ラットの頭蓋骨縫合骨複合欠損症の詳細な外科的手順と、モデルの短期および長期の予後に関する調査について説明します。縫合再生医療を開発するための標準化されたモデルの構築を目指します。
方法論記事
ラットの頭蓋骨縫合骨複合欠損症の詳細な外科的手順と、モデルの短期および長期の予後に関する調査について説明します。縫合再生医療を開発するための標準化されたモデルの構築を目指します。
大規模な頭蓋骨欠損は、頭蓋縫合糸の混乱と一致することが多く、頭蓋骨欠損の修復と頭蓋骨の発達の障害につながります(後者は発達中の頭蓋骨で発生します)。しかし、標準化されたモデルがないため、縫合糸再生療法の研究が進まず、異なる研究間での比較分析が困難となっています。この問題に対処するために、現在のプロトコルでは、ラットの頭蓋骨縫合糸-骨複合欠損の詳細なモデリングプロセスを説明しています。
このモデルは、冠状縫合糸全体に 4.5 mm × 2 mm の全層の長方形の穴を開けることによって作成されました。ラットは安楽死させ、頭蓋サンプルは術後0日目、2週目、6週目、および12週目に採取されました。術後すぐに採取したサンプルの μCT 結果により、冠状縫合糸と隣接する骨組織の除去を含む、縫合糸と骨の複合欠損の確立が成功したことが確認されました。
術後6週目と 12週 目のデータは、欠損が閉じるための自然治癒傾向を示しました。組織学的染色は、欠損中心に石灰化繊維の増加と新しい骨を示すことにより、この傾向をさらに検証しました。これらの知見は、頭蓋骨欠損後の経時的な縫合糸の融合が進行することを示しており、縫合糸の再生に対する治療的介入の重要性を強調している。このプロトコルは、縫合糸再生療法の開発を促進し、頭蓋骨欠損の機能回復に関する新たな洞察を提供し、縫合糸の喪失に関連する有害な結果を減らすことを期待しています。
頭蓋縫合糸は、頭蓋骨間の緻密な線維性接続であり、わずかな頭蓋骨の動きを容易にする関節として機能し、圧力下での脳の保護クッションを提供します1。近年、頭蓋骨の発達、頭蓋顔面の恒常性、および固有の骨修復能力における頭蓋縫合の重要な役割が注目される研究が増えています 2,3,4,5,6,7,8。成長と発達の期間中、頭蓋縫合糸は頭蓋骨4の主要な成長中枢として機能します。縫合糸の両側の骨形成前部で新しい骨形成が起こる一方で、縫合糸内の細胞は未分化の間葉系状態を維持し、脳の成長と並行してバランスの取れた頭蓋骨の拡張を確保します1。このとき頭蓋縫合糸が失われると、頭蓋骨と脳の成長に食い違いが生じ、脳損傷、水頭症、頭蓋内圧の上昇、認知機能障害などの深刻な問題を引き起こします3,9。
さらに、頭蓋縫合糸は、頭蓋欠損症の予後を決定する上で重要な役割を果たします5,7,10。頭蓋縫合糸は、頭蓋骨表面全体の再生能が不均一に分布しており、非縫合領域10,11と比較して著しく優れた能力を示している。ある研究では、頭蓋欠損の治癒速度は、頭蓋縫合糸と損傷部位との間の距離と逆相関することが示されています10。具体的には、冠状縫合糸と矢状縫合糸の除去は、頭頂骨欠損7の非治癒につながり、頭蓋欠損における縫合糸再生の必要性を強調しています。しかし、現在の研究の焦点は主に頭蓋骨構造の修復にあり、縫合間葉の再生は無視されています。
縫合糸再生の進展については、縫合糸を含む骨皮弁、間葉系幹細胞(MSC)、人工生体材料の移植により有望な結果が観察されています。縫合糸を縫合した骨弁を頭蓋欠損に移植したとき、縫合糸のない骨弁は非癒合を示し、骨膜、硬膜、または骨細胞を形成することができないのとは対照的に、うまく統合および治癒しました5。同様に、骨髄由来のMSCを矢状縫合-骨複合欠損に移植すると、縫合糸様の隙間12の形成が促進された。注目すべきは、最近の研究では、Gli1+ MSCによる縫合糸再生の実現が強調されており、頭蓋内圧制御、頭蓋骨変形矯正、および神経認知機能の強化が可能になった13。再生医療と生物医学工学が発展するにつれて、研究者は、その適応性とカスタマイズ性を備えた生体材料14にますます注目しています。特に、ポリテトラフルオロエチレン膜は、頭蓋骨と縫合間葉を同時に再建するのに効果的であることが証明されています15,16。
しかし、頭蓋顔面研究は、骨、皮膚、軟骨、筋肉などの他の組織を修復する比較的成熟したモデルとは異なり、縫合間葉系再生療法を探求するための確立されたモデルが不足している17。標準化されたモデルがないため、縫合再生療法の研究が制約され、異なる研究間での比較分析を行うことが困難になります。したがって、私たちの研究では、実行可能で再現性のあるラットの頭蓋骨縫合糸-骨複合欠損が確立されました。この方法を通じて、頭蓋縫合再建のための適切な臨床的介入を開発することを目指しています。これにより、頭蓋骨欠損の機能修復と縫合糸の喪失による好ましくない結果を減らすための新しい視点を提供します。
この研究のすべての動物手順は、四川大学西中国口腔病学学校の倫理委員会(WCHSIRB-D-2021-597)によってレビューされ、承認されました。合計12匹(4つの時点のそれぞれで3匹のラット)のSprague-Dawley(SD)ラット(雄、300g、8週齢)を市販の供給源から入手しました( 資料の表を参照)。
1. 術前準備
2.外科的プロセス
3. 術後ケア
4. サンプル採取とデータ解析
この研究では、冠状縫合糸を横切る 4.5 mm x 2 mm の長方形の穴を開けることにより、ラットの頭蓋骨縫合糸-骨複合欠損が確立されました。手術の概略図と研究フローチャートを図3に示します。術後0日間のサンプル、すなわち手術直後に採取されたサンプルの3D画像と断面図により、冠状縫合糸と両端の隣接する骨構造を完全に除去する全層の頭蓋骨欠損が成功したことが確認されました(図4A)。μCT画像と術後6週間の対応する統計解析結果から、欠損部内に形成される不規則な石灰化結節を伴う欠損閉鎖への自然な傾向が明らかになりました(図4)。この傾向は手術後12週間でより顕著になり(図4)、時間が経つにつれて縫合糸が癒合される可能性を示しています。さらなる組織学的解析は、H&EおよびMassonのトリクローム染色を用いて行った。術後2週間で、骨膜と硬膜の顕著な伸展と連続性が観察され、緻密で厚い線維組織が形成され、欠損領域を効果的に密閉しました(図5)。注目すべきは、この早い時期に、青色に染色された鉱化繊維の出現が検出され、その存在は手術後6週間の時点で大幅に増加しました(図5)。術後12週間までに、欠損中心に大きな骨片が観察され(図5)、間質石灰化と縫合糸閉鎖の予後不良が再確認されました。縫合骨複合欠損の好ましくない自然治癒結果は、生体材料の移植などの治療的介入による頭蓋縫合再生の必要性を強調しています13,15,16。

(A)手術用品には、(1)湾曲した鉗子、(2)使い捨て滅菌メス、(3)骨膜エレベーター、(4)灌漑針、(5)綿球、(6)低速ハンドピース、(7)手術用モーター(黄色の矢印はRPMノブ、白い矢印はスイッチ)、(8)歯科用低速丸いバー、(9)ニードルホルダー、 (10)3-0モノフィラメント縫合糸、(11)ストレートハサミ。(B)直径1.2mm、0.8mmの低速丸バー。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:外科的処置(A)ラットを腹臥位に置きます。(B)電気シェーバーで頭皮から髪を剃ります。(C)使い捨てメスで皮膚を切開します。(D)メスで骨膜を切開します。(E1、E2)骨膜を上昇させて、骨膜エレベーターで冠状縫合糸を露出させます。黄色の矢印は冠状縫合糸を示しています。(F1回戦)位置決め溝を開けました。(F2キー)1.2 mmの丸型バーで長方形の欠陥を事前に作成します(G1、G2) 0.8 mmの丸型バーで欠陥をトリミングして、標準の4.5 x 2 mmの長方形の形状にします。(H1、H2)欠陥の幅と長さをノギスで校正します。(I)3-0モノフィラメント縫合糸を使用して皮膚を閉じます。この描写は、解剖学的視覚化を改善するために意図的に覆われていない死体を利用しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:この研究のcalvarial suture-bony複合欠損と研究戦略の概略図。 略語:H&E =ヘマトキシリンとエオシン;μCT = マイクロコンピュータ断層撮影。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:頭蓋骨縫合糸-骨複合欠損の閉鎖傾向。(A) 術後 0 日目、6 週目、および 12 週目における縫合骨複合欠損の代表的な μCT 画像と断面図。断面は、3D画像の黄色の破線で示された位置を示しています。スケールバー=2 mm. (B) μCT評価による手術後の残存欠損量の定量分析。n = 6 反復/グループ。データは平均SD±表され、一元配置分散分析とそれに続くダネットの多重比較検定が行われます。p<0.001。略語:PO =術後;μCT = マイクロコンピュータ断層撮影。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:縫合骨複合欠損症の組織学的変動 (A)H&Eおよび(B)PO週2、6週目、および12週目における縫合骨複合欠損のマッソントリクローム染色。赤い破線の輪郭は、欠損領域をカプセル化する線維組織を示しています。黒い五芒星は、青く染色された鉱化繊維を表しています。黄色の五芒星は、欠損中心に形成された新しい骨を強調しています。スケールバー = 500 μm;200 μm(インセット)。略語:PO =術後;H&E = ヘマトキシリンとエオシン。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図S1:前後方向の冠状縫合糸の幅(矢状面の頭蓋像)。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
従来の頭蓋骨欠損モデルは、頭蓋縫合糸を含むかどうかにかかわらず、主に硬組織の修復に集中し、縫合間葉の重要な再生を無視することがよくあります19,20。縫合糸再生研究では、Mardasらによるもの15,16のような以前のモデルでは、トレフィンバーを利用してラットの矢状縫合糸全体に5mmの円形欠損を作成し、その結果、硬組織が大幅に失われ、縫合糸再生の主要な目標から逸脱しました。同様に、Wilk et al.7 による方法論は、矢状縫合糸と右冠状縫合糸の両方の除去を包含し、右頭頂骨に重大な骨欠損を作成することを含み、有益ではありましたが、複数の欠損部位が存在するため、複雑さと潜在的な交絡変数をもたらしました。対照的に、私たちのプロトコルは、冠状縫合糸に沿って両側の長方形の欠陥を作成し、より合理化された標的を絞った研究モデルを目指しています。主要な頭蓋縫合糸には、冠状縫合糸、矢状縫合糸、メトピー縫合糸、およびラムドイド縫合糸が含まれます21。頭蓋骨に縦方向に配置されるメトピー縫合糸や矢状縫合糸とは異なり、冠状縫合糸とラムドイド縫合糸は横方向に位置し、2つに分けることができるため、同じ条件で2つの欠損を作成することができます。ラムドイド縫合糸とは対照的に、頭皮切開によって露出する手術野は、冠状縫合糸での一連の処置によりアクセスしやすくなっています。冠状縫合糸の左半分と右半分の両方に欠陥を作成し、各部位に異なる介入を適用することで、自己制御を通じて異なる治療法をより簡単に比較することが容易になります。さらに、このアプローチにより、治療を受けた側と治療を受けていない側の比較が可能になり、介入する治癒プロセスと自然治癒プロセスとの間の格差についての洞察が得られます。したがって、私たちの研究は、ラットの冠状縫合糸の両側に縫合骨複合欠損を作成することが、縫合再生治療を研究するための適切な手術モデルであることを示唆しています。
欠陥寸法の選択は、実用的で解剖学的な考慮事項によって細心の注意を払って導かれます。この特定の動物モデルでは、矢状縫合糸と前頭縫合糸を維持しながら冠状縫合糸を完全に除去し、骨組織の除去を最小限に抑えることが主な課題です。したがって、最適な戦略は、冠状縫合糸に沿って正確な長方形の欠陥を作成することを伴います。冠状縫合糸または隣接する縫合糸に間葉が残っていると、治療の真の再生効果の評価に不正確さが生じる可能性があるため、この戦略的な決定は不可欠です。その結果、300 gの雄SDラットの最大の実現可能な欠陥長を約4.5 mmに確立しました。さらに、冠状縫合糸の前後方向の幅( 補足図S1に示すように矢状面で約1.5mm)を考慮し、欠損幅を2mmとすることで、頭蓋表面からその深さまで縫合糸が完全に除去されるようにしました。欠陥の特定の寸法(長さと幅の両方)は、動物の種類や年齢、実験目的などの要因に基づいて調整が必要な場合があることは注目に値します。別の研究では、冠状縫合糸に沿って幅0.3〜0.4mmの細い長方形の欠損が作成され、マウスの小さいサイズに対応しました13。
特に、この手術モデルを生成することの難しさは、標準的で均一な長方形の欠陥を構築することにあります。サンプル間で生理活性因子の均一な投与量を保証するために、欠陥形状の一貫性を維持することが不可欠であり、それによってグループ間およびグループ内の変動を最小限に抑えることができます。この点で、縫合骨複合体を除去する過程で、最初に直径1.2mmの丸型バーを使用して冠状縫合糸を特定し、全層の長方形の欠損の大まかな輪郭を作成しました(図1B)。その後、最小の丸型バー(直径0.8 mm)に切り替えて、直角ターンを微調整し、欠陥エッジを滑らかにしました(図1B)。各欠陥の長さと幅の一貫性を確保するために、穴あけプロセス中の研削過多または過少研削を避けるために、ノギスが使用されました。このアプローチにもかかわらず、μCTスキャンでは、生成した長方形の欠陥がまだやや円弧状であることが明らかになり(図4)、正確な研削形状を得るためには、モデリング方法をさらに最適化する必要があることが示唆されています。
予後を評価するために、μCTスキャンは、骨組織の治癒の評価や頭蓋縫合の状態(頭蓋縫合が閉鎖されているか閉塞していないか)など、最も直接的な手段を提供します。さらに、頭蓋縫合糸の再生の研究には、組織病理学的レベルでの調査が不可欠です。病理組織学的染色は、間葉系組織形成、骨修復阻害、または材料空間占有による欠損の非閉鎖を区別するのに役立ちます。間葉系組織の再生を促進するアプローチのみが、頭蓋縫合再生の可能性を持っている可能性があります。さらに、モデル構築中に関連する実験が不足しているにもかかわらず、治療介入後に再生組織内の縫合糸MSCマーカーのタンパク質レベルの発現を検出することを強くお勧めします。この解析は、免疫蛍光法、免疫組織化学、フローサイトメトリーなどの技術を用いており、縫合糸再生の成功確認に貢献しています。特定の縫合糸MSCマーカーには、Cd51、Cd200、Gli1、Axin2、Prrx1、Ctskなどが含まれます1,22。
要約すると、この研究では、ラットの頭蓋縫合糸-骨複合欠損の詳細なモデリングプロセスを報告し、交差縫合頭頭蓋欠損の予後を研究し、頭蓋縫合を再生するための適切な治療法を開発します。頭蓋縫合糸の再生の分野は確かにニッチであり、頭蓋縫合を再生するための文献で一般的なモデルや方法がないことに注意するのが適切です。したがって、私たちのプロトコルは、縫合糸再生アプローチを調査するための強固な方法論的基盤を提供し、患者の生活の質を向上させるという究極の目標を持って、頭蓋骨欠損の機能回復に関する革新的な視点を導入すると信じています。
著者は、宣言する利益相反を持っていません。
この研究は、中国国家自然科学基金会 82100982 (F.L.)、82101000 (H.W.)、82001019 (B.Y.)、四川省科学技術局 2022NSFSC0598 (B.Y.)、2023NSFSC1499 (H.W.)、および四川大学 West China School/Hospital of Stomatology Sichuan University (RCDWJS2021-5) からの研究資金の支援を受けました。図 3 は Biorender.com を使用して作成されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 4% パラホルムアルデヒド | バイオシャープ | BL539A | |
| 2% ヨードフォア溶液 | 成都金山化学試薬株式会社 | なし | |
| 75% エタノール | Chengdu Jinshan Chemical Reagent Co., Ltd. | なし | |
| コットンボール | Haishi Hainuo Group Co., Ltd. | なし | |
| 綿棒 | Lakong Medical Devices Co., | なし | |
| 湾曲鉗子 | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | なし | |
| Dataviewer と Ctan ソフトウェアによる残留欠陥量評価 | Bruker | None | |
| Dental 低速ラウンドバー | Dreybird Medical Equipment Co., Ltd. | RA3-012 RA1-008 | |
| 使い捨て滅菌メス | 杭州ファーウェイ メディカル サプライ Co., Ltd. | なし | |
| 使い捨てシリンジ (22 g) | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | SB1-089(IX) | |
| 電気シェーバー | JASE | BM320210 | |
| エチレンジアミン四酢酸(EDTA) | BioFroxx | 1340GR500 | |
| ヘマトキシリンとエオシンステインキット | バイオシャープ | BL700B | |
| 灌漑針(23 g) | Sichuan New Century Medical Polymer Products Co., Ltd. | なし | |
| 低速ハンドピース | Guangzhou Dental Guard Technology Co., Ltd. | None | |
| Masson's トリクロームステインキット | Solarbio | G1340 | |
| 医療用不織布 | 河南亜都工業株式会社 | なし | |
| マイクロコンピュータ断層撮影法 (µCT) | Scanco Medical AG | µCT45 | |
| Mimics 20.0 for cross-sectional images | Materialise | None | |
| ニードルホルダー | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | なし | |
| 骨膜エレベーター | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | なし | |
| 生理食塩水 | Sichuan Kelun Pharmaceutical Co., Ltd. | なし | |
| Scanco 3D画像再構成用医療ビジュアライザーソフトウェア | Scanco Medical AG | なし | |
| 統計分析用SPSS Statistics 20.0 | IBM | なし | |
| Sprague-Dawley rats | Byrness Weil Biotech Ltd | なし | |
| ストレートハサミ | Chengdu Shifeng Co., Ltd. | なし | |
| 外科用モーター | マラソン | N3-140232 | |
| 外科用縫合糸 (3-0 モノフィラメント) | Hangzhou Huawei Medical Supplies Co., Ltd. | 何一つ |
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