Złamania należą do najczęstszych urazów układu mięśniowo-szkieletowego i wiążą się z ogromnym obciążeniem społeczno-ekonomicznym, w tym kosztami leczenia, które według prognoz przekroczą 25 miliardów dolarów rocznie w Stanach Zjednoczonych1,2. Chociaż większość złamań goi się bez incydentów, gojenie wiąże się ze znacznymi przestojami i utratą wydajności. Około 5 - 10% wszystkich złamań powoduje opóźnione gojenie lub brak zrostu z powodu wieku lub innych przewlekłych schorzeń, takich jak osteoporoza i cukrzyca3,4,5. Obecnie nie są dostępne żadne zatwierdzone przez FDA metody leczenia farmakologicznego, które promowałyby skuteczne gojenie kości i skracały czas rekonwalescencji.
Gojenie złamań to złożony i bardzo dynamiczny proces obejmujący koordynację wielu typów komórek. W związku z tym kompleksowe zrozumienie zdarzeń komórkowych i molekularnych związanych z regeneracją kości ma kluczowe znaczenie dla identyfikacji celów terapeutycznych, które przyspieszają ten proces. Podobnie jak w przypadku innych chorób ludzkich, stworzenie wysoce podatnego i powtarzalnego modelu zwierzęcego ma kluczowe znaczenie w badaniach nad gojeniem się kości. Większe zwierzęta, takie jak owce i świnie, mają właściwości przebudowy kości i biomechanikę podobną do ludzkiej, ale są drogie, wymagają znacznego czasu leczenia i nie są łatwo podatne na manipulacje genetyczne6. Z drugiej strony, modele małych zwierząt, takich jak szczury i myszy, oferują wiele zalet, w tym łatwość obsługi, niskie koszty utrzymania, krótkie cykle hodowlane i krótszy czas gojenia7. Co więcej, genom myszy jest w pełni zsekwencjonowany, co pozwala na szybką manipulację i generowanie wariantów genetycznych. Tak więc mysz jest potężnym systemem modelowym do badania ludzkich chorób, urazów i napraw8. U ludzi choroby współistniejące, takie jak osteoporoza i cukrzyca, zwiększają prawdopodobieństwo opóźnionego gojenia. Dostępnych jest wiele istniejących modeli mysich do badania wpływu chorób współistniejących, takich jak osteoporoza i cukrzyca, na uszkodzenia i gojenie kości. Pacjenci cierpiący na osteoporozę mają znacznie zmniejszone tworzenie kości w późniejszych stadiach gojenia złamań9. Myszy po owariektomii (OVX) wykazują szybką utratę masy kostnej i opóźnione gojenie się kości, podobne do obserwowanego w osteoporozie pomenopauzalnej10,11. Dodatkowo, wiele mysich modeli cukrzycy typu I i typu II naśladuje fenotypy niskiej masy kostnej i upośledzone gojenie złamań obserwowane u ludzi11. Co więcej, mysie modele złamań służą jako wszechstronna platforma do badania złożonych procesów biologicznych zachodzących w kalusie i odkrywania nowych strategii terapeutycznych, które przyspieszają regenerację tkanki kostnej.
Pomimo różnic w strukturze kości i metabolizmie, ogólny proces gojenia złamań kości pozostaje bardzo podobny u myszy i ludzi, obejmując kombinację kostnienia śródchrzęstnego i śródbłoniastego, po którym następuje przebudowa kości. Kostnienie śródchrzęstne polega na rekrutacji komórek progenitorowych do mniej stabilnych mechanicznie regionów otaczających szczelinę złamania, gdzie różnicują się w chondrocyty, które przerośnięły i mineralizują chrząstkę, tworząc miękki kalus. Druga fala komórek progenitorowych infiltruje kalus i różnicuje się w dojrzałe osteoblasty, które wydzielają nową macierz kostną12,13,14,15. Podczas kostnienia śródbłoniastego komórki progenitorowe na powierzchni okostnej i śródbłoniastej bezpośrednio różnicują się w osteoblasty wydzielające macierz i ułatwiają wypełnianie szczeliny między złamaniami9,11,12,13. Łącznie kostnienia śródchrzęstne i śródbłoniaste powodują rozwój twardego kalusa, który z czasem ulega dalszej przebudowie, tworząc mocną kość wtórną zdolną do wytrzymywania obciążeń mechanicznych13,14,15. U zdrowych ludzi proces gojenia trwa około 3 miesięcy, w porównaniu do zaledwie 35 dni u myszy16.
Gojenie złamań było powszechnie badane przy użyciu otwartych lub zamkniętych modeli chirurgicznych17. Otwarte metody chirurgiczne, takie jak generowanie ubytku o krytycznej wielkości lub całkowita osteotomia, standaryzują lokalizację i geometrię urazu w celu zmniejszenia odchyleń spowodowanych rozdrobnionymi złamaniami. Osteotomie służą jako doskonały model do badania mechanizmu leżącego u podstaw braku zrostu, ponieważ gojenie jest często opóźnione w porównaniu z zamkniętymi złamaniami. Ponadto do ustabilizowania osteotomizowanej kości wymagane jest sztywne mocowanie zewnętrzne, co oznacza, że regeneracja będzie zależeć przede wszystkim od kostnienia śródbłoniastego. Otwarte podejścia chirurgiczne wykorzystują urządzenia, takie jak gwoździe blokujące, klipsy do szpilek i płytki blokujące, aby zapewnić stabilność osiową i obrotową złamanej kończyny; Jednak takie urządzenia są drogie i wymagają znacznie więcej czasu na chirurgię18,19,20,21. Z drugiej strony, modele zamknięte są stabilizowane za pomocą prostego urządzenia do mocowania śródszpikowego, co pozwala na wystarczającą niestabilność, aby stymulować gojenie chrzęstne. W rezultacie, modele zamkniętego złamania nie naśladują łatwo warunków braku zrostu. Techniki mocowania wewnętrznego, takie jak szpilki śródszpikowe, gwoździe i kompresyjne, są korzystne, ponieważ są tanie, łatwe w użyciu i minimalizują czas operacji21,22,23. W niektórych przypadkach szpilki śródszpikowe są wprowadzane przed złamaniem, ale zgięcie szpilki śródszpikowej może prowadzić do kątowania lub przemieszczenia złamanej kości udowej, przyczyniając się do zmiennej wielkości kalusa i gojenia. Lokalizacja i geometria pęknięcia są trudniejsze do standaryzacji w modelach zamkniętych, ponieważ są generowane za pomocą trzypunktowego urządzenia do gięcia, w którym ciężar jest zrzucany na trzon. Jednak przy odpowiedniej technice to podejście chirurgiczne zapewnia szybkie i spójne wyniki. Co więcej, model zamkniętego złamania służy jako klinicznie istotne narzędzie do badania pęknięć spowodowanych uderzeniami o dużej sile lub naprężeniami mechanicznymi22.
Ten protokół chirurgiczny został zaadaptowany z wcześniej opisanych metod wykorzystujących szpilkę śródszpikową do stabilizacji złamanych kości udowych u szczurów i myszy22,24,25. Najpierw przez wcięcie śródkłykciowe wprowadza się igłę śródszpikową o małej średnicy w celu ustalenia punktu wejścia, a następnie wprowadza się prowadnik przed wygenerowaniem poprzecznego złamania na trzonie kości udowej za pomocą zależnego od grawitacji trzypunktowego urządzenia do zginania. Po pomyślnym wygenerowaniu zamkniętego złamania kości udowej, pręt śródszpikowy o większej średnicy jest umieszczany na przewodzie prowadzącym, aby ustabilizować złamaną kość udową. Metoda ta pozwala uniknąć ryzyka opóźnionego gojenia spowodowanego kątowaniem trzpienia śródszpikowego podczas złamania, ponieważ umiejscowienie pręta po złamaniu pozwala na repozycję i optymalną stabilizację uszkodzonej kości udowej.