쥐 골수 손상 모델은 막내 골화를 통한 출생 후 골형성을 연구하는 데 유용한 도구입니다. 이 단순화된 수술 프로토콜은 새로운 뼈 형성 및 손상 후 세포 반응의 다운스트림 평가를 위한 골수 절제 절차를 설명합니다.
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쥐 골수 손상 모델은 막내 골화를 통한 출생 후 골형성을 연구하는 데 유용한 도구입니다. 이 단순화된 수술 프로토콜은 새로운 뼈 형성 및 손상 후 세포 반응의 다운스트림 평가를 위한 골수 절제 절차를 설명합니다.
긴 뼈 손상은 연근 연골 또는 막내 뼈 형성 경로를 통해 치유됩니다. 연골 주형이 필요한 내연골 경로와 달리, 막내 골화 과정은 골격 줄기 및 전구 세포(SSPC)가 뼈를 형성하는 조골세포로 직접 전환되는 것을 포함합니다. 실험용 마우스에서 이 과정을 모델링하는 수술 방법은 제한적입니다. 여기에서는 생쥐의 골수 손상 모델을 개선하여 막내 골화를 통한 뼈 복구 연구를 용이하게 하고 골형성의 출생 후 조절자를 평가했습니다. 이 방법은 재현성이 높고 사용자 친화적이며, 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(μCT) 및 동결 절편 조직학을 사용하여 단기간(손상 후 3-7일)에 새로운 뼈 형성을 시간적으로 평가할 수 있습니다. 또한, SSPC와 성숙한 조골세포의 기여도는 형광 리포터 마우스와 이 막내 골수 손상 모델의 조합을 사용하여 쉽게 평가할 수 있습니다. 임상적 맥락에서 막내 뼈 형성은 임계 크기 결함, 안정화된 골절, 피질 결함, 종양 절제술로 인한 외상 및 관절 치환술을 치유하는 것과 관련이 있습니다.
긴 뼈 손상은 내연골 또는 막내 뼈 형성 경로를 통해 치유됩니다. 연골 전구체 단계를 필요로 하는 내연골 경로와 달리, 막내 골화를 통한 뼈 복구는 골격 줄기 및 전구 세포(SSPCS)를 뼈 형성 조골세포로 직접 전환하는 것을 포함합니다1. 임상적으로 이 과정은 임계 크기 결함, 안정화된 골절, 피질 결함, 산만함 골형성, 종양 절제로 인한 외상, 관절 치환 임플란트의 골유착 등 다양한 상황에서 뼈 치유와 관련이 있습니다 2,3. 흥미롭게도, 긴 뼈 골절 환자를 대상으로 한 연구에서 66%-82%는 뼈를 안정시키기 위해 고정 장치가 필요한 전위 골절이 있었습니다 4,5. 이렇게 단단하게 안정된 뼈는 주로 부러진 뼈 끝이 서로 직접 접촉하기 때문에 막내 골화를 통해 치유됩니다 6,7. 그러나 막내 뼈 재생의 기계론적 조절은 내연골 경로를 통한 뼈 형성에 비해 상대적으로 연구가 부족합니다. 미국 식품의약국(FDA)이 승인한 뼈 치유 증진 요법은 제한적인 임상적 효능과 높은 비용으로 인해 어려움을 겪고 있으며 심각한 부작용과 관련이 있다8.
기계적 골수 절제술은 막내 뼈 형성을 연구하기 위한 귀중한 모델을 제공합니다. 이 간단한 손상 모델을 사용하면 피질 뼈를 파괴하지 않고 골수에서 뼈 재생을 연구할 수 있습니다. BM 절제 후 치유 과정에는 뚜렷하지만 중복되는 단계가 포함됩니다. 초기 단계는 처음 1-5일 동안 발생하며 혈전 형성 및 염증을 수반하며, 이때 염증성 세포와 사이토카인이 치유를 시작합니다. 3일차부터 14일차까지 두 번째 단계는 신생혈관화, 중간엽 줄기세포(MSC) 이동 및 증식, 조골세포 분화, 직조된 뼈 형성을 포함한 재생이 특징입니다. 최종 리모델링 단계는 수술 후 약 10일 후에 시작되며, 골수가 완전히 회복될 때까지 뼈 조직이 성숙 및 재구성을 거칩니다 569. 이러한 빠른 치유 타임라인으로 인해 BM 절제 모델은 특히 염증, 전구 세포 모집 및 조골세포 분화의 중요한 기간 동안 조기 뼈 복구 반응을 연구하는 데 이상적입니다. 조직학, 유세포 분석 및 정량적 μCT 분석과 같은 기술을 사용하여 초기 복구 단계에서 세포 반응 및 뼈 형성을 평가할 수 있습니다. 앞서 언급한 기술을 사용하여 BM 절제 모델은 막내 뼈 재생 메커니즘에 대한 통찰력을 제공하고 뼈 치유를 향상시키기 위한 주요 치료 대상을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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다음 절차는 코네티컷 대학교 보건 센터 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)의 승인을 받아 수행되었습니다. 모든 수술은 미국 국립보건원(NIH) 지침에 명시된 멸균 상태에서 수행되었습니다. 통증과 감염 위험은 성공적인 결과를 보장하기 위해 적절한 진통제와 소독제로 관리되었습니다.
1. 수술 부위 및 기구의 준비
2. 수술 전 마취
3. 수술 절차 설명
참고: 이 수술 절차는 10주에서 24주 사이의 C57BL/6 수컷 및 암컷 마우스를 사용합니다. 이 절차는 생후 6주에서 최대 33주까지의 생쥐와 다른 사람들에 의해 나타난 바와 같이 다양한 근친 균주에 대해 수행할 수 있습니다 10,11. 어린 마우스는 더 짧은 바늘 길이가 필요할 수 있지만 나이가 많거나 큰 마우스는 더 긴 바늘이 필요할 수 있습니다.
4. 수술 후 관리
5. μCT 스캐닝 및 분석을 위한 뼈 가공
6. 동결 절편 및 조직학을 위한 뼈 가공
참고: 뼈는 μCT 스캔을 받은 후 동결 절편 및 조직학을 위해 처리할 수 있습니다. 스캔은 형광 표지 또는 후속 항체 염색에 영향을 미치지 않습니다.
7. 유세포 분석 처리
참고: 이 프로토콜은 다양한 항체와 호환됩니다. 골격 줄기 세포와 전구 세포를 특성화하기 위해서는 골수에서 희귀한 세포 집단인 3-4개의 뼈를 함께 모으는 것이 좋습니다.
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기계적 골수(BM) 절제 절차의 성공 여부는 X선 영상으로 검증되었으며, 26G 바늘을 수질강에 삽입했습니다(그림 2A). X-ray 영상에서 바늘이 부적절한 각도로 삽입되었거나 뼈를 관통하는 것으로 나타났을 때, 정확한 배치를 확인하기 위해 바늘을 적절한 각도로 다시 삽입하고 다시 이미징했습니다. 성공적인 위치를 얻을 수 없을 때, 그 동물은 분석에서 제외되었다. 방사선 촬영 2차원(2D) 영상은 바늘이 BM 캐비티 내에 삽입되었음을 확인할 수 있지만 정확한 바늘 경로를 확인하려면 3차원(3D) 이미징이 필요합니다. 손상 범위와 위치는 대퇴골의 정성적 μCT 분석을 통해 조직 적출 시 추가로 평가되었습니다(그림 2B). 부상 후 7일째 되는 날, 섬유주 뼈의 빠르고 강력한 재생이 이루어졌는데, 이는 뼈 부피 분율이 7배 증가하고 섬유주 수가 두 배로 증가했으며(그림 2C-E
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목표는 골수 공간/공동에서 골수 줄기 및 전구 세포(SSPC)를 뼈 침착 조골세포로 직접 전환하는 데 중점을 두고 뼈 복구를 제어하는 분자 및 세포 과정을 연구하기 위한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 방법을 확립하는 것이었습니다. 여기에 설명된 기계적 골수 절제법은 기계적 손상에 의한 골수 절제에 최적화되고 검증된 프로토콜로, 막내 뼈 형성을 조사할 수 있습니다. 이 프로토콜의 몇 가지 단계는 부상 후 견고한 뼈 형성 및 기술의 재현성을 보장하는 데 중요합니다. 첫 번째는 대퇴골 수질강에 바늘을 정확하게 삽입하는 것입니다. 이 단계에서 정렬 불량은 불완전한 골수 손상 및 주변 조직의 손상으로 이어져 결과에 변동성을 초래할 수 있습니다. 적절한 바늘 배치를 보장하려면 X선 이미징을 활용하여 골수 구멍을 넓히기 전에 바늘 위치를 시각화해야 합니다. 또 다른 중요한 단계는 골수강을 식염수로 씻어내어 BM 잔여물을 제거하고 골수를 풀어 새로운 뼈가 형성될 수 있는 공간을 만드는...
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자금은 NIH/NIDCR R01-DE030716-01 및 NIH/NIAMS R01-DE030716-01S1에서 AS, NIH/NIMS R01AR080131에서 RG로, UConn REP Convergence Grant에서 RG 및 AS로 제공되었습니다.
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