여기에서는 쥐 교근에서 체적 근육 손실(VML) 손상을 외과적으로 생성하기 위한 프로토콜을 설명하며, 새로운 하이드로겔과 같은 생체 재료를 사용하여 두개안면 근육 손상 및 그 치료 연구를 위한 재현 가능하고 접근 가능한 모델을 제공합니다.
여기에서는 쥐 교근에서 체적 근육 손실(VML) 손상을 외과적으로 생성하기 위한 프로토콜을 설명하며, 새로운 하이드로겔과 같은 생체 재료를 사용하여 두개안면 근육 손상 및 그 치료 연구를 위한 재현 가능하고 접근 가능한 모델을 제공합니다.
두개안면 용적 근육 손실(VML) 손상은 심각한 외상, 외과적 절제, 염증 및 선천적 또는 기타 후천적 조건의 결과로 발생할 수 있습니다. 두개안면 VML의 치료에는 외과적 기능적 근육 이식이 포함됩니다. 그러나 이러한 절차는 정상적인 기능, 감각 또는 표현을 회복할 수 없으며 더 일반적으로 이러한 상태는 치료되지 않습니다. 두개안면 VML의 동물 모델에서 골격근 재생에 대한 연구는 거의 수행되지 않았습니다. 이 원고는 두개안면 VML 손상 연구를 위한 쥐 모델과 이러한 부상 치료에서 생체 재료의 조직학적 평가를 위한 프로토콜을 설명합니다. 액체 하이드로겔 및 동결 건조 골격은 외과적 VML 생성 시 적용되며, 교근은 잔류율이 높고 합병증이 무시할 수 있는 최대 12주까지 말기 시점에 절제됩니다. Hematoxylin 및 eosin(HE), Masson의 Trichrome 및 면역조직화학 분석은 골격근 재생, 생체 적합성 및 면역 조절의 매개변수를 평가하는 데 사용됩니다. 히알루론산 기반 하이드로겔에 대한 연구를 시연하는 동안, 이 모델은 VML 부상에서 물질의 후속 반복을 평가하기 위한 수단을 제공합니다.
심각한 외상, 외과적 절제, 염증 및 기타 후천적 상태는 내인성 골격근 복구 메커니즘을 압도하는 정도의 조직 손실을 초래할 수 있습니다. 1차 재생 과정을 촉진하는 상주 세포 및 구조의 손실은 병리학적 리모델링 및 조직 섬유화를 초래할 수 있으며, 이로 인해 장기적으로 기능과 감각의 결핍이 발생할 수 있으며 이를 용적 근육 손실(VML)이라고 합니다1,2,3. VML 손상에 대한 염증 반응은 대식세포, 사이토카인 및 근육 세포를 포함하는 잘 문서화되고 복잡한 메커니즘을 포함하며, 이는 재생 의학에서 많은 이론적 목표를 제시합니다4. 많은 시험관 내 연구가 사지 VML 치료의 동물 모델에서 이러한 표적을 활용했지만, 두개안면 VML 5,6,7의 동물 모델에서 골격근 재생에 대한 연구는 부족합니다.
두개안면 조직 손실은 앞서 설명한 상태로 인해 발생할 수 있으며, 두개안면 조직 결핍은 구순구개열과 같은 선천적 상태에서도 발생할 수 있으며, 이는 경우에 따라 근육 조직의 진정한 체적 결핍을 수반합니다 8,9. 두개안면 부위의 근육은 미적 외모뿐만 아니라 기능에 중요하기 때문에 VML의 장기적인 영향은 상당한 심리적 고통을 초래할 수 있습니다. 두개안면 골격근의 여러 측면은 유전자 발현, 배아 기원, 위성 세포 표현형, 위성 세포 수량, 섬유 구성 및 구조 10,11,12,13의 변이를 포함하여 사지에서 발견되는 소마이트 유래 골격근과 다릅니다. 이러한 변화는 소마이트 유래 근육과 다르게 두개안면근에 영향을 미치는 VML 손상을 초래할 수 있습니다14,15. 현재까지 사지 VML의 동물 모델에서 재생을 증가시키는 것으로 나타난 조직공학적 접근법은 두개안면 VML 동물 모델과 동등하게 변환되지 않았다16. 이는 동물 두개안면 VML 모델에 대한 생체 내 접근 방식을 최적화해야 할 필요성을 강조합니다.
두개안면 VML에 대한 여러 생체 내 연구가 수행되었지만, 연구는 소규모이며 동물 모델에서 강력한 두개안면 근육 결함을 생성하는 것은 어려운 일입니다 8,13. Kim 등은 마우스 교근 VML 모델의 개발을 보고했습니다. 그러나 이 연구는 손상 후 28일까지만 조직학을 평가했으며, 시점17 간의 조직학적 결과의 차이를 감지할 수 있는 능력이 불분명했다. Rodriguez 등은 양 두개안면 VML 모델의 개발을 보고했습니다. 그러나 그들은 실험군 내에서 높은 변동성을 보고했는데, 이는 초기 수술 부상의 중증도에 이질성이 있음을 시사한다16. 여기에서는 랫드 교근 VML 모델의 프로토콜을 보고하고 조직 공학 접근 방식을 평가하는 데 유용성을 입증합니다.
이 연구는 실험실 동물의 관리 및 사용을 위한 가이드에 설명된 권장 사항 준수를 포함하여 모든 해당 규정에 따라 수행되었습니다. UCSF 기관 동물 관리 및 사용 프로그램은 모든 동물 절차 및 수술 후 관리를 승인했습니다(IACUC 프로토콜 #AN195944-01).
1. VML 수술
2. Masseter 수확, 동결 및 분석
3. 면역조직화학 분석
생체 재료를 사용한 두개안면 VML 및 조직 재생 평가에 대한 결과에는 양적 및 질적 결과가 모두 포함됩니다.
그림 2 는 앞서 설명한 모델을 사용한 정성적 평가의 예를 보여줍니다. 당사의 하이드로겔 내에서 새로운 근육 섬유 성장에 대한 관찰은 질적으로 긍정적인 결과이며(그림 2A) 생체 재료가 충분한 구조적 지원과 성장 인자 또는 영양소 전달을 제공할 수 있음을 시사합니다. 상처 부위 내 하이드로겔의 잔류(그림 2B)는 HE 염색에서 볼 수 있습니다. HE(그림 2C) 및 Masson의 트리크롬(그림 2D)을 사용한 혈관 식별과 같은 생체 재료 내의 다른 조직에 대한 정성적 평가가 수행될 수 있습니다. 그림 2B에서 안면 신경의 하악 및 협측 분지가 이미지의 왼쪽 상단과 오른쪽 상단 모서리에서 볼 수 있으며, 이는 VML 손상 침대에 하이드로겔이 올바르게 배치되었는지 확인하고 방향을 제공합니다. 하이드로겔 위에 근막층이 보이는데, 이는 근막 봉합이 성공적이었고 수술 후 기간 동안 손상되지 않았음을 확인합니다. 이 단계에서 보이는 음성 결과에는 하이드로겔의 완전한 손실(그림 2E) 또는 근막 폐쇄 및 상처 바닥의 돌출 손실(그림 2F)이 포함되며, HE는 수술 후 경과 시간에 따라 상처 바닥 또는 섬유성 흉터의 증거를 보여줍니다.
면역조직화학 분석은 세포 수준에서 세포 유형과 분자 상호 작용을 식별하기 위해 두개안면 VML 치료를 위한 생체 재료를 평가하는 데 매우 중요합니다. VML은 골격근을 재생할 수 있는 상주 세포와 구조를 잃게 하기 때문에 손상 부위의 새로운 근육 재생은 치료4 및 VML에 대한 생체 재료 기반 요법의 효능 평가에서 중요한 결과입니다. 배아(MYH3) 및 신생아 미오신 (MYH8)을 포함한 미오신 발달 동형은 재생 골격근 섬유에서 재발현되며 섬유 재생을 위한 특정 마커를 제공합니다18,19. 그림 3은 면역조직화학을 사용하여 관심 세포 유형(이 경우 배아 미오신 중쇄)을 식별하는 방법의 예를 보여줍니다.
마지막으로, ImageJ는 면역조직화학 및 Masson의 삼색과 같은 특수 염색을 포함한 조직학 슬라이드의 특징을 정량화하여 섬유화 반응을 측정하는 데 사용할 수 있습니다(그림 4). VML 부상에서 근육의 일부를 제거하면 근육 구조와 구성이 변화하여 콜라겐 I 침착이 증가하고 총 구획 조직 섬유증이 발생합니다 2,3. VML에 대한 생체 재료 기반 치료를 평가하는 많은 연구는 중재 그룹과 대조군 간의 섬유화를 비교합니다4. 여기에 설명된 방법을 사용하여 VML 손상을 입은 동물의 상처 부위를 Masson의 삼색에서 섬유성 흉터로 식별할 수 있습니다(그림 4A). ImageJ를 통한 컬러 디콘볼루션은 결합 조직에 해당하는 청색 채널을 분리하고 정량화한 다음(그림 4B) 측정을 위해 회색조로 설정할 수 있습니다(그림 4C). 흉터 영역은 이미지 J(그림 4D)를 사용하여 분리 및 측정할 수 있으며 정확한 크기와 재현 가능한 영역을 위해 이미지의 눈금 막대로 보정할 수 있습니다. 이 접근법을 사용하여 결합 조직 침착을 측정할 수 있습니다(그림 4E).

그림 1: 단계를 보여주는 수술 설계도.(A,B) 외과적 교근 VML 손상. (C) 생체 재료 응용. (D) 마세터 수확. (E) 수확 후 근육 형태. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: HE 및 Masson의 트리크롬 염색.(A) 하이드로겔 근육 경계면의 HE 염색된 쥐 교교근 절편은 형태학적으로 골격근 섬유로 식별된 구조를 나타내는 화살표가 있습니다. (B) 하이드로겔 전체에 걸쳐 골격근 섬유가 풍부함을 보여주는 HE 염색 쥐 교근 절편. (C) HE 염색 및 (D) 형태학적으로 혈관으로 식별된 구조를 나타내는 화살표가 있는 Masson의 트리크롬 염색 조직. (E,F) 상처 부위가 아닌 교근의 표면적인 측면에 부착된 젤이 있는 하이드로겔의 완전한 손실과 근막 폐쇄의 상실을 동반한 하이드로겔의 불완전 소실을 보여주는 음성 결과가 각각 나타났습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 쥐 교근 단면의 배아 미오신 중쇄(eMHC) 및 라미닌에 대한 면역조직학적 염색. (A) 수술 후 2주. (B) 수술 후 12주. eMHC의 농도 증가는 2주 샘플에 비해 12주 샘플에서 관찰됩니다. 20배 배율로 캡처한 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 정량적 섬유증 분석. (A) 12주에 VML 손상 후 상처 섬유증의 대용물로서 결합 조직 침착의 정량화를 위한 Masson의 삼색 염색 쥐 교근 절편. (B) 이미지 J는 결합 조직에 해당하는 청색 채널을 디콘볼루션하는 데 사용되었습니다. (C) 분석을 위해 이미지가 회색조로 변환되었습니다. (D) 섬유성 흉터에 해당하는 영역을 분리하고, (E) 흰색(배경)과 검은색(결합 조직)에 해당하는 필드의 단면적과 백분율을 계산했습니다. 광학 현미경을 사용하여 10배 배율로 캡처한 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
프로토콜에는 최적의 결과를 얻기 위해 특별한 주의가 필요한 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 1.4단계는 표재성 교근막에서 피부의 초기 절개 및 둔탁한 분리를 설명합니다. 둔기 절제는 피부를 따라 직접 절단해야 하며, 가위로 밑에 있는 근육과 근막에서 멀어지는 곳을 가리켜 흠집이 나거나 의도치 않게 근막을 통해 창문이 생기는 것을 방지해야 합니다. 표재성 교근의 꼬리 측면은 턱밑 정맥 또는 외부 경동맥에 대한 의도하지 않은 손상을 방지하기 위해 피해야 합니다. 1.5단계와 1.6단계에서는 각각 근막 창과 VML 결함의 생성에 대해 설명합니다. 근막은 절개 부위에서 멀어지는 경향이 있고 너무 크게 절개하면 1.8단계에서 가장자리를 찾기 어려울 수 있으므로 근막 절개가 펀치 생검을 통과하기 위해 필요한 최소한의 크기인지 확인해야 합니다. 다시 말하지만, 근막 아래의 둔기 절개는 펀치 생검이 창 안에 들어갈 수 있을 만큼만 수행되어야 하며 하악골에 수직이 되도록 적절하게 각도를 이루어야 합니다. VML 손상을 일으킬 때 안면 신경의 하악 가지와 협측 가지 사이의 가장 큰 영역을 식별하는 것이 중요합니다. 원위 하악 신경은 상부 및 하부 부분으로 나뉘며, 상부 부문이 하부 부문에서 안면 신경의 협측 분지로 분기되는 위치에 변화가 있습니다. 이 분열이 우월하게 진행되기 때문에 일부 동물은 결손이 생성되어야 하는 교근의 복부에서 직접 하악 신경의 상부 분열을 가질 수 있습니다. 이러한 경우 말초 신경 손상으로 인해 데이터가 혼란스러워질 수 있으므로 동물을 분석에 사용해서는 안 됩니다. 펀치 생검을 만들 때 전체 5mm 깊이를 관통하기 위해 부드럽게 비틀어야 할 수 있습니다. 2.4단계는 과도한 수분을 제거하기 위해 세척한 후 조직 샘플을 블롯팅하는 방법을 설명합니다. 이것은 조직이 동결되는 동안 얼음 결정이 형성되는 것을 방지하고 조직학20에서 동결 인공물의 감소를 방지하기 위해 수행됩니다.
이 방법의 장점 중 하나는 표재성 교근에 대한 접근이 용이하고 수술 중에 발생할 수 있는 고위험 구조가 상대적으로 적다는 것입니다. 혈관 구조가 근육의 꼬리 끝으로 들어가기 때문에 대부분의 경우 심각한 출혈을 피할 수 있습니다. 이는 이환율의 위험을 감소시킬 뿐만 아니라 표준화를 증가시키고 허혈이 근육 재생에 교란 효과를 줄 가능성을 줄이기 때문에 중요합니다. 근막 인클로저를 사용할 수 있기 때문에 이 프로토콜은 액체 또는 고체 폼 팩터의 생체 재료를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜의 예로 무세포 하이드로겔이 사용되었지만, 이 방법은 사지 VML21에 대한 이전 연구에서 수행된 것처럼 면역결핍 쥐를 사용하여 인간 줄기 세포가 통합된 생체 물질을 테스트하기 위해 복제할 수 있습니다.
이 연구는 VML의 임계 크기 손상을 공식적으로 정의하지 않았으며, 내인성 복구 메커니즘이 더 이상 근육을 재생할 수 없는 정확한 지점은 불분명합니다. 이 정의가 근육 부피의 일정 비율을 제거하는 것을 포함할 수 있고 실제로 20%가 자주 인용되는 것은 당연하지만, 상충되는 증거가 있으며 데이터는 부상의 위치와 기하학, 동물의 나이를 포함한 다른 요인도 기여할 수 있음을 시사합니다 16,21,22,23. 그럼에도 불구하고, 손상 후 12주에 관찰된 섬유성 흉터와 근육 경계의 눈에 띄는 수축(그림 4A)은 병리학적 리모델링이 발생했음을 보여주며, 여기에 사용된 부상이 표준 정의와 관련하여 중요한 크기임을 강력하게 시사합니다.
인간의 두개안면근은 내인성 손 근육과 마찬가지로 근위사지근에 비해 작고 더 정확한 움직임을 수행하기 때문에 VML의 기능에 영향을 받기 쉽습니다. 이 프로토콜에서 교근은 테스트를 위한 적절한 부피와 접근의 용이성 때문에 선택되었습니다. 그러나 부상의 기하학적 구조와 위치는 VML을 평가하는 데 중요한 요소이며 이 모델을 사용하여 생성된 결론은 다른 두개안면 근육으로 직접 변환되지 않을 수 있습니다. 교근은 저작의 근육으로, 어린이의 얼굴 표정에 기여하지만24 성인이 되면 얼굴 표정에서의 역할은 감소합니다24. 주접합(zygomaticus)과 같은 안면의 다른 근육에 대한 손상은 교근에 비해 일생 동안 얼굴 표정에서 더 직접적인 역할을 하기 때문에 VML 이후 더 큰 심리적 고통을 초래할 수 있습니다2 5,26. 또한, 본 연구는 현장에서 필요한 영역인 생체 내 힘 생성에 대해서는 평가하지 않았다. 현재까지 치료 그룹을 비교할 수 있을 만큼 충분한 민감도를 가진 두개안면근육 기능 검사를 위한 재현 가능한 방법은 보고되지 않았으며, 이는 얼굴 내의 광범위한 보상 근육으로 인해 복잡합니다. 이 프로토콜의 향후 개발은 개별 안면 근육의 힘을 직접 측정하는 접근 방식을 도입하는 것을 목표로 합니다.
설치류 모델에서 교근 VML의 조직학적 분석의 대안적인 방법은 매우 제한적입니다. Kim 등은 생쥐에서 VML로 손상된 교근의 기능을 평가하기 위해 웨어러블 EMG 시스템을 만들었습니다. 그러나 말기 시점은 4주였고, 조직학 이미지에서 생체 물질의 시각화를 입증하지 못했고, 근막 폐쇄를 설명하지 않았으며, 주로 EMG 시스템의 검증과 생체 재료 기반 치료의 근육 재생 및 생체 적합성 분석에 중점을 두었습니다17. 두개안면 용적 근육 손실에 대한 새로운 치료법이 필요하며, 이 교근 VML 모델은 VML 손상에 대한 근육 반응을 평가하고 특히 손상 후 첫 3개월 동안 재생, 섬유증 및 구축에 대한 치료의 효과를 평가하기에 충분히 재현 가능합니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
이 연구는 UCSF Yearlong Research Fellowship Program 및 C-Doctor Interdisciplinary Translational Project Program의 지원을 받습니다. 캘리포니아 대학교 샌프란시스코(University of California San Francisco)의 포메란츠 연구소(Pomerantz Lab)와 두개안면 생물학 프로그램(Craniofacial Biology Program)의 회원들에게 감사의 뜻을 전합니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| F1.652 Myosin Heavy chain (embryonic) monoclonal 항체 | DSHB | F1.652 | |
| Goat anti-Mouse IgG2b Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-21242 | |
| Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsobed secondary 항체, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A-11034 | |
| Integra 표준 생검 펀치, 일회용 표준 생검 펀치; 5mm, 직경: 0.19인치, 0.5cm | Integra | 12460411 | |
| 장착 매체(DAPI 포함) - 수성, Fluoroshield | Abcam | ab104139 | |
| 토끼 안티 마우스 IgG H& L(Alexa Fluor 647) 사전 흡착된 | Abcam | ab150127 | |
| Sulfamethoxazole/Trimethoprim 구강 현탁액, 체리 맛, 473mL | Med-Vet International | SKU: RXBAC-SUSP |