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Alle Tierversuche wurden gemäß den vom Jikei University Animal Care and Use Committee genehmigten Protokollen durchgeführt (Genehmigungsnummer 2023–034C1). Diese Studie wurde als Pilot-Machbarkeitsstudie konzipiert. Um die technische Machbarkeit dieser hochsensiblen und neuartigen hinteren Käfigeinführung in der Ratten-Schwanzsäule vor einer großflächigen Validierung zu bewerten, wurde gemäß ethischen Richtlinien ein einzelnes Tier (n = 1) verwendet, um die Nutzung von Tieren während der ersten technischen Bewertung zu minimieren. Männliche Sprague-Dawley (SD) Ratten wurden als Standardstamm für die Forschung zur Wirbelsäulenfusion ausgewählt. Die Einschlusskriterien waren gesunde Männer im Alter von 8–10 Wochen mit einem Gewicht zwischen 200–250 g, um sicherzustellen, dass die Bandscheibenhöhe (1,8–2,2 mm) mit dem 2 mm großen Käfig kompatibel ist. Tiere mit > 10%igen Gewichtsverlust während der Akklimatisierungsphase, verminderter Aktivität oder sichtbaren Schwanzdeformitäten wurden ausgeschlossen. Für diese Studie wurde eine männliche Sprague–Dawley-Ratte (8 Wochen alt, 221,8 g schwer; Japan SLC, Shizuoka, Japan) wurde genutzt. Das Tier wurde in einer kontrollierten Umgebung bei 25 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % (zulässiger Bereich 30–70 %) mit einem 12-Stunden-Hell/Dunkel-Zyklus untergebracht und erhielt ad libitum Zugang zu Wasser sowie eine Standardernährung für Nagetiere. Ratten wurden in Käfigen mit festem Boden gehalten, die mit Nistmaterialien und Kaustäbchen zur Umweltbereicherung ausgestattet waren. Vor dem chirurgischen Eingriff wurde eine dreitägige Akklimatisierungsphase eingeführt. Um zu verhindern, dass Käfiggenossen an den Schwanzimplantaten nagen, wurde die Ratte während der gesamten Studie unter Einzelunterkünften gehalten, was ein entscheidender Faktor für dieses experimentelle Design war.
Vorbereitung von Schrauben und Platten
Vor dem chirurgischen Eingriff wurden interne Fixationsmaterialien vorbereitet. Kommerziell erhältliche Edelstahlschrauben (ursprünglicher Durchmesser: 1,2 mm, Länge: 14 mm) wurden mit einem Drahtcutter auf eine präzise Länge von 6 mm zugeschnitten (Abbildung 1A). Diese Schrauben wurden mit Standarddampf-Autoklavierung bei 121 °C für 20 Minuten sterilisiert. In einer Polyoxymethylen (POM) internen Fixierungsplatte (18 mm Länge, 3 mm Breite, 1 mm Dicke) wurden Schraublöcher mit einem Durchmesser von 1,2 mm in 12 mm Abständen mit einer manuellen Bohrmaschine gebohrt (Abbildung 1B–D). Anschließend wurden die Ecken der POM-Platten mit einem Drahtschneider abgerundet, um Reizungen des umliegenden Weichteils zu minimieren (Abbildung 1E). Die Platten wurden mit Ethylenoxid- (EtO)-Gas- oder Wasserstoffperoxidgasplasma sterilisiert, da das Polymer thermisch empfindlich war. Der Titankäfig verfügt über eine miteinander verbundene Gitterstruktur mit Längskanälen mit einem Durchmesser von 300–500 μm. Ihre Oberfläche wurde mit Lamellar 3D Titanium Technology vorbereitet, um eine Mikrooberflächenrauheit von 3–5 μm zu erreichen, was das direkte Knochenwachstum erleichtert.
Anästhesie und chirurgischer Eingriff
Es wurde kein präoperatives Fasten durchgeführt, um unnötigen metabolischen Stress zu vermeiden. Die Anästhesie wurde durch eine dreifache Narkosemischung aus Medetomidin (0,15 mg/kg), Midazolam (2 mg/kg) und Butorphanol (2,5 mg/kg) induziert, die durch subkutane Injektion in den Dorsum mit einer 25-Gauge-Nadel23 verabreicht wurde. Eine ausreichende chirurgische Anästhesieebene wurde alle 15 Minuten durch Bestätigung des Verlusts des Pedalrückzugsreflexes (Zehenkniff) bewertet, die rosa Schleimhäute erhalten und die Atemfrequenz überwacht (70–110 Atemzüge/min). Anschließend wurde der chirurgische Eingriff zur Körperversteifung der Schwanzwirbel durchgeführt. Das Tier wurde in die Bauchlage gelegt (Abbildung 2A), und der gesamte Schwanz wurde nach einem dreirundigen abwechselnden Schrubbprotokoll (70 % Ethanol, Povidon-Jod-Scrub und 70 % Ethanol) desinfiziert, um ein steriles Feld zu gewährleisten. Zur Identifizierung der Zielwirbel wurde eine manuelle Palpation beginnend im distal Kreuzbein durchgeführt. Das erste bewegliche Gelenk wurde als Kreuzbein-CO1-Übergang identifiziert, und das unmittelbar distale Segment wurde als CO2 bezeichnet, was die Zielstelle von CO2–CO3 definiert. Ein Längsschnitt von etwa 2 cm wurde auf der dorsalen Seite gemacht, der sich vom zweiten bis zum dritten Schwanzwirbel (Co2–Co3) erstreckt (Abbildung 2B), um die hintere Fläche jedes Wirbels freizulegen. Während der Exposition wurde darauf geachtet, die dorsale Kaudalvene zu identifizieren und Schäden zu vermeiden; Stumpfe Dissektion und bipolare Elektrokauterie wurden zur Behandlung kleinerer Blutungen eingesetzt. Zur Vorbereitung der Fusionsstelle wurde der Annulus fibrosus zwischen den Wirbeln CO2 und CO3 mit einem Skalpell eingeschnitten (Abbildung 2C). Der Annulus fibrosus und der Nucleus pulposus wurden anschließend sorgfältig mittels Kurettage mit einer Curette und kleinen Pinzetten entfernt (Abbildung 2D). Dieser Schritt wurde unter hoher chirurgischer Vergrößerung (≥3,5x) durchgeführt. Die Vollständigkeit der Entfernung wurde objektiv durch die visuelle Bestätigung von punktatischer Blutung (das "blutige Endplatten"-Zeichen) und das völlige Fehlen von Restweichgewebe definiert. Unakzeptable Endplattenschäden wurden als tiefe Erosisionen definiert, die > 25 % der Gesamtfläche oder Eindringung in den Stollknochen > 0,5 mm betrafen. Ein Titankäfig (2 × 2 mm Querschnitt, 2 mm Höhe) (Abbildung 2E) wurde anschließend tief in den Zwischenwirbelraum eingesetzt, bis ein physischer Stopp erreicht und der vollständige Kontakt mit beiden Endplatten visuell bestätigt wurde, wodurch eine feste Interferenzpassung entstand (Abbildung 2F, 2G).
Fixierung und Wundverschluss
Zur Erleichterung der Plattenfixierung wurde die Knochenoberfläche um die vorgesehenen Lochstellen in den CO2- und CO3-Wirbeln mit einem elektrischen Handfräser mit 7.800 U/min abgeflacht und mit einem 2,0 mm kugelförmigen Feil-Typ (Abbildung 2H) abgeflacht (Abbildung 2H). Knochenlöcher wurden einzeln in Abständen gebohrt, die den Schraublöchern der Kunststoff-Innenbefestigungsplatte entsprachen, mit einem Handbohrer, der mit einem 1,2 mm Durchmesser Bohrer ausgestattet war (Abbildung 2I). Anschließend wurden zwei 6-mm-Edelstahlschrauben vorgeladen in die Löcher. der Kunststoffplatte (Abbildung 2J). Die Schrauben wurden in einem 90°-Winkel auf eine standardisierte Tiefe von 5 mm mit einem Abstand von 12 mm zwischen Mitte eingesetzt (Abbildung 2K). Schließlich wurde der Hautschnitt mit 4-0 Nylonnähten geschlossen und der Schwanz erneut mit 70 % Ethanol desinfiziert, um den Eingriff abzuschließen.
Postoperative Behandlung und Euthanasie
Während der unmittelbaren Erholungsphase (Tag 0) wurde das Tier alle 15 Minuten überwacht und die rektale Temperatur so lange gehalten, bis es eine vollständige Brustbein-Rückenliegen und gezielte Bewegung erreicht hatte. Für die Langzeitbewertung (Wochen 1–12) wurde ein tägliches Bewertungssystem basierend auf dem Körperzustands-Score (BCS), dem Grooming-Status und der allgemeinen Aktivität eingeführt, zusammen mit der täglichen Überwachung der chirurgischen Stelle auf Infektion oder Dehiszenz. Feuchtes Futter wurde während der ersten 48 Stunden auf dem Boden des Käfigs serviert. Das Körpergewicht wurde wöchentlich gemessen. Humane Endpunkte für frühe Euthanasie wurden streng definiert als: Gewichtsverlust ≥20 %, BCS ≤2,0, anhaltende Unfähigkeit, > 12 Stunden Nahrung oder Wasser zu erreichen, Anzeichen starker Schmerzen/Dyspnoe oder schwere Komplikationen an der Operationsstelle (z. B. Nekrose). Tiere, die diese Kriterien erfüllten, wurden innerhalb von 24 Stunden auf humane Weise eingeschläfert. Die postoperative Behandlung umfasste die intramuskuläre Verabreichung von Cefalexin (15 mg/kg) unmittelbar nach der Operation und postoperativ nach 24 Stunden zur Verhinderung der Infektion. Bei Analgesie wurde Carprofen (2 mg/kg) unmittelbar nach der Operation subkutan und postoperativ um 12, 24 und 48 Stunden verabreicht, insgesamt vier Dosen. 12 Wochen nach der Einnistung wurde die Ratte durch eine Isofluran-Überdosis eingeschläfert. Der Abschnitt vom zweiten bis zum dritten Schwanzwirbel wurde dann in einem Block geerntet und mit 70 % Ethanol fixiert.
Schulungsempfehlungen, Fehlersuche und Stichprobengröße. Um die erfolgreiche Einführung dieses anspruchsvollen Protokolls zu erleichtern, müssen neue Bediener 3–5 Übungsverfahren an Rattenkadavern durchführen und erreichen die Kompetenz, wenn drei aufeinanderfolgende Platzierungen keine radiographische Fehlpositionierung zeigen. Häufige Fehlerbehebungen umfassen das Vormessen der Bandscheibenhöhe mittels Röntgen, um die Käfiggröße zu optimieren, sowie die Überprüfung der Rückenknochenflachheit, um eine Käfigwanderung zu verhindern. Ist der Schraubenankauf unzureichend, wird empfohlen, niedrigere Bohrgeschwindigkeiten zu verwenden. Für zukünftige Validierungsstudien wird eine Mindeststichprobengröße von n = 6 bis 10 pro Gruppe empfohlen (mit zusätzlichen 10–20 % für den Abbruch), um eine ausreichende statistische Stärke zu erreichen. Darüber hinaus müssen zukünftige Studien Kontrollgruppen (z. B. leeren Käfig oder Autograft) einbeziehen, um die Leistung des Biomaterials zu validieren.
Röntgen- und histologische Analyse
Mikro-Computertomographie (CT) und digitale Radiographie wurden mit einem Mikro-CT-Rastersystem mit einer Röhrenspannung von 80 kV und einem Strom von 0,1 mA durchgeführt. Bei der Beschaffung wurde ein 1,0 mm dicker Aluminiumfilter verwendet, um durch das Titanimplantat verursachte Strahlhärtungsartefakte zu minimieren. Für die Längsbegutachtung wurde eine in vivo Bildgebung 1 und 4 Wochen postoperativ mit einer Voxelgröße von 120 μm durchgeführt. Die Ex-vivo-Bildgebung wurde 12 Wochen postoperativ mit einem 24-mm-Probehalter mit einer Voxelgröße von 24 μm durchgeführt. CT-Daten und radiografische Bilder wurden mit einem standardisierten gefilterten Rückprojektionsalgorithmus rekonstruiert und mit einem DICOM-Viewer analysiert. Quantitative Kriterien wurden definiert, um die Knochenunion zu beurteilen. Radiologisch wurde die erfolgreiche Fusion bestätigt, als eine kontinuierliche trabekuläre Struktur, die die Schädel- und Schwanzwirbelendplatten überbrückt, über mindestens drei aufeinanderfolgende Schnitte auf Mikro-CT beobachtet wurde. Während der Bildsegmentierung wurde ein globaler Schwellenwert von 700 Hounsfield-Einheiten (HU) angelegt. Histomorphometrisch galt ein BV/TV-Verhältnis von 70 % oder mehr im Käfig als Schwelle für physische räumliche Erfüllung und Verschmelzung. Histologisch wurde die Knochenvereinigung durch eine vollständige knochige Überbrückeung von der Schädel- zu der Kaudalseite definiert, ohne dass faseriges Gewebe eingefügt wird. Für die histologische Analyse wurde die sequentielle Fluorochrom-Markierung zwei Tage vor der Euthanasie durch subkutane Injektion von Calcein (8 mg/kg) durchgeführt, um die räumliche Verteilung der aktiven Mineralisation zum endgültigen 12-Wochen-Zeitpunkt zu bestimmen. Die entfernten Schwanzwirbel wurden 7 Tage lang mit 70 % Ethanol fixiert und en bloc mit Villanueva-Knochenfärbung gefärbt. Die Proben wurden durch aufsteigende Ethanolqualitäten dehydriert, eingebettet in Methylmethacrylatharz, und mittelsagittal im präzisen geometrischen Zentrum des Käfigs geschnitten, wie durch vorschneidende Micro-CT-Führung mit einem Diamantsäge-Mikrotom. Unentkalkifizierte Bodenproben (5 μm Dicke) wurden am Ito Bone Histomorphometry Institute (Niigata, Japan) vorbereitet. Die Bilder wurden mit einem Hellfeldmikroskop und einem konfokalen Laserscanning-Mikroskop für die Fluoreszenzfusion aufgenommen. Weitere Untersuchungen wurden unter einem Polarisationslichtmikroskop durchgeführt, und die histomorphometrische Analyse erfolgte mit einem computergestützten Bildanalysator. Die Region of Interest (ROI) wurde als das gesamte innere Volumen des Käfigs definiert, ohne die Metallstreben, und in Kranial- und Kaudal-Intrakäfig-ROIs unterteilt. Das Knochengewebe wurde durch seine violette/magenta Farbe unter Villanueva-Färbung erkannt. Lamellärer Knochen (Lm.V) war durch seine hoch organisierte, parallel lamellare Struktur unter polarisiertem Licht gekennzeichnet, während gewebter Knochen (Wo.V) unorganisierte Fasermuster aufwies.