Het plaatsen van implantaten in een rattenmodel is een essentiële experimentele procedure voor klinisch onderzoek. Deze studie presenteert een uitgebreid chirurgisch protocol voor het implanteren van titaniumimplantaten in het scheenbeen van rattenmodellen met diabetes en osteoporose.
Methodenartikel
Chirurgische botimplantatietechniek voor tibiamodellen bij ratten van diabetes en osteoporose
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
De rat heeft lang gediend als een waardevol diermodel in de implantaattandheelkunde en orthopedie, met name bij het bestuderen van de interacties tussen biomaterialen en botweefsel. Het scheenbeen van de rat wordt vaak gekozen vanwege de gemakkelijke chirurgische toegang door dunne weefsellagen (huid en spieren) en de afgeplatte vorm van het mediale gezicht, waardoor het chirurgisch inbrengen van intraossale apparaten wordt vergemakkelijkt. Bovendien maakt dit model de inductie van specifieke ziekten mogelijk, waarbij verschillende klinische aandoeningen worden nagebootst om biologische reacties op verschillende implantaataandoeningen zoals geometrie, oppervlaktetextuur of biologische signalen te beoordelen. Ondanks de robuuste corticale structuur kunnen bepaalde intraossale apparaten echter aanpassingen in ontwerp en grootte vereisen voor een succesvolle implantatie. Daarom is het vaststellen van gestandaardiseerde chirurgische methoden voor het manipuleren van zowel zachte als harde weefsels in het implantatiegebied essentieel voor het garanderen van een juiste plaatsing van implantaten of schroefapparaten, met name op gebieden als implantaattandheelkunde en orthopedie. Deze studie omvatte tachtig Sprague Dawley-ratten, verdeeld in twee groepen op basis van hun respectievelijke ziekten: groep 1 met osteoporose en groep 2 met diabetes type 2. Implantaties werden uitgevoerd na 4 weken en 12 weken, waarbij dezelfde chirurg een consistente chirurgische techniek volgde. Er werd een positieve biologische respons waargenomen, wat wijst op volledige osseointegratie van alle geplaatste implantaten. Deze resultaten bevestigen het succes van het chirurgische protocol, dat kan worden gerepliceerd voor andere onderzoeken en als benchmark kan dienen voor de biomaterialengemeenschap. Met name de osseointegratiewaarden bleven stabiel op zowel 4 weken als 12 weken voor beide ziektemodellen, wat een duurzame integratie van het implantaat in de loop van de tijd aantoont en de nadruk legt op het tot stand brengen van een intieme botverbinding al na 4 weken.
Inleiding
De algemene keuze van ratten als proefpersonen is te wijten aan het feit dat ze gemakkelijk te fokken zijn en relatief goedkoop in vergelijking met grotere diermodellen. De opkomst van nieuwe procedures, zoals de betrouwbare reproductie van een aandoening, bijvoorbeeld osteoporose of diabetes, maakt dit model bijzonder nuttig voor het analyseren van het mogelijke gebruik van behandelingen en/of de invloed van de ziekte op de biologische respons op geneesmiddelen en chirurgische hulpmiddelen of procedures 1,2.
De toename van de botmassa van de rat vindt meestal plaats tijdens de eerste 6 maanden van het leven, hoewel sommige onderzoekers geloven dat het lange bot gedurende ten minste een jaar constant groeit met een progressieve toename inlengte1. Bij veroudering is er een overgang van modellering naar remodellering, die niet in alle gevallen even gelijkmatig door de botten plaatsvindt2. Vrouwelijke Sprague Dawley-ratten groeien langzamer dan mannelijke ratten en bereiken een lagere piek in gewicht dan mannelijke ratten1. Continue botverlenging en gevarieerde botremodelleringsdynamiek bij ratten zijn factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij het aanpakken van gezondheidsproblemen bij de mens; Het is echter nog niet mogelijk geweest om experimenteel onderzoek te vinden dat ofwel levenslange botontwikkeling van ratten aantoont of het onvermogen van de soort om bot1 te hermodelleren. Als het experiment rond de leeftijd van 10 maanden begint, moet een marge van ten minste 1 mm vanaf de groeischijf van het scheenbeen intact worden gelaten vanwege deze longitudinale botgroei, een kwestie waarmee rekening moet worden gehouden in onderzoeken naar tandheelkundig implantaten2. Hormonen zijn ook een belangrijke parameter in botonderzoek, aangezien mannelijke ratten op de leeftijd van 8 maanden 22% meer botbreedte en 33% grotere breeksterkte bleken te hebben dan vrouwtjes in het scheenbeen.
De betrouwbare reproductie van een aandoening is dus erg belangrijk in de orthopedie en implantaattandheelkunde, aangezien osseointegratie van een orthopedische schroef of een tandheelkundig implantaat een complex proces is dat afhankelijk is van tal van factoren die van invloed zijn op de systemische respons op de implantatie van het apparaat in het bot. Van systemische aandoeningen zoals osteoporose en diabetes is bekend dat ze het slagingspercentage in de orthopedie en implantaattandheelkunde beïnvloeden, dus de betrouwbare reproductie van die aandoeningen in rattenmodellen kan worden toegepast om manieren te onderzoeken om deze beperkingen te overwinnen.
Het scheenbeen van de rat maakt het, vanwege de gemakkelijke chirurgische toegang, het matige botvolume en de platte vorm op de mediale plaat, geschikt voor chirurgische botimplantatie-experimenten 4,5, en het is gebruikt in tal van onderzoeken naar de effecten van het implantaatoppervlak op osseo-integratie 4,5,6. Een groeiend aantal studies beoordeelt de effecten op de osseo-integratie van coatings en stoffen die aan het implantaatoppervlak worden toegevoegd bij zowel gezonde dieren7 als bij gecompromitteerde dieren met diabetes of osteoporose 8,9,10,11,12,13,14.
Het aantal implantaten dat in het scheenbeen van een rat wordt geplaatst, is beperkt en kan verschillen afhankelijk van het type onderzoek. Afhankelijk van het aantal implantaten of de onderzoeksomstandigheden moeten de afmetingen van de apparaten worden aangepast om chirurgisch trauma tot een minimum te beperken. In onderzoeken met één implantaat kan een implantaat van bijna menselijke grootte worden geplaatst (2,0 mm in diameter en 4 tot 5 mm in lengte) en kan bicorticale verankering worden bereikt 6,7,15,16. De afmetingen van de implantaten in multi-implantaatprotocollen moeten een geschikte implantaatgrootte aannemen (1,5 mm in diameter en 2,5 mm in lengte)4,17.
De huidige studie heeft tot doel een gestandaardiseerd chirurgisch protocol te beschrijven voor het plaatsen van titanium implantaten op het scheenbeen van twee rattenmodellen: het osteoporose en het diabetes rattenmodel. Bovendien maakt deze studie het mogelijk om het chirurgische protocol te testen om verschillende soorten biofunctionalisatie van het implantaatoppervlak en het effect ervan op osseo-integratie te beoordelen.
Een steekproef van 80 ratten werd in twee groepen verdeeld. In groep 1 werden 40 Sprague Dawley-vrouwtjes met ovariëctomie en 5 schijndieren geselecteerd, met een gemiddeld gewicht van 484 g en een gemiddelde leeftijd van 12 weken. Op basis van aanbevelingen van de leverancier (zie Materiaaltabel) begon het experiment drie maanden na castratie. Deze wachttijd zorgde voor het verdwijnen van geslachtshormonen. Osteoporose werd bevestigd op het moment van de operatie op basis van micro-computertomografie (micro-CT) botanalyse, die een gemiddelde van 20% botverlies weerspiegelde in vergelijking met de schijngroep. Groep 2 bestond uit 40 BBDR (Bio Breeding Diabetes Resistant) genetisch gemodificeerde Sprague Dawley ratten met diabetes type II. Het gemiddelde gewicht was 730 g en de gemiddelde leeftijd was 12 weken. Voorafgaand aan de operatie werd de diabetische status bevestigd met drie opeenvolgende dagen van glucosemetingen met resultaten hoger dan 200 mg/dL. Glucose werd gemeten met een glucometer in 6 uur nuchter en een bloeddruppel werd verzameld door middel van staartpunctie.
Graad 3 titanium implantaten met een lengte van 2 mm en een diameter van 1,8 mm werden gebruikt. Alle implantaten werden gesteriliseerd in cleanroom-omstandigheden, door ultrasoon te worden gereinigd in cyclohexaan (3 keer gedurende 2 minuten), aceton (eenmaal gedurende 1 minuut), gedeïoniseerd water (3 keer gedurende 2 minuten), ethanol (3 keer gedurende 2 minuten) en aceton (3 keer gedurende 2 minuten) met behulp van een ultrasoon bad (230 VAC, 50/60 Hz, 360 W). Vervolgens werden de monsters gedroogd met stikstofgas en werd een stikstofbundel van 0,5 bar rechtstreeks op de monsters aangebracht. Voorafgaand aan de implantatie werden de implantaten eerst gedrenkt in gedeïoniseerd water en vervolgens gedurende 10 minuten ondergedompeld in 70% ethanol (v/v). Hierna werden de implantaten overgebracht naar steriele microcentrifugebuisjes en onder steriele omstandigheden bewaard tot de operatie.
Protocol
Alle experimentele procedures werden uitgevoerd in overeenstemming met de Richtlijnen van de Europese Gemeenschap voor de bescherming van dieren die voor wetenschappelijke doeleinden worden gebruikt (Richtlijn 2010/63/EU) zoals geïmplementeerd in de Spaanse wet (Koninklijk Besluit 53/2013) en de regelgeving van de Generalitat de Catalunya (Decreet 214/97). Ethische goedkeuring voor alle dierproeven en -behandeling werd verkregen van de Ethische Commissie voor Dierproeven van het Vall D'Hebron Institut de Recerca (registratienummer 72/18 CEEA). Voor het osteoporotische model werden vrouwelijke Sprague Dawley-ratten gebruikt met een gemiddeld gewicht van 484 g en een gemiddelde leeftijd van 12 weken. Wat het diabetische model betreft, werden genetisch gemodificeerde vrouwelijke BBDR-ratten (Bio Breeding Diabetes Resistant) met een gemiddeld gewicht van 730 g en een gemiddelde leeftijd van 12 weken gebruikt. Alle dieren waren afkomstig van een commerciële leverancier. De specifieke details van de dieren, reagentia en apparatuur die in het onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Anesthesie/farmacologie en voorbereiding van dieren
- Dien preoperatieve analgesie toe met buprenorfine in een dosis van 0,05 mg/kg en meloxicam in een dosis van 2 mg/kg via subcutane injecties 10-15 minuten voordat met de chirurgische ingreep wordt begonnen.
- Voer intrachirurgische anesthesie uit met geïnhaleerde isofluraan: start op 5% in frisse lucht tijdens de inductie en houd deze op 3%. Induceer anesthesie in een rattenkamer en houd de isofluraantoevoer op peil met een conische neusaanpassing tijdens de operatie.
2. Voorbereiding op de operatie
- Meet de lichaamstemperatuur van het verdoofde dier met een rectale sonde en gebruik een elektronisch geregeld verwarmingskussen voor thermische ondersteuning tijdens de chirurgische ingreep. Oogzalf moet vóór het begin van de operatie worden aangebracht om uitdroging van het hoornvlies te voorkomen.
OPMERKING: Indien nodig moet de zalf opnieuw worden aangebracht na het controleren van de droogheid van de ogen. - Trim het haar met een elektrisch scheerapparaat en breng ontharingscrème aan om eventuele achtergebleven vacht te verwijderen.
- Verkrijg een aseptisch chirurgisch veld door de kniehuid te reinigen in een patroon van jodium en 70% (v/v) ethanol met behulp van steriele wattenstaafjes, beginnend van binnenuit en naar buiten bewegend langs de incisielijn zonder te hertekenen. Voer minimaal drie opeenvolgende reinigingsrotaties uit (jodium-ethanol-jodium).
- Isoleer het operatieveld door een steriel chirurgisch laken met scharnier over het dier te plaatsen, waarbij de poot door de centrale opening bloot komt te liggen (Figuur 1).
3. Chirurgie
- Chirurgische blootstelling
- Maak een incisie van de huid over de volledige dikte van ongeveer 1 cm lang verticaal langs de proximale rand van het anteromediale vlak van het scheenbeen, in het metafysegebied om het bot bloot te leggen (figuur 2).
- Stabiliseer het been en trek de huid strak tegen het onderliggende bot tijdens het maken van de incisie, zodat een schone incisie op de juiste plaats blijft. Beheer door de verwachte lichtbloeding te reinigen met een kompres gedrenkt in een zoutoplossing (Figuur 2).
OPMERKING: De huid van de rat is dun en slap of los. Stabilisatie van de huid is cruciaal en vereist. - maak het weefsel volledig los van het bot met behulp van kleine periostale liften (Figuur 3).
- Leg het bot bloot tot de identificatie van de insertie van de tibialis cranialis-spier, de gracilis en de gastrocnemius laterale hoofdspier in de achterrand van het mediale aspect van het scheenbeen, als een vezelig wit weefsel dat stevig aan het bot kleeft (Figuur 3).
OPMERKING: Het is belangrijk om deze groep spierinserties te identificeren om het implantaat in een botgebied te kunnen plaatsen met vergelijkbare kenmerken en stimuli over het hele monster, ongeacht de grootte van de rat.
- Het proces van het boren
- Begin het boorproces op het juiste gebied tussen de proximale scheenbeenkam en de posterieure limiet van het mediale vlak van het scheenbeen, grenzend aan de insertie van de tibialis cranialis-spier, de gracilis en de gastrocnemius laterale hoofdspier, waarbij spierletsel wordt voorkomen.1
OPMERKING: De juiste locatie moet 5 mm ± 2 mm van het scheenbeenplateau zijn. - Boor met een maximum van 150 tpm (omwentelingen/min) onder irrigatie met zoutoplossing bij een temperatuur van bijna 20 °C met een chirurgische elektromotor met een 20:1 reductie tegenhoek.
OPMERKING: Er waren slechts twee oefeningen nodig. - Begin met een lansboor (Figuur 4) op een diepte van 2.4 mm onder irrigatie met zoutoplossing.
OPMERKING: Elke boor kon maximaal 10 keer worden gebruikt. - Gebruik als tweede boor (Figuur 4) een spiraalboor op een diepte van 2,4 mm met een diameter van 1,6 mm onder een zoutoplossing.
OPMERKING: Elke boor kon maximaal 10 keer worden gebruikt.
- Begin het boorproces op het juiste gebied tussen de proximale scheenbeenkam en de posterieure limiet van het mediale vlak van het scheenbeen, grenzend aan de insertie van de tibialis cranialis-spier, de gracilis en de gastrocnemius laterale hoofdspier, waarbij spierletsel wordt voorkomen.1
- Plaatsing van het implantaat
- Plaats het implantaat met een tussenstuk (Figuur 5) dat is bevestigd aan de 20:1 reductiehoek.
- Voordat u het implantaat plaatst, reinigt u het implantaat van eventuele resterende chemische sterilisatiemiddelen door het gedurende 10 s in de hoek te draaien met gelijktijdige zoutoplossing (Figuur 5).
- Plaats het titanium implantaat (2 mm in de lengte en 1,8 mm in diameter) met behulp van het tussenstuk bij 20 tpm terwijl u de real-time koppelwaarde bewaakt en het maximale inbrengkoppel registreert.
OPMERKING: Een aanvankelijke moeilijkheid bij het inbrengen van het implantaat wordt verwacht vanwege het verschil tussen de laatste boor en het implantaat, evenals het cilindrische profiel van het implantaat; Deze aanvankelijke moeilijkheid wordt echter snel genormaliseerd zodra het implantaat het initiële corticale bot binnendringt. - Voltooi het inbrengen van het implantaat voordat het volledig het corticale bot passeert waar het is ingebracht, dat wil zeggen het platte mediale vlak van het scheenbeen.
OPMERKING: Op het laatste moment van het inbrengen van het implantaat is het belangrijk om het implantaat iets buiten het corticale bot te laten of ter hoogte van het corticale bot waar het is ingebracht, d.w.z. het platte mediale vlak van het scheenbeen, om de primaire stabiliteit te garanderen (Figuur 6).
- Sluiting van de wond
- Hecht de grenzen van het spierweefsel met eenvoudige interne hechtingen met behulp van een 4/0 monofilament synthetisch resorbeerbaar hechtdraad (glyconaat) (Figuur 7).
- Voer huidsluiting uit met een intradermale hechting met behulp van een 4/0 monofilament synthetische resorbeerbare hechtdraad (glyconaat) (Figuur 7).
4. Micro-CT-scan
- Voer na voltooiing van de operatie en nog steeds onder algehele narcose een micro-CT-scan uit om de juiste plaatsing van het implantaat te bevestigen.
- Haal de rat uit het operatiebed en plaats deze op het scanbed. Lokaliseer het geopereerde been met behulp van de micro-CT live scanmodus en centreer het gezichtsveld op het implantaat.
OPMERKING: Aanbevolen acquisitieparameters zijn Gezichtsveld van 5 mm, ruimtelijke resolutie van 0,0001 mm3, 50 kV, 200 μA en acquisitietijd van 3 min. - Zodra de scan is verkregen, bevestigt u de juiste afstand tussen het proximale aspect van het implantaat en het oppervlak van het scheenbeenplateau, volgens stap 5.2.1.
OPMERKING: Deze waarde is nuttig voor de standaardisatie van de techniek (Figuur 8).
5. Postoperatieve zorg
- Breng de rat na beeldvorming terug naar zijn kooi en controleer deze tot volledig herstel.
OPMERKING: Dit duurt ongeveer 5-10 minuten, afhankelijk van het diermodel. Diabetische ratten zullen naar verwachting langer verdoofd blijven en een langere hersteltijd hebben vanwege de metabole veranderingen die gepaard gaan met diabetes. - Toedient buprenorfine (0,1 mg/kg) elke 6-8 uur en meloxicam (5 mg/kg) elke 24 uur, subcutaan, tot 72 uur.
- Tijd voor het verwijderen van hechtingen
- Onderzoek de operatiewond dagelijks op infectie, hechtingsintegriteit of andere problemen en verwijder indien nodig 15 dagen na de operatie de hechtingsresten.
6. Euthanasie
- Euthanaseer de dieren met behulp van een CO2 -kamer, volgens de richtlijnen van de National Institutes of Health (NIH), met een CO2 -vulsnelheid van 30%-70% van het kamervolume/min na de implantatietijd (4 weken of 12 weken).
7. Postoperatieve analyse
- Voor beide modellen (osteoporose en diabetes) wordt het scheenbeen verwijderd door disarticulatie na euthanasie voor verdere analyse.
OPMERKING: Wat de micro-CT-analyse betreft, maakten de gegevens het mogelijk om het contact tussen bot en implantaat (BIC) te berekenen. De CT-acquisitie werd uitgevoerd met behulp van de eerder beschreven parameters en de BIC-analyse werd uitgevoerd door het botgebied (mm2) te delen door het implantaatgebied (mm2) berekend in het corticale gebied, waarbij een protocol werd aangepast dat al in de literatuur is beschreven18. Representatieve afbeeldingen worden getoond voor elk model, osteoporose (figuur 9) en diabetes (figuur 10).
Resultaten
Chirurgische fase
Het is belangrijk om te vermelden dat beide diermodellen die in deze studie zijn gebruikt, bepaalde beperkingen vertonen als gevolg van de geïnduceerde ziekten. Deze beperkingen met betrekking tot de manipulatie van harde en zachte weefsels worden weerspiegeld tijdens de chirurgische ingreep.
In het diabetische model is de rat groter, waardoor het moeilijk is om de poten te stabiliseren tijdens chirurgische ingrepen. Dit verlengt de operatietijd en dus de anesthesietijd, die een langere hersteltijd vereist en daarom een grotere waakzaamheid vereist in de postoperatieve periode.
Wat het osteoporotische model betreft, waren de vereisten heel verschillend, omdat ze meer geconcentreerd waren op het moment van botmanipulatie. In dit geval is het mogelijk om tijdens de boorprocedure een grotere bloeding waar te nemen. Bovendien wordt het plaatsingsproces van het implantaat moeilijker. Er kunnen enkele complicaties optreden, zoals kleine scheurtjes in het bot, waardoor de progressie van het implantaat tijdens het binnenkomen verandert en het onstabieler wordt door het gebrek aan botweerstand op de zijwanden van het implantaat. Deze beperking vereist meer handmatige druk en stabilisatie tijdens het plaatsen, waardoor het moeilijker wordt om te controleren totdat de juiste positionering van het implantaat is bereikt.
Met betrekking tot het maximale inbrengmoment van het implantaat werden relatief verschillende waarden waargenomen voor de twee ziekten (tabel 1). Over het algemeen was het maximale gemiddelde inbrengkoppel dat werd waargenomen voor het osteoporotische model hoger dan voor het diabetische model. Met deze resultaten is het interessant om het effect te begrijpen dat diabetes heeft op de botdichtheid en botweerstand tegen het inbrengen van implantaten, aangezien deze aandoening een ernstiger effect lijkt te hebben op de mechanische eigenschappen van bot in vergelijking met osteoporose.
Postoperatieve analyse
De adequate plaatsing van de titaniumimplantaten na 4 weken en 12 weken implantatie werd geanalyseerd door middel van micro-CT-beeldvorming. Er worden representatieve beelden verstrekt voor zowel osteoporotische (figuur 9) als diabetische (figuur 10) ratten. Over het algemeen werden de implantaten correct geïmplanteerd via de corticale en trabeculaire scheenbeen, waarbij ze intiem en continu contact met het corticale deel vertoonden, en zonder tekenen van ontsteking of bijwerkingen, wat het succes van het chirurgische protocol voor beide pathologiemodellen bewijst.
Gezamenlijk maakte de analyse van de beelden het ook mogelijk om de verhouding tussen het botgebied (mm2) en het implantaatgebied (mm2), aangeduid als V(BIC), in het corticale gebied te berekenen, en de prestaties van de chirurgische ingreep in de loop van de tijd en binnen modellen te vergelijken. Zoals te zien is in figuur 11, bleven de V(BIC)-waarden constant voor het osteoporotische model na 4 weken en 12 weken, wat wijst op een stabiele integratie van het implantaat in de loop van de tijd en benadrukt dat een intieme verbinding met het bot al na 4 weken is verzekerd. Merk op dat zeer vergelijkbare waarden werden verkregen voor het diabetische model, wat de geschiktheid van het onderzoeksprotocol voor beide pathologiemodellen aantoont.
Figuur 1: Chirurgisch veld. Het operatieveld dat de juiste positie van de rat en de blootstelling van het in te grijpen gebied aangeeft, de aanpassing van de conische adapter aan de luchtwegen voor het behoud van de anesthesie tijdens de procedure, evenals de instrumenten die nodig zijn voor de ingreep. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Chirurgische incisie. Correcte stabilisatie van de poot van de rat en tegelijkertijd het fixeren van de dunne mobiele huid om een juiste incisie te verkrijgen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Botblootstelling en identificatie van spierinserties. Linkerkant: totale loslating van de weefsels met de daaruit voortvloeiende botblootstelling. Om schade aan de aanhechting van de tibialis cranialis-spier, de gracilis en de laterale hoofdspieren van gastrocnemius te behouden en te voorkomen, is het belangrijk om het vezelige witte weefsel dat stevig aan het bot vastzit correct te identificeren, zichtbaar in de figuur aan de rechterkant. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Boorvolgorde. Het verloop van het boorproces begint met de lans-pilootboor aan de linkerkant, gevolgd door de spiraalboor aan de rechterkant. Om een stabiele en veilige boorprocedure te garanderen, is het belangrijk om tijdens het boren zowel de been- als de weke delen te stabiliseren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Voorbereiding voor het inbrengen van het implantaat. Het implantaat wordt op een tussenstuk ingebracht om met een zoutoplossing aan het reinigingsproces te worden onderworpen, terwijl het implantaat met 20 tpm draait. Dit tussenstuk maakt het mogelijk om het implantaat met een elektronisch apparaat in het bot in te brengen. Dit apparaat zorgt voor controle van de inbrengsnelheid van het implantaat en registreert het real-time inbrengkoppel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Plaatsing van het titanium implantaat. Het plaatsen van het implantaat in het bot vereist dat het op het platte vlak van het mediale bot wordt geplaatst, weg van de proximale grens van het voorste-mediale vlak van het bot. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Sluiting van de wond. De stappen voor het sluiten van de wond worden in 2 verschillende vlakken waargenomen. Links: het eerste, diepere vlak wordt gemaakt met eenvoudige steken om de randen van het spierweefsel te benaderen. Rechts: het tweede, meer oppervlakkige vlak wordt uitgevoerd met een intradermale hechting om de huid te benaderen en tegelijkertijd te voorkomen dat de knoop zich in een externe positie bevindt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Micro-CT-scan van de plaatsing van het implantaat na een chirurgische ingreep. De figuur illustreert de positionering van de rat in de Micro-CT-scanner en de beelden van de implantaatpositie zijn verdeeld in drie secties, die overeenkomen met respectievelijk de x-, y- en z-weergaven. Het implantaat is gericht met een rode pijl in de verschillende aanzichten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Micro-CT scan van een implantaat geplaatst in het scheenbeen van een osteoporotische rat. Representatieve postoperatieve micro-CT-beelden van titaniumimplantaten geplaatst in de tibiae van osteoporotische ratten na (A) 4 weken en (B) 12 weken implantatie. Elke afbeelding is verdeeld in drie secties, die overeenkomen met respectievelijk de x-, y- en z-weergaven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Micro-CT-scan van een implantaat dat in het scheenbeen van een diabetische rat is geplaatst. Representatieve postoperatieve micro-CT-beelden van titaniumimplantaten geplaatst in de tibiae van osteoporotische ratten na (A) 4 weken en (B) 12 weken implantatie. Elke afbeelding is verdeeld in drie secties, die overeenkomen met respectievelijk de x-, y- en z-weergaven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Analyse van bot-implantaatcontact (BIC). V(BIC) -waarden berekend als botgebied (mm2) *100/ implantaatgebied (mm2) van micro-CT-beelden voor de osteoporotische (Osteo) en diabetische (Diab) modellen na 4 weken (4 w) en 12 weken (12 w) na implantatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Maximaal aanhaalmoment voor het inbrengen van het implantaat [N·cm] | ||
| Model | Rechterbeen | Linkerbeen |
| Osteoporose | 6,11 ± 0,96 | 6,49 ± 1,34 |
| Suikerziekte | 4,79 ± 1,70 | 4,90 ± 1,76 |
Tabel 1: Maximaal insteekkoppel. Verschillen in maximale koppelwaarden verkregen tijdens het inbrengen van het implantaat tussen diabetische ratten en osteoporotische ratten. Diabetische ratten hebben lagere maximale koppelwaarden dan osteoporotische ratten.
Discussie
Hoewel de rat een veelgebruikt model is voor het bestuderen van osseointegratie, is het belangrijk om een reproduceerbare chirurgische techniek te definiëren en te beschrijven voor het adequaat plaatsen van implantaten. Een dergelijke techniek zou als leidraad kunnen dienen voor de wetenschappelijke gemeenschap. Bovendien impliceert het feit dat bepaalde ziekten, zoals osteoporose en diabetes, het botmetabolisme veranderen, een sterkere vraag naar het correct ontwerpen van chirurgische ingrepen. De rat steekt gunstig af bij andere diermodellen, omdat het de belangrijkste kenmerken van zowel osteoporose (spontane en low-impact fracturen) als diabetes en door voeding veroorzaakte obesitas vertoont zonder dat er dure gespecialiseerde faciliteiten en lange, dure experimenten en postoperatieve controle en onderhoud nodig zijn. Het kleine formaat, de hoge vruchtbaarheid en de korte levensduur van de rat maken grootschalige, tijdbesparende experimenten mogelijk en voldoen tegelijkertijd aan de drie R-vereisten van dierproeven (vervanging, vermindering en verfijning)20.
Ondanks de aanzienlijke hoeveelheid wetenschappelijke literatuur op dit gebied, zijn er slechts enkele wetenschappelijke artikelen die gedetailleerde chirurgische technieken beschrijven. Toch laat de overgrote meerderheid cruciale chirurgische informatie weg, waardoor de mogelijkheid om de beschreven technieken te repliceren wordt voorkomen.
In dit chirurgische protocol moeten tijdens de chirurgische ingreep verschillende kritieke stappen worden overwogen, zoals de locatie van de incisie, de precieze locatie voor het boren en het plaatsen van het implantaat, de boortechniek, de exacte afmetingen van het implantaat en de uiteindelijke boor die wordt gebruikt voor het inbrengen van het implantaat.
In de literatuur is de exacte locatie van de incisie vaak onnauwkeurig, omdat er geen wetenschappelijke basis is voor de plaatsing ervan. De incisie moet in een ander gebied worden gemaakt dan waar het implantaat is geplaatst. Het is belangrijk om te voorkomen dat de incisie en de daaruit voortvloeiende hechting direct boven het geïmplanteerde gebied worden geplaatst om de integriteit van het periosteum dat boven het implantaat is losgemaakt te behouden. Een incisie en initiële loslating van de flap over de volledige dikte kan de bloedtoevoer verstoren en het periost beschadigen, wat mogelijk kan leiden tot een verstoring van de periostale celactiviteit tijdens de vorming van nieuw bot, zoals waargenomen in andere onderzoeken21. Deze benadering is gericht op het optimaliseren van de peri-implantaire botvorming en het minimaliseren van trauma, slechte genezing, fibrose of het risico van bacteriële kolonisatie in het hechtgebied. Bij deze methode wordt de incisie gedetailleerd gemaakt en gemaakt in de proximale scheenbeenkam, zodat deze zich niet direct boven de plaatsingsplaats van het implantaat bevindt.
Bij het bepalen van het gebied voor de plaatsing van het implantaat is het van cruciaal belang om te zorgen voor een uniforme botdichtheid over het hele monster. Meestal worden de metingen verwezen naar het scheenbeenplateau. Gezien de variatie in de lengtegrootte tussen ratten, is een anatomische referentie nodig om implantaten consequent in hetzelfde gebied te plaatsen. Bij deze methode dient het gebied grenzend aan de insertie van de tibialis cranialis, gracilis en gastrocnemius laterale hoofdspieren als een betrouwbare anatomische referentie. Dit gebied, gekenmerkt door spierinserties, zal naar verwachting in het hele monster een homogene botdichtheid vertonen.
Bij het bespreken van de boormethode is het van cruciaal belang om nauwkeurige details te verstrekken over het type/de afmetingen van de boor(s), de boorsnelheid (meestal gemeten in tpm) en de temperatuur van de zoutoplossing. Deze factoren zijn essentieel bij het voorkomen van een uitgebreid necrotisch gebied en de daaropvolgende vorming van fibreus weefsel22,23, zoals benadrukt in verschillende onderzoeken gericht op door boren geïnduceerde necrotische reacties. Sommige artikelen overschrijden deze biologische limietenechter 24 in hun boormethoden, terwijl andere deze cruciale informatie volledig weglaten 4,25,26,27,28. Deze studie benadrukt de nauwgezette voorzorgsmaatregelen die tijdens boorprocedures worden genomen om chirurgisch trauma en weefselnecrose te verminderen. We hebben gekozen voor een veiligheidsboorprocedure met een toerental van 150 tpm, een niveau dat ook zonder zoutoplossing als veilig wordt beschouwd in termen van bottemperatuur. Deze aanpak is effectief in termen van boorsnelheid en zorgt voor een goede boorcontrole tijdens de procedure29,30. Daarnaast hebben we de irrigatie en koeling met behulp van een zoutoplossing bij ongeveer 20 °C gehandhaafd om mogelijke thermische effecten verder te beperken.
Een ander relevant stuk informatie dat vaak wordt weggelaten, is de grootte van het gebruikte implantaat. Deze omissie maakt het onmogelijk om de relatie tussen de grootte van de uiteindelijke boor en de grootte van het implantaat te interpreteren. Deze discrepantie is cruciaal bij het beoordelen van de stabiliteit van het implantaat, wat bij een tekort kan leiden tot instabiliteit, terwijl het bij een teveel overmatige druk en een ischemisch-necrotische reactie kan veroorzaken.
Het is van cruciaal belang op te merken dat om primaire stabiliteit te bereiken, er een klein verschil in diameter moet zijn tussen de uiteindelijke boor en het implantaat, waarbij het implantaat iets groter in diameter is. Deze kritische chirurgische parameter voor het bereiken van primaire stabiliteit is niet altijd consistent in de literatuur, aangezien sommige methodologieën een laatste boor bevatten met een grotere diameter dan het geplaatste implantaat4. Aangezien dit gebied wordt gekenmerkt door spierinserties, wordt een homogene en robuuste botdichtheid verwacht in het hele monster. Deze eigenschap helpt de primaire beperking te vermijden die is gerapporteerd voor tibiale interventies bij ratten, namelijk de longitudinale groei van het scheenbeen in de loop van de tijd31. Bovendien maakt deze methode temperatuurregeling mogelijk, waardoor een van de oorzaken van complicaties en daaropvolgende morbiditeit wordt aangepakt23. Net als bij andere onderzoeken wordt deze studie echter ook geconfronteerd met een beperking met betrekking tot de noodzaak om het apparaat aan te passen vanwege variaties in scheenbeengrootte 4,17.
Een ander punt van zorg met betrekking tot het aantal gebruikte dieren is het belang van het selecteren van een geschikte steekproefomvang. Dit is cruciaal om de impact van onderzoeksresultaten te maximaliseren en tegelijkertijd het gebruik van dieren te minimaliseren. Een dergelijke strategie verbetert niet alleen de efficiëntie en betrouwbaarheid van studies, maar benadrukt ook de ethische overwegingen in wetenschappelijk onderzoek. Er moeten verdere inspanningen worden geleverd om deze efficiëntie te optimaliseren.
Samenvattend biedt de huidige methode een gedetailleerde beschrijving van alle chirurgische ingrepen en maakt het mogelijk om verschillende chirurgische uitdagingen bij beide ziekten te observeren. Bovendien onderscheidt dit protocol zich als een valide methode omdat alle monsters met direct contact met het bot stabiele V(BIC)-waarden bereikten. Het verschilt echter van de meeste experimentele studies in de literatuur door een gedetailleerde en gerechtvaardigde techniek te presenteren, waardoor een exacte reproductie mogelijk is. Bijgevolg kan het worden gebruikt om het effect van verschillende implantaatoppervlakken bij verschillende ziekten te bestuderen, waaronder ziekten die de botdichtheid beïnvloeden.
Openbaarmakingen
Hierbij verklaren wij dat er geen sprake is van belangenverstrengeling met betrekking tot dit wetenschappelijke artikel.
Dankbetuigingen
De auteurs danken het Spaanse Staatsonderzoeksbureau voor financiële steun via projecten PID2020-114019RBI00 en PID2021-125150OB-I00.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 22 G naalden+A2:C30 | Terumo | NN-2238R | |
| 4/0 monofilament synthetische resorbeerbare hechting | Braun ( MonoSyn) | ||
| 5 mL, 10 mL spuiten | Braun | 4617100V-02 4606051V | |
| Adson forceps | Antão Medical | Ref: A586 | |
| BBDR ( Biobreeding Diabetes Resistant ) Sprague Dawley Rat | Janvier Labs | ||
| Betadine | Mylan | ||
| Buprecare | Animalcare (UK) | ||
| Castroviejo Calliper 0-40 mm 15 cm gebogen | UL AMIN Industries | ||
| Castroviejo Naaldhouder | Antão Medical | Ref: AM1702 | |
| Gebogen en rechte schaar voor tandheelkundige chirurgie | Antão Medical | AMA603 / AMA600 | |
| Elektrisch scheerapparaat | Oster Pro 3000i | 34264482227 | |
| Extra fijn Graefe Forceps | F.S.T | Ref: 11150-10 | |
| Gaasjes | COVIDIEN | 441001 | |
| Glucometer | Menarini (Italië) | ||
| Helicoidal boor / OSTEO-PIN BOORUM Ø1.6 mm | soadco | Ref. OS-8001 | |
| Implantaten / SCREW OSTEO-PIN Ø1.8 x 2.0 mm | soadco | Ref. OS-3 | |
| Isoflo | Le Vet Pharma (Nederland) | ||
| Lance pilootboor / Lanceolate Boor (DS) | soadco | Ref. 10 02 01 T | |
| Latex handschoenen - Chirurgische handschoenen sterieel | Hartmann | Ref: 9426495 | |
| Lucas chirurgische curet | Antão Medical | Ref: AMA940-3 | |
| Metacam | Boehringer Ingelheim(Duitsland) | ||
| Micro forceps recht | nopa | Ref: AB 542/12 | |
| Micro-CT scan( Quantum Fx microCT ) | Perkin Elmer (VS) | ||
| Osteoporotische Sprague Dawley vrouwtjes Rat | Janvier Labs | ||
| Periostale elevator - Molt 2-4 | Antão Medical | Ref: A1564 | |
| Fysiologische oplossing voor irrigatie | Hygitech | Ref:10238 | |
| Scalpelmes Carbon Steel 15C | Razor Med | Ref: 02846 | |
| Steriele gaasjes | Alledental | Ref: 270712 | |
| Steriele irrigatiesysteem | Hygitech | Ref:HY1-110001D | |
| Steriele handdoeken (1 stuk per dier) | Dinarex | 4410 | |
| Chirurgische contra-hoek handpiece | W&H | Ref: WS-75 LED G | |
| Chirurgische contra-hoek handpiece | W&H | SN 08877 | |
| Chirurgische contra-hoek handpiece | W&H | SN 01309 | |
| Chirurgische elektrische motor | WH Implantmed Type: SI-1023 | Ref: 30288000 | |
| Chirurgische scalpelgreep | AsaDental | Ref: 0350-3 | |
| Doekklemmen | Xelpov chirurgisch | AF-773-11 | |
| Ultrasoon apparaat | J.P. Selecta, Abrera, Spanje |
Referenties
- Turner, R. T., et al. Animal models for osteoporosis. Rev Endocr Metab Disord. 2 (1), 117-127 (2001).
- Jee, W. S., Yao, W. Overview: Animal models of osteopenia and osteoporosis. J Musculoskelet Neuronal Interact. 1 (3), 193-207 (2001).
- Kim, B. T., et al. The structural and hormonal basis of sex differences in peak appendicular bone strength in rats. J Bone Miner Res. 18 (1), 150-155 (2003).
- Alenezi, A., Galli, S., Atefyekta, S., Andersson, M., Wennerberg, A. Osseointegration effects of local release of strontium ranelate from implant surfaces in rats. J Mater Sci Mater Med. 30 (10), 116(2019).
- Blanc-Sylvestre, N., Bouchard, P., Chaussain, C., Bardet, C. Pre-clinical models in implant dentistry: Past, present, future. Biomedicines. 9 (11), 1538(2021).
- Schliephake, H., et al. Functionalization of titanium implants using a modular system for binding and release of VEGF enhances bone-implant contact in a rodent model. J Clin Periodontol. 42 (3), 302-310 (2015).
- Mafra, C. E. S., et al. Effect of different doses of synthetic parathyroid hormone (1-34) on bone around implants: A preclinical rat model. Braz Dent J. 30 (1), 43-46 (2019).
- Rybaczek, T., Tangl, S., Dobsak, T., Gruber, R., Kuchler, U. The effect of parathyroid hormone on osseointegration in insulin-treated diabetic rats. Implant Dent. 24 (4), 392-396 (2015).
- Zou, G. K., et al. Effects of local delivery of bfgf from plga microspheres on osseointegration around implants in diabetic rats. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol. 114 (3), 284-289 (2012).
- Zhang, J., et al. Effect of nerve growth factor on osseointegration of titanium implants in type 2 diabetic rats. Int J Oral Maxillofac Implants. 31 (5), 1189-1194 (2016).
- Kuchler, U., et al. Intermittent parathyroid hormone fails to stimulate osseointegration in diabetic rats. Clin Oral Implants Res. 22 (5), 518-523 (2011).
- Hashiguchi, C., Kawamoto, S., Kasai, T., Nishi, Y., Nagaoka, E. Influence of an antidiabetic drug on biomechanical and histological parameters around implants in type 2 diabetic rats. Implant Dent. 23 (3), 264-269 (2014).
- Han, Y., et al. Sustained topical delivery of insulin from fibrin gel loaded with poly(lactic-co-glycolic acid) microspheres improves the biomechanical retention of titanium implants in type 1 diabetic rats. J Oral Maxillofac Surg. 70 (10), 2299-2308 (2012).
- De Molon, R. S., et al. Impact of diabetes mellitus and metabolic control on bone healing around osseointegrated implants: Removal torque and histomorphometric analysis in rats. Clin Oral Implants Res. 24 (7), 831-837 (2013).
- Simon, M. M., et al. A comparative phenotypic and genomic analysis of c57bl/6j and c57bl/6n mouse strains. Genome Biol. 14 (7), R82(2013).
- Cirano, F. R., et al. Effect of curcumin on bone tissue in the diabetic rat: Repair of peri-implant and critical-sized defects. Int J Oral Maxillofac Surg. 47 (11), 1495-1503 (2018).
- De Oliveira, M. A., et al. The effects of zoledronic acid and dexamethasone on osseointegration of endosseous implants: Histological and histomorphometrical evaluation in rats. Clin Oral Implants Res. 26 (4), e17-e21 (2015).
- Vandeweghe, S., Coelho, P. G., Vanhove, C., Wennerberg, A., Jimbo, R. Utilizing micro-computed tomography to evaluate bone structure surrounding dental implants: A comparison with histomorphometry. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 101 (7), 1259-1266 (2013).
- Kleinert, M., et al. Animal models of obesity and diabetes mellitus. Nat Rev Endocrinol. 14 (3), 140-162 (2018).
- Grimm, H., et al. Advancing the 3Rs: Innovation, implementation, ethics and society. Front Vet Sci. 10, 1185706(2023).
- Melcher, A. H. Role of the periosteum in repair of wounds of the parietal bone of the rat. Arch Oral Biol. 14 (9), 1101-1109 (1969).
- Barrak, I., et al. Heat generation during guided and freehand implant site preparation at drilling speeds of 1500 and 2000 rpm at different temperatures: An in vitro study. Oral Health Prev Dent. 17 (4), 309-316 (2019).
- Kniha, K., et al. Effect of thermal osteonecrosis around implants in the rat tibia: Numerical and histomorphometric results in context of implant removal. Sci Rep. 12 (1), 22227(2022).
- Da Silva, J. P., et al. Apoptosis in bone defect of diabetic rats treated with low intensity laser: Radiological and immunohistochemical approach. International Journal of Morphology. 35, 178-183 (2017).
- Zeller-Plumhoff, B., et al. Analysis of the bone ultrastructure around biodegradable Mg-χGd implants using small angle X-ray scattering and X-ray diffraction. Acta Biomater. 101, 637-645 (2020).
- Bruns, S., et al. On the material dependency of peri-implant morphology and stability in healing bone. Bioact Mater. 28, 155-166 (2023).
- De Morais, J. A., et al. Effect of diabetes mellitus and insulin therapy on bone density around osseointegrated dental implants: A digital subtraction radiography study in rats. Clin Oral Implants Res. 20 (8), 796-801 (2009).
- Aydemir Celep, N., Kara, H., Erbas, E., Dogan, E. Radioprotective role of amifostine on osteointegration of titanium implants in the tibia of rats. J Vet Sci. 24 (3), 35(2023).
- Delgado-Ruiz, R. A., et al. Slow drilling speeds for single-drill implant bed preparation. Experimental in vitro study. Clin Oral Investig. 22 (1), 349-359 (2018).
- Abdel Motagly, M., El Khadem, A., Abdel Rassoul, M. Assessment of low-speed drilling without irrigation, versus convencionaldrilling with irrigation regarding heat generation and peri-implant marginal bone loss (randomised clinical trial). Alex Dent J. 46 (2), 33-38 (2021).
- Lelovas, P. P., Xanthos, T. T., Thoma, S. E., Lyritis, G. P., Dontas, I. A. The laboratory rat as an animal model for osteoporosis research. Comp Med. 58 (5), 424-430 (2008).
Herprints en machtigingen
