Skuteczny i powtarzalny protokół osteogenezy dyfuzyjnej w modelu szczurzym prowadzący do funkcjonalnej regeneracji kości udowej
23 października 2017
To badanie opisuje powtarzalny i szczegółowy protokół wykorzystujący nowo opracowany zewnętrzny stabilizator do osteogenezy dywersyjnej (DO) w modelu szczura kości udowej, który pozwala na fizjologiczne obciążanie zwierzęcia po usunięciu zewnętrznego stabilizatora.
Ogólnym celem tego protokołu jest powtarzalne i skuteczne wywołanie osteogenezy dystrakcyjnej kości udowej w modelu szczurzym w celu oceny funkcjonalnej regeneracji kości. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie medycyny osteogenezy dotyczące wyznaczania i skracania okresu konsolidacji lub identyfikacji mechanizmu naprawy kości. Główną zaletą tej techniki jest to, kto wykonał zewnętrzny stabilizator i pokierować, kto wykonuje operację, zapewnić stabilne środowisko dla optymalnej regeneracji kości.
Implikacje tej techniki rozciągają się na wszystkie terapeutyczne wydłużanie kończyn górnych i dolnych lub ubytki kostne, które występują po operacji wycięcia guza kości. Demonstrację procedury przeprowadza Edouard Lamy, wykładowca farmacji z mojego laboratorium. Zacznij od umieszczenia znieczulonego 12-tygodniowego samca szczura Sprague Dawley w lewej pozycji bocznej i usunięcia włosów z prawej tylnej kończyny.
Po nałożeniu maści do oczu należy zdezynfekować obszar operacyjny roztworem jodu powidonu i ułożyć zwierzę w pozycji leżącej. Gdy stabilizator zewnętrzny jest umieszczony wzdłuż osi przyśrodkowej i bocznej, użyj markera, aby zaznaczyć jeden punkt w kolanie, a drugi punkt w biodrze wzdłuż linii przyśrodkowej płaszczyzny strzałkowej. Połącz te dwa punkty i za pomocą skalpela wykonaj nacięcie skóry wzdłuż linii, przecinając mięsień dwugłowy uda i obszerny boczny, aż kość udowa zostanie całkowicie odsłonięta.
Podnieś okostną i użyj rouginy, aby odłączyć tkankę miękką od kości. Włóż kołki do najbardziej proksymalnych i dystalnych otworów stabilizatora zewnętrznego. Jeśli oba kołki można zakotwiczyć, użyj dwóch zwijaczy Senna, aby otworzyć mięśnie i dokręć zacisk prowadnicy wiertniczej w środku kości udowej, zaczynając od otworów proksymalnych i dystalnych, a kończąc na dwóch środkowych otworach, przełóż metalowe wiertło o średnicy 0,6 milimetra przez kość, aby utworzyć cztery otwory prowadzące.
Używając szpilki z półgwintem 0,8 milimetra, przesuwaj szpilkę w przód iw tył, aby powiększyć cztery otwory wstępne, uważając, aby pozostały prostopadłe do kości udowej. Aby wszczepić szpilki, użyj uchwytu na igłę, aby chwycić każdej 1-milimetrowej połówki gwintu i indywidualnie zanurz kołki, aby powiększyć otwory prowadzące. Użyj retraktora Senna, aby upewnić się, że szpilki wbijają się w obie korowe części, nie wystając na więcej niż 1 milimetr.
Gdy kołki są na swoim miejscu, podłącz zewnętrzny stabilizator do kołków z półgwintem, upewniając się, że przesunięcie wynosi około 6 milimetrów, aby umożliwić łatwe szycie i dobrą sztywność. Następnie dokręć cztery blokujące tak, aby zewnętrzny stabilizator był zablokowany na kołkach. Za pomocą piezotomu wykonaj osteotomię między dwoma środkowymi szpilkami.
Następnie użyj uchwytu na igłę Mayo-Hegar, wchłanialnej nici do szwów 5-0 i ciągłego ściegu, aby zamknąć ranę. Bezpośrednio po operacji należy prześwietlić zwierzę, aby sprawdzić głębokość szpilek i ustawienie osteotomizowanych kończyn wzdłuż osi długiej. Następnie pozwól szczurowi w pełni wyzdrowieć dzięki monitorowaniu.
Po tygodniu prześwietl kończynę, aby ponownie sprawdzić położenie szpilek i wyrównanie segmentów kości. Aby odwrócić uwagę, ręcznie obracaj kwadratową nakrętkę o pół obrotu zgodnie z ruchem wskazówek zegara co 12 godzin przez 10 dni. Prześwietl kończynę w połowie i na końcu procesu rozpraszania, aby monitorować położenie szpilek i wyrównanie segmentów kości.
Pod koniec rozproszenia uwagi należy co tydzień prześwietlać kończynę, usuwając zewnętrzny stabilizator w 64 dniu. W 66 dniu za pomocą skalpela wykonaj nacięcie skóry przez bliznę pooperacyjną od górnej części biodra do przedniej części kolana. Przetnij między mięśniem dwugłowym uda a obszernym bocznym, aż kość udowa zostanie całkowicie odsłonięta, odłączając mięsień od kości tak bardzo, jak to możliwe.
Przetnij wszystkie więzadła kolana, zdemontuj staw i przetnij torebkę stawową biodra. Dokładnie oczyść kość bez usuwania szpilek, używając skalpela, aby usunąć całą tkankę miękką. Po oczyszczeniu przeciwległej kości udowej prześwietlić obie kości udowe.
Usuń szpilki i przechowuj kości udowe w temperaturze minus 20 stopni Celsjusza do analizy skanowania za pomocą tomografii mikrokomputerowej. W tym reprezentatywnym eksperymencie obrazowanie rentgenowskie od razu po operacji do końca konsolidacji ujawniło, że półgwintowane szpilki w sworzniach kości udowej pozostały równoległe, dobrze zachowane i niepoluzowane przez cały zabieg, co wskazuje na stabilne zakotwiczenie. Co więcej, osteotomizowane kończyny były wyraźnie dobrze ustawione wzdłuż osi podłużnej kości podczas procesu osteogenezy rozpraszającej.
Pod koniec okresu utajenia nie były widoczne żadne zwapniałe obszary w pobliżu osteotomizowanych kończyn. Pod koniec okresu rozproszenia widocznych było kilka zwapniałych obszarów w pobliżu istniejącej wcześniej kory mózgowej. Po 28 dniach konsolidacji niezwapniały obszar przerwy między osteotomizowanymi kończynami był mniejszy, a w pobliżu poziomu szczeliny z szpilkami można było zaobserwować kalus okostny.
Po 47 dniach konsolidacji regenerujący się kalus został całkowicie zmostkowany. Po usunięciu zewnętrznego stabilizatora i dwóch dniach fizjologicznego obciążania, zwierzęta wykazywały fizjologiczny chód i nie można było zaobserwować żadnych oznak złamania. Analiza mikrotomografii komputerowej 3D szeregowych odcinków podłużnych regenerującego się kalusa wykazała, że zwapnione mostkowanie było zawsze obecne z ciągłą korą zewnętrzną obserwowaną na obrzeżach regenerującego się kalusa.
Po 49 dniach konsolidacji nie zaobserwowano złamania pomimo utrzymywania się mniej zmineralizowanego obszaru w centrum zregenerowanego kalusa. Po opanowaniu tej techniki chirurgicznej można ją wykonać w ciągu 45 minut, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Przystępując do tego zabiegu, należy pamiętać o utrzymaniu sterylnego środowiska podczas zabiegu oraz o dokładnym monitorowaniu zwierzęcia po zabiegu.
Po jej opracowaniu, technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie medycyny do ulepszenia techniki osteogenezy rozpraszającej, w szczególności do skrócenia okresu konsolidacji w praktyce klinicznej. Po tej procedurze można zastosować inne metody, takie jak dodawanie czynników wzrostu lub materiałów budowlanych, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak, czy można poprawić konsolidację kości. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak wykonać wydłużenie kości udowej w modelu szczurzym, używając tych technik jako przewodnika, aby zapewnić równoległość między szpilkami.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Overview
To badanie przedstawia szczegółowy protokół osteogenezy dystrakcyjnej (OD) z wykorzystaniem nowo opracowanego fiksatora zewnętrznego w modelu szczura z kością udową. Metoda ta umożliwia fizjologiczne obciążenie po usunięciu fiksatora, ułatwiając ocenę funkcjonalnej regeneracji kości.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Regeneracja kości
- Osteogeneza dystrakcyjna
- Modele zwierzęce
Tło
- Osteogeneza dystrakcyjna to proces chirurgiczny stosowany do rekonstrukcji deformacji szkieletu.
- Technika polega na stopniowym oddalaniu segmentów kości w celu promocji nowego tworzenia kości.
- Zrozumienie mechanizmów naprawy kości jest kluczowe dla poprawy wyników klinicznych.
- To badanie wykorzystuje model szczura, aby skutecznie zbadać te mechanizmy.
Cel badania
- Ustanowienie reproduktybilnego protokołu do indukcji osteogenezy dystrakcyjnej kości udowej.
- Ocenienie funkcjonalnych aspektów regeneracji kości w kontrolowanym środowisku.
- Dostarczenie informacji na temat okresu konsolidacji i mechanizmów naprawy kości.
Zastosowane metody
- Zastosowanie nowo opracowanego fiksatora zewnętrznego do OD.
- Zaangażowanie 12-tygodkowego samca modelu szczura Sprague Dawley.
- Demonstracja procedury przez lektora z uczelni farmaceutycznej.
- Ocena pooperacyjnych zdolności do obciążania.
Główne wyniki
- Protokół umożliwia skuteczne wywołanie osteogenezy dystrakcyjnej.
- Po usunięciu fiksatora zewnętrznego osiąga się fizjologiczne obciążenie.
- Zapewniono stabilne środowisko dla optymalnej regeneracji kości.
- Potencjalne zastosowania w wydłużaniu kończyn i naprawie wad kości.
Wnioski
- Ta technika jest cennym narzędziem do badania regeneracji kości.
- Może prowadzić do postępów w medycynie osteogenezy.
- Dalsze badania mogą zbadać jej zastosowania w środowisku klinicznym.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
This protocol establishes a reproducible model for functional bone regeneration in rats, enabling preclinical evaluation of bone healing mechanisms and therapeutic interventions. By achieving physiological weight-bearing post-fixator removal, it provides a physiologically relevant system for assessing bone quality and structural integrity. The method supports target validation in osteoanabolic pathways and mechanistic de-risking of bone repair strategies prior to translational investment.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses in bone regeneration by providing a controlled in vivo model to assess callus formation and cortical bridging.
- Operational Value: Offers standardized surgical and distraction parameters that reduce variability in preclinical bone healing studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative endpoints such as micro-CT-derived bone volume, mineral density, and cortical continuity for assay readouts.
- Operational Value: Supports development of reproducible imaging and biomechanical assays to evaluate compound effects on bone regeneration.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Models clinically relevant distraction osteogenesis for studying consolidation period shortening and bone defect repair.
- Operational Value: Provides a preclinical platform to test growth factors, biomaterials, or mechanical stimuli in a weight-bearing competent system.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical efficacy testing, particularly for bone anabolic agents and regenerative therapies.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on molecular pathways involved in osteoblast activation and angiogenesis during distraction.
- Screening: Enables standardized preparation of bone regeneration models for high-fidelity compound screening.
- Analytics: Delivers quantitative micro-CT and biomechanical outputs that support cross-condition comparison and dose-response modeling.
- Translational Research: Aligns with clinical distraction osteogenesis applications, supporting preclinical continuity for limb lengthening and bone defect repair strategies.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable surgical and postoperative workflow for multi-program evaluation of bone-healing therapeutics.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in bone regeneration outcomes through reproducible functional regeneration and weight-bearing capacity.
- Operational Value: Delivers a standardized, rigid external fixator system that improves surgical reproducibility across sites and operators.
- Strategic Value: Reduces late-stage attrition by enabling early functional assessment of bone quality in preclinical models.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted go/no-go decisions for osteoanabolic programs based on structural and functional bone endpoints.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rodent orthopedic surgery, microsuturing, and external fixator application.
- Depends on access to precision drilling tools, half-threaded pins, and imaging equipment for pin alignment verification.
- Necessitates standardized postoperative monitoring and distraction scheduling to ensure consistent regeneration outcomes.
- Involves adaptation considerations when translating pin placement and distraction rates to other skeletal sites or species.
- Limited by the need for aseptic technique and prolonged postoperative care to prevent fixation failure or infection.
