ここでは、羊の膝における制御された骨軟骨病変を生成する統合プロトコルを提示し、骨および軟骨組織再生研究に適した実験モデルを構築します。プロトコルは、動物福祉への影響と結果のばらつきを最小限に抑える技術を用いて、大腿骨頭に全層骨軟骨欠損を誘発する方法を示しています。
方法論記事
ここでは、羊の膝における制御された骨軟骨病変を生成する統合プロトコルを提示し、骨および軟骨組織再生研究に適した実験モデルを構築します。プロトコルは、動物福祉への影響と結果のばらつきを最小限に抑える技術を用いて、大腿骨頭に全層骨軟骨欠損を誘発する方法を示しています。
加齢、外傷、遺伝的素因、生活習慣が人間の軟骨の劣化に影響を与えます。一度怪我をすると、日常活動による継続的な侮辱は、変形性関節症のような病的状態を引き起こす可能性があり、これは世界中の障害や社会経済的損失の主な原因です。関節軟骨損傷を治療するすべての整形外科医の主な目標は、病変の範囲を解剖学的に縮小し、軟骨表面を修復し、関節の安定性を回復することでした。動物モデルは治療薬の開発に不可欠ですが、軟骨欠損に関する現行モデルは満足のいくものではありません。羊の骨軟骨病変は、人間の関節環境における軟骨や骨の回復を助ける新しい治療法やバイオマテリアルの試験に貴重なモデルです。この研究は大型動物における急性骨軟骨欠損を誘発するための効率的なプロトコルを確立しました。両内側大腿骨蓋頭に標準化された病変が形成された。片方の膝が無作為にゼラチンメサクリロイル治療を受け、対側の膝が対照群として割り当てられました。手術から6か月後、大腿骨の顆部分が切除され、解離された膝関節は脱石灰され、パラフィンに埋め込まれ、ヘマトキシリンとエオシンで染色された切断が施されました。病変の評価にはスコアが用いられました。この方法により、損傷誘導後の即時の巨視的観察が可能になります。さらに、このモデルは臨床軟骨欠損を効果的に再現し、その病理学の研究や革新的な治療法の開発に貴重なモデルを提供します。
軟骨は骨格系の機械的能力を維持するために不可欠であり、骨格の下顎関節で骨の間に摩擦のない表面を提供し、関節表面の侵食を防ぐ役割を果たします。軟骨がこれらの過酷な機械的機能を果たす能力は、特に非常に高い水分含有量を持つ細胞外マトリックスの独特な組成と組織に大きく依存しています。水は関節軟骨の構造と機能において重要な役割を果たし、その構成の約70〜80%を占めています。水は圧縮中の荷重を支える主な要素です。組織が圧縮力に耐えられるかどうかは、マトリックス内で水がどのように構造化され、どのように制限されているかに依存します。この組織化は、コラーゲンやプロテオグリカンなどの軟骨の主要な高分子、特にヒアルロン酸結合集合体と水の相互作用によって可能となります。これらは水の流れを秩序立てて制限する封じ込め構造として機能します。この相互作用により、組織は剛性だけでなく、変形後の回復力や回復力も得られます。遊離水、結合水、高分子マトリックスの相互作用が軟骨の生体力学的挙動の核を構成します。
関節に到達する物理的・機械的荷重を支え分散する驚くべき能力があるにもかかわらず、損傷した関節軟骨(AC)は軟骨細胞の有糸分裂活性が低く、組織血管形成が不十分であるため、自然修復の可能性が限られています。関節損傷は通常、組織の95%を占める細胞外マトリックス(ECM)分子やタンパク質の進行性喪失と関連しており、これらはAC3に生体力学的特徴を与えます。ECM成分の合成と分解のバランスが崩れ、異化代謝的プロセスへとシフトすると、世界的に最も一般的な変性関節症(OA)を引き起こすことがあります。変形性関節症は成人人口の約10〜12%に影響を及ぼし、痛みを引き起こし、可動性を制限し、患者の自律性を著しく低下させます4.変形性関節症は、生涯にわたる関節への蓄積的な損傷により高齢者でより多く見られます。しかし、性別、遺伝的素因、肥満、日常生活など、さまざまなリスク要因が臨床疾患の発症に関連しています。これまで、OA治療の治療法は臨床的症状管理と最も重症例での関節置換術にとどまってきました。OAを効果的に治療するための強固で再現性が高く信頼できる治療戦略がないため、関節軟骨損傷に関連する問題を理解し対処するための革新的なアプローチが研究されています。
関節炎性関節の修復、再生、関節運動の強化のために、再生医療の進歩が損傷したAC 6,7の回復に新たな希望として浮上しています。自家軟骨細胞の使用とECM移植および幹細胞の関節内注射を組み合わせることは、この分野における現在の最先端を示しています。これらのアプローチの主な課題は、移植細胞による適切な分化と機能的なECM合成を確保することです。自家軟骨細胞は線維軟骨を形成したり肥大状態に進行し、AC(軟骨)の生理的特徴を再現できない新たな機能障害組織を作り出し、回復が不完全でしばしば後期の劣化を引き起こします11。生体材料は組織再生中の細胞行動を誘導するために用いられ、細胞が新しい自然な機能的な細胞外マトリックスを付着・合成するための一時的な足場を提供します。12,13,14。軟骨工学に理想的な生体材料は、特に軟骨下骨との強固な統合を保証しなければなりません。この界面での失敗は長期的な修復を損なうためです。しかし、骨軟骨足場の軟骨と骨層間の結合が弱く、宿主組織との統合が不十分であることが依然として大きな課題となっています15。足場は骨軟骨の構造を模倣しようと試みますが、複雑な界面微細構造の再現は依然として困難です。これは、軟骨と骨の再生を同時に支えつつ界面の安定性を維持できる生物学的特性を持つ足場の研究開発の重要性を強調しています16。軟骨組織の重要な成分であるコラーゲン由来のゼラチンは、細胞結合モチーフや生分解性などの特性を持ち、骨軟骨病変の治療における再生因子と組み合わせることで支持的な生体材料としての可能性を示唆しています。メサクリル無水物で化学修飾してゼラチンメサクリロイル(GelMA)を生成すると、光交橋可能となり、注入およびその場光重合が可能となり、再生医療への応用における機械的安定性が向上します。
骨軟骨病変は再生能力が限られており、臨床的な課題となっています。膝関節損傷の大型動物モデルを用いた前臨床研究は、疾患メカニズムや治療結果に影響を与える変数を体系的に評価できるため、トランスレーショナルリサーチに不可欠です。よく使われる種には豚、ヤギ、犬、馬、羊などがあり、それぞれが実験設計で考慮すべき特有の利点と制限を持っています。さらに、これらすべての種は人間に見られるように、軟骨および骨軟骨欠損の内因性修復が限定的であることを示します。これらのモデルが人間の転帰を予測できるようにするためには、解剖学的、生理学的特徴、生体力学的特性などの関連パラメータを再現しなければなりません18。比較のために、大腿軟骨のヒト関節軟骨の厚さは1.8から2 mm19の範囲で、治療が必要な軟骨病変の直径は通常10 mm以上です。
豚モデルは、関節の大きさ、軟骨の厚さ、耐重要件が人間によく似ているため、軟骨および骨軟骨再生研究に利点を提供します18。ゲッティンゲン・ミニピッグのようなミニチュア豚の品種は扱いやすく、21歳の18〜22ヶ月の間に骨格成熟に達します。軟骨の厚さは1〜2mmの範囲で、6〜8mmの欠損は18mmまで作られます。骨の特徴、例えば小梁の厚さ、骨の接近速度、コラーゲン繊維の組織は、人間と同等です。しかし、豚モデルには限界もあります。ミニチュア品種でも膝関節(スティフル関節)が人間より小さいため、大きな実験的欠陥の発生が制限されています。さらに、多くの研究は維持費のため骨格が未成熟な動物を用いており、修復の可能性を過大評価する可能性がある23。
ヤギは関節の解剖学、生体力学、軟骨の厚さを人間と似た形で見ることができます専門的な設備を必要としず、扱いやすく、比較的安価です。ヤギ軟骨の厚さは0.8mmから2.0mmの範囲で、最も報告されている重大欠損の大きさは6mm26です。しかし、品種、サイズ、性別によって軟骨の厚さには大きなばらつきがあり、結果が一貫性に欠けることがあります軟骨と軟骨下骨の比率や小梁骨構造も人間と比較可能です28。骨格の成熟は比較的遅く、29歳の24か月から36か月の間に起こります。生体力学的観点から見ると、ヤギ膝は人間と同様に関節の圧力や周期的荷重を受けますが、歩行時の膝の屈曲はより大きく(ヤギは50°-70°、人間は<30°)、明確な接触領域30が生じます。この差と高いピーク圧が組み合わさり、軟骨修復の効率低下に寄与する可能性があります。
大型動物モデルの中で、犬はリハビリテーション、関節固定、トレッドミルウォーキング、水泳、制御された荷重負荷運動のトレーニングに耐えられる能力で際立っています18。関節軟骨の厚さは0.9mmから1.3mmの範囲で、臨界欠損の大きさは約4mmであり、ヒトモデルとの直接比較は制限されています。骨格成熟は31歳の8.5か月から13.7か月の間に起こります。解剖学的には、犬の膝は人間の膝とは異なり、生体力学、荷重パターン、成熟度の違いが結果の外挿を複雑にしています。これらの解剖学的差異や小さな欠損大きさにもかかわらず、犬モデルはリハビリテーションプロトコルや人間に似た自然軟骨病理の研究において依然として価値があります。しかし、その実験的使用は倫理的配慮により制限されています。
馬モデルは軟骨修復研究における最大の動物モデルであり、自然に加齢や外傷に伴う軟骨病変や変形性関節症を人間に似たものに発症します。馬は人間と同等の解剖学的および生体力学的特徴を示しており、例えば直立した膝関節、大きな関節サイズ、人間の軟骨に近い2〜3mmの軟骨厚、歩行中の膝の完全な伸展、骨密度も同等です。骨格の成熟は24か月から48か月の間に起こり、一般的に研究される欠損の大きさは6から20mmの範囲です。制限としては、走行時に馬の窒息関節にかかる高い垂直荷重があり、これによりインプラントが人間よりも大きな力にさらされ、長期的な治癒を妨げます35。さらに、取得および維持コストが高く、専門的な施設が必要となります。
羊は入手しやすさ、穏やかな性格、関節手術への耐性、取り扱いの容易さから、軟骨修復研究のモデルとして広く使われています。羊の骨格成熟は通常、25歳前後で2〜3歳に達します。さらに、卵の膝は人間の膝関節と解剖学的および生体力学的に類似性を示しています38。内側大腿骨の軟骨厚は0.7mmから1.7mmの範囲で、骨密度や接触圧力も比較可能ですが、39番羊の方が骨容積比が高いです。軟骨の厚さが減少するため、誘発性欠損はしばしば軟骨下骨にまで及ぶため、このモデルは骨軟骨欠損の研究により適しています32。直径6〜8mmの病変は、通常、大腿骨蓋頭や滑車32などの部位に形成されます。さらに、羊モデルは同一動物内で処理部位と対照部位を比較できるため、宿主関連の変動を減らし、一貫性と再現性を向上させ、必要な動物数を最小限に抑えるという二者間研究の利点を提供します。各モデルは人間の生理学や生体力学に異なる類似度を示します。したがって、モデル選択は生物学的関連性、実用的実現可能性、倫理的考慮のバランスを取るべきです。本研究では、季節性無乳期に評価された12か月齢の未産メスの羊を含めました。
本研究は、大型動物における急性骨軟骨欠損を発生させるための効果的なプロトコルを設計することを目指しました。プロトコルでは、再生医療研究に適したモデルを構築するために全層骨軟骨病変を作成することが目的です。さらに、GelMAハイドロゲルの応用は組織治癒のガイドとして、また再生分子や細胞の送達方法として検討されています。このプロトコルは、羊膝関節軟骨に骨軟骨病変を作るための外科的手順を概説しています。これは、再生医療の他の大型動物モデルにおける類似の損傷の誘導を含む、さまざまな組織工学的応用に適応可能です。
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この研究は研究倫理委員会から承認され、2023年6092250823号の倫理的発表証明書を授与されました。本研究では、12か月のホワイトサフォーク州の雌羊9頭が選ばれました。この欠損は各動物の両内側大腿骨蓋に生じました。空の欠陥が制御装置として使用されました。各動物は片方の膝をGelMA治療に無作為化し、もう一方を対照群として割り当てました。この戦略により、自然な再生能力を評価し、遺伝的要因や骨格の成熟度などの個々の変異の影響を軽減することができました。動物たちは6か月間追跡され、硝子軟骨形成の評価が行われました。
1. 麻酔手技
2. 生体内での外科的手技
3. 術後ケア
4. 組織学分析
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骨軟骨欠損誘導
本研究は、大型動物における急性骨軟骨欠損を誘発するための効率的なプロトコルの開発を目指しました。これらの損傷は手術中に機械的に生じ、直径約8mm、深さ約5mmの病変が形成されました(図1)。国際軟骨再生・関節保存学会のスコアを考慮すると、このタイプの損傷は軟骨損傷が軟骨下骨に到達するグレード4病変に分類されます。
適切なトレフィンのアライメントと正確な深さ制御は、モデルの再現性に不可欠なステップです。本研究では、すべての穿孔が0°(直角)で行われ、非対称軟骨および軟骨下骨の除去リスクを低減しました。大腿骨の最も遠位、解剖中心に合わせた部分を選択することで、異常部位の変動が減り、動物間の標準化が促進されます。さらに、トレフィンは周囲の深度マーキングを用い、穿孔時に到達する深度を正確に監視し、欠陥特性の一貫性を確保しました。
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軟骨治療における軟骨分化やECM成熟の不十分さを克服するためには、治療戦略の評価に非臨床研究が不可欠です。損傷軟骨組織の非臨床モデルの方法は、これまでに様々な技術を用いて報告されています。しかし、文献には大型動物の膝における急性骨軟骨損傷の誘発に関する詳細な報告や標準化された手順が不足しており、研究ごとに大きなばらつきが生じています。ここで提示するプロトコルは、大型動物の骨軟骨組織における局所損傷を再現可能かつ信頼性の高い方法で誘導する方法を説明しています。
革新的な治療を臨床実践に導入するためには、ブラジル保健規制庁(ANVISA)によると、先進治療薬品の開発に非臨床研究が不可欠です(番号506/2021)。これらの研究はGMP基準に従って実施され、安全性、生物分布、薬理動態学、薬力学、その他トランスレーショナルリサーチに重要なパラメータの評価に寄与しなければなりません45。損傷した関節軟骨の治療ツール開発を目的とした...
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著者には利益相反を主張するものはありません。
この研究はアラウカリア財団(助成金番号PDT2020221000005)の支援を受けました。カルロス・チャガス研究所および健康ツール技術開発プログラム(RPT-FIOCRUZ)の全スタッフの皆様、FIOCRUZ/PR、細胞技術のコア、パラナ教皇庁の実験農場の顕微鏡施設をご利用いただき、感謝いたします。著者らは、カルロス・シャガス・フィオクルス・パラナ州の「Programa de Estímulo à Pesquisa do Instituto Carlos Chagas – Fiocruz Paraná」からの財政支援を感謝しています。また、カルロス・シャガス研究所コミュニケーションオフィスのワグナー・ナギブ氏にも、視聴覚制作への貢献に感謝いたします。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 25 ポリカプロネ縫合糸、No.2-0 | エティコン | 軟部組織の一般的な閉鎖用の縫合糸は、関節包および皮下細胞組織の縫合に使用されました。 | |
| 抗体抗ββ-チューブリン | インビトロジェン | PA516863 | 細胞骨格の微小管を構成する2つのサブユニット(&α;/&β;)に対する抗体です |
| 麻酔装置 | HBホスピタル | 吸入麻酔装置 | |
| アクシオスキャンZ1 | ツァイス、ミュンヘン、ドイツ | 顕微鏡 | |
| ベンザチンペニシリンG | ウーロフィノ | 抗生物質 | |
| カテーテル18 G | ソリドール | 静脈内カテーテル | |
| セファレキシン | ビルバック | 抗菌療法 | |
| クロルヘキシジンジグルコン酸水溶液 | リオク&イアキュート;ミカ | 皮膚消毒に使われる消毒剤 | |
| カフ式気管内チューブ7.5–8.0mm | ソリドール | カフ式気管内チューブ | |
| ダピ | シグマ | D9542 | 蛍光染料 |
| ダルベッコ改良イーグル・ミディアム | ギブコ | 12100-046 | 細胞培養培地 |
| ジヒドロストレプトマイシン硫酸塩 | ウーロフィノ | 抗生物質 | |
| EDTAチューブ | ベクトン・ディキンソン | 362788 | 収集チューブ |
| イオシン | ネオン | 1795 | 細胞の形態を可視化するために使われる染料、染色など;細胞質。 |
| エチレンジアミネテトラアセティック酸 | シグマ | E5134 | 骨組織の徐々な脱灰を促進します |
| 胎児用牛血清 | ギブコ | 12657-029 | 増殖因子を用いた細胞培養の補助 |
| ホルマリン | シグマ・オルドリッチ | 47608 | 組織形態を保存する |
| GelMA凍干 | ティッシュラボ | GLMA-LYO-1 | フォトクロスリンク可能なハイドロゲル |
| ハリス・ヘマトキシリン | ラボルクリン | 620503 | 細胞の形態を観察し、核を染色するために使われる染料。 |
| イソフルラノ | クリスト&アキュート;リア | 麻酔維持 | |
| ケタミン 10% | ベニル | 安楽死の手続き | |
| 乳酸リンガー溶液 | フレゼニウス・カビ | 流体療法 | |
| L-グルタミン 200 mM | ギブコ | 25030-081 | 細胞培養のための必須アミノ酸 |
| 塩酸リドカイン | クリスト&アキュート;リア | 局所麻酔 | |
| ライブ/デッドの生存能力/シトトキシシティキット | インビトロジェン | L3224 | 細胞の生存可能性を評価する蛍光アッセイキット |
| メロキシカム | オウロ・フィーノ | 術後期間中の抗炎症および鎮痛 | |
| ミダゾラム塩酸塩 | クリスト&アキュート;リア | 麻酔前薬 | |
| モノニロン縫合糸、No.3-0 | エティコン | 皮膚閉鎖に用いられる縫合線 | |
| NaCl 0.9% | クリスタリア | 生理食塩水溶液 | |
| ニューロ局在化装置 | ニューロロカリザドール DL 250 デルタライフ | 局所麻酔は神経局在装置と末梢神経電気刺激装置によって誘導されます。 | |
| 整形外科ドリル | カニューレート式ミニ整形外科用ドリル(繊細) - クロームメッキマンドレル - マキタブランド | 整形外科手術に使われます。 | |
| 整形外科用ハンマー | エドロ | ハマー・ニューフィールド(10-3155) | 一般的な特徴:全長20cm、重量560gr;素材:高品質なステンレス鋼;使用:外傷科および整形外科で制御された衝撃を必要とする手術に適応。認証:製品はISO(国際標準化機構)13485:2016などの品質認証を取得しており、欧州の適合および適正製造基準も含まれています。 |
| ランボット・オステオトーム | エドロ | ランボット・オステオトーム(10-0749) | ランボット・オステオトーム(6 mm x 17 cm / 6 3/4インチ)は、主に整形外科手術や骨操作を伴う脳神経外科手術で使用される高精度外科器具です。 幅6mmの先端を持ち、繊細な切断、再成形、緻密な軟骨および軟骨下骨の除去に理想的です。 |
| ペニシリン・ストレプトマイシン | ギブコ | 15140-122 | 細胞培養で広く使われている広域スペクトル抗生物質 |
| ペチジン塩酸塩およびnbsp; | クリスト&アキュート;リア | 麻酔前薬 | |
| 塩化カリウム 19.1% | サムテック | 安楽死の手続き | |
| プロカインペニシリンG | ウーロフィノ | 抗生物質 | |
| プロポフォール | クリスト&アキュート;リア | 麻酔誘導と維持 | |
| リンガー乳酸 | クリスト&アキュート;リア | 流体療法 | |
| 半閉鎖型円呼吸システム | HBホスピタル | 麻酔のための呼吸回路 | |
| 滅菌クレープ包帯 | クレマー | 無菌のクレープ包帯で、手術を受ける四肢の遠位端を覆うために使われます。 | |
| スティムプレックスD、22ガロン×2インチ。(50mm)延長セット付き絶縁針、30&デグ;ベベル(STIMD2250/30) | ブラウン | 神経周麻酔 | |
| トラマドール塩酸塩 | クリスト&アキュート;リア | 術後鎮痛 | |
| トレフィンドリル | ボーントレフィンドリル、直径mmおよびndash;モデル:コントラアングル、ブランド:外科的WF | 骨収集トレフィンドリル 8.0mm;外科用鋼で生産されました。骨移植手術で使用されます。組織学的解析や自己移植のために骨ブロックを除去する役割を担います。 | |
| キシラジン 10% | ベニル | 安楽死の手続き |
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