Published: September 29, 2023 doi: 10.3791/65249
Automatic Translation
1, 1
1Lawrence J. Ellison Musculoskeletal Research Center, Department of Orthopaedic Surgery, University of California Davis Health

Summary

Ikke-invasiv korsbåndskade er en pålitelig og klinisk relevant metode for å initiere posttraumatisk slitasjegikt (PTOA) hos mus. Denne skademetoden tillater også in vivo kvantifisering av proteaseaktivitet i leddet på tidlige tidspunkter etter skade ved bruk av proteaseaktiverbare nær infrarøde sonder og fluorescensrefleksjonsavbildning.

Abstract

Traumatiske leddskader som fremre korsbånd (ACL) ruptur eller meniskrifter fører ofte til posttraumatisk slitasjegikt (PTOA) innen 10-20 år etter skade. Å forstå de tidlige biologiske prosessene initiert av leddskader (f.eks. betennelse, matriksmetalloproteinaser (MMP), cathepsinproteaser, benresorpsjon) er avgjørende for å forstå etiologien til PTOA. Det er imidlertid få alternativer for in vivo-måling av disse biologiske prosessene, og de tidlige biologiske responsene kan bli forvirret hvis invasive kirurgiske teknikker eller injeksjoner brukes til å initiere OA. I våre studier av PTOA har vi brukt kommersielt tilgjengelige nær-infrarøde proteaseaktiverbare sonder kombinert med fluorescensrefleksjonsavbildning (FRI) for å kvantifisere proteaseaktivitet in vivo etter ikke-invasiv kompresjonsindusert korsbåndskade hos mus. Denne ikke-invasive korsbåndskademetoden rekapitulerer nøye klinisk relevante skadetilstander og er fullstendig aseptisk siden den ikke innebærer å forstyrre huden eller leddkapselen. Kombinasjonen av disse skade- og bildebehandlingsmetodene gjør at vi kan studere tidsforløpet av proteaseaktivitet på flere tidspunkter etter en traumatisk leddskade.

Introduction

Slitasjegikt er et gjennomgripende helseproblem som rammer millioner av mennesker i USA1. Posttraumatisk slitasjegikt (PTOA) er en undergruppe av OA som initieres av en leddskade som fremre korsbånd (ACL) ruptur, meniskskade eller intraartikulær brudd2. Andelen symptomatiske OA-pasienter som kan klassifiseres som PTOA er minst 12%3, og denne etiologien påvirker vanligvis en yngre populasjon enn idiopatisk OA4. Musemodeller av OA er viktige verktøy for å undersøke sykdomsetiologi og potensielle OA-behandlinger på en mye kortere tidslinje (4-12 uker i musemodeller sammenlignet med 10-20 år hos mennesker). Imidlertid involverer metodene for å initiere OA hos mus vanligvis invasive kirurgiske teknikker som ACL-transeksjon 5,6, fjerning eller destabilisering av den mediale menisken 5,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, eller en kombinasjon av de to 17,18,19, som ikke reproduserer klinisk relevante skadetilstander. Kirurgiske modeller forverrer også betennelse i leddet på grunn av forstyrrelse av leddkapselen, noe som kan akselerere OA-progresjon.

Ikke-invasive musemodeller for kneskade gir mulighet til å studere biologiske og biomekaniske endringer på tidlige tidspunkter etter skade og kan gi mer klinisk relevante resultater20. Vårt laboratorium har etablert en ikke-invasiv skademodell som bruker en enkelt eksternt påført tibial kompresjonsoverbelastning for å indusere fremre korsbåndsbrudd (ACL) hos mus 21,22,23,24. Denne ikke-invasive skademetoden er i stand til å produsere en aseptisk leddskade uten å forstyrre huden eller leddkapselen.

Fluorescensrefleksjonsavbildning (FRI) er en optisk avbildningsmetode som innebærer å begeistre et mål med infrarødt lys ved en bestemt bølgelengde og kvantifisere det reflekterte lyset som sendes ut ved en annen bølgelengde. Kommersielt tilgjengelige proteasespesifikke prober kan injiseres i dyremodeller, og FRI kan deretter brukes til å kvantifisere proteaseaktivitet på spesifikke steder som kneleddet. Denne metoden har blitt mye brukt for in vivo påvisning av biologiske aktiviteter som betennelse. Probene som brukes til denne applikasjonen er fluorescerende slukket til de møter relevante proteaser. Disse proteasene vil da bryte et enzymspaltningssted på sondene, hvoretter de vil produsere et nær-infrarødt fluorescerende signal. Disse probene og denne avbildningsmetoden har blitt grundig validert og brukt i studier av kreft 25,26,27,28 og aterosklerose 29,30,31,32, og vår gruppe har brukt dem til studier av muskel- og skjelettsystemet for å måle markører for betennelse og matriksnedbrytning 23,24,33.

Sammen gir ikke-invasiv leddskade kombinert med in vivo FRI og proteaseaktiverbare sonder en unik evne til å spore betennelse og proteaseaktivitet etter en traumatisk leddskade. Denne analysen kan gjøres så tidlig som timer eller minutter etter skade, og det samme dyret kan vurderes flere ganger for å studere tidsforløpet av proteaseaktivitet i leddet. Det er viktig at denne bildebehandlingsmetoden kanskje ikke er mulig når den kombineres med kirurgiske modeller av OA, siden forstyrrelse av huden og leddkapselen resulterer i et fluorescenssignal som vil forvirre signalet fra leddet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle beskrevne prosedyrer er godkjent av Institutional Animal Care and Use Committee ved University of California Davis. 3 måneder gamle mannlige C57BL/6J-mus ble brukt til denne studien.

1. Ikke-invasiv korsbåndskade

MERK: ACL-skade forårsaket av en eksternt påført trykkbelastning er en enkel og reproduserbar metode som nøye rekapitulerer ACL-skadeforholdene hos mennesker. Denne protokollen er skrevet for et kommersielt tilgjengelig lastrammeinstrument (se materialfortegnelse), men kan tilpasses for lignende systemer.

  1. Åpne programvaren som er kompatibel med lastrammeinstrumentet (se Materialliste) og velg en eksisterende kontrollfil eller opprett en ny fil.
  2. Slå på strømmen til aktuatoren.
  3. I kalibreringsmenyen, tare kraftavlesningen av lastcellen og sett forskyvningen av aktuatoren til 0.
  4. Bruk 1% -4% inhalert isofluran i oksygen for å bedøve musene og sikre at dyrene er fullt bedøvet av tåklemme og / eller haleklype.
  5. Plasser musen i mageleie på plattformen. Plasser underbenet vertikalt mellom to lastearmaturer (figur 1) (se materialfortegnelse). Sett foten inn i utskjæringen av topparmaturen og kneet i koppen på bunnarmaturen.
  6. Juster høyden på bunnarmaturen manuelt for å påføre en forhåndsbelastning på 1-2 N (overvåkes i sanntid på dataskjermen) og stram settskruen for å holde posisjonen. Forspenningen er nødvendig for å holde benet i riktig posisjon før skadebelastningen påføres.
  7. Påfør en enkelt trykkbelastning på en målkraft (~ 12-15 N) eller målforskyvning (~ 1,5-2,0 mm).
    MERK: Bruk av lasten ved en langsommere belastningshastighet (~ 1 mm / s) vil gi et større nivå av sanntidsovervåking og kontroll, men vil sannsynligvis føre til en avulsjonsfeil i ACL. Bruk av en raskere belastningshastighet (~ 200 mm / s) vil være mer sannsynlig å produsere en mid-substance ACL skade22. Hvis det fastslås at et tibialbrudd eller annen overdreven skade har oppstått, må dyret avlives ved hjelp av en IACUC-godkjent metode før dyret kommer seg etter anestesi.
    1. Angi lasthastigheten i programvarekontrollfilen og bekreft ved hjelp av kraftforskyvningsdataene.
      MERK: Benbrudd under tibial kompresjonsbelastning er vanligvis ikke et problem siden bruddkraften (~ 20 N) er betydelig høyere enn korsbåndskadekraften. Dette bør imidlertid overvåkes med palpasjon, og bildediagnostikk (dvs. røntgen) kan brukes for å bekrefte at ingen tibialfrakturer har oppstått.
  8. Skade er vanligvis indikert med en lyd ("klikk" eller "knase") og en frigjøring av kraft som kan identifiseres på kraftforskyvningsplottene (figur 1C). Hvis en langsommere belastningshastighet brukes, må du stoppe trykkbelastningen umiddelbart etter skade for å forhindre ytterligere belastning og mulig skade på annet leddvev.
    MERK: ACL skade oppstår vanligvis ved 8-15 N avhengig av kroppsmasse34. Det er viktig å sette en målstyrke som er større enn den forventede korsbåndskadekraften.
  9. Bekreft korsbåndskaden ved hjelp av en fremre-bakre skuffetest35,36 eller tilsvarende vurdering av leddinstabilitet.
  10. Administrer en animalsk vektavhengig dose (f.eks. 0,05-0,1 mg/kg subkutant eller IP av buprenorfin, se materialfortegnelse) til mus etter skade, med varighet og dose som anbefalt og godkjent av hjemmeinstitusjonen IACUC.
    NSAIDs kan endre utviklingen av PTOA etter skade, så det anbefales ikke at NSAIDs brukes til smertebehandling i denne skademodellen med mindre det er et spesifikt mål for studien.

2. Dyrepreparat for FRI bildebehandling

MERK: For optisk avbildning er dyrepels (spesielt mørk pels) svært effektiv til å blokkere, absorbere og spre lys, derfor må pels fjernes så mye som mulig fra området rundt kneleddene før avbildning. En hårfjerningskrem er vanligvis mer effektiv for pelsfjerning enn klippemaskiner. Nakne eller hårløse mus krever ikke pelsfjerning. Imidlertid er pelsfjerning nødvendig for de mest brukte musestammene (f.eks. C57BL/6). Hvis mulig, mate mus med lav fluorescens renset mat før avbildning. Standard mus chow inneholder klorofyll, som automatisk fluoresces med en bølgelengde på rundt 700 nm og kan påvirke datainnsamlingen fra det nær-infrarøde FRI-systemet.

  1. Bedøv mus med 1% -4% inhalert isofluran i oksygen. Hold mus på en varmepute så mye som mulig og bruk øyesalve for å forhindre irritasjon av øynene.
  2. Bruk en bomullspinne for å påføre hårfjerningskrem (se materialfortegnelse) på det fremre (kraniale) aspektet av bena til musene rundt kneleddet.
  3. La kremen stå i ~1 min, og bruk deretter våtservietter for å fjerne krem og pels fra beinet. Gjenta om nødvendig.
  4. Når kneleddene er helt eksponert uten pels som dekker området, rengjør bena med alkoholservietter for å fjerne gjenværende hårfjerningskrem.
    MERK: Hårfjerningskrem kan brukes på de samme musene flere ganger i løpet av en studie, men disse applikasjonene bør være minst en uke fra hverandre for å forhindre unødvendig irritasjon av huden.

3. Fremstilling av sondeoppløsningen

  1. Fortynn om nødvendig fluorescensaktiverbar sonde i henhold til produsentens instruksjoner i sterilt 1x fosfatbufret saltvann (PBS). Ett hetteglass med kommersielt tilgjengelig sonde (se materialfortegnelse) inneholder vanligvis 20 nmol i 0,15 ml 1x PBS. For å fortynne oppløsningen i hetteglasset, tilsett 1,35 ml 1x PBS for å lage 20 nmol i 1,5 ml 1x PBS.
    MERK: Etter fortynning kan ett hetteglass brukes til å avbilde ti mus ved injeksjon av 0,15 ml per mus.
  2. Vortex løsningen med en minimumshastighet (~ 2000 o / min) i 30 s for å sikre at sonden er oppløst i oppløsning, og sentrifuge deretter kort for å sikre at all væske er ute av lokket.
    MERK: Oppløsningen kan oppbevares ved 2-8 °C på et sted som er beskyttet mot lys i opptil 12 måneder.

4. Retro-orbital injeksjon

MERK: Se Yardeni et al. angående detaljene i denne prosedyren37.

  1. Bruk 1% -4% inhalert isofluran i oksygen for å bedøve mus og plasser musen på siden med snuten i en nesekegle.
  2. Bruk ~29 G insulinsprøyter til injeksjon av sondeoppløsning (tilberedt i trinn 3).
  3. Hold sprøyten tildekket før bruk for å unngå eksponering for lys.
  4. Ved administrering av injeksjonen:
    1. Injiser på innsiden av øyet (lacrimal caruncula), og sørg for at skråningen på sprøyten er vinklet mot øyet. For høyrehendte anbefales det å injisere i høyre øye av musen med dyret vendt mot høyre.
    2. Med den ikke-injiserende hånden, trekk forsiktig tilbake huden rundt øyet for å stabilisere hodet og få øyet til å stikke ut.
    3. Vinkle sprøyten parallelt med musens kropp.
    4. Før sprøyten forsiktig forbi øyet til den møter stiv motstand; Ikke forsøk å presse forbi dette punktet.
    5. Injiser sondeoppløsningen langsomt inn i den retroorbitale sinus, og trekk deretter nålen sakte ut av øyehulen. Hvis det ikke kommer ut noen løsning med nålen, er injeksjonen vellykket.
    6. Påfør saltvann eller øyesalve på det injiserte øyet.
      MERK: Basert på dokumentasjonen som følger med bildeprobene, er den optimale avbildningstiden vanligvis mellom 1 og 2 dager etter injeksjon av sondeoppløsningen. Hvis det er mulig, anbefales det å gjøre en innledende tidsscreening for å bestemme den optimale bildetiden for hver enkelt applikasjon. Mus vil metabolisere den injiserte sonden innen ca. 7 dager, hvoretter en ny dose sondeoppløsning må injiseres hvis ytterligere tidspunkter er ønsket.

5. Fluorescensrefleksjonsavbildning

MERK: Prosedyrene i denne delen er spesifikke for et kommersielt tilgjengelig optisk bildesystem (se Materialfortegnelse). Lignende avbildning kan utføres med sammenlignbare systemer.

  1. Bedøv mus med 1% -4% inhalert isofluran i oksygen og plasser dyret liggende i bildesystemet med snuten i en nesekegle.
  2. Plasser musen med underbena forlenget slik at knærne peker litt i luften (det kan være nødvendig å teipe ned føttene). Det er avgjørende at en konsekvent posisjonering brukes for alle dyr.
  3. Åpne den kompatible programvaren (se Materialfortegnelse) på bildesystemets datamaskin; "Oppkjøpskontrollpanel" vises.
  4. For å varme opp systemet, klikk på Initialiser og vent til temperaturlampen blir grønn.
  5. Klikk på Imaging Wizard, og sørg for at vinduet "Imaging Wizard" vises.
  6. Klikk på Filter Pair, og sørg for at innstillingen er på 'Epi-Illumination', og trykk deretter på Neste.
  7. For å velge de riktige eksitasjons-/utslippsinnstillingene, finn sonden av interesse fra rullegardinlisten. Hvis man ikke finner riktig sonde, finn navnet 'Input Ex/Em' og skriv inn verdien av Excitation Peak og Emission Peak manuelt basert på egenskapen til sonden som skal brukes (f.eks. for Excitation Peak, skriv inn 675, og for Emission Peak, skriv inn 720). Klikk på Neste.
  8. Velg mus for "Imaging Subject". I "Eksponeringsparametere" må du kontrollere at Autoinnstillinger er merket, og at alternativene Fluorescerende og Fotografi er valgt. Velg D-22.6 cm i sjekklisten til "Synsfelt". Trykk på Neste.
  9. Bildeinnstillingen kan sees og endres på høyre panel i "Acquisition Control Panel". Forsikre deg om at alle innstillingene er riktige, og trykk på Acquire Sequence-knappen . Når bildet vises, bekrefter du at bildet hadde tilstrekkelig eksponering. Hvis ikke, endre innstillingen for eksponeringstid og klikk på Skaff sekvens igjen.
  10. Hvis du vil analysere bildet, plasserer du en interesseområdesirkel (ROI) med konsekvent størrelse over hvert kneledd på svart-hvitt-bildet (dette forhindrer partisk posisjonering basert på områder med fluorescerende signal).
  11. Beregn total stråleeffektivitet og/eller gjennomsnittlig stråleeffektivitet for hvert kneledd. Hvis stråleeffektiviteten også beregnes på de kontralaterale bena, normaliserer du dataene ved å dele stråleeffektivitetsmålingen for det skadede benet med stråleeffektivitetsmåling av det kontralaterale benet.
    MERK: Hvis et område av interesse med konsekvent areal brukes for alle knær, vil både total stråleeffektivitet og gjennomsnittlig stråleeffektivitet gi lignende resultater. Bruk av gjennomsnittlig stråleeffektivitet anbefales hvis områder av interesse med forskjellige størrelser brukes. Normalisering av strålingseffektivitetsdata fra det skadde leddet med dataene fra det uskadde kontralaterale kneet vil gi en internkontroll for å ta hensyn til eventuelle forskjeller i mengden sonde injisert og leveringseffektiviteten mellom forskjellige dyr.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Etter å ha påført en enkelt trykkkraft (1 mm/s til skade) på leggene til 3 måneder gamle C57BL/6J-hannmus, ble korsbåndskade konsekvent indusert hos alle mus. Gjennomsnittlig trykkkraft ved kneskade var ca. 10 N (figur 1).

FRI-analyse viste signifikant større proteaseaktivitet i skadde ledd hos mus utsatt for ikke-invasiv korsbåndskade 7 dager etter skade (figur 2). FRI-analyse av kneledd ble også utført på mus som gjennomgikk kirurgisk restabilisering av kneleddet umiddelbart etter ikke-invasiv korsbåndskade, tilsvarende det som tidligere er beskrevet hos rotter 35,36,38. Denne analysen viste betydelig større fluorescerende signal hos mus utsatt for restabiliseringskirurgi enn mus som ikke ble operert både 2 og 4 uker etter skaden. Disse dataene tyder på at invasive kirurgiske prosedyrer kan forvirre analysen av proteaseaktivitet i leddet.

Figure 1
Figur 1: Ikke-invasivt korsbåndskadeoppsett og krafttidsplott under skade. (A,B) Musens underben er plassert vertikalt i systemet, med ankelen plassert i et hakk av topparmaturen og kneleddet plassert i en grunn kopp på bunnarmaturen. Bunnarmaturen låses på plass med en settskrue etter manuell påføring av en forspenning på 1-2 N. (C) Kraftforskyvningsplott, som viser korsbåndskade ved ca. 9 N. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Fluorescensrefleksjonsavbildning som påviser proteaseaktivitet i kneledd i mus. (A,B) Representative bilder av uskadde (A) og skadde (B) mus etter skade. (C) Gjennomsnittlig stråleeffektivitet for begge kneleddene for uskadde og skadede mus en uke etter ikke-invasiv korsbåndskade. Skadde ledd viste 43% større gjennomsnittlig stråleeffektivitet sammenlignet med kontralaterale ledd og ledd fra uskadde mus. (D) Normalisert total stråleeffektivitet (R / L) for ikke-invasivt skadede mus og skadede mus som også ble utsatt for felles restabiliseringskirurgi. En ~30%-80% større stråleeffektivitet ble observert i skadede ledd sammenlignet med kontralaterale ledd 1-4 uker etter skade. I motsetning til dette viste kirurgisk opererte ledd ~ 300% større stråleeffektivitet ved uke 4 sammenlignet med kontralaterale ledd, noe som tyder på en bemerkelsesverdig forvirrende effekt av kirurgi. **P < 0,01. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokollen har etablert og strengt beskrevet en reproduserbar, ikke-invasiv metode for å indusere korsbåndskade hos mus 20,21,24,33. Denne enkle og effektive skademetoden kan utføres på bare noen få minutter, noe som muliggjør studier av høy gjennomstrømning av PTOA. Denne skademetoden rekapitulerer også nøye skadeforhold som er relevante for menneskelig korsbåndskade. Kirurgiske metoder som brukes til å indusere OA hos mus kan utelukke bruk av in vivo avbildningsmetoder for å måle tidsforløpet og omfanget av proteaseaktivitet i leddet etter skade. I motsetning til dette gir ikke-invasive OA-musemodeller (gjennomgått i20) kombinert med FRI en unik evne til in vivo-avbildning av proteaseaktivitet i kneledd i mus etter skade.

Den inflammatoriske responsen etter skade er kritisk viktig i OA-progresjon. Imidlertid er metodene som brukes til å analysere betennelse i leddet vanligvis dyre, tidkrevende og ødeleggende. For eksempel kan teknikker som revers transkripsjon polymerasekjedereaksjon (RT-PCR) eller RNAseq brukes til å kvantifisere et bredt spekter av gener i hele ledd, individuelle vev eller enkeltceller. Denne metoden krever imidlertid at mus avlives for å skaffe seg skadede og uskadde kneledd. Disse musene kan ikke analyseres på flere tidspunkter, for eksempel et tidlig tidspunkt under maksimal proteaserespons (dvs. 3-14 dager etter skade) og et senere tidspunkt når OA er mer alvorlig (dvs. 4-6 uker etter skade). I motsetning til dette gir FRI kombinert med ikke-invasiv leddskade muligheten til å analysere proteaseaktivitet på flere tidspunkter i kneleddene hos mus in vivo39. Dette muliggjør longitudinell analyse av de samme musene og gjør FRI til et relativt lavere kostnadsresultat enn RT-PCR eller RNAseq. I tillegg kan flere sonder eller mål avbildes samtidig ved forskjellige bølgelengder, noe som kan gi flere resultater for forskjellige formål. Måling av proteaseaktivitet i leddet ved bruk av FRI gir ikke en streng kvantifisering av alle inflammatoriske prosesser som oppstår under OA-progresjon, men in vivo og longitudinelle data gitt av denne metoden kan fortsatt være nyttige for å spore størrelsen og tidsforløpet av inflammatorisk proteaseaktivitet etter leddskade.

Den fluorescensaktiverbare sondeløsningen som brukes til FRI-avbildning av proteaseaktivitet, må leveres intravenøst (IV). De vanligste måtene å utføre IV-injeksjon hos mus er haleveneinjeksjon og retro-orbital injeksjon. Retro-orbital injeksjon er ofte lettere å utføre og letter det nødvendige injeksjonsvolumet lettere enn haleveneinjeksjon. Litteratur indikerer også at retro-orbital levering kan forårsake mindre stress for mus uten forskjell i legemiddellevering eller effekt sammenlignet med haleveneinjeksjon40. Disse funnene tyder på at retro-orbital injeksjon er egnet for injeksjon av fluorescens aktiverbar sondeløsning for FRI avbildning.

Oppløsningen av FRI er relativt lav sammenlignet med en del andre bildediagnostiske teknikker, men de kvantitative resultatene kan gi tilstrekkelig informasjon om tidsforløp og størrelse på inflammatorisk proteaserespons under OA-progresjon. En begrensning av denne teknikken er at vevsautofluorescens kan påvirke resultatene, men dette problemet kan løses med en grundig plan før forsøket (sondetype, stamme av mus, dyreposisjonering, etc.). I motsetning til andre prekliniske bildebehandlingsmetoder (f.eks. mikroPET, mikroSPECT, mikroCT, MR), KAN FRI ikke oversettes direkte til en klinisk bildebehandlingsmodalitet på grunn av de drastiske forskjellene i størrelse mellom mus og mennesker siden dybden av lyspenetrasjon er begrenset. I prekliniske studier med gnagermodeller er imidlertid kneleddet nær huden med minimal bløtvevsdekning. Derfor er FRI et effektivt verktøy for å påvise proteaseaktivitet i kneleddet hos mus.

Konklusjonen er at ikke-invasiv korsbåndskade gir en enkel og reproduserbar metode for å initiere PTOA hos mus. Denne skademetoden forenkler også bruken av proteaseaktiverbare sonder og fluorescensrefleksjonsavbildning for in vivo-måling av tidsforløp og størrelse på inflammatorisk proteaseaktivitet i museledd under OA-progresjon. Fremtidige studier kan bruke disse teknikkene og de mange kommersielt tilgjengelige nær-infrarøde fluorescensaktiverbare probene for å undersøke OA-progresjonsmekanismer hos mus i forskjellige aldre, kjønn og genetisk bakgrunn eller for å evaluere potensielle terapier for å bremse eller forhindre OA-progresjon etter leddskade.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, en del av National Institutes of Health, under tildelingsnummer R01 AR075013.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10x Phosphate-Buffered Saline Tissue Protech PBS01-32R or equivalent
Air Anesthetia System Isoflurane vaporizor with induction chamber and nose cone
Buprenorphine Analgesic post-injury 
Depilatory Cream Veet B001KYPZ4G or equivalent
Fixtures Custom-made knee fixture, ankle fixture, and platform
IVIS Spectrum Perkin Elmer 124262 Can also use comparable optical imaging system
Kimwipes Kimberly-Clark Corporation 06-666 or equivalent
Living Image software  Perkin Elmer
Materials testing systems  TA Instruments Electroforce 3200 or equivalent
ProSense680 Perkin Elmer NEV10003 Can also use other probes such as OsteoSense, MMPSense, Cat K, AngioSense, etc.
Sterile Syringe with Needle Spectrum Chemical Mfg. Corp. 550-82231-CS Covidien 1 mL TB Syringe with 28 G x 1/2 in. Needle, Sterile or equivalent
Uniaxial load cell TA Instruments 20 N capacity
Vortex-Genie 2 Scientific Industries, Inc. SI-0236 or equivalent
WinTest software  TA Instruments compatible with Electroforce 3200

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Deshpande, B. R., et al. Number of persons with symptomatic knee osteoarthritis in the us: impact of race and ethnicity, age, sex, and obesity. Arthritis Care & Research (Hoboken. 68 (12), 1743-1750 (2016).
  2. Carbone, A., Rodeo, S. Review of current understanding of post-traumatic osteoarthritis resulting from sports injuries. Journal of Orthopaedic Research. 35 (3), 397-405 (2017).
  3. Thomas, A. C., Hubbard-Turner, T., Wikstrom, E. A., Palmieri-Smith, R. M. Epidemiology of posttraumatic osteoarthritis. Journal of Athletic Training. 52 (6), 491-496 (2017).
  4. Wang, L. J., Zeng, N., Yan, Z. P., Li, J. T., Ni, G. X. Post-traumatic osteoarthritis following ACL injury. Arthritis Research & Therapy. 22 (1), 57 (2020).
  5. Glasson, S. S., Blanchet, T. J., Morris, E. A. The surgical destabilization of the medial meniscus (DMM) model of osteoarthritis in the 129/SvEv mouse. Osteoarthritis Cartilage. 15 (9), 1061-1069 (2007).
  6. Kamekura, S. Osteoarthritis development in novel experimental mouse models induced by knee joint instability. Osteoarthritis Cartilage. 13 (7), 632-641 (2005).
  7. Ma, H. L., et al. Osteoarthritis severity is sex dependent in a surgical mouse model. Osteoarthritis Cartilage. 15 (6), 695-700 (2007).
  8. Malfait, A. M., et al. ADAMTS-5 deficient mice do not develop mechanical allodynia associated with osteoarthritis following medial meniscal destabilization. Osteoarthritis Cartilage. 18 (4), 572-580 (2010).
  9. Yang, S., et al. Hypoxia-inducible factor-2alpha is a catabolic regulator of osteoarthritic cartilage destruction. Nature Medicine. 16 (6), 687-693 (2010).
  10. Moodie, J. P., Stok, K. S., Muller, R., Vincent, T. L., Shefelbine, S. J. Multimodal imaging demonstrates concomitant changes in bone and cartilage after destabilisation of the medial meniscus and increased joint laxity. Osteoarthritis Cartilage. 19 (2), 163-170 (2011).
  11. Li, J., et al. Knockout of ADAMTS5 does not eliminate cartilage aggrecanase activity but abrogates joint fibrosis and promotes cartilage aggrecan deposition in murine osteoarthritis models. Journal of Orthopaedic Research. 29 (4), 516-522 (2011).
  12. Shapiro, F., Glimcher, M. J. Induction of osteoarthrosis in the rabbit knee joint. Clinical Orthopaedics and Related Research. 147, 287-295 (1980).
  13. Meacock, S. C., Bodmer, J. L., Billingham, M. E. Experimental osteoarthritis in guinea-pigs. Journal of Experimental Pathology (Oxford). 71 (2), 279-293 (1990).
  14. Armstrong, S. J., Read, R. A., Ghosh, P., Wilson, D. M. Moderate exercise exacerbates the osteoarthritic lesions produced in cartilage by meniscectomy: a morphological study. Osteoarthritis Cartilage. 1 (2), 89-96 (1993).
  15. Pastoureau, P., Leduc, S., Chomel, A., De Ceuninck, F. Quantitative assessment of articular cartilage and subchondral bone histology in the meniscectomized guinea pig model of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 11 (6), 412-423 (2003).
  16. Wancket, L. M., et al. Anatomical localization of cartilage degradation markers in a surgically induced rat osteoarthritis model. Toxicologic Pathology. 33 (4), 484-489 (2005).
  17. Karahan, S., Kincaid, S. A., Kammermann, J. R., Wright, J. C. Evaluation of the rat stifle joint after transection of the cranial cruciate ligament and partial medial meniscectomy. Comparative Medicine. 51 (6), 504-512 (2001).
  18. Kamekura, S., et al. Osteoarthritis development in novel experimental mouse models induced by knee joint instability. Osteoarthritis and cartilage / OARS, Osteoarthritis Research Society. 13 (7), 632-641 (2005).
  19. Jones, M. D., et al. In vivo microfocal computed tomography and micro-magnetic resonance imaging evaluation of antiresorptive and antiinflammatory drugs as preventive treatments of osteoarthritis in the rat. Arthritis & Rheumatology. 62 (9), 2726-2735 (2010).
  20. Christiansen, B. A., et al. Non-invasive mouse models of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 23 (10), 1627-1638 (2015).
  21. Christiansen, B. A., et al. Musculoskeletal changes following non-invasive knee injury using a novel mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 20 (7), 773-782 (2012).
  22. Lockwood, K. A., Chu, B. T., Anderson, M. J., Haudenschild, D. R., Christiansen, B. A. Comparison of loading rate-dependent injury modes in a murine model of post-traumatic osteoarthritis. Journal of Orthopaedic Research. 32 (1), 79-88 (2014).
  23. Satkunananthan, P. B., et al. In vivo fluorescence reflectance imaging of protease activity in a mouse model of post-traumatic osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 22 (10), 1461-1469 (2014).
  24. Hsia, A. W., et al. Post-traumatic osteoarthritis progression is diminished by early mechanical unloading and anti-inflammatory treatment in mice. Osteoarthritis Cartilage. 29 (12), 1709-1719 (2021).
  25. Zhang, H., et al. Biochromoendoscopy: molecular imaging with capsule endoscopy for detection of adenomas of the GI tract. Gastrointestinal Endoscopy. 68 (3), 520-527 (2008).
  26. Gounaris, E., et al. Live imaging of cysteine-cathepsin activity reveals dynamics of focal inflammation, angiogenesis, and polyp growth. PLoS One. 3 (8), e2916 (2008).
  27. Sheth, R. A., Mahmood, U. Optical molecular imaging and its emerging role in colorectal cancer. American Journal of Physiology-Gastrointestinal and Liver Physiology. 299 (4), G807-G820 (2010).
  28. Clapper, M. L., et al. Detection of colorectal adenomas using a bioactivatable probe specific for matrix metalloproteinase activity. Neoplasia. 13 (8), 685-691 (2011).
  29. Nahrendorf, M., et al. Dual channel optical tomographic imaging of leukocyte recruitment and protease activity in the healing myocardial infarct. Circulation Research. 100 (8), 1218-1225 (2007).
  30. Jaffer, F. A., et al. Optical visualization of cathepsin K activity in atherosclerosis with a novel, protease-activatable fluorescence sensor. Circulation. 115 (17), 2292-2298 (2007).
  31. Jaffer, F. A., Libby, P., Weissleder, R. Optical and multimodality molecular imaging: insights into atherosclerosis. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 29 (7), 1017-1024 (2009).
  32. Razansky, D., et al. Multispectral optoacoustic tomography of matrix metalloproteinase activity in vulnerable human carotid plaques. Molecular Imaging and Biology. 14 (3), 277-285 (2012).
  33. Hsia, A. W., et al. Osteophytes and fracture calluses share developmental milestones and are diminished by unloading. Journal of Orthopaedic Research. 36 (2), 699-710 (2018).
  34. Blaker, C. L., Little, C. B., Clarke, E. C. Joint loads resulting in ACL rupture: Effects of age, sex, and body mass on injury load and mode of failure in a mouse model. Journal of Orthopaedic Research. 35 (8), 1754-1763 (2017).
  35. Murata, K., et al. Controlling joint instability delays the degeneration of articular cartilage in a rat model. Osteoarthritis Cartilage. 25 (2), 297-308 (2017).
  36. Murata, K., et al. Controlling Abnormal joint movement inhibits response of osteophyte formation. Cartilage. 9 (4), 391-401 (2018).
  37. Yardeni, T., Eckhaus, M., Morris, H. D., Huizing, M., Hoogstraten-Miller, S. Retro-orbital injections in mice. Laboratory Animals (NY). 40 (5), 155-160 (2011).
  38. Kokubun, T., et al. Effect of changing the joint kinematics of knees with a ruptured anterior cruciate ligament on the molecular biological responses and spontaneous healing in a rat model. The American Journal of Sports Medicine. 44 (11), 2900-2910 (2016).
  39. Bhatti, F. U., et al. Characterization of non-invasively induced post-traumatic osteoarthritis in mice. Antioxidants (Basel). 11 (9), 1783 (2022).
  40. Steel, C. D., Stephens, A. L., Hahto, S. M., Singletary, S. J., Ciavarra, R. P. Comparison of the lateral tail vein and the retro-orbital venous sinus as routes of intravenous drug delivery in a transgenic mouse model. Laboratory Animals (NY). 37 (1), 26-32 (2008).

Tags

Ikke-invasiv kompresjonsindusert fremre korsbåndskade (ACL) in vivo-avbildning proteaseaktivitet mus traumatiske leddskader posttraumatisk slitasjegikt (PTOA) biologiske prosesser betennelse matriksmetalloproteinaser (MMP) cathepsinproteaser benresorpsjon etiologi av PTOA in vivo-måling kirurgiske teknikker injeksjoner nær-infrarød protease aktiverbare sonder fluorescensrefleksjonsavbildning (FRI) kvantifisering av proteaseaktivitet ikke-invasiv korsbåndskade metode klinisk relevante skadetilstander aseptisk hudforstyrrelser leddkapsel
Ikke-invasiv kompresjonsindusert fremre korsbåndskade (ACL) og in vivo-avbildning av proteaseaktivitet <em></em> hos mus
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, Y. Y., Christiansen, B. A.… More

Lin, Y. Y., Christiansen, B. A. Non-Invasive Compression-Induced Anterior Cruciate Ligament (ACL) Injury and In Vivo Imaging of Protease Activity in Mice. J. Vis. Exp. (199), e65249, doi:10.3791/65249 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter