Wszystkie eksperymenty na zwierzętach zostały przeprowadzone zgodnie z protokołami zatwierdzonymi przez Komitet ds. Opieki i Korzystania ze Zwierząt Uniwersytetu Jikei (numer zatwierdzenia 2023–034C1). Badanie to zostało zaprojektowane jako pilotażowe badanie wykonalności. Aby ocenić techniczną wykonalność tej niezwykle delikatnej i nowatorskiej procedury wprowadzania klatki tylnej do ogonowego odcinka kręgosłupa szczura przed walidacją na większą skalę, zgodnie z wytycznymi etycznymi, w celu zminimalizowania liczby zwierząt podczas wstępnej oceny technicznej, wykorzystano jedno zwierzę (n = 1). Jako standardową linię do badań nad fuzją kręgosłupa wybrano samce szczurów Sprague-Dawley (SD). Kryteria włączenia obejmowały zdrowe samce w wieku 8–10 tygodni, o masie ciała od 200–250 g, aby zapewnić, że wysokość krążka międzykręgowego (1.8–2.2 mm) jest zgodna z klatką o rozmiarze 2 mm. Wykluczono zwierzęta wykazujące spadek masy ciała o > 10% w okresie aklimatyzacji, obniżoną aktywność lub widoczne deformacje ogona. W badaniu wykorzystano samca szczura Sprague–Dawley (wiek 8 tygodni, masa ciała 221.8 g; Japan SLC, Shizuoka, Japonia). Zwierzę utrzymywano w kontrolowanym środowisku przy temperaturze 25°C i wilgotności względnej 50% (zakres dopuszczalny 30–70%) z 12-godzinnym cyklem światła/ciemności, z dostępem ad libitum do wody i standardowej karmy dla gryzoni. Szczury przetrzymywano w klatkach z pełnym dnem, wyposażonych w materiały do budowy gniazd oraz gryzaki w celu wzbogacenia środowiska. Przed procedurą chirurgiczną zastosowano 3-dniowy okres aklimatyzacji. Aby zapobiec podgryzaniu implantów w ogonie przez współlokatorów, szczura utrzymywano w warunkach pojedynczego zakwaterowania przez cały okres badania, co było kluczowym czynnikiem w tym projekcie eksperymentalnym.
Przygotowanie śrub i płytek
Materiały do wewnętrznej stabilizacji przygotowano przed zabiegiem chirurgicznym. Dostępne w handlu śruby ze stali nierdzewnej (pierwotna średnica: 1,2 mm, długość: 14 mm) przycięto do precyzyjnej długości 6 mm za pomocą obcinaczy drutu (Ryc. 1A). Śruby te wysterylizowano standardową metodą autoklawowania parowego w temperaturze 121 °C przez 20 min. W płytce do wewnętrznej stabilizacji z polioksymetylenu (POM) (długość 18 mm, szerokość 3 mm, grubość 1 mm) wywiercono otwory na śruby o średnicy 1,2 mm w odstępach 12 mm przy użyciu wiertarki ręcznej (Ryc. 1B–D). Następnie narożniki płytek POM zaoblono za pomocą obcinaczy drutu, aby zminimalizować podrażnienie otaczających tkanek miękkich (Ryc. 1E). Płytki wysterylizowano tlenkiem etylenu (EtO) lub plazmą nadtlenku wodoru, ze względu na wrażliwość termiczną polimeru. Klatka tytanowa posiada połączoną strukturę sieciową z kanałami podłużnymi o średnicy 300–500 µm. Jej powierzchnię przygotowano za pomocą technologii Lamellar 3D Titanium, aby uzyskać chropowatość mikro-powierzchni na poziomie 3–5 µm, co ułatwia bezpośredni przyrost kostny. Klatkę tytanową wysterylizowano poprzez naświetlanie gamma dawką 25 kGy przed implantacją.
Znieczulenie i procedura chirurgiczna
Aby uniknąć niepotrzebnego stresu metabolicznego, nie stosowano postu przedoperacyjnego. Znieczulenie wprowadzono za pomocą potrójnej mieszanki anestetyków składającej się z medetomidyny (0,15 mg/kg), midazolamu (2 mg/kg) i butorfanolu (2,5 mg/kg), którą podano podskórnie w okolicy grzbietu przy użyciu igły 25G23. W celu zapobieżenia wysychaniu rogówki do obu oczu zastosowano maść oftalmiczną, a zwierzę umieszczono na podkładce grzewczej z termostatem, utrzymującej temperaturę ciała na poziomie około 37 °C przez cały czas trwania procedury. Odpowiednią głębokość znieczulenia chirurgicznego oceniano co 15 min poprzez potwierdzenie zaniku odruchu cofania łapy (ucisk palca), utrzymanie różowych błon śluzowych oraz monitorowanie częstotliwości oddechów (70–110 oddechów/min). Następnie wykonano procedurę chirurgiczną zrostu międzytrzonowego kręgów ogonowych. Zwierzę ułożono w pozycji brzusznej (Ryc. 2A). Sierść nad nasadą ogona i w tylnej części grzbietu wygolono na obszarze obejmującym co najmniej 150% planowanej długości nacięcia (około 1,3 cm proksymalnie od nasady ogona, obejmując cały obszar, który zostanie odsłonięty przez pole operacyjne), a następnie usunięto luźne włosy. Wygolony obszar oraz cały ogon zdezynfekowano zgodnie z protokołem trzykrotnego naprzemiennego szorowania (70% etanol, preparat do szorowania z povidone-iodine i 70% etanol), aby zapewnić sterylność pola. W celu zidentyfikowania docelowych kręgów wykonano palpację manualną, zaczynając od kości krzyżowej w kierunku dystalnym. Pierwszy ruchomy staw zidentyfikowano jako połączenie sacrum-Co1, a segment bezpośrednio dystalny wyznaczono jako Co2, definiując tym samym docelowe miejsce Co2–Co3. Lidokainę (2 mg/kg, 1%) podano podskórnie wzdłuż planowanego miejsca nacięcia w formie blokady linii skóry i odczekano 5 min przed wykonaniem nacięcia. Na powierzchni grzbietowej wykonano nacięcie podłużne o długości około 2 cm, rozciągające się od drugiego do trzeciego kręgu ogonowego (Co2–Co3) (Ryc. 2B), aby odsłonić powierzchnię tylną każdego z kręgów. Podczas odsłaniania zachowano ostrożność, aby zidentyfikować i uniknąć uszkodzenia grzbietowej żyły ogonowej; do opanowania drobnych krwawień stosowano rozwarstwianie tępe oraz elektrokoagulację bipolarną. Aby przygotować miejsce zrostu, pierścień włóknisty między kręgami Co2 i Co3 nacięto skalpelem (Ryc. 2C). Następnie pierścień włóknisty i jądro miażdżyste starannie usunięto za pomocą kuretażu przy użyciu kuretażu i małych pęset (Ryc. 2D). Krok ten wykonano pod dużym powiększeniem chirurgicznym (≥3,5x). Kompletność usunięcia określono obiektywnie poprzez wizualne potwierdzenie punktowych krwawień (objaw „krwawiącej płytki granicznej”) i całkowity brak pozostałości tkanki miękkiej. Za niedopuszczalne uszkodzenie płytki granicznej uznano głębokie nadżerki obejmujące > 25% całkowitej powierzchni lub penetrację do kości gąbczastej o głębokości > 0,5 mm. Następnie tytanową klatkę (przekrój 2 × 2 mm, wysokość 2 mm) (Ryc. 2E) wprowadzono głęboko w przestrzeń międzykręgową, aż do osiągnięcia fizycznego oporu i wizualnego potwierdzenia pełnego kontaktu powierzchniowego z obiema płytkami granicznymi, tworząc ciasne dopasowanie cierne (Ryc. 2F, 2G).
Fiksacja i zamknięcie rany
Aby odsunąć skórę i tkanki miękkie od miejsca, które miało zostać wyrównane, zastosowano retraktor samopodtrzymujący, co zapewniło bezpośrednią wizualizację powierzchni kości i zapobiegło nieswoistym uszkodzeniom tkanek miękkich przez obracający się wiertło. W celu ułatwienia fiksacji płytki, powierzchnię kości wokół wyznaczonych miejsc otworów w kręgach Co2 i Co3 wyrównano za pomocą ręcznej frezarki elektrycznej pracującej z prędkością 7 800 RPM, wyposażonej w sferyczne wiertło typu pilnik o rozmiarze 2,0 mm (Rycina 2H). Otwory kostne wiercono pojedynczo w odstępach odpowiadających otworom na śruby w plastikowej płytce do wewnętrznej fiksacji, używając wiertarki ręcznej z wiertłem o średnicy 1,2 mm (Rycina 2I). Następnie do otworów w plastikowej płytce wstępnie wprowadzono dwie śruby ze stali nierdzewnej o średnicy 6 mm (Rycina 2J). Śruby wprowadzono pod kątem 90° na znormalizowaną głębokość 5 mm, zachowując odstęp między środkami śrub wynoszący 12 mm (Rycina 2K). Przed zamknięciem rany, luźne i poszarpane krawędzie tkanek powstałe podczas rozwarstwienia tępym instrumentem zostały precyzyjnie wycięte i usunięte z pola operacyjnego, aby wspomóc prawidłowe gojenie rany. Na koniec nacięcie skóry zamknięto szwami z nylonu 4-0, a ogon ponownie zdezynfekowano 70% etanolem, kończąc procedurę.
Opieka pooperacyjna i eutanazja
W fazie bezpośredniej rekonwalescencji (dzień 0) zwierzę monitorowano co 15 min, a temperaturę odbytu podtrzymywano do momentu osiągnięcia pełnej pozycji brzusznej i celowej lokomocji. W ramach oceny długoterminowej (tygodnie 1–12) wdrożono codzienny system punktacji oparty na wskaźniku kondycji ciała (BCS), stanie pielęgnacji i ogólnej aktywności, wraz z codziennym monitorowaniem miejsca operowanego pod kątem infekcji lub rozstąpienia się rany. W ciągu pierwszych 48 h na dnie klatki zapewniono wilgotną karmę. Masę ciała mierzono co tydzień. Humanitarne punkty końcowe dla wczesnej eutanazji zdefiniowano ściśle jako: utratę masy ciała ≥20%, BCS ≤2,0, trwałą niemożność dotarcia do jedzenia/wody > 12 h, objawy silnego bólu/duszności lub ciężkie powikłania w miejscu operowanym (np. martwicę). Zwierzęta spełniające te kryteria poddano humanitarnej eutanazji w ciągu 24 h. Opieka pooperacyjna obejmowała podanie cefaleksyny (15 mg/kg) domięśniowo bezpośrednio po operacji oraz w 24 h po zabiegu w celu zapobiegania infekcji. W celu przeciwbólowego podano karprofen (5 mg/kg) podskórnie bezpośrednio po operacji oraz w 12, 24 i 48 h po zabiegu, łącznie cztery dawki. Szwy skórne usunięto 10–14 dni po operacji. W 12. tygodniu po implantacji szczura poddano eutanazji poprzez przedawkowanie izofluranu. Następnie pobrano en bloc odcinek od drugiego do trzeciego kręga ogonowego i utrwalono go w 70% etanolu.
Zalecenia dotyczące szkolenia, rozwiązywanie problemów i wielkość próby. Aby ułatwić pomyślne wdrożenie tego wymagającego protokołu, nowi operatorzy muszą przeprowadzić 3–5 procedur ćwiczebnych na trupich szczurach, osiągając biegłość, gdy trzy kolejne implantacje nie wykażą radiologicznie błędnego ustawienia. Typowe rozwiązania problemów obejmują wstępny pomiar wysokości krążka międzykręgowego za pomocą promieni rentgenowskich w celu optymalizacji wyboru rozmiaru klatki oraz ponowną weryfikację płaskości kości grzbietowej, aby zapobiec migracji klatki. W przypadku niewystarczającego zakotwiczenia śruby zaleca się stosowanie niższych prędkości wiercenia. W przyszłych badaniach walidacyjnych zaleca się minimalną wielkość próby n = 6 do 10 na grupę (z dodatkowymi 10–20% na wypadek ubytków), aby uzyskać wystarczającą moc statystyczną. Ponadto przyszłe badania muszą uwzględniać grupy kontrolne (np. pusta klatka lub aut przeszczep), aby zwalidować działanie biomateriału.
Analiza radiograficzna i histologiczna
Skanowanie mikrotomografią komputerową (micro-CT) oraz radiografia cyfrowa zostały wykonane przy użyciu systemu mikro-CT z napięciem lampy 80 kV i prądem 0,1 mA. Podczas akwizycji zastosowano filtr aluminiowy o grubości 1,0 mm, aby zminimalizować artefakty utwardzania wiązki wywołane przez tytanowy implant. W celu oceny podłużnej wykonano obrazowanie in vivo w 1. i 4. tygodniu po operacji przy rozmiarze woksela 120 µm. Podczas każdej sesji obrazowania in vivo zwierzęta znieczulono tą samą kombinacją trzech leków i dawkami medetomidyny, midazolamu i butorfanolu, które zastosowano podczas operacji. Po skanowaniu odwrócono działanie znieczulenia za pomocą atipamezolu (0,75 mg/kg, podskórnie). Obrazowanie ex vivo przeprowadzono w 12. tygodniu po operacji, używając uchwytu do próbek o średnicy 24 mm i rozmiaru woksela 24 µm. Dane z tomografii komputerowej i obrazy radiograficzne zrekonstruowano za pomocą standardowego algorytmu filtrowanej projekcji wstecznej i przeanalizowano przy użyciu przeglądarki DICOM. Zdefiniowano kryteria ilościowe do oceny zrostu kostnego. Radiologicznie udaną fuzję potwierdzono, gdy na obrazach micro-CT w co najmniej trzech kolejnych przekrojach zaobserwowano ciągłą strukturę beleczkową łączącą kranialną i kaudalną płytkę końcową kręgu. Podczas segmentacji obrazu zastosowano globalny próg 700 jednostek Hounsfielda (HU). Histomorfometrycznie, stosunek BV/TV wynoszący 70% lub więcej wewnątrz klatki uznano za próg wypełnienia przestrzeni i fuzji fizycznej. Histologicznie zrost kostny zdefiniowano jako całkowite mostkowanie kostne od strony kranialnej do kaudalnej bez obecności tkanki włóknistej. Do analizy histologicznej wykonano sekwencyjne znakowanie fluorochromem poprzez podskórny wtrysk kalceiny (8 mg/kg) na 2 dni przed eutanazją, aby zidentyfikować przestrzenną dystrybucję aktywnej mineralizacji w końcowym punkcie czasowym (12 tydzień). Wycięte kręgi kaudalne utrwalono w 70% etanolu przez 7 dni i zabarwiono en bloc barwnikiem do kości Villanuevy. Próbki odwodniono w rosnącym stężeniu etanolu, zatopiono w żywicy z polimetakrylanu metylu i przecięto w płaszczyźnie pośrodkowej w precyzyjnym centrum geometrycznym klatki, wyznaczonym na podstawie obrazowania Micro-CT przed cięciem, używając mikrotomu z tarczą diamentową. Nieodwapione próbki szlifowane (grubość 5 µm) przygotowano w Instytucie Histomorfometrii Kości Ito (Niigata, Japonia). Obrazy pozyskano za pomocą mikroskopu w świetle przechodzącym oraz konfokalnego mikroskopu skanującego do nakładania fluorescencji. Dalszą analizę przeprowadzono pod mikroskopem w świetle spolaryzowanym, a analizę histomorfometryczną wykonano za pomocą komputerowego analizatora obrazu. Obszar zainteresowania (ROI) zdefiniowano jako całkowitą objętość wewnętrzną klatki, z wyłączeniem metalowych wsporników, i podzielono go na kranialny i kaudalny obszar ROI wewnątrz klatki. Tkankę kostną zidentyfikowano po purpurowym/magenta kolorze w barwieniu Villanuevy. Kość lamelarna (Lm.V) została zdefiniowana przez jej wysoce zorganizowaną, równoległą strukturę lamelarną w świetle spolaryzowanym, podczas gdy kość tkana (Wo.V) wykazywała zdezorganizowane wzory włókien.