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Methodenartikel

Flexible elektromagnetische Spulen-Patch-verstärkte Heilung von volldicken Hautwunden bei Ratten

314 Ansichten

⸱

DOI:

10.3791/69605

⸱

27. Februar 2026

 ,  ,  , 
1Wuxi School of Medicine, Jiangnan University, 2Engineering Research Center of the Ministry of Education for Wound Repair Technology, Jiangnan University, Affiliated Hospital of Jiangnan University

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll demonstriert eine Methode, um vollwertige, kreisförmige Hautwunden bei Ratten zu erzeugen und deren Heilung zu verbessern – mit einem flexiblen Kupfer-Coilpatch, der ein pulsierendes elektromagnetisches Feld liefert.

Zusammenfassung

Chronische und große Hautwunden stellen aufgrund verzögerter Heilung und hohem Infektionsrisiko erhebliche klinische Herausforderungen dar. Die gepulste elektromagnetische Feldtherapie (PEMF) ist ein nicht-invasiver Ansatz, der die Gewebereparatur fördern kann. Diese Studie beschreibt ein reproduzierbares rattengewickeltes Modellprotokoll, das ein flexibles gedrucktes Kupferspulen-Patch verwendet, das an einen maßgeschneiderten PCB-Controller angeschlossen ist, um eine lokale PEMF-Stimulation an vollmächtige dorsale Wunden zu liefern. Die kontralaterale Wunde diente als unbehandelte Kontrolle. Der Heilungsverlauf wurde durch regelmäßige Fotografie und Messungen des Wundbereichs bewertet. Das Protokoll bietet ein praktisches, anpassungsfähiges System zur Bewertung und Optimierung von PEMF-basierten Therapien in vivo über verschiedene Erkrankungen hinweg, mit Schwerpunkt auf lokaler Anwendung und Parameteranpassung für die regenerative Medizin. Die Parameterauswahl basierte auf einem orthogonalen CCK-8-Screening der Fibroblastproliferation, der 0,25–1,3 mT, 10–40 Hz und 30–90 Minuten pro Tag testete; Die Hauptwirkungsanalyse identifizierte 1,3 mT, 30 Hz und 60 Minuten pro Tag als optimale Werte, die für die In-vivo-Tests übernommen wurden.

Einleitung

Chronische kutane Wunden (wie diabetische Geschwüre) sind ein wachsendes Gesundheitsproblem und führen oft zu eingeschränkter Heilung, Infektion oder Amputation1. Traditionelle Behandlungen können langwierig und kostspielig sein, was das Interesse an ergänzenden Therapien weckt, die die Gewebereparatur beschleunigenkönnen. Die elektromagnetische Feldtherapie ist ein solcher Ansatz, der nicht-invasiv ist und sowohl in präklinischen als auch klinischen Umgebungen pro-heilende Effekte gezeigthat 2,3,4,5. Gepulste elektromagnetische Felder (PEMFs) im extrem niedrigen Frequenzbereich (~1–100 Hz) können zelluläre Prozesse stimulieren, die für die Reparatur wichtig sind, einschließlich Angiogenese und Wachstumsfaktorfreisetzung 2,6,7.

Zum Beispiel beschleunigte die PEMF-Exposition den Wundverschluss bei diabetischen und gesunden Nagetieren signifikant, indem sie den Fibroblastenwachstumsfaktor 2 (FGF-2) hochregulierte und die Angiogenese8 erhöhte. Ähnlich wurde im Modell der beeinträchtigten Heilung (z. B. diabetische Ratten) gezeigt, dass die PEMF-Behandlung die Heilungsraten verbessert und die Zugfestigkeit neu gebildetenGewebes 9 erhöht. Klinisch wurde die PEMF-Therapie bei Patienten mit chronischen Wunden untersucht. Eine randomisierte Pilotstudie bei diabetischen Fußgeschwürpatienten berichtete über den verbesserten mikrozirkulatorischen Blutfluss und einen Trend zu schnellerem Wundverschluss bei PEMF-Exposition10. Im Allgemeinen hat PEMF auch bei anderen Wundtypen positive Effekte gezeigt, zum Beispiel wurde eine verbesserte Heilung bei Brandwunden beobachtet, die mit gepulsten Magnetfeldernbehandelt wurden. Diese Studien unterstreichen zusammen das Potenzial der elektromagnetischen Stimulation als komplementäre Therapie für die Wundversorgung 8,9,10,11.

Im Vergleich zu herkömmlichen kabelgebundenen Stimulatoren eliminiert die magnetische Aktivierung die Notwendigkeit transkutaner Steckverbinder und verringert das Risiko hardwarebedingter Komplikationen. Drahtlose Magnetsysteme haben in anderen Kontexten gewebespezifische Stimulation erreicht, zum Beispiel kann ein leitfähiger Nervenlenkkanal induzierte Mikroströme unter einem wechselnden Magnetfeld erzeugen, wobei die Stromamplitude indirekt durch die Feldparameter12 bestimmt wird. Magnetische Strategien können auch die Gefäßbildung unterstützen – ein kritischer Engpass bei der Hautheilung –, da statische oder dynamische Magnetfelder, allein oder in Kombination mit magnetisch responsiven Biomaterialien, gezeigt wurden, dass sie das Endothelverhalten und die angiogene Signalübertragungmodulieren 13. Diese Präzedenzfälle motivierten unsere Entwicklung eines tragbaren Ansatzes: eines konformen, herausnehmbaren Coil-Patches, der PEMF am Wundbett konzentriert und gleichzeitig Nicht-Invasivität und externe Programmierbarkeit bewahrt12,13. Im folgenden Protokoll beschreiben wir die Schritte zur Umsetzung dieser PEMF-Therapie in einem Ratten-Volldicke-Wundmodell, einschließlich Anwendung des Geräts, Stimulationsregime und Ergebnisbewertung.

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Protokoll

Alle Tierverfahren wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) der Jiangnan Universität (JN. No2025-0630S0360-915[408]). Wir haben das Protokoll mit männlichen SD-Ratten (6-8 Wochen alt, ca. 200-250 g) umgesetzt. Vor den Experimenten wurden Ratten einzeln mit freiem Zugang zu Nahrung und Wasser untergebracht, die gemäß dem Leitfaden für die Pflege und Nutzung von Labortieren in einem 12-Stunden-Hell/Dunkel-Zyklus gehalten wurden.

1. Erzeugung von volldicken Exzisionswunden

  1. Bereite das Tier- und Operationsfeld vor.
    1. Anästhesie mit 3–4 % Isofluran in einer Induktionskammer induzieren. Nach dem Verlust des Aufrichtenden Reflexes wird die Anästhesie über den Nasenkegel bei ~2 % aufrechterhalten.
    2. Legen Sie die Ratte in Bauchlage auf eine sterile chirurgische Oberfläche. Rasieren Sie den dorsalen Thoraxbereich (Schulterblätter bis zum mittleren Lumbalbereich, einschließlich Flanken) mit elektrischen Scheren.
    3. HINWEIS: Entfernen Sie das Fell von mindestens 5 × 5 cm auf jeder Seite der Mittellinie, um einen klaren chirurgischen Zugang und das Einsetzen der Spirale zu ermöglichen.
    4. Desinfizieren Sie die rasierte Stelle mit 70 % Ethanol, gefolgt von einer Iodophorlösung. Wiederhole das Ethanol/Jod-Scrub dreimal und beende mit Jod.
    5. Decken Sie das Operationsfeld mit steriler Mullbinde ab, sodass nur die geplanten Wundstellen frei bleiben.
  2. Erstelle beidseitige Exzisionswunden, vollwertige Exzisionswunden.
    1. Ziehen Sie zwei Kreise mit 2 cm Durchmesser auf den Rückenflanken mit einem sterilen chirurgischen Marker um, wobei je einer auf jeder Seite der Mittellinie hinter den Vordergliedmaßen positioniert wird.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass beide Kreise gleich groß und symmetrisch positioniert sind, um einen Vergleich innerhalb des Tiereszu ermöglichen 14,15.
    2. Schneiden Sie den markierten kreisförmigen Hautbereich mit steriler Schere oder einem Skalpell ab. Entfernen Sie die Epidermis, die Dermis und den Paniculus carnosus, um eine volldicke Wunde (~3,14 cm²) zu schaffen.
    3. Erreichen Sie eine Hämostase, indem Sie sanften Druck mit steriler Mullbinde ausüben. Erzeugen Sie mit derselben Technik eine identische 2-cm-Wunde an der gegenseitlichen Flanke.
      HINWEIS: Das Wundbett sollte aus freiliegender Faszie oder Muskel bestehen, ohne Resthütte.
    4. Geben Sie eine postoperative Analgesie unmittelbar nach der Wundentstehung (z. B. Lidocain 4 mg/kg subkutan).
  3. Teile experimentelle Gruppen zu.
    1. Verwenden Sie ein In-Subject-Design, bei dem eine Wunde eine PEMF-Behandlung erhält und die kontralaterale Wunde als Kontrolle dient.
    2. Eine separate Kohorte empfängt ein Scheingerät (identische, nicht mit Strom versorgte Spule) zur Kontrolle der Gerätepräsenz.
    3. Pflegen Sie unbehandelte oder Schein-behandelte Steuerungen, um elektromagnetische Effekte von Handhabungs- oder Verbandseffekten zu unterscheiden.

2. Anwendung des PEMF-Geräts

  1. Verbinden Sie die Wunde und positionieren Sie die Spirale.
    1. Bringen Sie steriles, dünnes Gaz oder halbdurchlässiges Material direkt über die Wunde, die für die PEMF-Behandlung vorgesehen ist. Sorgen Sie für eine vollständige Abdeckung des Wundbetts.
    2. Positionieren Sie das flexible Kupferspulen-Pflaster über der verbundenen Wunde (Abbildung 1). Zentriere die Spule so, dass die Wicklung unter der Mitte der Spule liegt.
      HINWEIS: Der Spulendurchmesser (~5 cm) kann über die Wickelränder hinausgehen; Stellen Sie sicher, dass die Wunde innerhalb der effektiven Magnetfeldzone bleibt.
  2. Sichern Sie die Spule.
    1. Sichern Sie die Spirale mit medizinischem Klebeband, das sanft um den Oberkörper gewickelt ist. Halte einen engen Kontakt zwischen Spirale und Verband aufrecht, ohne den Thorax zu komprimieren.
    2. Lege bei Bedarf einen flexiblen Aluminiumstreifen über die Spule, um die Position zu stabilisieren. Vermeiden Sie es, die Atmung oder den lokalen Blutfluss einzuschränken.
    3. Führen Sie die Bleidrähte vom Körper weg (z. B. zum Kopf), um Verhedderungen zu verhindern.
  3. Verabreiche PEMF-Stimulation.
    1. Verbinden Sie die Spule mit dem PCB-Controller (Abbildung 2) und aktivieren Sie das Gerät. Stellen Sie die Stimulationsparameter auf eine Frequenz von 30 Hz und ~1,3 mT Magnetfeldstärke für 60 Minuten pro Tag ein.
    2. Führen Sie jeden Tag zur gleichen Zeit (±1 Stunde) Stimulationssitzungen durch, um regelmäßige Intervalle einzuhalten.
      HINWEIS: Diese Parameter wurden auf Grundlage des orthogonalen CCK-8-Screenings ausgewählt (0,25–1,3 mT, 10–40 Hz, 30–90 Min/Tag, Tabelle 1), wobei 1,3 mT, 30 Hz und 60 Min/Tag als optimal identifiziert werden (Tabelle 2).
    3. Legen Sie eine identische inaktive Spule für 1 Stunde über die Kontrollwicklung, um eine Scheinbehandlung zu gewährleisten. Markiere die Sham-Coil deutlich, um Verwechslungen zu vermeiden.
  4. Entfernen Sie das Gerät und inspizieren Sie die Wunde.
    1. Schalte den Controller nach 60 Minuten aus. Entfernen Sie die Spule und das Klebematerial vorsichtig.
    2. Untersuchen Sie die Wunde auf Blutungen, Ödem oder Nebenwirkungen. Ersetzen Sie bei Bedarf die sterile Mullbinde.
      HINWEIS: Die Oberflächentemperatur der Spule bleibt während der 1-stündigen Stimulation nahe dem Umgebungsniveau; Es wurde keine signifikante Erwärmung beobachtet.
  5. Leisten Sie Nachbehandlungspflege.
    1. Setze ein elisabethanisches Halsband an, um Selbstverletzungen zu vermeiden. Sorgen Sie für eine richtige Passform, ohne die Atmung oder das Füttern zu beeinträchtigen.
    2. Wickeln Sie leicht Mull um die Hinterbeine, um das Kratzen an dorsalen Wunden zu vermeiden.
    3. Überwachen Sie die Ratte, bis sie vollständig von der Narkose erholt ist. Setzen Sie die Analgesie fort (z. B. Lidocain 4 mg/kg alle 12 Stunden für 2-3 Tage oder nach institutionellem Protokoll).
    4. Wiederholen Sie die täglichen PEMF-Behandlungen während der gesamten Studiendauer (z. B. 14 Tage).

3. Wundüberwachung und Datenerhebung

  1. Wundbilder aufnehmen.
    1. Fotografieren Sie Wunden 0, 3, 7, 10 und 14 Tage nach der Verwundung. Betäuben Sie die Tiere, wenn nötig, leicht, um eine Bewegung zu verhindern.
    2. Fügen Sie in jedem Bild eine Messskala hinzu und positionieren Sie die Kamera senkrecht zur Wunde in einem festen Abstandvon 14,15.
  2. Misse die Wundfläche.
    1. Kalibrieren Sie die Bildskala in ImageJ mit dem Referenzlineal. Verfolgen Sie die Wundränder, um die Fläche in mm² zu berechnen.
    2. Erfassen Sie die Wundfläche zu jedem Zeitpunkt und berechnen Sie den prozentualen Wundverschluss relativ zum Ausgangswert.
    3. Vergleichen Sie quantitativ PEMF-behandelte und kontrollierte Wunden.
  3. Gewebeentnahme für die Histologie (optional).
    1. Tiere am experimentellen Endpunkt nach IACUC-zugelassenen Verfahren einzuschläfern.
    2. Wundgewebeproben entnehmen und Formalin für die histologische Verarbeitung fixieren.
    3. Führen Sie Paraffin-Einbettung und Färbung durch (z. B. H&E, Masson's Trichrome), um Kollagenabscheidung, Re-Epithelialisierung und Angiogenese zu beurteilen13,16.

4. Datenanalyse und -interpretation

  1. Erzeugen Sie Wundverschlusskurven.
    1. Plot Percentage der Wundschließung über die Zeit für jede Gruppe.
    2. Berechnen Sie die Heilungsrate und die Zeit bis zu vordefinierten Verschlussschwellen.
  2. Führen Sie statistische Analysen durch.
    1. Sammeln Sie Wundflächendaten für alle Tiere und berechnen Sie den Mittelwert ± SD zu jedem Zeitpunkt.
    2. Bestätigen Sie Normalität (Shapiro-Wilk-Test) und Varianzhomogenität (Levene-Test).
    3. Analysieren Sie Unterschiede mit einer zweiseitigen ANOVA mit den Faktoren "Behandlung" und "Zeit". Führen Sie Tukeys Post-hoc-Tests durch, wenn eine signifikante Wechselwirkung festgestellt wird.
    4. Definiere statistische Signifikanz als *p < 0,05 und **p < 0,01.

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Ergebnisse

In diesem vollwertigen Rattenwundmodell führte die tägliche PEMF-Therapie mittels eines flexiblen Spiralpflasters zu einem deutlich schnelleren Wundverschluss im Vergleich zu Kontrollen. Um den Effekt rigoros zu bewerten, wurden die Ratten basierend auf dem im Protokollabschnitt beschriebenen experimentellen Design in drei Gruppen eingeteilt: eine Kontrollgruppe innerhalb des Subjekts (wobei jede Ratte eine mit PEMF behandelte Wunde und eine kontralaterale unbehandelte Wunde hatte, Daten...

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Diskussion

Kritische Schritte umfassen das Erzeugen symmetrischer Wunden, die Sicherstellung, dass der Coil-Patch flach über einer sterilen Barriere ohne Lücken liegt, sowie die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen täglichen Exposition; Abweichungen können die Feldabgabe verringern und die Variabilität der Heilungsergebnisse erhöhen.

Diese Arbeit weist mehrere Einschränkungen auf, die bei der Interpretation der Ergebnisse und der Bewertung des translationalen Potenzials...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte oder finanziellen Interessen an den in dieser Studie verwendeten Produkten oder Geräten haben. Das beschriebene individuelle PEMF-Gerät dient Forschungszwecken und ist nicht kommerziell verbunden.

Danksagungen

Wir danken Dr. Zhang für aufschlussreiche Diskussionen und Dr. Fu für die Unterstützung bei der Tierpflege und Histologie. Diese Arbeit wurde vom (2022YFC3006200) National Key R&D Program Chinas unterstützt. Die Autoren würdigen außerdem das Personal der Wuxi School of Medicine der Jiangnan University für ihre Unterstützung während der In-vivo-Experimente .

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
96-Well-ZellkulturplattenBaiDiH908002Für den CCK-8-Test
ADHÄSIONSMIKROSKOP-OBJEKTTRÄGER  CITOTESTOP/N.80312-3161Ausrüstung für  H& E/Masson-Färbung
Analgetikum (Lidocain-Hydrochlorid-Injektion)HUAMU70011657Opioid-Analgetikum, 4 mg/kg (zur Schmerzkontrolle)
AnästhesiemaschineHeckantrieb Life Science (Shenzhen, CN)R520-Iso Isofluran-Verdampfer mit Sauerstoffversorgung
Automatisierte immunhistochemische FärbemaschineLeica21.2201  Automatisierte immunhistochemische Färbung&NBSP;
Biopsie-Punch (20 mm)Integra Miltex#33-37Kreisförmiger Hautstanz, 2 cm Durchmesser
Kamera, digitalHuawei Mate 70 ProN/A≥ 12 MP für die Wundbildgebung
CD31-AntikörperAbcamab182981Endothelmarker für IHC (Abbildung 4B)
CD34-AntikörperAbcamab81289Endothelmarker für IHC (Abbildung 4B)
Zellzähl-Kit-8 (CCK-8)BiosharpBS350BVerwendet für das In-vitro-PEMF-Parameterscreening (OD450)
Zellkulturschüssel (10 cm)BaiDiH80200410 cm (100 mm) Gewebekulturschale für Fibroblastkultur 
Zellkulturmedium (z. B. DMEM + FBS)BaiDiL100-500Für die Fibroblastenkultur im CCK-8-Screening
CO2-InkubatorThermoBB150-2TCS-LFür die Fibroblastenkultur
Spule, flexibles KupferMaßgefertigt (intern)N/ASpiraldruckspule (5 cm Durchmesser, Polyimid)
Steuerplatine (PEMF-Generator)Sonderanfertigung (internes Design)N/ACustom PCB, treibt die Spule mit 30 Hz, ~1,3 mT
Elektrischer HaarschneiderWahl oder Oster (Tierpflege)Modell 9160 Tierpflege-Haarschneider zum Rasieren von Fell
Elisabethanisches Halsband (Nagetier)MukeBioMK-EC-01Verhinderung von Wundstörungen
EinbettstationEpredia HistoStarA81000002Verarbeitung für Histologie (falls durchgeführt)
  GesichtsmaskeVedengV531596Anästhesie aufrechterhalten
Fibroblasten (Zelllinie L929)ProcellCL-0137Zellen, die für das CCK-8-Proliferationsscreening verwendet werden
Finite-Elemente-Simulationssoftware (z. B. COMSOL Multiphysics)COMSOLCM010004Magnetfeldsimulation (Abbildung 5B-C)
Flexible AluminiumstreifenschieneDeargo1592Unterstützung zur Verhinderung von Spulenverschiebung
PinzetteMajestätisch01625Zum Umgang mit Haut und Verbänden während der Operation
Hämatoxylin & Eosin (H& E) Automatisches Färben und Versiegeln der UniDRS-Prisma-P+FILM61770249Verbrauchbar für routinemäßige histologische Färbungen
Bildanalyse-SoftwareNationale GesundheitsinstituteVersion 1.54 Für die Messung der Wundfläche (z. B. ImageJ)
Bildanalyse-SoftwareNationale GesundheitsinstituteVersion 1.54Für die Messung der Wundfläche (z. B. ImageJ)
InduktionskammerHeckantrieb Life Science (Shenzhen, CN)802-00132-00Isofluran-Anästhesie-Induktion
Infrarot-WärmebildkameraHIKMICROH11Oberflächentemperatur der Überwachungsspule (Abbildung 5A)
Jod-Povidon-Desinfektionsmittel 10 %HYNAUTN/AHautantiseptikum (Iodophor)
IsofluraneHeckantrieb Life Science (Shenzhen, CN)20037015Inhalationsanästhetikum (USP-Qualität)
Lidocain-Injektion 10 %SANMAN/AFür postoperative Analgesie
Massons trichromes Flecken-SetBASOC250202Verbrauchsmaterial für Kollagen-/ECM-Visualisierung
Medizinischer Hautmarker und LinealTondausN/ASchuppengröße in Wundfotos einbeziehen
Mikroplatten-LeserThermoA51119500CFür die OD450-Messung im CCK-8-Test
MikrotomeEpredia HM 340E23900670Sektionierung für Histologie/IHC (falls durchgeführt)
Polyformaldehyd-GewebefixativShare-BioSB-C009Fixierung von Tiergewebeproben
Ratten-HäuskäfigFengQiaoCP-JMStandard-Ratten-Terrarien für Einzelunterkünfte.
Rats, Sprague Dawley (männlich, 6 Yards; 8 Wochen)WeiJingyu SUZHOUSCXK2024-0004200– 250 g; einzeln untergebracht; IACUC-zugelassene Nutzung
SkalpellJinhuan35W0602Für die Entstehung exzisioneller Wunden
Semipermeable FilmverkleidungZDQ20189Alternative Wundbarriere
Statistische Analysesoftware (z. B. GraphPad Prism oder R)Software Mackeiv10.6.9(890)Zwei-Wege-ANOVA und post-hoc Mehrfachvergleiche
Sterile MullbindeZD3141626Wundverband/Schutzbarriere
Sterile chirurgische VorhängeZDV271617Um das Operationsfeld nach der Hautvorbereitung zu drapieren
Chirurgische SchereMajestätisch01627Für die Entstehung exzisioneller Wunden
Spritzen und NadelnMINANK20193141643Zur subkutanen Analgetikulation
Ganz-Dia-Scanner3DHISTECHN/ADigitales Dia-Scannen

Referenzen

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