1. Model przerwania rdzenia kręgowego u myszy
- Dorosłe samce myszy C57BL6 (o masie około 20-25 g) są znieczulane za pomocą kombinacji ketaminy (200 mg/kg) i ksylazyny (10 mg/kg). Wszystkie procedury chirurgiczne są przeprowadzane w instytucjonalnym bloku operacyjnym zatwierdzonym przez IACUC, w warunkach sterylnych.
- Po wprowadzeniu w stan głębokiej narkozy sierść na grzbiecie zostaje przycięta za pomocą strzyżarki elektrycznej. Ogoloną skórę grzbietu najpierw przemywa się roztworem jodu, a następnie 70% etanolem.
- Przed wykonaniem pierwszego cięcia miejsce nacięcia na grzbiecie zostaje poddane infiltracji znieczuleniem miejscowym (Marcaine) w stężeniu 0.25% (<1ml/kg) w celu zminimalizowania bólu pooperacyjnego.
- Za pomocą małych nożyczek wykonuje się niewielki otwór w skórze w okolicy kręgu L2. Otwór ten zostaje poszerzony tymi samymi nożyczkami w kierunku podłużnym, aż do obszaru T2. Brzegi skóry zostają następnie rozsunięte za pomocą kleszczyków typu bulldog.
- Następnie za pomocą mikronożyczek usuwa się tkankę mięśniową z grzbietowej blaszki łuku kręgowego na poziomie piersiowym 8 (T8). Poziom T8 można zidentyfikować zgodnie z opisem Kuh i Wrathalla (1998) 10. W skrócie: T13 można zidentyfikować po jego wyrostku kolczystym. Używając pęsety Dumont #5, można wyczuć/zidentyfikować ostatnie żebro i odliczyć kręgi wstecz do T8. Po odsłonięciu obszaru, za pomocą kleszczyków kostnych (rongeurów) wykonuje się laminektomię grzbietową na poziomie T8.
- Pełna przerwanie rdzenia kręgowego: Po odsłonięciu rdzenia kręgowego na poziomie T8, za pomocą dodatkowego zestawu sterylnych mikronożyczek wykonuje się przecięcie rdzenia w płaszczyźnie prostopadłej do jego osi długiej pod mikroskopem chirurgicznym. Używamy pęsety Dumont #5, aby delikatnie unieść jeden koniec rdzenia kręgowego w celu potwierdzenia całkowitego przerwania.
- Po przecięciu rdzenia, do jamy ubytku ostrożnie wkłada się mały kawałek sterylnej gąbki kolagenowej (gelfoam), nasączonej sterylną solą fizjologiczną (0.9%), aby wspomóc hemostazę.
- Następnie dodatkowy kawałek gąbki kolagenowej kładzie się na odsłoniętym rdzeniu kręgowym. Skórę zamyka się sterylnymi, stalowymi zszywkami chirurgicznymi. Zwierzęta są następnie przenoszone do swoich klatek, umieszczane na ręczniku papierowym, aby zapobiec aspiracji materiału ściółkowego, i ogrzewane podkładką grzewczą przez okres około 12 godzin. W fazie wczesnego wybudzania zwierzętom dostarcza się również żele nawadniające (ClearH2O) oraz pellety z pokarmem na dnie klatek. Po wybudzeniu z narkozy zwierzęta z urazami uzyskują dostęp do pokarmu i wody w swoich klatkach.
- Wszystkie zwierzęta z urazami poddawane są dwukrotnemu dziennie ręcznemu opróżnianiu pęcherza moczowego (w odstępach około 12 godzin) przy użyciu zmodyfikowanej metody manualnej Crede przez cały czas trwania badania (40 dni).
- Myszy z urazami otrzymują również dwa razy dziennie doodbrzuszne wstrzyknięcia 0.9% soli fizjologicznej przez trzy dni (0.5 cc) w celu utrzymania nawodnienia oraz dwukrotne dziennie wstrzyknięcia opioidu buprenorfiny (0.05 mg/kg) w celu kontrolowania bólu pooperacyjnego przez okres 5 dni. Jeśli zwierzęta wykazują oznaki bólu po początkowym 5-dniowym okresie, otrzymują dodatkową buprenorfinę (0.05 mg/kg) codziennie, aż do ustąpienia objawów bólowych (zmniejszona mobilność, przygarbiona postawa, brak pielęgnacji ciała, wokalizacja podczas manipulacji).
2. Podłużna ocena gęstości kości z użyciem systemu IVIS Lumina XR w tej samej kohorcie myszy po przecięciu rdzenia kręgowego
- Zaczynając od 10. dnia po SCI i kontynuując w 10-dniowych odstępach aż do 40. dnia, ocenialiśmy prawą i lewą kość udową oraz piszczelową u żywych, znieczulonych osobników (grupa SCI z przezcięciem rdzenia oraz niedziane kontrole dopasowane wiekowo).
- W dniu skanowania osobniki przeniesiono w ich klatkach z obszaru Vivarium Instytucji do pomieszczenia, w którym znajduje się urządzenie Caliper IVIS Lumina XR. Wszystkie osobniki zostaną następnie znieczulone przy użyciu tego samego koktajlu ketaminy/ksylazyny, który był wcześniej stosowany podczas indukowania SCI. Koktajl ten zapewnia stan znieczulenia przez okres od 1 do 1,5 godziny, co jest wystarczające na czas trwania procedury skanowania.
- Badacz uruchamia urządzenie Lumina XR i pozwala wewnętrznej kamerze osiągnąć temperaturę operacyjną (-90°C) (ok. 10 minut).
- Po znieczuleniu osobnik (z przezcięciem lub kontrolny) zostaje delikatnie umieszczony na platformie dla zwierząt w urządzeniu Lumina XR. Do urządzenia wstawia się obiektyw o dużym powiększeniu, aby umożliwić skupienie się na obszarach kości udowej i piszczelowej (pole widzenia 2,4X2,4cm z obiektywem o dużym powiększeniu). Jeśli osobnik jest niewłaściwie ustawiony poza polem widzenia, otwiera się drzwiczki i repozycjonuje osobnika, aż lewa lub prawa kończyna tylna znajdzie się w centrum (patrz Rysunek 2a w celu prawidłowego ustawienia kończyny tylnej).
- Po prawidłowym ustawieniu można uruchomić funkcję promieni rentgenowskich. Z listy rozwijanej Energy wybierz opcję odpowiednią dla Animal (żywy osobnik, 35 Kv 100uA, filtrowane promienie rentgenowskie).
- Gdy zwierzę znajduje się w odpowiedniej pozycji, należy aktywować funkcję rentgenowską, zaznaczając X-Ray w panelu sterowania. Należy Acquire (pozyskać) obraz rentgenowski. Upewnij się, że cała kość udowa i piszczelowa są widoczne (patrz Rysunek 2b). Surowe dane obrazowe są automatycznie zapisywane na dysku twardym. Zapisywane są również reprezentatywne pliki .TIFF. Następnie mysz zostaje zwrócona do swojej klatki i pozostawiona do wybudzenia pod obserwacją badacza. Proces ten powtarza się z kolejną myszą.
Uwaga: Oprogramowanie Living Image domyślnie wyświetla przetransformowane obrazy rentgenowskie. Aby wyświetlić surowe obrazy rentgenowskie, należy odznaczyć opcję X-Ray Absorption w narzędziach Corrections/Filtering. Po skorygowaniu danych rentgenowskich o absorpcję można ocenić względną gęstość kości, porównując intensywność sygnału w mierzonych ROI. Intensywność ROI wzrasta wraz ze wzrostem gęstości tkanki.
3. Analiza obrazów z prześwietleń rentgenowskich IVIS
- Uruchom oprogramowanie, klikając dwukrotnie ikonę Living Image.
- Wczytaj obraz rentgenowski, klikając w Przeglądaj przycisk. W wyświetlonym oknie dialogowym zaznacz odpowiedni folder i kliknij OKPrzeglądarka Living Image wyświetla wybrane dane wraz z identyfikatorem użytkownika, informacjami o etykiecie oraz konfiguracją kamery. Aby otworzyć dane, należy wykonać jedną z następujących czynności: dwukrotnie kliknąć wiersz danych lub kliknąć prawym przyciskiem myszy nazwę danych i wybrać Obciążenie w menu skrótów wybierz wiersz danych i kliknij Załadujlub dwukrotnie kliknij miniaturę. Obraz i paleta narzędzi zostaną wyświetlone. Otwarte dane są wyróżnione kolorem zielonym w przeglądarce.
- Kliknij w Narzędzia ROI w Palecie narzędzi. W Narzędzia ROIwybierz Obszar zainteresowania (ROI) pomiaru z rozwijanej listy Typ. Aby załadować 3 obszary ROI użyte w tym eksperymencie, kliknij Kwadrat ikona i załaduj 3 kwadraty.
- Za pomocą linijki zmierz długość kości udowej. Dostosuj długość dwóch kwadratów do wartości 1/8.th całkowitej długości kości udowej. Dostosuj szerokość tych dwóch kwadratów tak, aby stanowiły 1/24 całkowitej długości kości udowej. Za pomocą linijki odmierz 1/8th odległości od proksymalnego końca kości udowej i umieść kwadrat tak, aby znajdował się w centrum kości udowej. Umieść drugi kwadrat w odległości 1/4 całkowitej długości kości udowej od jej końca dystalnego (Ryc. 3). Te obszary zainteresowania (ROI) mogą być wykorzystane do pomiarów zarówno w proksymalnych, jak i dystalnych regionach kości udowej.
- Za pomocą linijki zmierz długość kości piszczelowej. Dostosuj długość trzeciego kwadratu do wartości 1/8.th całkowitej długości kości piszczelowej. Dostosuj szerokość do 1/30th całkowitej długości kości piszczelowej. Umieść kwadrat tak, aby był wycentrowany i znajdował się w odległości 1/8th całkowita długość kości piszczelowej mierzona od jej końca bliższego (patrz Ryc. 3).
- Kliknij w Pomiar ikona (ołówek i linijka). Pomiary intensywności ROI pojawiają się na obrazie RTG, a następnie wyświetla się tabela pomiarów ROI. Eksport tabelę w wybranym folderze jako plik .csv. Pozwoli to na otwarcie tabeli w programie Excel.
- Powtórz tę czynność dla wszystkich zapisanych obrazów.
- Zgrupuj wszystkie dane w jednym arkuszu programu Excel. Istotność statystyczną określono za pomocą testu t-Studenta z wykorzystaniem oprogramowania Microsoft Excel lub SigmaPlot 11.0 (Systat Software).
4. Analiza gęstości kości po śmierci:
- Po wykonaniu końcowego podłużnego skanu rentgenowskiego w systemie IVIS Lumina XR, myszy poddaje się głębokiej narkozie za pomocą Beuthanasia (75 mg pentobarbitalu/kg). Po osiągnięciu stanu głębokiej narkozy, myszy są perfundowane przezsercowo lodowatym roztworem soli fizjologicznej w buforze fosforanowym z heparyną (40 mg/litr) w celu upokrwienia.
- Po upokrwieniu wycina się obie kości udowe. Należy zachować szczególną staranność przy usuwaniu jak największej ilości tkanek miękkich, ponieważ wykazano, że wpływa to na pomiary gęstości 11. Kości udowe należy owinąć gazą nasączoną wodą i przechowywać w temperaturze -20C do momentu rozpoczęcia analizy.
5. Analiza DXA z użyciem densytometru kostnego Hologic QDR 4000
- Rozmrozić nasączone gazą kości udowe i przenieść je do zestawu densytometru kostnego.
- Zkalibrować urządzenie zgodnie z protokołem producenta; upewnić się, że wartości BMC i BMD mieszczą się w dopuszczalnych granicach.
- Zamontować w urządzeniu mosiężny kolimator. Pozwala on użytkownikowi ograniczyć rozmiar i kąt wiązki promieni rentgenowskich, aby skupić się na konkretnym celu.
- Zanurzyć rozmrożoną kość udową w czalce Petriego wypełnionej wodą (kłykcie skierowane w lewo, kość równolegle do podłoża) i umieścić ją bezpośrednio po prawej stronie lasera.
- Wpisać Biografię (tytuł opisowy zawierający informacje o identyfikacji zwierzęcia, zastosowanym leczeniu itp.) dla skanowanej kości udowej.
- Wybrać opcję Skanowanie z menu wyboru, a następnie zaznaczyć regionA hi-res. Określić parametry skanowania: obszar skanowania 2 x 0,7489 cala, odstępy między liniami 0,01 cala oraz rozdzielczość punktową 0,00499 cala.
Uwaga: Monitorować przebieg skanowania. Podczas gdy wiązka promieni rentgenowskich skanuje próbkę rastrowo, należy upewnić się, że w komorze znajduje się wystarczająca ilość wody, aby całkowicie przykryła próbkę kostną.
- Wybrać opcję Analiza w menu wyboru analizy. Postępować zgodnie z komunikatami, aby zaznaczyć całą kość udową jako ROI. Pojawi się strona raportu z obliczonymi wartościami BMC (gramy) oraz BMD (gms/cm2).
- Powtórzyć te kroki w celu analizy pozostałych kości udowych.
- Zestawić wszystkie dane w jednym arkuszu programu Excel i przeprowadzić analizę statystyczną (test t).
6. Reprezentatywne wyniki:
Względny ubytek gęstości kości piszczeli i kości udowej myszy po urazie rdzenia kręgowego w porównaniu z myszami naiwnymi jest wykrywalny przy użyciu powyższej metody. Już po 10 dniach stwierdza się istotny spadek gęstości kości (12%, p<0.0005), a w 40. dniu ubytek ten wynosi do 15% (p<0.0005, Rycina 4). Ubytek gęstości kości udowej zaobserwowano w 40. dniu po urazie (spadek o 7%, p<0.05, Rycina 5). Wyniki te stanowią dowód na przydatność nieinwazyjnego obrazowania rentgenowskiego do podłużnej obserwacji zmian gęstości kości po urazie rdzenia kręgowego.
Aby porównać skuteczność tej metody z obecnie dostępnymi rozwiązaniami, przeanalizowaliśmy wycięte kości udowe tych myszy 40 dni po urazie, wykorzystując obrazowanie DXA. Przykładowy wynik analizy danych przedstawiono na rysunku 6. Stwierdzono znaczną utratę zawartości mineralnej kości u myszy z SCI w porównaniu do grupy kontrolnej (spadek o 12%, p<0.05, rysunek 7). Gęstość mineralna kości nie zmieniła się znacząco, lecz wykazywała podobną tendencję (rysunek 8). Wyniki te są zbieżne z doniesieniami literaturowymi; Picard i wsp. zaobserwowali spadek BMC o 13,5% (p<0.001), ale brak istotnego spadku BMD (Picard 2008).

Rysunek 1. Harmonogram doświadczenia.

Rycina 2. Reprezentatywna orientacja lewej kończyny tylnej: a) fotografia i b) zdjęcie rentgenowskie.

Rysunek 3. Wymiary i orientacja ROI w obrębie obszarów bliższych części kości udowej i piszczeli.

Rycina 4. Utrata gęstości kości po SCI w bliższej części kości piszczelowej 10, 20, 30 i 40 dni po urazie (n=5) w porównaniu do dopasowanych wiekowo zwierząt naiwnych (n=5). Słupki błędu reprezentują SEM; **p<0.005, *** p<0.0005.

Rycina 5. Utrata gęstości kości po SCI w proksymalnej części kości udowej 10, 20, 30 i 40 dni po urazie (n=5) w porównaniu z grupą kontrolną zwierząt naiwnych w tym samym wieku (n=5). Słupki błędu reprezentują SEM; *p<0.05.

Rysunek 6. Utrata gęstości kości po SCI w dystalnej części kości udowej 10, 20, 30 i 40 dni po urazie (n=5) w porównaniu z dopasowanymi wiekowo kontrolami naiwnymi (n=5). Słupki błędów reprezentują SEM; *p<0.01-0.05; **p<0.001-0.01; ***p<0.0001-0.001; ****p<0.0001.

Rycina 7. Reprezentatywny obraz danych DXA przedstawiający wyniki BMC oraz BMD.

Rycina 8. Analiza DXA zawartości minerałów w kościach (gramy) w kościach udowych myszy z SCI 40 dni po urazie (n=5) w porównaniu z grupą kontrolną naiwną w tym samym wieku (n=5). Słupki błędów reprezentują SEM; *p<0.05.

Rysunek 9. Analiza DXA gęstości mineralnej kości (mg/cm2) w kościach udowych myszy po SCI 40 dni po urazie (n=5) w porównaniu z grupą naiwną w tym samym wieku (n=5). Słupki błędów reprezentują SEM; brak istotnych różnic.