RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Nicole Brazda*1, Veronica Estrada*1, Christian Voss2,3, Klaus Seide3, Hoc Khiem Trieu2, Hans Werner Müller1
1Molecular Neurobiology Laboratory, Department of Neurology,Heinrich-Heine-University Medical Center, 2Institute of Microsystems Technology,Hamburg University of Technology, 3Biomechanical Laboratory,BG Trauma Center Hamburg
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Poważne urazy rdzenia kręgowego często skutkują wadami tkanek. Opisano dwie możliwości skutecznego wypełnienia takich luk w celu promowania adaptacji tkanek, reakcji regeneracyjnych i poprawy funkcjonalnej u szczurów poprzez wszczepienie mechanicznego systemu mikrołączników po ostrym urazie i pięć tygodni po całkowitym przecięciu rdzenia kręgowego.
Po urazie rdzenia kręgowego (SCI) w rdzeniu uszkodzenia tworzy się blizna, która utrudnia regenerację aksonów. Wypełnienie miejsca urazu po uszkodzeniu rdzenia kręgowego, resekcjach guza lub ubytkach tkanek wynikających z urazów może pomóc w ułatwieniu ogólnej naprawy tkanek, a także regeneracyjnego wzrostu włókien nerwowych do i poza dotkniętym obszarem. Przedstawiono dwie eksperymentalne strategie leczenia: (1) wszczepienie nowatorskiego urządzenia z mikrołącznikiem do rdzenia kręgowego szczura z ostrym i całkowicie przeciętym odcinkiem klatki piersiowej w celu readaptacji przerwanych kikutów tkanki rdzenia kręgowego oraz (2) wypełnienie glikolem polietylenowym miejsca SCI u szczurów z przewlekłymi zmianami po resekcji blizny. Przewlekła zmiana rdzenia kręgowego w tym modelu to całkowite przecięcie rdzenia kręgowego, które zostało wykonane 5 tygodni przed leczeniem. Obie metody przyniosły ostatnio bardzo obiecujące wyniki i przyczyniły się do odrastania aksonów, korzystnej inwazji komórkowej i poprawy funkcjonalnej w modelach uszkodzenia rdzenia kręgowego u gryzoni.
Mechaniczny system mikrozłączy (mMS) to wielokanałowy system składający się z polimetakrylanu metylu (PMMA) z systemem rurek wylotowych do wywierania podciśnienia na światło mMS, wciągając w ten sposób kikuty rdzenia kręgowego do otworów o strukturze plastra miodu. Po zagnieżdżeniu się w szczelinie tkankowej o średnicy 1 mm tkanka jest zasysana do urządzenia. Ponadto wewnętrzne ścianki mMS są mikrostrukturalne dla lepszej przyczepności tkanek.
W przypadku przewlekłego uszkodzenia rdzenia kręgowego, tkanka rdzenia kręgowego - w tym obszar zmiany wypełnionej blizną - jest wycinana na obszarze o długości 4 mm. Po mikrochirurgicznej resekcji blizny powstały ubytek wypełnia się glikolem polietylenowym (PEG 600), który okazał się stanowić doskonałe podłoże do inwazji komórkowej, rewaskularyzacji, regeneracji aksonów, a nawet kompaktowej remielinizacji in vivo.
Urazowe uszkodzenie rdzenia kręgowego nie tylko prowadzi do utraty aksonów, ale także do wad tkanek, które utrudniają jakiekolwiek reakcje regeneracyjne (zobacz 1,2). Tkanka rdzenia kręgowego jest często tracona w wyniku wtórnego zwyrodnienia, co prowadzi do powstawania torbieli lub w obszarze zmiany i wokół niej. Większość eksperymentalnych interwencji terapeutycznych koncentruje się na niekompletnych uszkodzeniach rdzenia kręgowego, takich jak częściowe przecięcie, zmiażdżenie lub stłuczenie z pozostałą krawędzią zdrowej tkanki. W przypadku całkowitych urazów, takich jak całkowite przecięcia w wyniku urazów lub interwencji chirurgicznych, takich jak resekcja guza, dostępne są obecnie tylko bardzo ograniczone możliwości leczenia3,4. Po całkowitym przecięciu mechaniczne napięcie tkanki powoduje retrakcję kikuta kręgowego, pozostawiając niewielką szczelinę w rdzeniu kręgowym. Większość strategii koncentruje się na wypełnieniu tej luki tkankami, komórkami lub matrycami5,6.
Tutaj prezentowana jest inna strategia, a mianowicie readaptacja oddzielonych pni za pomocą nowatorskiego urządzenia z mikrozłączem7. Aby ponownie przystosować dwa pniaki, należy przyłożyć siłę mechaniczną w postaci lekkiego podciśnienia, aby to osiągnąć (rysunek 1). Mechaniczny system mikrozłączy (mMS) to wielokanałowy system z polimetakrylanu metylu (PMMA) z otworami w kształcie plastra miodu (rysunek 1A) i wyposażony w system rurek wylotowych. Wszczepia się go w szczelinę tkankową powstałą w wyniku całkowitego przecięcia rdzenia kręgowego u szczura (ryc. 1C). Jedną rurkę można podłączyć do pompy próżniowej, aby wytworzyć podciśnienie w mMS (rysunek 1D). Ciśnienie wciąga odłączone kikuty rdzenia kręgowego do otworów w kształcie plastra miodu w mMS, które mają mikrostrukturalne ścianki, które utrzymują tkankę na miejscu po zwolnieniu ciśnienia (ryc. 1B). Rurkę można pozostawić nienaruszoną po operacji i podłączyć do minipompy osmotycznej w celu wprowadzenia substancji do rdzenia zmiany chorobowej (ryc. 1E-F).
Oprócz ostrego przecięcia rdzenia kręgowego, inny rodzaj całkowitej zmiany wynika z chirurgicznego usunięcia guza kręgosłupa lub solidnej blizny po przewlekłej zmianie, co prowadzi do dużych luk tkankowych o długości kilku milimetrów, które jak dotąd nie mogą być pokonane przez mMS. Większość pacjentów z urazami rdzenia kręgowego cierpi z powodu przewlekłych urazów. U tych pacjentów w pełni rozwinięta blizna zajmuje rdzeń zmiany. Chirurgiczne usunięcie blizny po zmianie chorobowej jest koncepcją leczenia, która jest obecnie badana po eksperymentalnym SCI8,9. Podczas gdy sam zabieg resekcji może być wykonany bez powodowania znacznych dodatkowych uszkodzeń, powstała luka tkankowa musi zostać zmostkowana za pomocą odpowiedniej matrycy, która umożliwia i wspomaga regenerację tkanki oraz, w szczególnym przypadku urazów rdzenia kręgowego, regenerację włókien nerwowych w celu utrzymania i promowania funkcji lokomotorycznych. Stwierdzono, że niskocząsteczkowy glikol polietylenowy (PEG 600) jest bardzo odpowiednim materiałem do tego celu. Jego brak immunogenności i bardzo niska lepkość pozwalają na płynną integrację z otaczającą tkanką. Wprowadzenie samego biopolimeru sprzyja inwazji korzystnych komórek, w tym komórek śródbłonka, obwodowych komórek Schwanna i astrocytów oraz - co bardzo ważne - regeneracji i wydłużeniu aksonów zstępujących i wstępujących dróg włóknistych, a także ich pokryciu zwartą mieliną8. Stwierdzono, że tym reakcjom regeneracyjnym towarzyszy długotrwała poprawa funkcjonalna. Połączenie resekcji tkanki bliznowatej z późniejszą implantacją PEG 600 stanowi bezpieczny i prosty, a jednocześnie bardzo skuteczny sposób na zniwelowanie znacznych ubytków tkanki rdzenia kręgowego.
Przestrzegano wytycznych instytucjonalnych dotyczących bezpieczeństwa i komfortu zwierząt, a wszystkie interwencje chirurgiczne oraz opieka nad zwierzętami przed i po operacji były prowadzone zgodnie z niemiecką ustawą o ochronie zwierząt (Krajowy Urząd ds. Ochrony Środowiska i Konsumentów Nadrenii Północnej-Westfalii, LANUV NRW).
1. Całkowite przecięcie rdzenia kręgowego klatki piersiowej samic szczura rasy Wistar (220 - 250 g)
Zachowanie tkanek, odrastanie aksonów i funkcjonalne korzyści z implantacji mMS po ostrym całkowitym przecięciu rdzenia kręgowego
Wykazano, że ostra implantacja mMS ustabilizowała całkowicie przecięte kikuty rdzenia kręgowego i zmniejszyła kurczenie się tkanki (ryc. 2A w porównaniu z B). Jak wykazano za pomocą barwienia trichromowego w odcinkach strzałkowych, zielone zabarwienie tkanki łącznej blizny zwłóknieniowej w rdzeniu zmiany jest znacznie gęstsze i bardziej widoczne u zwierząt z kontrolą zmian (ryc. 2D) niż u zwierząt z implantacją mMS (ryc. 2C). Co ciekawe, nie zaobserwowano różnic w długim czasie przeżycia w akumulacji makrofagów w miejscu uszkodzenia, co uwidoczniono za pomocą barwienia immunohistologicznego przeciwko ED-1 u zwierząt z wszczepionym mMS w porównaniu ze zwierzętami z kontrolną zmianą chorobową (nie pokazano).
Natychmiast po implantacji zaobserwowano brak tkanki w świetle mMS, która następnie została wypełniona komórkami i tkankami po kilku dniach. Po 5 tygodniach od operacji można było wykryć masywne wrastanie aksonów w światło mMS (ryc. 3A). Ponadto światło mMS zostało unaczynione (ryc. 3B), a struktury aksonalne znaleziono w bliskim sąsiedztwie naczyń krwionośnych (nie pokazano). Ocena skali lokomotorycznej Basso-Beattie-Bresnahana (BBB) w otwartym polu wykazała istotną poprawę funkcjonalną u zwierząt z implantami mMS (linia na rycinie 3C) w porównaniu ze zwierzętami z kontrolą (szara linia na rycinie 3C) po 2 i 4 tygodniach od operacji.
Inwazja komórek, rewaskularyzacja, regeneracja aksonów i poprawa funkcjonalna u szczurów z przewlekłym uszkodzeniem rdzenia kręgowego po resekcji blizny i implantacji PEG
W modelach przewlekłych urazów, zarówno częściowych, jak i całkowitych przecięć rdzenia kręgowego w klatce piersiowej, chirurgiczne usunięcie blizny po zmianie w piątym tygodniu po początkowym urazie nie spowodowało żadnych wykrywalnych dodatkowych szkód lub dyskomfortu u zwierząt. Resekcja blizny, a następnie wprowadzenie PEG 600 doprowadziło do regeneracji tkanki, która była wykrywalna w macierzy (ryc. 4). Ponadto odkładanie się zewnątrzkomórkowych osłonek kolagenowych - co jest typowe dla siatki błony podstawnej tkanek bliznowatych - nie było tak widoczne po leczeniu PEG (Figura 4C) w porównaniu z kontrolami tylko zmian (Figura 4B). W przeciwieństwie do przewlekłej blizny kontrolnej tylko ze zmianą chorobową (nie pokazano), miejsce resekcji wypełnione macierzą zostało zaatakowane przez komórki stymulujące wzrost aksonów po resekcji. Już po tygodniu od resekcji i leczenia można było zidentyfikować kilka korzystnych typów komórek w obszarze macierzy, takich jak komórki śródbłonka (które okazały się obecne w regenerujących się naczyniach krwionośnych [ryc. 4D]), astrocyty (ryc. 4F) i obwodowe komórki Schwanna (ryc. 4G). Pięć tygodni po resekcji obszar leczony PEG jest wypełniony licznymi profilami aksonalnymi (ryc. 4E).
Macierz PEG przyczyniła się do znacznego wzrostu regeneracyjnego licznych aksonów (Rysunek 4D,E,G). Dzięki badaniom śledzącym i barwieniu immunohistochemicznemu można było zidentyfikować różne wstępujące i opadające populacje aksonów, które regenerowały się nie tylko do obszaru wypełnionego PEG, ale także poza nim. Analizy transmisyjne EM leczonego obszaru zwierząt o długim okresie przeżycia (8 miesięcy) nie tylko potwierdziły obecność komórek Schwanna, ale dodatkowo ujawniły zwartą mielinizację zregenerowanych aksonów wewnątrz matrycy PEG8. Zregenerowane profile aksonów były często związane z obszarami angiogenezy (ryc. 4D). Barwienie immunohistochemiczne wykazało, że profile aksonów, które znaleziono w leczonym obszarze resekcji, były ściśle związane z komórkami Schwanna i wydawały się być mielinizowane przez te komórki już we wczesnych punktach czasowych po resekcji i implantacji8.
Długoterminowe (osiem miesięcy) badanie behawioralne wykazało znaczącą, długotrwałą poprawę funkcjonowania lokomotoryki po przewlekłej resekcji blizny i leczeniu PEG (Rysunek 5).

Rysunek 1. Budowa i zasada działania mMS. (A) obraz fotograficzny mMS, (B) adhezyjne mikrostruktury powierzchniowe ścianek bocznych mMS, podziałka: 50 μm, (C-F) schematyczny rysunek: (C) implantacja mMS do uszkodzenia rdzenia kręgowego, (D) zastosowanie próżni w celu zassania tkanki do struktury plastra miodu (czerwona strzałka: podciśnienie), (E) siła adhezyjna utrzymuje kikuty rdzenia kręgowego w bliskiej odległości zaledwie kilku mikrometrów, (F) dystrybucja substancji farmakologicznych w świetle przez 4 wewnętrzne mikrokanaliki (czarne strzałki wskazują mikrokanały 1 - 4). Napar jest oznaczony niebieską strzałką w porcie wlotowym. W D - E pokazana jest tylko połowa mMS. Przedruk z Brazda et al, 20137 za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Zachowanie tkanki rdzeniowej po implantacji mMS. Tkanka rdzenia kręgowego w wieku 6 lub 7 miesięcy po całkowitym przecięciu z (A) i bez implantu mMS (B). Strzałka w (B) wskazuje obszar rdzenia kręgowego odpowiadający miejscu implantacji mMS (strzałka) w (A). Zwróć uwagę na kurczenie się tkanki rdzenia kręgowego u nieleczonego zwierzęcia (B) w przeciwieństwie do dobrze zachowanej struktury u (A). Barwienie trichromowe strzałkowych odcinków rdzenia kręgowego po implantacji mMS (C) w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi bez implantu (D). Zielony: tkanka łączna, czerwony: cytoplazma,: jądro. Centrum zmiany jest wypełnione tkanką bliznowatą (zielona) u zwierząt z kontrolną zmianą chorobową (D, strzałka przedstawia epicentrum zmiany), podczas gdy po 14 dniach widoczne są tylko brzeżne blizny wokół mMS (C). Należy zauważyć, że mMS składa się ze struktur o strukturze plastra miodu, które są wypłukiwane podczas przetwarzania tkanek, jeśli są pocięte na plastry o grubości 20 μm. Podziałka dla (A, B) w (A), dla (C, D) w (D): 1 mm. Zmodyfikowano na podstawie Brazda i wsp., 20137 za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Regeneracja aksonów, rewaskularyzacja i ocena lokomotoryczna w otwartym polu po implantacji mMS. (A) Barwienie immunohistologiczne fosforylowanego neurofilamentu markerem pan-aksonalnym (PAM) w strzałkowym odcinku rdzenia kręgowego po 5 tygodniach od całkowitego przecięcia rdzenia kręgowego i implantacji mMS. Światło mMS jest oznaczone gwiazdką. Ściany (W) mMS są oznaczone liniami przerywanymi. Zwróć uwagę na liczne barwione aksony w wcześniej pozbawionym tkanek świetle mMS. Pasek skali: 100 μm. (B) Barwienie immunohistologiczne naczyń krwionośnych w świetle mMS (identyfikowane za pomocą barwienia czynnikiem von Willebranda [vWF], kolor zielony). (C) Ocena punktacji lokomotorycznej BBB dla wszczepionego mMS (linia, N = 9) w porównaniu z kontrolnymi zwierzętami rannymi (szara linia, N = 6). Średnia wartość BBB lewej i prawej kończyny tylnej (średnia na grupę) jest przedstawiona z odchyleniem standardowym. Różnice istotne statystycznie są oznaczone gwiazdkami (Mann-Whitney Rank Sum Test, p <0,05). Zmodyfikowano na podstawie Brazda i wsp., 20137 za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Macierz PEG wspomaga regenerację tkanek i korzystną inwazję komórkową po resekcji i leczeniu blizny. (A) Barwienie Sudan Black pokazuje, że duże części wyciętej szczeliny (pozbawionej barwienia Sudan Black) są wypełnione tkanką po 1 tygodniu od resekcji. (B, C) Barwienie blizny po zmianie włóknistej kolagenem typu IV po 1 tygodniu od resekcji. Gęsta blizna występuje u zwierząt kontrolnych, podczas gdy zwierzęta leczone PEG wykazują znacznie słabsze i wyraźniejsze barwienie immunologiczne. (D) Obszar angiogenezy (wWF) zawiera profile zregenerowanych aksonów (identyfikowanych za pomocą neurofilamentu [NF]) w ciągu tygodnia po resekcji. (E) Liczne aksony wrastały w leczony obszar po 5 tygodniach od resekcji. (F, G) Zarówno astrocyty glejowe fibrylarne kwaśno dodatnie białko (GFAP+), jak i komórki Schwanna S100+ atakują macierz PEG, a te ostatnie znajdują się w ścisłym związku z regenerującymi się aksonami już po 1 tygodniu po leczeniu. Podziałka liniowa: (A) 1 mm; (C-F) 100 μm, (G) 50 μm. (B-G): na podstawie Estrada et al., 20148 za zgodą Elsevier. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Poprawa funkcji narządu ruchu po przewlekłym urazie rdzenia kręgowego, resekcji blizny i leczeniu PEG. Ocena zmodyfikowanej punktacji lokomotorycznej BBB (mBBB) dla leczonych PEG (PEG, czarne romby, N = 13-14 na punkt czasowy) w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi, które otrzymały całkowite przecięcie rdzenia kręgowego bez resekcji blizny (TX, białe trójkąty, N = 13-14 na punkt czasowy) po przewlekłym urazie rdzenia kręgowego. Uśrednione wyniki mBBB + błąd standardowy średniej jednostronnej próby U Manna-Whitneya, *p ≤0,05, **p ≤0,01, ***p ≤0,001; Zmodyfikowano na podstawie Estrada et al., 20148 za zgodą Elsevier, wpl = tydzień po początkowej zmianie, wpr = tygodnie po resekcji. Słupek błędu = SEM (błąd standardowy średniej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Poważne urazy rdzenia kręgowego często skutkują wadami tkanek. Opisano dwie możliwości skutecznego wypełnienia takich luk w celu promowania adaptacji tkanek, reakcji regeneracyjnych i poprawy funkcjonalnej u szczurów poprzez wszczepienie mechanicznego systemu mikrołączników po ostrym urazie i pięć tygodni po całkowitym przecięciu rdzenia kręgowego.
Niemieckie Prawne Ubezpieczenie od Następstw Nieszczęśliwych Wypadków (DGUV), Komisja Badawcza Wydziału Medycznego Uniwersytetu Heinricha Heinego
| PEG 600 Ph Eur | Merck/VWR | 8 170 041 000 | |
| Gąbka żelatynowa Gelastypt | sanofi Aventis | PZN-8789582 | |
| Uszczelniacz Nescofilm | Roth | 2569.1 | |
| Baytril | Bayer | ||
| Rimadyl (Carpofen) | Pfizer | ||
| Forene (Isoflurane) | Abbvie | ||
| Kodan (środek do dezynfekcji skóry) | |||
| Histoacryl (klej do tkanek) | |||
| Friedman-Pearson Rongeur, kubek 1 mm, prosty | Fine Science Tools | 16020-14 | |
| Mikroszpatułka dwa w jednym - 12 cm | Fine Science Tools | 10091-12 | |
| Kleszcze Dumont #7 - Inox Medical | Narzędzia Fine Science | 11273-20 | |
| Dumont #5/45 Kleszcze - Inox Medical | Fine Science Tools | 11253-25 | |
| Hak do rdzenia kręgowego | Narzędzia do nauki pięknej | 10162-12 | |
| Nożyczki | Narzędzia do nauki precyzyjnej | 14078-10 | |
| Zacisk | Aesculap | EA016R | |
| Ethicon Vicryl 4-0 | |||
| Bepanthen Augen- und Nasensalbe | Bayer | ||
| Kleszcze anatomiczne | Fine Science Tools | 11000-13 | |
| Zwijacz samozatrzymujący się | Fine Science Tools | 17008-07 | |
| Zacisk do skóry | Narzędzia Fine Science | 13008-12 | |
| Aluspray | Selectavet |