Summary
Här introducerar vi en metod för att utvärdera transpedikulära skruvar med hjälp av en in vivo porcine ländryggen modell.
Abstract
Pedicle skruvfixering är guldstandarden för behandling av ryggradssjukdomar. Många studier har emellertid rapporterat frågan om lossande pedikelskruvar efter ryggraden, vilket är ett allvarligt problem. För att lösa detta problem har olika typer av pedikelskruvar undersökts för att identifiera de med bra fixeringsstyrka och osseointegration i ryggradsbenet. Den svarta ryggraden är ett bra alternativ för mänsklig ryggrad vid utvärderingen av pedikelskruvar på grund av den anatomiska storleken, mekaniska egenskaper och kostnad. Även om flera studier har rapporterat att pedikelskruvar är effektiva i svinmodellen har ingen studie beskrivit detaljerade protokoll för utvärdering av en pedicleskruv med hjälp av svinmodellen. Här beskriver vi en detaljerad metod för utvärdering av transpedikulära skruvar med användning av en in vivo porcine lumbar ryggradsmodell. De tekniska detaljerna för anestesi, ryggradskirurgi och skörd som tillhandahålls här kommer att underlätta med utvärderingen av tRanspedikulär skruvfixeringsmodell.
Protocol
Institutionen för djurvård och användning av Chonbuk National University godkände denna studie. Behandling, användning och hantering av djur följde alla riktlinjer och policyer. Underhåll driftstugan vid 24 ° C.
1. Narkos
- Acclimatize miniatyrgrisar, i åldern 12 månader, i experimentenheten i minst en vecka. Utför en klinisk undersökning som mäter andningsfrekvensen, hjärtfrekvensen och kroppstemperaturen. Foder inte varje miniatyrgris under 12 timmar före bedövningsproceduren.
- Injicera atropin (0,05 mg / kg) och ketamin (20 mg / kg) / xylaxin (2 mg / kg) i den laterala livmoderhalsmuskelregionen, bakom örat, för premedicinering.
- Efter sedering, applicera ett gummiband runt öratets botten och rengör örat med aktuell alkohol.
- Placera en plastkateter över nålen i öratvenen och ta bort gummibandet. Kontrollera att katetern är korrekt placerad. InfluensaKatheteret med hepariniserad saltlösning och fixera med tejp.
- För endotracheal intubation, placera miniatyrgrisen i sternal recumbency. Med hjälp av en assistent håller du grisens käke med en lämplig slinga och öppnar munnen.
- Passera laryngoskopets spets i faryngehålan för att förskjuta epiglottis från den mjuka gommen. Använd laryngoskopskivans spets för att synkallarna ska synas och förflytta endotrakealtröret i luftstrupen under utgången.
- Känn för en fri passage av luften för korrekt intubation och kontrollera bröstet auskultation för andnings ljud i både vänster och höger sida av miniatyrgrisen.
- Fyll manschett med lämplig volym luft i endotrachealröret med luft med en 10 ml spruta och fixera röret till snuten med tejp.
- Ge en 2,0% koncentration av isofluran, en inhalationsanestetik för förlängd bedövning, genom endotrinetAcheal intubationsrör. Testa hornhinnan och palpebralreflexen för att bekräfta bedövningen och använd salva på ögonen för att förhindra torrhet.
- Övervaka kardiovaskulärsystemet, andningsorganen och kroppstemperaturen under anestesi minst var 5: e minut tills den minsta grisen återhämtar sig.
- 30 min före ryggraden, applicera 30 mg / kg cefazolin IV långsamt, den 1: e generationen cefalosporin antibiotika.
- Administrera 5 - 10 ml / kg / h varm (37 ° C) saltlösning med en IV-linje för att upprätthålla homeostas och ge 50 μg / kg / min fentanyl för att kontrollera smärta.
- Efter ryggradsoperationen, utför extubation när en stark sväljningsreflex är uppenbar.
- Ta miniatyrgrisen i ett rum och övervaka tills det återhämtar sig från anestesi. Ge mat och vatten när miniatyrgrisen är fullt medveten.
- Applicera 3 mg / kg enrofloxacin antibiotikum med 4,4 mg / kg carprofen dagligen för smärtkontroll under de första 3 dagarna.
- MoniTor svinen dagligen tills avlägsnandet av suturerna.
2. Ryggkirurgi
- Autoklavera transpedikulära skruvarna och bakre fixatorsystem för sterilisering, enligt tillverkarens riktlinjer.
- Rak på baksidan av miniatyrgrisen, ungefär 10 cm från mitten till vänster eller höger, med en rakapparat medan grisen ligger i viloläge. Rengör huden med povidon-jodlösning och 70% alkohol.
- Gör ett longitudinellt mittlinje snitt från den andra spinnformiga processen i ländryggen till den första medianhalshalsen med hjälp av en skalpell. Dissektera genom subkutan vävnad och fascia till spetsen av de spinösa processerna.
- Höj paraspinala musklerna subperiostealt från den underliggande laminaten med hjälp av en Cobb-hiss. Dissect längs spinous processen och lamina begränsad till fasett lederna.
- Öppna den ytliga cortexen för ingångspunkten (som är bara sämre än mammillärprocessen från L3Till L5 på båda sidor) med en burr eller en rongeur.
- Sätt in styrstiftet på en öppen plats, parallellt med den överlägsna ändplattan och i en 20 ° vinkel mot spinnprocessen. Definiera den perfekta utgångspunkten med hjälp av C-arm eller portabla röntgenstrålar i rygg eller framsida / rygg.
- Sätt i en pedicle sond upp till 25 mm enligt röntgen. Bekräfta den fullständiga intraosseösa banan genom pedikel och kroppspalipation med hjälp av en pedicle-ljudanordning.
- Sätt i sex pedicle skruvar i den färdiga pedikelen L3 till L5 tills skruvhuvudet sitter ordentligt. Peka in sidoplanet på implantathuvudet i önskad riktning och rikta in det horisontella läget med stångbanan.
- Sätt i två stavar i respektive sidor av pedicle skruvhuvud. Sätt i hylsan och muttern på pedicle skruvhuvud med ett universalhandtag.
- Dra åt muttern med en rak hylsnyckel och dra åt muttern med en vridmomentnyckel.
- Bekräfta positionerna oF pedikelskruvarna med hjälp av bärbara röntgenstrålar i rygg / framsida / rygg.
OBS: Vänta på att miniatyrgrisen vaknar och kontrollera bakbenets gångmönster och motorfunktion för att avgöra om en skruv har blivit implanterad. - Skydda operationsplatsen med 3 liter normal saltlösning med hjälp av en spolbesprutningsspruta med sugning.
- Placera en silikonavlopp på operationsplatsen och ta ut silikonspetsen. Stäng paraspinala muskler och subkutan med 1,0 metriska absorberbara suturer. Stäng huden med 2,0 metriska, icke-absorberbara nylon suturer.
- Desinficera suturstället med povidon-jod och applicera ett förband med steriliserat gasbind och tejp.
3. Harvest Procedure
- Vid 12 veckor postoperativt, injicera xylazin (2 mg / kg) och ketamin (10 mg / kg) i den laterala cervikala muskelregionen, bakom örat, för premedicinering.
- Efter sedering administrera 15 mg / kg KCl direkt i öratvenenKateter för eutanasi.
- Gör en longitudinell mittlinje snitt vid den tidigare operationen scar lesionen. Dissektera mjukvävnaden och paraspinala muskler.
- Utsätt spinansprocessen hos ländryggen, laminat, stavar, muttrar och tvärgående processer från L3 till L5.
- Ta bort muttrarna med en vridmomentnyckel och -stavar. Klipp ut L2-3-skivutrymmet och L5-S1-skivutrymmet med en oscillerande såg.
- Dissektera båda sidor av mitten och främre delen av L3-5-ryggraden med en Cobb-hiss och tornpincett. Efter skörd, om ryggraden inte kan testas omedelbart, lindas den i gasväxter som blötläggs med saltlösning och förvaras vid -20 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ett detaljerat protokoll för anestesi, kirurgi och skörd för utvärdering av transpedikulära skruvar med användning av en in vivo porcine ländryggenmodell beskrivs här. Detta protokoll är lämpligt för ett antal nedströmsanalyser, inklusive mekanisk provning ( Figur 1 ), kvantitativ mikro-CT-utvärdering ( Figur 2 ) och histologi ( Figur 3 ). Representativ mekanisk provning ( Figur 1 ) visar medelvärdet för extraktionstorsionstoppet. Det representerar bindningsstyrkan mellan pedikelskruven och benet med hjälp av en mekanisk testmätare. Tre typer av pedikelskruvar utvärderades: obelagd, hydroxiapatit (HA) -belagd och titanbelagd. Data samlades in från 14 pedikelskruvar från var och en av de tre grupperna. Det genomsnittliga extraktionstoppmomentet var större i den titanbelagda pedikelskruvgruppen.
Figur 2A ) visar att intressanta regionen (det inre utrymmet för skruvens fulla längd) kan utvärderas med ett mikro-CT-program för analys av benet Volymfraktion ( Figur 2B1 ), benytthetthet ( Figur 2B2 ) och specifik benytta ( Figur 2B3 ). Data samlades in från 4 pedikelskruvar från var och en av de tre grupperna.
En representativ histologibild ( Figur 3 ) färgades med Goldner-trichrom. Gränssnittet mellan pedikelskruven och benet var observerbart. Den röda färgen indikerar fibrös vävnad, medan den blå färgen indikerar ben. I obelagda pedikelskruvar observerades fibrös vävnad vid gränssnittet mellan pedikelskruven och benet. Ny benbildning bildades vid gränssnittet mellan trådarna i både HA- och titanbelagda pedikelskruvar och ben. I tItanbelagd pedikelskruvgrupp, mellanrummet mellan skruvarna och benet trängdes samman med benet ( Figur 3 ).
Figur 1: Mekaniska analyser av pedikelskruvar i svinbenen. Det genomsnittliga extraktionsvridmomentet för bindningsstyrkan mellan pedikelskruven och benet mättes med en mekanisk mätmätare. Ändrad från referens 6 . Värdena presenteras som medelvärdet ± SEM ( n = 14). Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2. Histomorfologiska analyser av pedikelskruvar i pOrcine Lumbar Spine. ( A ) Manuell region av intresse (ROI) sattes med det inre utrymmet på skruvens hela längd. ( B ) Benvolymfraktionen, benytdensitet och specifik benytarea uppmättes med mikro-CT. Ändrad från referens 6 . Värdena presenteras som medelvärdet ± SEM ( n = 4). Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: Histologiska analyser av pedikelskruvar i svampbenen. Goldner-trichromfärgning (x1, x20 och x40) utfördes för att observera gränssnittet mellan pedicle-skruvytan och benet. Ändrad från referens 6 . Skala bar (svart) = 1 mm. Skala bar (whiTe) = 500 pm. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Utvärderingen av transpedikulära skruvar i den svarta ryggraden kräver mycket tid och ansträngning. För det första är miniatyren ett stort djur. För djurvård och anestesi behöver forskaren ett specialprotokoll. För det andra bör operationen bibehålla en miljö som liknar den för human kirurgi. Syftet med att utvärdera pedikelskruvarna i svinsryggen är att utveckla en effektiv skruv som kan appliceras på människor. För det tredje kräver utvärdering av långsiktig stabilitet hos transpedikulära skruvar cirka tre månader efter ryggraden. Följaktligen behöver forskare inom pedicle skruvfixering standardisera protokollet genom att utföra korrekt planering. Trots att många studier på pedikelskruvar i ryggradsmodeller har utförts 9 , 10 , 11 , har ingen studie gett ett detaljerat protokoll för utvärdering av transpedikulära skruvar med användning av en in vivo svinporslin sTallmodell.
Även om en idealisk modell för mänsklig ryggrad inte existerar, är den svarta ryggradsmodellen ett alternativ på grund av det här experimentets natur och den anatomiska storleken och mekaniska egenskaper hos ryggraden. Dessutom är det relativt billigt. McLain et al. 12 har jämfört morfometrin för den fjärde ländryggsvärk från humana, svin, får, får och hundprover och slutsatsen att svinprover visar flera fördelar jämfört med andra djurmodeller som en alternativ till människans ryggrad. Vidare laddas den quadruped ryggraden hos svinmodellen väsentligen på samma sätt som den hos den mänskliga ryggraden 8 . Därför används den svarta ryggraden som en alternativ modell till den mänskliga ryggraden för experiment som involverar ryggmärgsfixering och instrumenteringsteknik.
I denna studie beskrev vi den detaljerade metoden för anestesi, kirurgi och skörd iPorcine L3-L5 ländryggen för utvärdering av pedicle skruvfixering. Många studier har utvärderat pedicle skruvar efter flera nivåer ryggradsoperationer 7 , 13 , 14 . I många fall av mänsklig degenerativ sjukdom utförs ryggradsoperationer genom en eller två ryggradsfusioner. Detta innebär att två eller tre ryggradsnivåer av pedikelskruvar används för fixering 15 . Mikro-CT för utvärdering av benbildning kring pedicleskruvar har ett begränsat mätområde. I det här fallet använde vi två kontrollskruvar för L3-pediklar, två HA-belagda skruvar för L4-pediklar och två titanbelagda skruvar för L5-pediklar. Eftersom de anatomiska dimensionerna på L3-L5 ländryggen är nästan lika 16 , är en jämförelse mellan L3-L5 skruvar mer tillförlitlig än en jämförelse mellan flera nivåskruvar. Som ett resultat, en två- eller tre nivå fixering av pedicle skruvar i lummenAr ryggrad är mer lämplig jämfört med flera nivåer fixeringar.
För att exakt kunna utvärdera och jämföra transpedikulära skruvar, bör man ha en kritisk punkt i åtanke: varje skruv ska placeras i en liknande position på ryggkroppen. Flertalet protokoll för implantering av transpedikulära skruvar i djurmodeller kräver emellertid exponering och förborrning av ryggraden i ryggraden innan fästskruvarna 5 , 13 , 14 sätts in. Å andra sidan, Upasani et al . Föreslog ett kirurgiskt protokoll som innefattar att bestämma positionen och storleken på pedikelskruvarna före operationen med hjälp av computertomografibilder av ryggraden 2 . Detta protokoll föreslår införandet av en styrstift vid ingångspunkten för pedikelskruven i ländryggen. Definiera positionen av pedicle skruven med C-arm eller bärbara röntgenstrålar är också föreslagna iDetta protokoll. Vidare kan man genom att använda en pedikel-ljudanordning bekräfta den fullständiga intraosösa banan. Detta protokoll kan användas för att bestämma att pedikelskruvarna är korrekt placerade så att pedikelens felplacering kan förhindras. Detta protokoll är baserat på den mänskliga ryggkirurgi teknik som används i vårt sjukhus.
Denna metod har vissa begränsningar. Först utfördes operationen med en hälsosam svinmodell. Eftersom syftet med utvärderingen av pedikelskruvar är att minska komplikationer hos patienter med osteoporos, bör detta protokoll tillämpas på osteoporotiska svinprofiler för att visa effektiviteten hos pedikelskruvarna. För det andra kräver den svarta ryggradsmodellen inköp och bostäder av såväl som kirurgisk utrustning för grisar. Detta kan öka kostnaden, vilket begränsar antalet djur som kan användas i varje studiegrupp. För det tredje ingick denna studie bara 12 månader gamla miniatyrgrisar eftersom de var eAsy att förvärva och hantera. Dessutom, även om det finns flera typer av anordningar för ryggradsfixering, användes endast ett protokoll med ett styvt fixeringssystem här, eftersom det är det vanligaste som används i ryggraden.
Sammanfattningsvis ger en porcine modell av pedicle skruvfixering en viktig klinisk plattform för att undersöka effektiva fixeringstekniker som medför färre komplikationer hos patienter med osteoporos. Detta protokoll tillhandahåller tekniska detaljer för anestesi, kirurgi och skörd i en porcin ländryggen modell. Detta underlättar utvärderingen av transpedikulär skruvfixering med hjälp av denna modell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting relaterat till detta papper att avslöja.
Acknowledgments
Denna studie stöddes av ett bidrag (CNUH-BRI-2012-02-005) finansierat av Biomedicinska forskningsinstitutet Chonbuk National University Hospital (CNUH-BRI), Republiken Korea.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miniature pig | OrientBio | ||
| Atropine | Jeil pharmaceutical | A04900241 | Anesthesia |
| Over-the needle plastic catheter | BD | REF382412 | Maintenance of IV line |
| Ketamine | Yuhan | A04502441 | Anesthesia |
| Xylazine | Bayer Korea | A00800071 | Anesthesia |
| Laryngoscope | Karl storz | Intubation | |
| Endotracheal tube | Covidien | Intubation | |
| Isoflurane | JW pharmaceutical Co | A02104781 | Anesthesia |
| Eye ointment | Hanlim pharma | A37851721 | Protection of pig's eye |
| Cefazolin | Donga pharma | A01503951 | Antibiotics |
| Saline | JW pharmaceutical Co | A02151392 | Maintenance of fluid homeostasis |
| Fentanyl | Hana pharm | C03200032 | Pain control |
| Enrofloxacin | Bayer | 93106-60-6 | Antibiotics |
| Morphine | Myungmoon pharma | C03700091 | Pain control |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | A07600711 | Antibiotics |
| Povidone-iodine | Hyundai pharma | Wound dressing | |
| Scalpel blade size 15 | Braun | I1 BB515 | Skin incision |
| Cobb elevator | Codman | 65-2546 | Dissection of muscle |
| Burr | Medtronic | Making of starting point of screw | |
| Rongeur | Aesculap | FO515R | Making of starting point of screw |
| Guide pin (K-wire) | CE | 01067803 | Guidance of screw trajectory |
| C-arm | GE | OEC 9800 plus | Guidance of screw trajectory |
| Portable X-ray | Siemens | Mobile XP hybrid | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle probe | OtisBiotech | SPI-02-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle sounding device | OtisBiotech | SPI-03-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle screw | OtisBiotech | MS-40025 | |
| Posterior fixator systems | OtisBiotech | ||
| Rod | OtisBiotech | ROD-60140 | Rigid fixation between screws |
| Universal handle | OtisBiotech | SPI-08-01 | To fix the screws to the rod |
| Straight socket wrench | OtisBiotech | SPI-06-01 | To fix the screws to the rod |
| counter torque wrench | OtisBiotech | SPI-07-01 | To fix the screws to the rod |
| Bulb irrigation syringe | Hyupsug medical | HS-IR-140 | Irrigation |
| Silicone drain | Sewon medical | 2205-006 | To drain the fluid at the surgical site |
| 3.0 metric absorbable suture | Ethicon | BA1673H | Muscle suture |
| 2.0 metric nonabsorbable nylon suture | Ethicon | W1626T | Skin suture |
| Gauze | Kingphar Korea | KP120-06 | |
| Pentobarbital | Hanlim pharma | 645301221 | Euthanasia |
| Oscillating saw | Zimmer | Harvest spine | |
| Tower forceps | Aesculap | BF461R | Harvest spine |
References
- Greenfield, R. T., Grant, R. E., Bryant, D. Pedicle screw fixation in the management of unstable thoracolumbar spine injuries. Orthop Rev. 21 (6), 701-706 (1992).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Halvorson, T. L., Kelley, L. A., Thomas, K. A., Whitecloud, T. S., Cook, S. D. Effects of bone mineral density on pedicle screw fixation. Spine. 19 (21), 2415-2420 (1994).
- Weinstein, J. N., Spratt, K. F., Spengler, D., Brick, C., Reid, S. Spinal pedicle fixation: reliability and validity of roentgenogram-based assessment and surgical factors on successful screw placement. Spine. 13 (9), 1012-1018 (1988).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Kim, D. Y., et al. Evaluation of Titanium-Coated Pedicle Screws: In Vivo Porcine Lumbar Spine Model. World Neurosurg. 91, 163-171 (2016).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Smit, T. H. The use of a quadrupted as an in vivo model for the study of the spine-biomechanical considrations. Eur Spine J. 11 (2), 137-144 (2002).
- Aldini, N. N., et al. Pedicular fixation in the osteoporotic spine: a pilot in vivo study on long-term ovariectomized sheep. J Orthop Res. 20 (6), 1217-1224 (2002).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Branemark, R., Ohrnell, L. O., Skalak, R., Carlsson, L., Branemark, P. I. Biomechanical characterization of osseointegration: an experimental in vivo investigation in the beagle dog. J Orthop Res. 16 (1), 61-69 (1998).
- McLain, R. F., Yerby, S. A., Moseley, T. A. Comparative morphometry of L4 vertebrae: comparison of large animal models for the human lumbar spine. Spine. 27 (8), E200-E206 (2002).
- Giavaresi, G., et al. In vivo preclinical evaluation of the influence of osteoporosis on the anchorage of different pedicle screw designs. Eur Spine J. 20 (8), 1289-1296 (2011).
- Hasegawa, T., et al. Hydroxyapatite-coating of pedicle screws improves resistance against pull-out force in the osteoporotic canine lumbar spine model: a pilot study. Spine J. 5 (3), 239-243 (2005).
- Smorgick, Y., et al. Single- versus multilevel fusion for single-level degenerative spondylolisthesis and multilevel lumbar stenosis: four-year results of the spine patient outcomes research trial. Spine. 38 (10), 797-805 (2013).
- Busscher, I., Ploegmakers, J. J., Verkerke, G. J., Veldhuizen, A. G. Comparative anatomical dimensions of the complete human and porcine spine. Eur Spine J. 19 (7), 1104-1114 (2010).
