機械的軟骨過負荷に対する軟骨細胞損傷の反応をよりよく理解するために、プロトコルでは、24時間亜致死的であった ex vivo 軟骨衝撃モデルの開発について説明しています。
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機械的軟骨過負荷に対する軟骨細胞損傷の反応をよりよく理解するために、プロトコルでは、24時間亜致死的であった ex vivo 軟骨衝撃モデルの開発について説明しています。
心的外傷後変形性関節症(PTOA)は、一般的で変性性があり、痛みを伴う進行性関節疾患であり、通常、重大な関節外傷の後に発生し、600万人以上のアメリカ人が罹患しています。衝撃による軟骨外傷は、軟骨細胞損傷反応を引き起こし、PTOAで最高潮に達します。軟骨細胞の損傷に関連する分子イベントを理解することは、PTOAを予防したり、その進行を遅らせたりするための治療法を開発するために必要です。これを容易にするために、24時間亜致死性の ex vivo 軟骨衝撃モデルが開発されました。骨軟骨外植片は、ウシの中手指節関節から採取され、ドロップタワーを使用して外植片に衝撃荷重を送達しました。応力と衝撃が関節軟骨に比較的均一に加えられるように、骨表面を上に向けて外植片を配置し、骨を上から衝撃を受けました。キャリッジ高さ4.0cm、4.5cm、5.0cmから外植片に異なる荷重が加わり、平均ピーク応力はそれぞれ10.87 ± 1.84 MPa、11.69 ± 0.67 MPa、0.75 MPa±12.98 MPaとなりました。この研究では、インパクト後の培養中の軟骨における軟骨下骨の存在の役割と、インパクト時に装着ホルダーまたはルーズホルダーを使用した場合の影響を分析し、細胞の生存率とアポトーシスを評価しました。4.5cmから衝撃を受けた関節軟骨は、装着されたホルダーと即時の骨除去と組み合わせることで、衝撃後24時間で細胞死を最小限に抑えて軟骨損傷を誘発するための最適なモデルを提供しました。
心的外傷後変形性関節症(PTOA)は、米国で500万人以上の成人が罹患している衰弱性疾患です1。軟骨への単一の外傷性衝撃が軟骨細胞損傷反応を引き起こし、早期発症の症状を引き起こし、関節痛や機能障害との生涯にわたる闘争につながる可能性があります2。軟骨には内在的な修復能力がほとんどまたはまったくないため、病気の進行を変更する治療法を開発する必要性が満たされていません3。PTOAは、明確に定義された単一の外傷性事象と相関しているため、病気が進行する前に介入する機会があります。しかし、これらの治療法の開発は、軟骨細胞の損傷反応を調節し、心的外傷後変形性関節症につながる分子シグナル伝達に関する知識のギャップによって妨げられています 2,3,4。軟骨細胞損傷後の分子イベントをよりよく理解することは、軟骨細胞損傷反応を救い、PTOA 2,5,6の発症を予防または遅延させる新しい治療法の設計に役立つ可能性があります。
軟骨細胞損傷の分子シグナル伝達をよりよく理解するために、以前の研究では、軟骨外植片に機械的に衝撃を与えて損傷反応を開始するドロップタワーまたは同様のデバイスを利用していました。これらの研究は、機械的特性と構造の変化7,8、マトリックス損傷と合成6,9,10,11、ミトコンドリア機能障害12,13,14,15、イオン輸送経路16,17,18、図19、および遺伝子発現9,11,20,21,22,23。しかし、これらの研究の多くでは、細胞生存率は報告されていないか、または損なわれており、一部の研究では細胞生存率が50%以下であった24,25,26。細胞生存率が低いことによる交絡効果により、損傷反応の研究が困難になる可能性があります。関節外傷の直後の軟骨細胞死は不可逆的ですが、軟骨細胞損傷を治療する治療法は、その後のPTOA27を軽減します。軟骨細胞の損傷に関連する分子変化を特定し、生存細胞の喪失ではない分子変化を特定するためには、軟骨細胞の生存能力を一定期間維持する軟骨衝撃モデルが必要です。さらに、軟骨組織全体で比較的均一な軟骨細胞損傷応答を生成する軟骨衝撃は、細胞の挙動を分析する際に最も一貫した結果を提供します。
この研究の目的は、急性軟骨損傷反応に固有のシグナル伝達経路を研究する能力を維持する関節軟骨の費用対効果の高い ex vivo 衝撃損傷モデルを開発し、特徴付けることでした。さらに、このようなモデルは、損傷反応を救うための潜在的な治療法を評価するために使用できます。これを達成するために、私たちはまず、ドリルプレスに取り付けられたダイヤモンド先端のコアリングビットを使用して、骨格的に成熟した動物のウシ中手指節関節から軟骨外植片を採取する無菌技術を開発しました。中手指節関節は、動物が食用として加工されるときに食肉処理場によって廃棄されるため、この関節は容易にアクセスでき、安価な組織源となっています。次に、骨軟骨標本をドロップタワー装置の下のホルダーに入れる衝撃傷害モデルを確立しました。このモデルでは、#8鏡面研磨されたステンレス鋼の表面に関節面を下に向けて骨軟骨標本を配置し、骨に上からの衝撃を与えることで、軟骨組織に比較的均一な負荷を供給しました。衝撃後24時間にわたって軟骨細胞の生存率を維持しながら、アポトーシス分子損傷応答を引き起こす衝撃パラメータを決定しました。衝撃時に試料の横方向の動きを異なる量に許容したホルダーは、細胞生存率とアポトーシスへの影響について評価されました。最後に、衝撃後に軟骨下骨から軟骨を除去する効果を評価しました。
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地元の食肉処理場から入手したウシの手足の使用は、食用として加工された動物から死後に組織を採取したため、倫理的な承認を必要としませんでした。
1.骨軟骨外植片の収穫
2.骨軟骨外植片の影響
3. 軟骨標本の細胞生存率の解析
4. 軟骨標本におけるアポトーシスの解析
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骨軟骨外植片への機械的衝撃荷重は、キャリッジ高さが組織から4.0 cm、4.5 cm、および5.0 cm(n = 3または4)のドロップタワーを使用して加えられました。キャリッジを解放する前にキャリッジの高さを大きくすると、衝撃力、平均ピーク応力、荷重率、および衝撃エネルギーが増加しました(表1)。
私たちは、衝撃後24時間亜致死性である ex vivo 軟骨損傷モデルの開発を目指しました。ドロップタワーキャリッジの異なる高さでの衝撃後24時間の生/死染色の特性評価は、収穫手順により、サンプルの中央に98.4%±0.05の高い細胞生存率の軟骨外植片が生成されたことを示しました。4.0 cmおよび4.5 cmの衝撃群の細胞生存率は、衝撃後24時間で非衝撃サンプルと有意差はありませんでしたが、高さ5.0 cmでは有意な低下が観察されました(図3A)。さらに、アポトーシスシグナル伝達を示す蛍光強度は、非衝撃群と比較して4.0cmの衝撃群で有意に増加し、4.5cmおよび5.0cm...
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この研究の目的は、軟骨細胞損傷後の分子イベントを研究するための細胞生存率を損なわない軟骨衝撃モデルを特徴付けて最適化することであり、最終的には、損傷した細胞を救助してPTOAの進行を防ぐ治療法を開発することを目標としていました。この目標を追求するために、骨軟骨コアの骨部分に機械的な負荷がかかり、その負荷が軟骨組織に伝達されました。さらに、異なる衝撃高さ、衝撃時の異なるホルダープレートの影響、および衝撃後の軟骨組織培養における骨の存在の影響を調べました。これらのパラメータを組み合わせると、モデルに対する重要な洞察が得られ、適切にフィットしたホルダーで4.5cmの衝撃高さと、その後の骨からの軟骨の即時除去が、細胞の生存率を維持しながら有意な軟骨細胞損傷応答を誘発するのに最適であったことが示唆されています。
4.5cmの衝撃高さを選択した理由は、平均ピークストレス(11.69 ± 0.67 MPa)が細胞死を引き起こさず、重大な軟骨細胞損傷を誘発したためです。4 cmの高さ(平均ピークストレス:10.87 ± 1.84 ...
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著者は何も開示していません。
この研究は、NIH NIAMS Grant R21 AR080255の支援を受けました。著者は、このプロジェクトに機械加工と製造の専門知識を提供してくれた Kevin Carr に感謝します。著者らは、この研究に組織を提供してくれたムーアズビルブッチャーショップ(インディアナ州ムーアズビル)に感謝します。著者らは、共焦点顕微鏡法の支援について、インディアナ生物顕微鏡センターのコア施設のスタッフに感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| #11滅菌メスの刃 | Thermo Fisher Scientific | 10-001-823 | 骨から軟骨を除去 |
| 22 滅菌メスの刃 | Thermo Fisher Scientific | 10-001-833 | ウシ組織から皮膚を除去し、靭帯を切断して関節を開く |
| 10-1000 ul ピペットチップ | Thermo Fisher Scientific | 02-707-411 | 測定と移送 PBS、培地、その他のソリューション |
| 200プルーフエタノール | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 03-007-647 | 手術器具を消毒し、組織の準備と処理中に無菌環境を維持するための滅菌剤として70%エタノールを調製するために使用されます。 |
| 50 mL遠心分離管(滅菌 | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 339652 | 地とサンプルの保管に使用されます |
| 5ガロンカーボー | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 04-355-233 | ースでスイベルアダプターに接続された滅菌PBS容器。 |
| 6ウェルプレート(滅菌) | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 140685 | 収集、衝撃研究前のインキュベーション、およびイメージング中に、予熱培地を使用して骨軟骨コアを無菌環境に一時的に保存するために使用されます |
| 速度計 | キスラー | 8743A5 | 衝撃中に生成される加速度の測定に使用 |
| アポトーシス染色キット (CellEvent) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | C10423 | アポトーシス細胞の検出と視覚化に使用 |
| オートクレーブ可能な洗浄ボトル | Nalgene | 2405-0500 | 組織採取中に軟骨に水分を補給するために滅菌PBSを充填します。 |
| 剖検鋸 | Mopec | BD 810 | 関節を開くか、骨軟骨コアを抜いた後、余分な骨を取り除 |
| 剖検鋸刃 | Mopec | BD 101 | 骨を切断して骨軟骨外植片を分離して解放するために使用されます。 |
| ベタジン | アブリオ ヘルス LP | 該当なし | シサンプルをフードに移す前に外側を消毒し、最終的な骨軟骨サンプルを消毒するために希釈します。 |
| クリア 4 フィート ホー | n/a | n/a | PBS を含む 5 リットルのカーボイをボール盤のスイベル アダプターに接続して PBS を輸送するために使用されます。 |
| コアリングドリルビット | UKAM産業用スーパーハードツール | 3EDCD7160 | 軟骨と軟骨下骨に穴を開けて骨から骨軟骨外植片を抽出するために使用されます。- ドリルビットの直径:7/16インチ(電気メッキダイヤモンドコアドリル) |
| 三日月レンチ | McMaster Carr | 5362A1 | ランプ(ジョイントを所定の位置に保持する)を締め、コアリングドリルビットを締めるために使用されます |
| 使い捨て血清ピペット | Thermo Fisher Scientific | 13-678-11 | PBSおよび培地の測定と移送 |
| 使い捨てアンダーパッド | Thermo Fisher Scientific | 23-666-062 | 穫中に水と液体を吸収するためのカウンタースペースを覆うために使用され、利便性と衛生性を高めます |
| 使い捨て真空フィルターユニット | Thermo Fisher Scientific | SCGP00525 | フィルター PBS およびその他のソリューション |
| ドリルプレス | WEN | 433TV 3.25インチ | 骨軟骨サンプルの穴あけに力を加える - WEN 433TV 3.25インチ工業用強度ベンチトップ |
| ドリルプレス傾斜アングルバイス | WEN | TV434 | コアリングプロセス中に骨軟骨サンプルを希望の角度で固定位置に固定します。 |
| ドロップタワー | カスタムメイド | n/a | サンプルに影響を与えるために使用 |
| FIJI (ImageJ Extension) | /a | n/a | 細胞生存率やアポトーシス定量を含む顕微鏡画像の処理と分析に使用されるソフトウェア |
| 子 | Fisherbrand | 12-000-163 | フード内の組織を切断し、関節を開き、サンプルを移すために使用されます |
| ゼ (滅菌) | Dukal | 6412 | 関節カプセルを開封した後、関節軟骨に水分を補給するために使用 ガラス |
| 1 リットルのメディア ボトル | シグマ アルドリッチ | CLS13951LHTC | 滅菌 PBS の保管に使用されます。 |
| 手袋 | Thermo Fisher Scientific | 19-130-1597D | 回収チームの保護に使用 |
| インスリン-トランスフェリン-セレン(ITS) | Gibco | 41400-045 | メディアサプリメント |
| LabVIEWデータ集録ソフトウェア | National Instruments | n/a | 衝撃試験中にロードセルと加速度計からデータをキャプチャして、その後の解析を行います。 |
| L-アスコルビン酸 | Merck | A4403 | メディアサプリメント |
| レーザー共焦点走査顕微鏡 | オリンパス | FV1000D | 染色された組織サンプルの高解像度の3次元画像をキャプチャするために使用されます。 |
| 生死アッセイ染色キット | Thermo Fisher Scientific | L3224 | 組織サンプル中の生細胞と死細胞を区別し、細胞の生存率を評価するために使用されます |
| ロードセル | Kistler | 9712B5000 | 衝撃中に加えられる力を測定するために使用します。 |
| マトラブ | MathWorks Inc. (英語) | n/a | |
| ミートバンドソー | Skymsen | MSKLE | ウシサンプルから手根蹄を除去 |
| マイクロピペット 10-100 uL | Thermo Fisher Scientific | FBE00100 | 測定と移送 PBSおよび培地 |
| 最小必須培地(MEM)非必須アミノ酸溶液 | Gibco | 11140-050 | 培地サプリメント |
| Modified Eagle's 培地 (DMEM) | Gibco | 10566-016 | 骨軟骨外植片培養。 |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | サーモフィッシャーサイエンティフィ | 15-140-148 | 培地サプリメント |
| リン酸緩衝生理食塩水 | サーモフィッシャーサイエンティフィ | BP399-20 | 理学的状態の維持、脱水の防止、染色液の調製のための組織のすすぎ、水分補給、冷却に使用されます |
| ドロップタワーのサンプルホルダー | カスタムメイド | n/a | 衝撃中に骨軟骨コアを固定します。 |
| メスのハンドル | モフィッシャーサイエンティフィック | 16-100-107 | 切断、組織の解剖、関節の開口に使用されます。 |
| ネジ(CADに追加) | 6-32ネジサイズ-18-8ステンレス鋼穴付きネジピ | ||
| ルビン酸ナトリウム | Gibco | 11360-070 | サプリメント |
| 面インパクターヘッド | McMaster Carr | 9292K52 | パクト手順前のオートクレーブ |
| ジカルマスクフィルター | マスク | 375101 | 収集チームを保護するために使用されます |
| 水スイベルアダプター | UKAM産業用スーパーハードツール | 7035812 | リングドリルビットに接続して、穴あけプロセス中の冷却用のPBSの連続的な流れを提供します。 |
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