Summary
Her presenterer vi en metode for å evaluere transpedikulære skruer ved hjelp av en in vivo porcine lumbale ryggradsmodell.
Abstract
Pedicle skruefiksering er gullstandarden for behandling av ryggsykdommer. Imidlertid har mange studier rapportert problemet med å løsne pedicle skruer etter spinal kirurgi, noe som er en alvorlig bekymring. For å løse dette problemet har forskjellige typer pedicle skruer blitt undersøkt for å identifisere de med god fikseringsstyrke og osseointegrasjon i ryggradsbenet. Den svære ryggraden er et godt alternativ for den menneskelige ryggraden i vurderingen av pedicle skruer på grunn av den anatomiske størrelsen, mekaniske egenskaper og kostnader. Selv om flere studier har rapportert at pedicle skruer er effektive i svinemodellen, har ingen studier beskrevet detaljerte protokoller for evaluering av en pedicle skrue ved hjelp av svinemodellen. Her beskriver vi en detaljert metode for evaluering av transpedikulære skruer ved hjelp av en in vivo porcine lumbale ryggradsmodell. De tekniske detaljer for anestesi, ryggraden kirurgi og høst gitt her vil legge til rette for evalueringen av tRanspedikulær skruefikseringsmodell.
Protocol
Den institusjonelle dyrepleie- og brukskomiteen ved Chonbuk National University godkjente denne studien. Behandling, bruk og håndtering av dyr fulgte alle retningslinjer og retningslinjer. Opprettholde operasjonsrommet ved 24 ° C.
1. Anestesi
- Akklimatiser miniatyr griser, i alderen 12 måneder, i den eksperimentelle enheten i minst en uke. Utfør en klinisk undersøkelse som måler respirasjonsfrekvensen, hjertefrekvensen og kroppstemperaturen. Ikke mate hver miniatyrgris i 12 timer før bedøvelsesprosedyren.
- Injiser atropin (0,05 mg / kg) og ketamin (20 mg / kg) / xylaxin (2 mg / kg) i den laterale livmorhalsmuskelområdet, bak øret, for premedikasjon.
- Etter sedasjon må du straks påføre et gummibånd rundt ørebunnen og rengjøre øret med aktuell alkohol.
- Plasser et over-nål plastkateter i ørevenen og fjern gummibåndet. Bekreft at kateteret er riktig plassert. InfluensaLegg kateteret med heparinisert saltvann og fest med tape.
- For endotracheal intubasjon, plasser miniatyrgrisen i brystrekrement. Ved hjelp av en assistent, hold pigens kjeve med en passende slynge og åpne munnen.
- Pass spissen av laryngoskop i faryngehulen for å forflytte epiglottisen fra den myke ganen. Bruk spissen av laryngoskopbladet til å synliggjøre vokalbåndene og før endotrachealrøret inn i luftrøret under utløpet.
- Føler for en fri luftvei for riktig intubasjon og kontroller brystet auskultasjon for åndedrettslyder i både venstre og høyre side av miniatyrgrisen.
- Fyll mansjett med passende volum av luft i endotrakealtrøret med luft ved hjelp av en 10 ml sprøyte og fest røret til snuten ved hjelp av tape.
- Gi en 2,0% konsentrasjon av isofluran, en inhalasjonsbedøvelse for langvarig anestesi, gjennom endotreneIndre intubasjonsrør. Test hornhinnen og palpebralrefleksene for å bekrefte bedøvelsen og bruk salve på øynene for å forhindre tørrhet.
- Overvåk kardiovaskulærsystemet, åndedrettssystemet og kroppstemperaturen under anestesi minst hvert 5. minutt til den lille piggen gjenoppretter.
- 30 min før ryggraden, bruk 30 mg / kg cefazolin IV sakte, 1. generasjon cephalosporin antibiotika.
- Administrer 5-10 ml / kg / time varm saltoppløsning (37 ° C) med en IV-linje for å opprettholde homostase og gi 50 μg / kg / min fentanyl til kontroll smerte.
- Etter ryggraden operasjon, utfør extubation når en sterk svelging refleks er tydelig.
- Ta miniatyrgrisen inn i et rom og skjør til det gjenoppretter fra anestesi. Gi mat og vann når miniatyrgrisen er fullt bevisst.
- Påfør 3 mg / kg enrofloxacin antibiotika med 4,4 mg / kg carprofen daglig for smertekontroll i løpet av de første 3 dagene.
- MoniTa grisen daglig til fjerning av suturene.
2. Ryggkirurgi
- Autoklaver transpedikulære skruer og bakre fikseringssystemer for sterilisering, etter produsentens retningslinjer.
- Barber baksiden av miniatyrgrisen, ca 10 cm fra midten til venstre eller høyre, ved hjelp av en barbermaskin mens grisen ligger i en liggende stilling. Rengjør huden med povidon-jodoppløsning og 70% alkohol.
- Lag en langsgående midtlinje snitt fra den andre spinous prosessen av lumbale ryggrad til den første median sacral crest ved hjelp av en skalpell. Dissect gjennom subkutan vev og fascia til spissen av spinous prosesser.
- Løft paraspinale muskler subperiosteally fra de underliggende laminae ved hjelp av en Cobb heis. Dissect langs spinous prosessen og laminat begrenset til fasett ledd.
- Åpne overfladisk cortex av inngangspunktet (som er bare dårligere enn brystprosessen fra L3Til L5 på begge sider) med en burr eller en rongeur.
- Sett styrestiften på et åpent sted, parallelt med den overlegne endeplaten og i en 20 ° vinkel mot spinnprosessen. Definer det ideelle utgangspunktet ved hjelp av C-arm eller bærbare røntgenstråler i rygg / rygg.
- Sett inn en pedicle sonde opp til 25 mm i henhold til røntgenstrålen. Bekreft den komplette intraosseøse banen ved hjelp av pedicle og body palpation ved hjelp av en pedicle lydenhet.
- Sett inn seks pedicle skruer i preparert pedicle av L3 til L5 til skruehodet er godt plassert. Pek sidedåpningen på implantathodet i ønsket retning og juster horisontalposisjonen med stangbanen.
- Sett inn to stenger i begge sider av pedicle skruehoder, henholdsvis. Sett i hylsen og mutter på pedicle skruehodet ved hjelp av et universelt håndtak.
- Stram mutteren løst med en rett socketnøkkel og stram mutteren fast med en dreiemomentnøkkel.
- Bekreft posisjonene oF pedicle skruene ved hjelp av bærbare røntgenstråler i rygg / anterior / lateral.
MERK: Vent på at miniatyrgrisen våkner opp og kontroller gangmønsteret og motorfunksjonen på bakbenet for å avgjøre om en skrue har blitt dårlig implantert. - Skyll operasjonsstedet med 3 liter normal saltvann ved hjelp av en sprøytepistol med pære med suging.
- Plasser en silikonavløp på operasjonsstedet og ta ut silikonetoppen. Lukk paraspinale muskler og subkutan bruk av 1,0 metriske absorberbare suturer. Lukk huden med 2,0 metriske, ikke-absorberbare nylon suturer.
- Desinfiser suturstedet med povidon-jod og påfør en dressing ved hjelp av sterilisert gasbind og tape.
3. Harvest Procedure
- Ved 12 uker postoperativt injiserer xylazin (2 mg / kg) og ketamin (10 mg / kg) i den laterale livmorhalsmuskelområdet, bak øret, for premedikasjon.
- Etter sedasjon, administrer 15 mg / kg KCl direkte inn i ørevenenKateter for eutanasi.
- Lag en langsgående midtlinje snitt ved den tidligere kirurgisk arrlesjon. Dissect det myke vev og paraspinal muskler.
- Utsett rotasjonsprosessen av lumbale spines, laminas, stenger, nøtter og transversale prosesser fra L3 til L5.
- Fjern mutrene med en turtallsnøkkel og stenger. Klipp L2-3-platen og L5-S1-platen med en oscillerende sag.
- Dissect begge sider av midten og fremre delen av L3-5 ryggraden med en Cobb heis og tårn tau. Etter høsting, hvis ryggraden ikke kan testes umiddelbart, pakk den inn i gasbind såpe med saltvann og oppbevar ved -20 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En detaljert protokoll for anestesi, kirurgi og høst for evaluering av transpedikulære skruer ved bruk av en in vivo porcine lumbale ryggradsmodell er beskrevet her. Denne protokollen er egnet for en rekke nedstrømsanalyser, inkludert mekanisk testing ( Figur 1 ), kvantitativ mikro-CT-evaluering ( figur 2 ) og histologi ( figur 3 ). Representativ mekanisk testing ( Figur 1 ) viser det gjennomsnittlige utvinnings torsjons toppmoment. Den representerer bindestyrken mellom pedicle skruen og benet ved hjelp av en mekanisk testmåler. Tre typer pedicle skruer ble evaluert: ubelagt, hydroksyapatitt (HA) -belagt og titanbelagt. Data ble samlet fra 14 pedicle skruer fra hver av de tre gruppene. Det gjennomsnittlige ekstraksjons-torsjons toppmoment var større i den titanbelagte pedikelskruegruppen.
Figur 2A ) viser at interessepunktet (det indre rommet av skruens full lengde) kan evalueres av et mikro-CT-program for analyse av beinet Volumfraksjon ( figur 2B1 ), beinoverflatetetthet ( figur 2B2 ) og spesifikk beinoverflate ( figur 2B3 ). Data ble samlet inn fra 4 pedicle skruer fra hver av de tre gruppene.
Et representativt histologisk bilde ( Figur 3 ) ble farget med Goldner-trichrom. Grensesnittet mellom pedicle skruen og beinet var observerbar. Den røde fargen indikerer fibrøst vev, mens den blå fargen indikerer bein. I uncoated pedicle skruer ble fibrøst vev observert ved grensesnittet mellom pedicle skruen og bein. Ny beinformasjon ble funnet ved grensesnittet mellom trådene i både HA- og titanbelagte pedicle skruer og ben. I tItanium-belagt pedicle skruegruppe, ble mellomromet mellom skruene og benet komprimert med bein ( figur 3 ).
Figur 1: Mekaniske analyser av pedicle skruer i Porcine Lumbar Spine. Det gjennomsnittlige utvinnings-torsjons toppmoment for bindestyrken mellom pedicle skruen og beinet ble målt med en mekanisk testmåler. Endret fra referanse 6 . Verdiene presenteres som gjennomsnittet ± SEM ( n = 14). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2. Histomorfologiske analyser av pedicle skruer i pOrcine Lumbar Spine. ( A ) Manuelle områder av interesse (ROI) ble satt med det indre rommet av skruens full lengde. ( B ) Beinvolumfraksjonen, ben overflate tetthet og spesifikt bein overflateareal ble målt med mikro-CT. Endret fra referanse 6 . Verdiene presenteres som gjennomsnittet ± SEM ( n = 4). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Histologiske analyser av pedicle skruer i Porcine Lumbar Spine. Goldner trichrome-farging (x1, x20 og x40) ble utført for å observere grensesnittet mellom pedicle skrueflate og beinet. Endret fra referanse 6 . Skalbjelke (svart) = 1 mm. Skalestang (whiTe) = 500 μm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Evalueringen av transpedikulære skruer i svinhinnen krever mye tid og krefter. For det første er miniatyrgrisen et stort dyr. For dyrepleie og anestesi trenger forskeren en spesialisert protokol. For det andre bør kirurgi opprettholde et miljø som ligner på human kirurgi. Formålet med å evaluere pedicle skruer i svin ryggraden er å utvikle en effektiv skrue som kan brukes på mennesker. For det tredje, evaluering av langsiktig stabilitet av transpedikulære skruer krever omtrent tre måneder etter ryggraden. Derfor må forskere innen pedicle skruefiksering standardisere protokollen ved å utføre nøyaktig planlegging. Selv om mange studier på pedicle skruer i ryggradsmodeller har blitt utført 9 , 10 , 11 , har ingen studier gitt en detaljert protokoll for evaluering av transpedikulære skruer ved bruk av en in vivo porcine lumbale sFuru modell.
Selv om en ideell modell for den menneskelige ryggraden ikke eksisterer, er den svinete ryggmodellen et alternativ på grunn av dette eksperimentets natur og den anatomiske størrelsen og mekaniske egenskaper til ryggraden. I tillegg er det relativt billig. McLain et al. 12 har sammenlignet morfometrien til den fjerde lumbale vertebraen fra humane, svin, sau, sauer og hunderprøver og konkluderte med at svinprøver viste flere fordeler i forhold til andre dyremodeller som en alternativ til menneskelig ryggrad. Videre er den quadruped ryggraden av svinemodellen i hovedsak lastet på samme måte som den for den menneskelige ryggraden 8 . Derfor brukes den svinete ryggraden som en alternativ modell til den menneskelige ryggraden for eksperimenter som involverer spinalfiksering og instrumenteringsteknikker.
I denne studien beskrev vi detaljert metode for anestesi, kirurgi og høsting iSvinpine L3-L5 for evaluering av pedicle skruefiksering. Mange studier har evaluert pedicle skruer etter flere nivå ryggraden operasjoner 7 , 13 , 14 . I mange tilfeller av human degenerativ sykdom utføres ryggradsoperasjoner gjennom en eller to ryggradsfusjoner. Dette betyr at to eller tre ryggradenivåer av pedicle skruer brukes til fiksering 15 . Mikro-CT for evaluering av beindannelse rundt pedicle skruer har et begrenset måleområde. I dette tilfellet brukte vi to kontrollskruer til L3 pedicles, to HA-belagte skruer for L4 pedicles og to titanbelagte skruer for L5 pedicles. Fordi de anatomiske dimensjonene til L3-L5 lumbelspinnene er nesten like 16 , er en sammenligning mellom L3-L5-skruer mer pålitelig enn en sammenligning mellom flere nivåskruer. Som et resultat, en to- eller tre-nivå fiksering av pedicle skruer i lommenAr ryggraden er mer hensiktsmessig i forhold til flere nivå fikseringer.
For nøyaktig å vurdere og sammenligne transpedikulære skruer, bør det tas hensyn til ett kritisk punkt: hver skrue skal ligge på en lignende stilling på vertebrallegemet. Imidlertid krever flertallet av protokoller for implantering av transpedikulære skruer i dyremodeller eksponering og forboring av rygghodens pedikler før du setter inn skruene 5 , 13 , 14 . På den annen side, Upasani et al . Foreslått en kirurgisk protokoll som inkluderer å bestemme posisjonen og størrelsen på pedicle skruene før kirurgi ved bruk av computertomografibilder av ryggraden 2 . Denne protokollen antyder innsetting av en styrestift ved inngangspunktet til pedicle skruen i lumbale ryggraden. Det er også foreslått å definere posisjonen til pedicle skruen ved hjelp av C-arm eller bærbare røntgenstrålerDenne protokollen. Videre kan ved hjelp av en pedicle-lydanordning bekreftes den komplette intraosseøse bane. Denne protokollen kan brukes til å bestemme riktig plassering av pedicle skruene slik at feilplasseringen av pedicle kan forhindres. Denne protokollen er basert på den menneskelige ryggkirurgi teknikken som brukes på vårt sykehus.
Denne metoden har noen begrensninger. Først ble operasjonen utført med en sunn svinemodell. Fordi hensikten med å evaluere pedicle skruer er å redusere komplikasjoner hos pasienter med osteoporose, bør denne protokollen brukes på osteoporotiske svinekjøttmodeller for å demonstrere effektiviteten av pedicle skruene. For det andre krever den svinete ryggmodellen kjøp og bolig av, så vel som det kirurgiske utstyret til griser. Dette kan øke kostnaden, og dermed begrense antallet dyr som kan brukes i hver studiegruppe. For det tredje inkluderte denne studien bare 12 måneder gamle miniatyrgriser fordi de var eAsy å anskaffe og håndtere. I tillegg, selv om det finnes flere typer enheter for ryggradsfiksering, ble det bare brukt en protokoll som bruker et stivt fikseringssystem, fordi det er den mest brukte i ryggraden.
Som konklusjon gir en porcine modell av pedicle skruefiksering en viktig klinisk plattform for å undersøke effektive fikseringsteknikker som forårsaker færre komplikasjoner hos pasienter med osteoporose. Denne protokollen gir tekniske detaljer for anestesi, kirurgi og høst i en porcine lumbale ryggradsmodell. Dette vil lette evalueringen av transpedikulær skruefiksering ved hjelp av denne modellen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting relatert til dette papiret for å avsløre.
Acknowledgments
Denne studien ble støttet av et tilskudd (CNUH-BRI-2012-02-005) finansiert av Biomedical Research Institute of Chonbuk National University Hospital (CNUH-BRI), Republikken Korea.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Miniature pig | OrientBio | ||
| Atropine | Jeil pharmaceutical | A04900241 | Anesthesia |
| Over-the needle plastic catheter | BD | REF382412 | Maintenance of IV line |
| Ketamine | Yuhan | A04502441 | Anesthesia |
| Xylazine | Bayer Korea | A00800071 | Anesthesia |
| Laryngoscope | Karl storz | Intubation | |
| Endotracheal tube | Covidien | Intubation | |
| Isoflurane | JW pharmaceutical Co | A02104781 | Anesthesia |
| Eye ointment | Hanlim pharma | A37851721 | Protection of pig's eye |
| Cefazolin | Donga pharma | A01503951 | Antibiotics |
| Saline | JW pharmaceutical Co | A02151392 | Maintenance of fluid homeostasis |
| Fentanyl | Hana pharm | C03200032 | Pain control |
| Enrofloxacin | Bayer | 93106-60-6 | Antibiotics |
| Morphine | Myungmoon pharma | C03700091 | Pain control |
| Meloxicam | Boehringer Ingelheim | A07600711 | Antibiotics |
| Povidone-iodine | Hyundai pharma | Wound dressing | |
| Scalpel blade size 15 | Braun | I1 BB515 | Skin incision |
| Cobb elevator | Codman | 65-2546 | Dissection of muscle |
| Burr | Medtronic | Making of starting point of screw | |
| Rongeur | Aesculap | FO515R | Making of starting point of screw |
| Guide pin (K-wire) | CE | 01067803 | Guidance of screw trajectory |
| C-arm | GE | OEC 9800 plus | Guidance of screw trajectory |
| Portable X-ray | Siemens | Mobile XP hybrid | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle probe | OtisBiotech | SPI-02-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle sounding device | OtisBiotech | SPI-03-01 | Guidance of screw trajectory |
| Pedicle screw | OtisBiotech | MS-40025 | |
| Posterior fixator systems | OtisBiotech | ||
| Rod | OtisBiotech | ROD-60140 | Rigid fixation between screws |
| Universal handle | OtisBiotech | SPI-08-01 | To fix the screws to the rod |
| Straight socket wrench | OtisBiotech | SPI-06-01 | To fix the screws to the rod |
| counter torque wrench | OtisBiotech | SPI-07-01 | To fix the screws to the rod |
| Bulb irrigation syringe | Hyupsug medical | HS-IR-140 | Irrigation |
| Silicone drain | Sewon medical | 2205-006 | To drain the fluid at the surgical site |
| 3.0 metric absorbable suture | Ethicon | BA1673H | Muscle suture |
| 2.0 metric nonabsorbable nylon suture | Ethicon | W1626T | Skin suture |
| Gauze | Kingphar Korea | KP120-06 | |
| Pentobarbital | Hanlim pharma | 645301221 | Euthanasia |
| Oscillating saw | Zimmer | Harvest spine | |
| Tower forceps | Aesculap | BF461R | Harvest spine |
References
- Greenfield, R. T., Grant, R. E., Bryant, D. Pedicle screw fixation in the management of unstable thoracolumbar spine injuries. Orthop Rev. 21 (6), 701-706 (1992).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Halvorson, T. L., Kelley, L. A., Thomas, K. A., Whitecloud, T. S., Cook, S. D. Effects of bone mineral density on pedicle screw fixation. Spine. 19 (21), 2415-2420 (1994).
- Weinstein, J. N., Spratt, K. F., Spengler, D., Brick, C., Reid, S. Spinal pedicle fixation: reliability and validity of roentgenogram-based assessment and surgical factors on successful screw placement. Spine. 13 (9), 1012-1018 (1988).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Kim, D. Y., et al. Evaluation of Titanium-Coated Pedicle Screws: In Vivo Porcine Lumbar Spine Model. World Neurosurg. 91, 163-171 (2016).
- Upasani, V. V., et al. Pedicle screw surface coatings improve fixation in nonfusion spinal constructs. Spine. 34 (4), 335-343 (2009).
- Smit, T. H. The use of a quadrupted as an in vivo model for the study of the spine-biomechanical considrations. Eur Spine J. 11 (2), 137-144 (2002).
- Aldini, N. N., et al. Pedicular fixation in the osteoporotic spine: a pilot in vivo study on long-term ovariectomized sheep. J Orthop Res. 20 (6), 1217-1224 (2002).
- Fini, M., et al. Biological assessment of the bone-screw interface after insertion of uncoated and hydroxyapatite-coated pedicular screws in the osteopenic sheep. J Biomed Mater Res A. 66 (1), 176-183 (2003).
- Branemark, R., Ohrnell, L. O., Skalak, R., Carlsson, L., Branemark, P. I. Biomechanical characterization of osseointegration: an experimental in vivo investigation in the beagle dog. J Orthop Res. 16 (1), 61-69 (1998).
- McLain, R. F., Yerby, S. A., Moseley, T. A. Comparative morphometry of L4 vertebrae: comparison of large animal models for the human lumbar spine. Spine. 27 (8), E200-E206 (2002).
- Giavaresi, G., et al. In vivo preclinical evaluation of the influence of osteoporosis on the anchorage of different pedicle screw designs. Eur Spine J. 20 (8), 1289-1296 (2011).
- Hasegawa, T., et al. Hydroxyapatite-coating of pedicle screws improves resistance against pull-out force in the osteoporotic canine lumbar spine model: a pilot study. Spine J. 5 (3), 239-243 (2005).
- Smorgick, Y., et al. Single- versus multilevel fusion for single-level degenerative spondylolisthesis and multilevel lumbar stenosis: four-year results of the spine patient outcomes research trial. Spine. 38 (10), 797-805 (2013).
- Busscher, I., Ploegmakers, J. J., Verkerke, G. J., Veldhuizen, A. G. Comparative anatomical dimensions of the complete human and porcine spine. Eur Spine J. 19 (7), 1104-1114 (2010).
