Установка имплантатов в модель крысы является важной экспериментальной процедурой для клинических исследований. В этом исследовании представлен комплексный хирургический протокол имплантации титановых имплантатов в большеберцовую кость моделей крыс с диабетом и остеопорозом.
Методическая статья
Методика хирургической имплантации костной ткани на моделях сахарного диабета и остеопороза большеберцовой кости крыс
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Крыса долгое время служила ценным животным образцом в имплантологии и ортопедии, особенно в изучении взаимодействия между биоматериалами и костной тканью. Большеберцовую кость крысы часто выбирают из-за ее легкого хирургического доступа через тонкие слои тканей (кожи и мышц) и уплощенной формы медиальной поверхности, облегчающей хирургическое введение внутрикостных устройств. Кроме того, эта модель позволяет вызывать определенные заболевания, имитируя различные клинические условия, для оценки биологических реакций на различные условия имплантата, такие как геометрия, текстура поверхности или биологические сигналы. Однако, несмотря на прочную кортикальную структуру, некоторые внутрикостные устройства могут потребовать адаптации конструкции и размера для успешной имплантации. Таким образом, создание стандартизированных хирургических методов для манипулирования как мягкими, так и твердыми тканями в области имплантации имеет важное значение для обеспечения правильной установки имплантата или винтового устройства, особенно в таких областях, как имплантология и ортопедия. В этом исследовании приняли участие восемьдесят крыс Sprague Dawley, разделенных на две группы в зависимости от их соответствующих заболеваний: группа 1 с остеопорозом и группа 2 с диабетом 2 типа. Имплантация проводилась через 4 недели и 12 недель, с одним и тем же хирургом, который следовал последовательной хирургической технике. Наблюдался положительный биологический ответ, свидетельствующий о полной остеоинтеграции всех установленных имплантатов. Эти результаты подтверждают успех хирургического протокола, который может быть воспроизведен для других исследований и служить ориентиром для сообщества биоматериалов. Примечательно, что значения остеоинтеграции оставались стабильными как на 4-й, так и на 12-й неделях для обеих моделей заболевания, демонстрируя прочную интеграцию имплантата с течением времени и подчеркивая установление тесного костного соединения уже через 4 недели.
Введение
Общий выбор крыс в качестве подопытных обусловлен тем, что их легко разводить и они относительно недороги по сравнению с более крупными животными моделями. Появление новых процедур, таких как надежное воспроизведение расстройства, например, остеопороза или диабета, делает эту модель особенно полезной для анализа потенциального использования методов лечения и/или влияния заболевания на биологическую реакцию на лекарства и хирургические устройстваили процедуры.
Набор костной массы у крысы происходит в основном в течение первых 6 месяцев жизни, хотя некоторые исследователи считают, что длинная кость постоянно растет в течение как минимум года с постепеннымувеличением длины. С возрастом происходит переход от моделирования к ремоделированию, который происходит не во всех случаях одинаково по всемкостям2. Самки крыс Sprague Dawley растут медленнее, чем самцы крыс, и достигают более низкого пика веса, чем самцы крыс1. Непрерывное удлинение кости и разнообразная динамика ремоделирования кости у крыс являются факторами, которые необходимо учитывать при решении проблем со здоровьем человека; Тем не менее, до сих пор не удалось найти ни одного экспериментального исследования, которое показало бы либо пожизненное развитие костей крыс, либо неспособность вида к ремоделированиюкостей. Если эксперименты начинаются в возрасте около 10 месяцев, то из-за этого продольного роста кости следует оставить нетронутым отступ не менее 1 мм от ростовой пластинки большеберцовой кости, что следует учитыватьпри исследованиях зубных имплантатов. Гормоны также являются ключевым параметром в исследованиях костей, поскольку в возрасте 8 месяцев было обнаружено, что самцы крыс имеют на 22% большую ширину кости и на 33% большую прочность на разрыв, чем самки в большеберцовой кости3.
Таким образом, надежное воспроизведение заболевания очень важно в ортопедии и имплантологии, поскольку остеоинтеграция ортопедического винта или зубного имплантата является сложным процессом, который зависит от множества факторов, влияющих на системную реакцию на имплантацию устройства в кость. Известно, что системные заболевания, такие как остеопороз и диабет, влияют на успешность в ортопедии и имплантологии, поэтому надежное воспроизведение этих заболеваний на крысах может быть применено для изучения способов преодоления этих ограничений.
Большеберцовая кость крысы, благодаря легкому хирургическому доступу, умеренному объему кости и плоской форме медиальной пластины, делает ее пригодной для хирургических экспериментов по имплантации кости 4,5, и она использовалась в многочисленных исследованиях, изучающих влияние поверхности имплантата на остеоинтеграцию 4,5,6. Все большее число исследований оценивают влияние на остеоинтеграцию покрытий и веществ, добавляемых на поверхность имплантата, как у здоровых животных7, так и у животных с ослабленным здоровьем, страдающих диабетом или остеопорозом 8,9,10,11,12,13,14.
Количество имплантационных устройств, размещаемых в большеберцовой кости одной крысы, ограничено и может отличаться в зависимости от типа исследования. В зависимости от количества имплантатов или условий исследования, размеры устройств должны быть адаптированы таким образом, чтобы свести к минимуму хирургическую травматичность. В исследованиях с одним имплантатом может быть установлен имплантат размером почти с человека (2,0 мм в диаметре и от 4 до 5 мм в длину), а бикортикальная фиксация можетбыть достигнута 6,7,15,16. Размеры имплантатов в протоколах с несколькими имплантатами должны соответствовать размеру имплантата (1,5 мм в диаметре и 2,5 мм в длину)4,17.
Целью настоящего исследования является описание стандартизированного хирургического протокола установки титанового имплантата на большеберцовую кость двух моделей крыс: модели остеопороза и модели крысы с диабетом. Кроме того, данное исследование позволяет апробировать хирургический протокол для оценки различных типов биофункционализации поверхности имплантата и ее влияния на остеоинтеграцию.
Выборка из 80 крыс была разделена на две группы. В 1-ю группу были отобраны 40 овариэктомированных самок Sprague Dawley и 5 фиктивных животных со средним весом 484 г и средним возрастом 12 недель. Основываясь на рекомендациях поставщиков (см. Таблицу материалов), через три месяца после стерилизации эксперимент начался. Этот период ожидания обеспечил исчезновение половых гормонов. Остеопороз был подтвержден во время операции на основании анализа костей с помощью микрокомпьютерной томографии (микрокомпьютерной томографии), который показал потерю костной массы в среднем на 20% по сравнению с фиктивной группой. Группа 2 состояла из 40 генетически модифицированных крыс породы Sprague Dawley с сахарным диабетом II типа BBDR (Bio Breeding Diabetes Resistant). Средний вес составил 730 г, а средний возраст — 12 недель. Перед операцией диабетический статус был подтвержден тремя последовательными днями измерений уровня глюкозы с результатами выше 200 мг/дл. Глюкозу измеряли глюкометром через 6 ч натощак, а каплю крови собирали путем прокола хвоста.
Использовались титановые имплантаты Grade 3 размером 2 мм в длину и 1,8 мм в диаметре. Все имплантаты были стерилизованы в чистых помещениях путем ультразвуковой очистки в циклогексане (3 раза в течение 2 минут), ацетоне (один раз в течение 1 минуты), деионизированной воде (3 раза в течение 2 минут), этаноле (3 раза в течение 2 минут) и ацетоне (3 раза в течение 2 минут) с использованием ультразвуковой ванны (230 В переменного тока, 50/60 Гц, 360 Вт). Затем образцы высушивали газообразным азотом, и азотный пучок при давлении 0,5 бар подавался непосредственно на образцы. Перед имплантацией имплантаты сначала замачивали в деионизированной воде, а затем погружали в 70% этанол (v/v) на 10 минут. После этого имплантаты были перенесены в стерильные микроцентрифужные пробирки и содержались в стерильных условиях до операции.
Протокол
Все экспериментальные процедуры проводились в соответствии с Руководящими принципами Европейского сообщества по защите животных, используемых в научных целях (Директива 2010/63/ЕС), как это предусмотрено испанским законодательством (Королевский указ 53/2013) и правилами Женералитата Каталонии (Указ 214/97). Этическое одобрение для всех процедур и обращения с животными было получено от Комитета по этике экспериментов на животных Института исследований Валь д'Хеврон (регистрационный номер 72/18 CEEA). Для остеопоротической модели были использованы самки крыс Sprague Dawley со средним весом 484 г и средним возрастом 12 недель. Что касается диабетической модели, то были использованы генетически модифицированные самки крыс BBDR (Bio Breeding Diabetes Resistant) со средним весом 730 г и средним возрастом 12 недель. Все животные были получены от коммерческого поставщика. Конкретные сведения о животных, реагентах и оборудовании, использованных в исследовании, приведены в Таблице материалов.
1. Анестезиология/фармакология и подготовка животных
- За 10-15 мин до начала хирургического вмешательства проводят предоперационное обезболивание бупренорфином в дозе 0,05 мг/кг и мелоксикамом в дозе 2 мг/кг.
- Проводят внутриоперационную анестезию ингаляционным изофлураном: начинают при 5% на свежем воздухе во время индукции и поддерживают на уровне 3%. Вызывайте анестезию в камере крыс и поддерживайте запас изофлурана с конической адаптацией носа во время операции.
2. Подготовка к операции
- Измерьте температуру тела животного, находящегося под наркозом, с помощью ректального зонда и используйте грелку с электронным управлением для тепловой поддержки на протяжении всей хирургической процедуры. Глазная мазь должна быть нанесена до начала операции, чтобы избежать сухости роговицы.
ПРИМЕЧАНИЕ: При необходимости мазь необходимо нанести повторно после проверки сухости глаз. - Подстригите волосы с помощью электробритвы и нанесите крем для удаления волос, чтобы удалить остатки шерсти.
- Получите асептическое хирургическое поле путем очистки кожи колена йодом и 70% (v/v) этанола с помощью стерильных тампонов, начиная изнутри и продвигаясь наружу по линии разреза без повторной коррекции. Выполните не менее трех последовательных оборотов очистки (йод-этанол-йод).
- Изолируйте операционное поле, поместив над животным стерильную фенестрированную хирургическую простыню, обнажая ногу через центральное отверстие (рис. 1).
3. Хирургия
- Хирургическое воздействие
- Сделайте разрез кожи на всю толщину примерно 1 см в длину по вертикали вдоль проксимальной границы переднемедиальной поверхности большеберцовой кости, в области метафиза, чтобы обнажить кость (рис. 2).
- Стабилизируйте ногу и натяните кожу к нижележащей кости во время разреза, делая разрез, следя за тем, чтобы чистый разрез оставался в правильном месте. Справьтесь с этим, устранив ожидаемое легкое кровотечение с помощью компресса, смоченного в физрастворе (Рисунок 2).
ПРИМЕЧАНИЕ: Кожа крысы тонкая и дряблая или дряблая. Стабилизация кожи имеет решающее значение и необходима. - Полностью отделите ткань от кости с помощью небольших надкостничных элеваторов (Рисунок 3).
- Обнажайте кость до тех пор, пока не будет выявлено прикрепление черепной мышцы большеберцовой кости, грацилиса и икроножной мышцы головы в задней границе медиальной части большеберцовой кости в виде волокнистой белой ткани, прочно прилегающей к кости (рисунок 3).
ПРИМЕЧАНИЕ: Важно идентифицировать эту группу мышечных вставок, чтобы имплантат можно было разместить в костной области с одинаковыми характеристиками и стимулами по всему образцу, независимо от размера крысы.
- Процесс бурения
- Начните процесс сверления в правильной области между проксимальным гребнем большеберцовой кости и задней границей медиальной поверхности большеберцовой кости, рядом с прикреплением черепной мышцы большеберцовой кости, грацилиса и латеральной мышцы головы икроножной мышцы, избегая травмирования мышц.1
ПРИМЕЧАНИЕ: Правильное расположение должно быть на расстоянии 5 мм ± 2 мм от плато большеберцовой кости. - Сверло с максимальной скоростью 150 об/мин (оборотов/мин) при орошении солевым раствором при температуре близкой к 20 °C с хирургическим электродвигателем с углом редукции 20:1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Потребовалось всего два упражнения. - Начните с пилотной буровой установки (Рисунок 4) на глубине 2,4 мм под орошением солевым раствором.
ПРИМЕЧАНИЕ: Каждая дрель имела максимум 10 использований. - В качестве второго сверла используйте (Рисунок 4) спиральное сверло глубиной 2,4 мм и диаметром 1,6 мм под солевым раствором.
ПРИМЕЧАНИЕ: Каждая дрель имела максимум 10 использований.
- Начните процесс сверления в правильной области между проксимальным гребнем большеберцовой кости и задней границей медиальной поверхности большеберцовой кости, рядом с прикреплением черепной мышцы большеберцовой кости, грацилиса и латеральной мышцы головы икроножной мышцы, избегая травмирования мышц.1
- Установка имплантатов
- Вставьте имплантат с промежуточным элементом (Рисунок 5), прикрепленным к угловому уменьшению 20:1.
- Перед установкой имплантата очистите имплантат от остатков химического стерилизатора, повернув его в противоположном углу с одновременным орошением солевым раствором в течение 10 с (рис. 5).
- Установите титановый имплантат (2 мм в длину и 1,8 мм в диаметре) с помощью промежуточного элемента со скоростью 20 об/мин, контролируя значение крутящего момента в режиме реального времени, регистрируя максимальный момент введения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Первоначальные трудности при установке имплантата ожидаются из-за разницы между конечным сверлом и имплантатом, а также цилиндрического профиля имплантата; Однако эта начальная сложность быстро нормализуется, как только имплантат проникает в начальную кортикальную кость. - Завершайте установку имплантата до того, как он полностью пройдет через кортикальную кость, где он вставлен, то есть плоскую медиальную поверхность большеберцовой кости.
ПРИМЕЧАНИЕ: В последний момент установки имплантата важно оставить имплантат немного за пределами кортикальной кости или на уровне кортикальной кости, где он вставлен, то есть плоской медиальной поверхности большеберцовой кости, чтобы обеспечить первичную стабильность (Рисунок 6).
- Закрытие раны
- Сшивайте границы мышечной ткани простыми внутренними швами с помощью монофиламентного синтетического резорбируемого шовного материала 4/0 (гликонат) (Рисунок 7).
- Выполните закрытие кожи с помощью внутрикожного шва с использованием монофиламентного синтетического резорбируемого шовного материала 4/0 (гликонат) (Рисунок 7).
4. Микрокомпьютерная томография
- После завершения операции и все еще под общим наркозом проведите микрокомпьютерную томографию, чтобы подтвердить правильную установку имплантата.
- Снимите крысу с операционного ложа и положите ее на сканирующее станище. Определите местоположение прооперированной ноги с помощью режима сканирования микрокомпьютерной томографии в реальном времени и центрируйте поле зрения на имплантате.
ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуемые параметры сбора данных: поле зрения 5 мм, пространственное разрешение 0,0001 мм3, 50 кВ, 200 мкА и время сбора данных 3 мин. - После того, как сканирование будет получено, подтвердите правильное расстояние между проксимальной стороной имплантата и поверхностью плато большеберцовой кости в соответствии с шагом 5.2.1.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это значение будет полезно для стандартизации методики (Рисунок 8).
5. Послеоперационный уход
- После получения изображения верните крысу в клетку и наблюдайте за ней до полного выздоровления.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это занимает примерно 5-10 минут, в зависимости от модели животного. Ожидается, что крысы с диабетом будут дольше оставаться под наркозом и иметь более длительное время восстановления из-за метаболических изменений, связанных с диабетом. - Применяют бупренорфин (0,1 мг/кг) каждые 6-8 ч и мелоксикам (5 мг/кг) каждые 24 ч, подкожно, до 72 ч.
- Время снятия швов
- Ежедневно осматривайте операционную рану на предмет инфекции, целостности швов или других проблем, и при необходимости удалите остатки швов через 15 дней после операции.
6. Эвтаназия
- Усыпляйте животных с использованием камеры CO2 в соответствии с рекомендациями Национального института здравоохранения (NIH) с частотой заполнения CO2 30%-70% от объема камеры / мин после времени имплантации (4 недели или 12 недель).
7. Послеоперационный анализ
- При обеих моделях (остеопороз и диабет) после эвтаназии удаляют большеберцовую кость путем вычленения для дальнейшего анализа.
ПРИМЕЧАНИЕ: Что касается анализа микро-КТ, данные позволили рассчитать контакт кости с имплантатом (BIC). Сбор данных КТ проводили с использованием ранее описанных параметров, а анализ БИК проводили путем деления площади кости (мм2) на площадь имплантата (мм2), рассчитанную в кортикальной области, с адаптацией протокола, уже описанного в литературе18. Репрезентативные изображения показаны для каждой модели: остеопороза (рисунок 9) и диабета (рисунок 10).
Результаты
Хирургическая фаза
Важно отметить, что обе животные модели, использованные в этом исследовании, имеют определенные ограничения из-за индуцированных заболеваний. Эти ограничения, связанные с манипуляциями с твердыми и мягкими тканями, отражаются во время хирургической процедуры.
В диабетической модели крыса крупнее, что затрудняет стабилизацию ног во время хирургических процедур. Это увеличивает время операции и, следовательно, время анестезии, что требует более длительного времени восстановления и, следовательно, требует большей бдительности в послеоперационном периоде.
Что касается остеопоротической модели, то требования были совсем другими, будучи более концентрированными в момент манипуляций с костями. В этом случае можно наблюдать большее кровотечение во время процедуры сверления. Кроме того, усложняется процесс установки имплантатов. Могут возникнуть некоторые осложнения, такие как небольшие трещины в кости, изменяющие прогрессирование имплантата во время его установки и делающие его более нестабильным из-за отсутствия костного сопротивления на боковых стенках имплантата. Это ограничение требует большего ручного давления и стабилизации во время установки, что затрудняет контроль до тех пор, пока не будет достигнуто правильное положение имплантата.
Что касается максимального момента установки имплантата, то для этих двух заболеваний наблюдались относительно разные значения (табл. 1). В целом, максимальный средний момент введения, наблюдаемый для остеопоротической модели, был выше, чем для диабетической модели. С этими результатами интересно понять, какое влияние диабет оказывает на плотность костной ткани и устойчивость кости к установке имплантатов, поскольку это состояние, по-видимому, оказывает более серьезное влияние на механические свойства кости по сравнению с остеопорозом.
Послеоперационный анализ
Адекватное размещение титановых имплантатов через 4 недели и 12 недель после имплантации было проанализировано с помощью микрокомпьютерной томографии. Репрезентативные изображения представлены как для остеопоротических (рис. 9), так и для диабетических (рис. 10) крыс. В целом, имплантаты были правильно имплантированы через кортикальную и трабекулярную большеберцовую кость, демонстрируя тесный и непрерывный контакт с кортикальной частью, и без каких-либо признаков воспаления или побочных реакций, что доказывает успех хирургического протокола для обеих моделей патологии.
В совокупности анализ изображений также позволил рассчитать соотношение площади кости (мм2) и площади имплантата (мм2), называемой V(BIC), в кортикальной области, а также сравнить эффективность хирургической процедуры с течением времени и в рамках моделей. Как показано на рисунке 11, значения V(BIC) оставались постоянными для остеопоротической модели через 4 недели и 12 недель, что указывает на стабильную интеграцию имплантата с течением времени и подчеркивает, что тесная связь с костью обеспечивается уже через 4 недели. Следует отметить, что для диабетической модели были получены очень схожие значения, что свидетельствует об адекватности протокола исследования для обеих моделей патологии.
Рисунок 1: Операционное поле. Операционное поле, показывающее правильное положение крысы и обнажение области, на которую будет произведено вмешательство, адаптация конического адаптера к дыхательным путям для поддержания анестезии во время процедуры, а также инструменты, необходимые для вмешательства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 2: Хирургический разрез. Правильная стабилизация лапы крысы и, одновременно, фиксация тонкой подвижной кожи для получения правильного разреза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 3: Обнажение костей и прикрепление мышц Идентификация. Левая сторона: полная отслойка тканей с последующим обнажением кости. Чтобы сохранить и избежать повреждения прикрепления черепной мышцы большеберцовой кости, грацилиса и боковых мышц головы икроножной мышцы, важно правильно определить фиброзную белую ткань, прочно прилегающую к кости, что видно на рисунке с правой стороны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 4: Последовательность сверления. Последовательность процесса сверления начинается с контрольного сверла с копьем слева, за которым следует спиральное сверло справа. Чтобы обеспечить стабильную и безопасную процедуру сверления, важно поддерживать стабильность как ноги, так и мягких тканей во время сверления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Иллюстрация 5: Подготовка к установке имплантата. Имплантат вставляется на промежуточную деталь, которая подвергается процессу очистки физиологическим раствором, в то время как имплантат вращается со скоростью 20 оборотов в минуту. Эта промежуточная часть позволяет вставлять имплантат в кость с помощью электронного устройства. Это устройство обеспечивает контроль скорости установки имплантата и регистрирует момент вставки в режиме реального времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Иллюстрация 6: Установка титанового имплантата. Размещение имплантата внутри кости требует его размещения на плоской поверхности медиальной кости, вдали от проксимальной границы передне-медиальной поверхности кости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 7: Закрытие раны. Этапы закрытия раны наблюдаются в 2 разных плоскостях. Слева: первая, более глубокая плоскость выполняется простыми стежками для приближения к краям мышечной ткани. Справа: вторая, более поверхностная плоскость проводится с помощью внутрикожного шва, чтобы приблизиться к коже при одновременном предотвращении нахождения узла в экстернализованном положении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 8: Микрокомпьютерная томография установки имплантата после хирургической процедуры. На рисунке показано положение крысы в сканере Micro-CT, а изображения положения имплантата разделены на три секции, соответствующие x-, y- и z-видам соответственно. В разных проекциях имплантат обозначен красной стрелкой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 9: Микрокомпьютерная томография имплантата, помещенного в большеберцовую кость остеопоротической крысы. Репрезентативные послеоперационные микрокомпьютерные изображения титановых имплантатов, установленных в большеберцовых костях остеопоротических крыс через (А) 4 недели и (В) 12 недель имплантации. Каждое изображение разделено на три раздела, соответствующих x-, y- и z-представлениям соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Рисунок 10: Микрокомпьютерная томография имплантата, помещенного в большеберцовую кость крысы с диабетом. Репрезентативные послеоперационные микрокомпьютерные изображения титановых имплантатов, установленных в большеберцовых костях остеопоротических крыс через (А) 4 недели и (В) 12 недель имплантации. Каждое изображение разделено на три раздела, соответствующих x-, y- и z-представлениям соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
Иллюстрация 11: Анализ контакта кости и имплантата (BIC). Значения V(BIC) рассчитаны как площадь кости (мм2) * 100 / площадь имплантата (мм2) по изображениям микрокомпьютерной томографии для остеопоротических (Osteo) и диабетических (Diab) моделей через 4 недели (4 Вт) и 12 недель (12 Вт) после имплантации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
| Максимальный крутящий момент при установке имплантата [Н·см] | ||
| Модель | Правая нога | Левая нога |
| Остеопороз | 6,11 ± 0,96 | 6.49 ± 1.34 |
| Диабет | 4.79 ± 1.70 | 4.90 ± 1.76 |
Таблица 1: Максимальный момент затяжки. Различия в максимальных значениях крутящего момента, полученных при введении имплантата, между крысами с диабетом и крысами с остеопорозом. У крыс с диабетом максимальные значения крутящего момента ниже, чем у крыс с остеопорозом.
Обсуждение
Несмотря на то, что крыса является широко используемой моделью для изучения остеоинтеграции, важно определить и описать воспроизводимую хирургическую технику для адекватной установки имплантатов. Такая методика могла бы послужить руководством для научного сообщества. Более того, тот факт, что некоторые заболевания, такие как остеопороз и диабет, изменяют метаболизм костей, требует более строгого планирования хирургических процедур. Крыса выгодно отличается от других животных моделей, поскольку она демонстрирует основные признаки как остеопороза (спонтанные переломы и переломы с низким уровнем воздействия), так и диабета и ожирения, вызванного диетой, не требуя дорогостоящего специализированного оборудования и длительных, дорогостоящих экспериментов, а также послеоперационного контроляи обслуживания. Небольшой размер, высокая плодовитость и короткий срок жизни крысы способствуют проведению крупномасштабных, эффективных по времени экспериментов, удовлетворяя трем требованиям R экспериментов на животных (замена, сокращение и уточнение)20.
Несмотря на значительное количество научной литературы в этой области, существует всего несколько научных статей, описывающих подробные хирургические техники. Тем не менее, подавляющее большинство опускает важную хирургическую информацию, тем самым препятствуя возможности повторения описанных методов.
В этом хирургическом протоколе необходимо учитывать несколько важных этапов на протяжении всей хирургической процедуры, таких как расположение разреза, точное место для сверления и установки имплантата, техника сверления, точные размеры имплантата и окончательное сверло, используемое для установки имплантата.
В литературе точное местоположение разреза часто неточно, так как отсутствует научная основа для его размещения. Разрез должен быть сделан в области, отличной от области установки имплантата. Важно избегать размещения разреза и последующего шва непосредственно над имплантируемой областью, чтобы сохранить целостность надкостницы, отделенной над имплантатом. Разрез и первоначальная отслойка лоскута на всю толщину может нарушить кровоснабжение и повредить надкостницу, что потенциально может привести к нарушению активности надкостничных клеток во время формирования новой кости, как это наблюдалось в других исследованиях21. Этот подход направлен на оптимизацию формирования кости вокруг имплантата и минимизацию травмы, плохого заживления, фиброза или риска бактериальной колонизации в области швов. При этом методе разрез детализируется и делается в проксимальном гребне большеберцовой кости, что гарантирует, что он не находится непосредственно над местом установки имплантата.
При определении области для установки имплантата крайне важно обеспечить равномерную плотность костной ткани по всему образцу. Как правило, измерения привязываются к плато большеберцовой кости. Учитывая продольные различия в размерах у крыс, необходим анатомический эталон для последовательного размещения имплантатов в одной и той же области. При этом методе область, прилегающая к прикреплению черепно-большеберцовой кости, грацилиса и икроножной мышцы боковой части головы , служит надежным анатомическим ориентиром. Ожидается, что эта область, характеризующаяся мышечными вставками, будет демонстрировать однородную плотность кости по всему образцу.
При обсуждении метода сверления крайне важно предоставить точную информацию о типе/размерах сверла, скорости сверления (обычно измеряемой в оборотах в минуту) и температуре солевого раствора. Эти факторы имеют важное значение для предотвращения обширной некротической области и последующего образования фиброзной ткани22,23, как подчеркивается в нескольких исследованиях, посвященных некротическим реакциям, вызванным сверлением. Тем не менее, некоторые статьи превышают эти биологические пределы24 в своих методах бурения, в то время как другие полностью опускают эту важную информацию 4,25,26,27,28. В этом исследовании подчеркивается тщательность мер предосторожности, принимаемых во время сверлильных процедур для уменьшения хирургической травмы и некроза тканей. Мы выбрали безопасную процедуру сверления со скоростью, ограниченной 150 об/мин, что считается безопасным с точки зрения температуры костей даже без физиологического раствора. Такой подход эффективен с точки зрения скорости сверления и позволяет обеспечить хороший контроль сверла во время процедуры 29,30. Кроме того, мы поддерживали орошение и охлаждение с помощью солевого раствора при температуре около 20 °C, чтобы еще больше смягчить любые потенциальные тепловые эффекты.
Еще одна важная информация, которую часто опускают, — это размер используемого имплантата. Это упущение делает невозможным интерпретацию взаимосвязи между размером конечного сверла и размером имплантата. Это расхождение имеет решающее значение при оценке стабильности имплантата, что при дефиците может привести к нестабильности, в то время как при избытке оно может вызвать избыточное давление и ишемическую некротическую реакцию.
Важно отметить, что для достижения первичной стабильности должна быть небольшая разница в диаметре между конечным сверлом и имплантатом, при этом диаметр имплантата должен быть немного больше. Этот критический хирургический параметр для достижения первичной стабильности не всегда согласуется в литературе, поскольку некоторые методологии предусматривают окончательное сверло большего диаметра, чем установленный имплантат4. Учитывая, что эта область характеризуется мышечными вставками, ожидается однородная и прочная плотность костной ткани по всему образцу. Эта характеристика помогает избежать основного ограничения, о котором сообщалось при вмешательствах на большеберцовой кости крыс, а именно продольного роста большеберцовойкости с течением времени. Кроме того, этот метод позволяет контролировать температуру, устраняя одну из причин осложнений и последующей заболеваемости23. Однако, как и в других исследованиях, в этом исследовании также есть ограничение, связанное с необходимостью адаптации устройства из-за различий в размере большеберцовой кости 4,17.
Еще одна проблема, связанная с количеством используемых животных, заключается в важности выбора подходящего размера выборки. Это имеет решающее значение для максимизации влияния результатов исследований при минимизации использования животных. Такая стратегия не только повышает эффективность и надежность исследований, но и подчеркивает этические соображения в научных исследованиях. Необходимо прилагать постоянные усилия для оптимизации этой эффективности.
Таким образом, данный метод дает подробное описание всех хирургических процедур и позволяет наблюдать за различными хирургическими проблемами при обоих заболеваниях. Кроме того, этот протокол выделяется как валидный метод, поскольку все образцы при непосредственном контакте с костью достигали стабильных значений V(BIC). Тем не менее, он отличается от большинства экспериментальных исследований в литературе тем, что представляет подробную и обоснованную методику, что позволяет точно воспроизвести ее. Следовательно, его можно использовать для изучения влияния различных поверхностей имплантатов при различных заболеваниях, в том числе влияющих на плотность кости.
Раскрытие информации
Настоящим мы заявляем, что в отношении данной научной статьи нет конфликта интересов.
Благодарности
Авторы благодарят Государственное исследовательское агентство Испании за финансовую поддержку в рамках проектов PID2020-114019RBI00 и PID2021-125150OB-I00.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Иглы 22 G+A2:C30 | Terumo | NN-2238R | |
| 4/0 монофиламент синтетический резорбируемый шовный материал | Braun (MonoSyn) | ||
| 5 мл, шприцы 10 мл | Braun | 4617100V-02 4606051V | |
| Щипцы Адсона | Antã o Медицинская | ссылка: A586 | |
| BBDR ( Биоселекция устойчива к диабету ) Sprague Dawley Rats | Janvier Labs | ||
| Betadine | Mylan | ||
| Buprecare | Animalcare (UK) | ||
| Штангенциркуль Castroviejo 0-40 мм 15 см угловой | UL AMIN Industries | ||
| Castroviejo Иглодержатель | Antã o Медицинская | ссылка: AM1702 | |
| Ножницы для стоматологической хирургии изогнутые и прямые | Antã o Медицинская | электробритва AMA603 / AMA600 | |
| Oster | Pro 3000i | 34264482227 | |
| щипцами Extra Fine Graefe | F.S.T | Ref: 11150-10 | |
| Марлевые салфетки | COVIDIEN | 441001 | |
| Глюкометр | Menarini (Италия) | ||
| Геликоидальная дрель / OSTEO-PIN DRILL & Oslash; 1,6 мм | soadco | Ref. OS-8001 | |
| Имплантаты / SCREW OSTEO-PIN ø 1,8 x 2,0 мм | soadco | Ref. OS-3 | |
| Isoflo | Le Vet Pharma (Нидерланды) | ||
| Пилотная дрель / Lanceolate Drill (DS) | soadco | Ref. 10 02 01 T | |
| Латексные перчатки - Хирургические перчатки стерильные | Hartmann | Ref: 9426495 | |
| Lucas Surgical | Curette Antã o Медицина | Ref: AMA940-3 | |
| Metacam | Boehringer Ingelheim (Германия) | ||
| Микрощипцы прямо | nopa | Ref: AB 542/12 | |
| Micro-CT ( Quantum Fx microCT ) | Perkin Elmer (US) | ||
| Остеопоротический Sprague Dawley самки Крысы | Janvier Labs | ||
| Periobelt elevator - Линька 2-4 | Antã o Медицина | Ref: A1564 | |
| Физиологическое решение для ирригации | Hygitech | Ref:10238 | |
| Лезвие скальпеля углеродистая сталь 15C | Razor Med | Ref: 02846 | |
| Стерильные марлевые тампоны | Alledental | Ref: 270712 | |
| Стерильная ирригационная система | Hygitech | Ref:HY1-110001D | |
| Стерильные полотенца (1 штука на животное) | Dinarex | 4410 | |
| Хирургический угловой наконечник | с H | Артикул: WS-75 LED G | |
| Хирургический угловой наконечник | W& H | SN 08877 | |
| Хирургический угловой наконечник | W& H | SN 01309 | |
| Хирургический электродвигатель | WH Implantmed Тип: SI-1023 | N°: 30288000 | |
| Ручка хирургического скальпеля | AsaDental | Арт.: 0350-3 | |
| Зажимы для полотенец | Xelpov хирургический | AF-773-11 | |
| Ультразвуковой аппарат | J.P. Selecta, Abrera, Испания |
Ссылки
- Turner, R. T., et al. Animal models for osteoporosis. Rev Endocr Metab Disord. 2 (1), 117-127 (2001).
- Jee, W. S., Yao, W. Overview: Animal models of osteopenia and osteoporosis. J Musculoskelet Neuronal Interact. 1 (3), 193-207 (2001).
- Kim, B. T., et al. The structural and hormonal basis of sex differences in peak appendicular bone strength in rats. J Bone Miner Res. 18 (1), 150-155 (2003).
- Alenezi, A., Galli, S., Atefyekta, S., Andersson, M., Wennerberg, A. Osseointegration effects of local release of strontium ranelate from implant surfaces in rats. J Mater Sci Mater Med. 30 (10), 116(2019).
- Blanc-Sylvestre, N., Bouchard, P., Chaussain, C., Bardet, C. Pre-clinical models in implant dentistry: Past, present, future. Biomedicines. 9 (11), 1538(2021).
- Schliephake, H., et al. Functionalization of titanium implants using a modular system for binding and release of VEGF enhances bone-implant contact in a rodent model. J Clin Periodontol. 42 (3), 302-310 (2015).
- Mafra, C. E. S., et al. Effect of different doses of synthetic parathyroid hormone (1-34) on bone around implants: A preclinical rat model. Braz Dent J. 30 (1), 43-46 (2019).
- Rybaczek, T., Tangl, S., Dobsak, T., Gruber, R., Kuchler, U. The effect of parathyroid hormone on osseointegration in insulin-treated diabetic rats. Implant Dent. 24 (4), 392-396 (2015).
- Zou, G. K., et al. Effects of local delivery of bfgf from plga microspheres on osseointegration around implants in diabetic rats. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol. 114 (3), 284-289 (2012).
- Zhang, J., et al. Effect of nerve growth factor on osseointegration of titanium implants in type 2 diabetic rats. Int J Oral Maxillofac Implants. 31 (5), 1189-1194 (2016).
- Kuchler, U., et al. Intermittent parathyroid hormone fails to stimulate osseointegration in diabetic rats. Clin Oral Implants Res. 22 (5), 518-523 (2011).
- Hashiguchi, C., Kawamoto, S., Kasai, T., Nishi, Y., Nagaoka, E. Influence of an antidiabetic drug on biomechanical and histological parameters around implants in type 2 diabetic rats. Implant Dent. 23 (3), 264-269 (2014).
- Han, Y., et al. Sustained topical delivery of insulin from fibrin gel loaded with poly(lactic-co-glycolic acid) microspheres improves the biomechanical retention of titanium implants in type 1 diabetic rats. J Oral Maxillofac Surg. 70 (10), 2299-2308 (2012).
- De Molon, R. S., et al. Impact of diabetes mellitus and metabolic control on bone healing around osseointegrated implants: Removal torque and histomorphometric analysis in rats. Clin Oral Implants Res. 24 (7), 831-837 (2013).
- Simon, M. M., et al. A comparative phenotypic and genomic analysis of c57bl/6j and c57bl/6n mouse strains. Genome Biol. 14 (7), R82(2013).
- Cirano, F. R., et al. Effect of curcumin on bone tissue in the diabetic rat: Repair of peri-implant and critical-sized defects. Int J Oral Maxillofac Surg. 47 (11), 1495-1503 (2018).
- De Oliveira, M. A., et al. The effects of zoledronic acid and dexamethasone on osseointegration of endosseous implants: Histological and histomorphometrical evaluation in rats. Clin Oral Implants Res. 26 (4), e17-e21 (2015).
- Vandeweghe, S., Coelho, P. G., Vanhove, C., Wennerberg, A., Jimbo, R. Utilizing micro-computed tomography to evaluate bone structure surrounding dental implants: A comparison with histomorphometry. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 101 (7), 1259-1266 (2013).
- Kleinert, M., et al. Animal models of obesity and diabetes mellitus. Nat Rev Endocrinol. 14 (3), 140-162 (2018).
- Grimm, H., et al. Advancing the 3Rs: Innovation, implementation, ethics and society. Front Vet Sci. 10, 1185706(2023).
- Melcher, A. H. Role of the periosteum in repair of wounds of the parietal bone of the rat. Arch Oral Biol. 14 (9), 1101-1109 (1969).
- Barrak, I., et al. Heat generation during guided and freehand implant site preparation at drilling speeds of 1500 and 2000 rpm at different temperatures: An in vitro study. Oral Health Prev Dent. 17 (4), 309-316 (2019).
- Kniha, K., et al. Effect of thermal osteonecrosis around implants in the rat tibia: Numerical and histomorphometric results in context of implant removal. Sci Rep. 12 (1), 22227(2022).
- Da Silva, J. P., et al. Apoptosis in bone defect of diabetic rats treated with low intensity laser: Radiological and immunohistochemical approach. International Journal of Morphology. 35, 178-183 (2017).
- Zeller-Plumhoff, B., et al. Analysis of the bone ultrastructure around biodegradable Mg-χGd implants using small angle X-ray scattering and X-ray diffraction. Acta Biomater. 101, 637-645 (2020).
- Bruns, S., et al. On the material dependency of peri-implant morphology and stability in healing bone. Bioact Mater. 28, 155-166 (2023).
- De Morais, J. A., et al. Effect of diabetes mellitus and insulin therapy on bone density around osseointegrated dental implants: A digital subtraction radiography study in rats. Clin Oral Implants Res. 20 (8), 796-801 (2009).
- Aydemir Celep, N., Kara, H., Erbas, E., Dogan, E. Radioprotective role of amifostine on osteointegration of titanium implants in the tibia of rats. J Vet Sci. 24 (3), 35(2023).
- Delgado-Ruiz, R. A., et al. Slow drilling speeds for single-drill implant bed preparation. Experimental in vitro study. Clin Oral Investig. 22 (1), 349-359 (2018).
- Abdel Motagly, M., El Khadem, A., Abdel Rassoul, M. Assessment of low-speed drilling without irrigation, versus convencionaldrilling with irrigation regarding heat generation and peri-implant marginal bone loss (randomised clinical trial). Alex Dent J. 46 (2), 33-38 (2021).
- Lelovas, P. P., Xanthos, T. T., Thoma, S. E., Lyritis, G. P., Dontas, I. A. The laboratory rat as an animal model for osteoporosis research. Comp Med. 58 (5), 424-430 (2008).
Перепечатки и разрешения
Теги
