Summary
Hier introduceren we een methode om transpediculaire schroeven te evalueren door gebruik te maken van een in vivo porcine lumbale ruggengraat model.
Abstract
Pedicle screw fixatie is de gouden standaard voor de behandeling van ruggengraatziekten. Echter, veel studies hebben gemeld het probleem van losse pedicle schroeven na spinale operatie, dat is een ernstige zorg. Om dit probleem aan te pakken, zijn diverse soorten schroeven van de pedicle onderzocht om die met goede fixatie sterkte en osseointegratie in ruggengraat te identificeren. De varkenswervelkolom is een goed alternatief voor de menselijke wervelkolom bij de evaluatie van pedicelschroeven door de anatomische grootte, mechanische eigenschappen en kosten. Hoewel verschillende studies hebben aangetoond dat pedicle schroeven efficiënt zijn in het porcine model, heeft geen studie gedetailleerde protocollen beschreven voor de evaluatie van een pedicle screw met behulp van het porcine model. Hier beschrijven we een gedetailleerde methode voor het evalueren van transpediculaire schroeven met behulp van een in vivo porcine lumbale ruggengraat model. De technische details voor anesthesie, ruggengraatchirurgie en oogst die hier worden verstrekt, zullen bij de evaluatie van de t vergemakkelijkt wordenRanspedicular schroef fixatie model.
Protocol
Het institutionele diergezondheids- en gebruikscommissie van Chonbuk National University heeft deze studie goedgekeurd. De behandeling, het gebruik en de behandeling van dieren volgde alle richtlijnen en beleidslijnen. Houd de werkruimte bij 24 ° C vast.
1. Verdoving
- Acclimatiseer miniatuur varkens, 12 jaar oud, in de experimentele eenheid gedurende minstens een week. Doe een klinisch onderzoek met de ademhalingssnelheid, hartslag en lichaamstemperatuur. Voer geen miniatuur varken gedurende 12 uur voor de verdoving procedure.
- Injecteer atropine (0,05 mg / kg) en ketamine (20 mg / kg) / xylaxine (2 mg / kg) in het laterale cervicale spiergebied achter het oor voor premedicatie.
- Breng na het sederen een rubberen band strak aan de onderkant van het oor en reinig het oor met actuele alcohol.
- Plaats een plastic katheter over de nek in de oorader en verwijder de rubberen band. Bevestig dat de katheter correct geplaatst is. GriepSh de katheter met heparineerde zoutoplossing en plak met tape.
- Voor endotracheale intubatie, plaats het miniatuur varken in de sternale recumbency. Met de hulp van een assistent houd je de kaak van het varken vast met een geschikte slinger en open de mond.
- Ga de tip van de laryngoscoop naar de keelholte om de epiglottis uit de zachte verhemelte te verplaatsen. Gebruik de punt van het laryngoscoopblad om de stembanden zichtbaar te maken en de endotracheale buis in de luchtpijp te verplaatsen tijdens het verstrijken.
- Voel voor een vrije doorgang van de lucht voor een goede intubatie en controleer de borst auscultatie voor ademhaling geluiden in zowel linker als rechterkant van het miniatuur varken.
- Vul de manchet met een passend volume lucht van de endotracheale buis met lucht met een 10 ml spuit en maak de buis vast aan de snuit met kleefband.
- Zorg voor een 2,0% concentratie van isofluraan, een inhalatieanesthetica voor langdurige verdoving, via de endotrAchale intubatiebuis. Test de cornea en palpebrale reflexen om de verdoving te bevestigen en gebruik de zalf op de ogen om droogheid te voorkomen.
- Monitor het hart- en vaatstelsel, het ademhalingsstelsel en de lichaamstemperatuur gedurende de verdoving minstens elke 5 minuten tot het miniatuur varken terugkeert.
- 30 minuten voor de ruggengraatchirurgie, gebruik langzaam 30 mg / kg cefazoline IV, de 1e generatie cefalosporine antibiotica.
- Geef 5 - 10 ml / kg / uur warm (37 ° C) zoutoplossing met een IV-lijn om homeostase te behouden en zorg voor 50 μg / kg / min fentanyl om pijn te beheersen.
- Na de ruggengraatchirurgie, uitvoeren extubatie wanneer een sterk slikkenreflex duidelijk is.
- Neem het miniatuur varken in een kamer en controleer tot het terugkeert van verdoving. Zorg voor eten en water wanneer het miniatuur varken volledig bewust is.
- Dien 3 mg / kg enrofloxacine antibiotica dagelijks toe met 4,4 mg / kg carprofen voor pijnbestrijding gedurende de eerste 3 dagen.
- MoniLaat het varken dagelijks tot het verwijderen van de hechtingen.
2. Wervelkolomchirurgie
- Autoclaaf de transpediculaire schroeven en achterste fixatorsystemen voor sterilisatie volgens de richtlijnen van de fabrikant.
- Scheer de achterkant van het miniatuurvarken, ongeveer 10 cm van het midden naar links of rechts, met een scheerapparaat, terwijl het varken in de rug staat. Maak de huid schoon met povidon-jodiumoplossing en 70% alcohol.
- Maak een longitudinale middenlijn incisie van het tweede spinous proces van de lumbale wervelkolom naar de eerste median sacrale kam met behulp van een scalpel. Dissecteer door het subcutane weefsel en fascia naar het punt van de spinous processen.
- Verhoog de paraspinale spieren subperiosteel van de onderliggende laminae met behulp van een Cobb-lift. Dissect langs het spinous proces en lamina beperkt tot de facetgewrichten.
- Open de oppervlakkige cortex van het toegangspunt (dat is net minderwaardig dan het mammillairproces van L3Aan beide kanten L5) met een burr of een rongeur.
- Steek de geleidingspen op een open plaats, evenwijdig aan de superieure eindplaat en bij een hoek van 20 ° op het spinous proces. Definieer het ideale startpunt met behulp van C-arm of draagbare röntgenstralen van de postero-anterior / laterale röntgenstraling.
- Plaats een pedicelsonde tot 25 mm volgens de röntgenstraling. Bevestig het volledige intraosseuze traject door pedicle en body palpation met behulp van een pedicle klankapparaat.
- Steek zes pedicelschroeven in de voorbereide pedikel van L3 tot L5 totdat de schroefkop goed zit. Steek de zijopening van het implantaatkop in de gewenste richting en stel de horizontale positie in met de staafbaan.
- Steek twee staven in beide zijden van de pedicle schroefkoppen respectievelijk in. Zet de mouw en moer in de pedicle-schroefkop met een universele handgreep.
- Draai de moer los met een rechte moersleutel en draai de moer stevig vast met behulp van een torsie moersleutel.
- Bevestig de posities oF de pedicle schroeven met draagbare postero-anterior / laterale röntgenstralen.
OPMERKING: Wacht tot het miniatuur varken wakker wordt en controleer de gangpatronen en de motorfunctie van het achterste ledemaat om te bepalen of er een schroef is geïmplanteerd. - Irrigeer de operatieplaats met 3 liter normale zoutoplossing met behulp van een gloeilamp irrigatiespuit met zuigkracht.
- Plaats een siliconenafvoer op de operatieplaats en haal de siliconenpunt uit. Sluit de paraspinale spieren en subcutane met behulp van 1,0 metrische absorbeerbare hechtingen. Sluit de huid met 2,0 metrische niet-absorbeerbare nylon suturen.
- Desinfecteer de hechtplaats met povidon-jodium en gebruik een dressing met behulp van gesteriliseerd gaas en tape.
3. Oogstprocedure
- Na 12 weken postoperatief, injecteer xylazine (2 mg / kg) en ketamine (10 mg / kg) in het laterale cervicale spiergebied achter het oor voor premedicatie.
- Na sedatie, geef 15 mg / kg KCl direct in de ooraarKatheter voor euthanasie.
- Maak een longitudinale middenlijn incisie bij de vorige operatie littekenletsel. Dissect de zachte weefsel en paraspinale spieren.
- Het spinous proces van de lumbale wervels, laminaat, staven, noten en transversale processen van L3 tot L5 blootstellen.
- Verwijder de moeren met behulp van een teller wrench en stangen. Snijd de L2-3 schijfruimte en de L5-S1 schijfruimte met behulp van een oscillerende zaag.
- Dissect beide zijden van het midden en het voorste gedeelte van de L3-5 ruggengraat met een Cobb lift en toren tang. Na de oogst, als de wervelkolom niet onmiddellijk kan worden getest, wikkel het in gaas met zoutoplossing en houd deze bij -20 ° C op.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een gedetailleerd protocol voor verdoving, operatie en oogst voor de evaluatie van transpediculaire schroeven met behulp van een in vivo porcine lumbale ruggengraatmodel wordt hier beschreven. Dit protocol is geschikt voor een aantal downstream analyses, inclusief mechanisch testen ( Figuur 1 ), kwantitatieve micro-CT evaluatie ( Figuur 2 ) en histologie ( Figuur 3 ). Representatief mechanisch testen ( Figuur 1 ) toont het gemiddelde uitwendige torsiepiekkoppel. Het vertegenwoordigt de bindingssterkte tussen de pedicle-schroef en het bot met behulp van een mechanische testmeter. Drie soorten pedicle schroeven werden geëvalueerd: niet-bekleed, hydroxyapatiet (HA) -coated en met titanium bekleed. Gegevens werden verzameld uit 14 pedicle schroeven uit elk van de drie groepen. Het gemiddelde uitwendige torsie piekkoppel was groter in de titanium beklede pedicle screw groep.
Figuur 2A ) tonen aan dat het gebied van belang (de binnenruimte van de volledige lengte van de schroef) kan worden beoordeeld door een micro-CT programma voor de analyse van het bot Volume fractie ( Figuur 2B1 ), botoppervlakte dichtheid ( Figuur 2B2 ) en specifiek botoppervlak ( Figuur 2B3 ). Gegevens werden verzameld uit 4 pedicle schroeven van elk van de drie groepen.
Een representatieve histologie afbeelding ( Figuur 3 ) was gekleurd met Goldner trichrome. De interface tussen de pedicle schroef en bot was waarneembaar. De rode kleur geeft vezelachtig weefsel aan, terwijl de blauwe kleur bot aangeeft. In niet-beklede pedicelschroeven werd vezelachtig weefsel waargenomen op de interface tussen de schroef en bot. Nieuwe botvorming werd gevonden bij de interface tussen de draden van zowel HA- als titanium beklede pedicelschroeven en bot. In de tItanium-gecoat pedicle screw groep, de ruimte tussen de draden van de schroef en het bot werden gecomprimeerd met bot ( Figuur 3 ).
Figuur 1: Mechanische analyses van pedicelschroeven in de porcine lumbale wervelkolom. Het gemiddelde uitwendige torsiepiekkoppel voor de bindingssterkte tussen de pedicelschroef en het bot werd gemeten met een mechanische testmeter. Gewijzigd van referentie 6 . De waarden worden weergegeven als de gemiddelde ± SEM ( n = 14). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Histomorfologische analyses van pedicelschroeven in de POrcine Lumbale Wervelkolom. ( A ) Handmatige gebieden van interesse (ROI) werden ingesteld met de binnenruimte van de volledige lengte van de schroef. ( B ) De botvolume fractie, botoppervlakte dichtheid en specifiek botoppervlak werden gemeten met micro-CT. Gewijzigd van referentie 6 . De waarden worden weergegeven als de gemiddelde ± SEM ( n = 4). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Histologische analyses van pedicelschroeven in de porcine lumbale wervelkolom. Goldner Trichrome-kleuring (x1, x20 en x40) werd uitgevoerd om de interface tussen het pedicle-schroefoppervlak en het bot te waarnemen. Gewijzigd van referentie 6 . Schaalbalk (zwart) = 1 mm. Schaalbalk (whiTe) = 500 μm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De evaluatie van transpediculaire schroeven in de varkenswortel vereist veel tijd en moeite. Ten eerste is het miniatuur varken een groot dier. Voor dierenzorg en verdoving heeft de onderzoeker een gespecialiseerd protocol nodig. Ten tweede dient de operatie een omgeving te houden die vergelijkbaar is met die van de menselijke operatie. Het doel van het evalueren van pedicle schroeven in de varkenswervelkolom is het ontwikkelen van een efficiënte schroef die op mensen kan worden toegepast. Ten derde, de evaluatie van de langetermijnstabiliteit van transpediculaire schroeven vereist ongeveer drie maanden na de ruggengraatchirurgie. Bijgevolg moeten onderzoekers op het gebied van pedicle screw fixatie het protocol standaardiseren door nauwkeurige planning uit te voeren. Hoewel veel studies over pedicelschroeven in ruggengraatmodellen zijn uitgevoerd 9 , 10 , 11 , heeft geen studie een gedetailleerd protocol voor de evaluatie van transpediculaire schroeven verstrekt met behulp van een in vivo porcine lumbale sPijnboom model.
Hoewel een ideaal model voor de menselijke wervelkolom niet bestaat, is het varkenswervelmodel een alternatief vanwege de aard van dit experiment en van de anatomische grootte en mechanische eigenschappen van de wervelkolom. Bovendien is het relatief goedkoop. McLain et al. 12 hebben de morfometrie van de vierde lumbale wervel vergeleken bij mens-, varkens-, schapen-, en hondenmonsters en concluderen dat varkensmonsters verschillende voordelen vertonen ten opzichte van andere diermodellen als alternatief voor de menselijke wervelkolom. Bovendien wordt de quadruped wervelkolom van het varkensmodel in wezen geladen op dezelfde manier als die van de menselijke wervelkolom 8 . Daarom wordt de varkenswervel gebruikt als alternatief model voor de menselijke wervelkolom voor experimenten met betrekking tot spinale fixatie en instrumentatie technieken.
In deze studie beschrijven we de gedetailleerde methode van verdoving, operatie en oogst in dePorcine L3-L5 lumbale wervelkolom voor de evaluatie van pedicle screw fixatie. Veel studies hebben nagelschroeven geëvalueerd na meerdere ruggengraatoperaties 7 , 13 , 14 . In veel gevallen van menselijke degeneratieve ziekte worden ruggengraatoperaties uitgevoerd via één of twee ruggengraatfusies. Dit betekent dat twee of drie wervelkolommen van pedicle schroeven worden gebruikt voor fixatie 15 . Micro-CT voor de evaluatie van botvorming rond pedicle schroeven heeft een beperkt meetbereik. In dit geval hebben we twee controleschroeven gebruikt voor L3 pedicles, twee HA-gecoate schroeven voor L4 pedicles en twee titanium beklede schroeven voor L5 pedicles. Omdat de anatomische afmetingen van de L3-L5 lumbale wervels bijna gelijk zijn aan 16 , is een vergelijking tussen L3-L5 schroeven betrouwbaarder dan een vergelijking tussen meervoudige schroeven. Als gevolg hiervan, een twee- of drie-niveau fixatie van pedicle schroeven in de lumbAr wervelkolom is meer geschikt in vergelijking met multiple-level fixaties.
Om de transpediculaire schroeven nauwkeurig te evalueren en te vergelijken, moet er rekening gehouden worden met één kritisch punt: elke schroef dient op een vergelijkbare plaats op het wervelkroppig lichaam te zijn. De meeste protocollen voor het implantaten van transpediculaire schroeven in diermodellen vragen echter dat de pedikels van de ruggengraat worden blootgesteld en voorboren alvorens de pedicle schroeven 5 , 13 , 14 in te voegen. Aan de andere kant, Upasani et al . Heeft een chirurgisch protocol voorgesteld dat de positie en grootte van de pedicle schroeven voor de operatie bepaalt door gebruik te maken van computertomografiebeelden van de ruggengraat 2 . Dit protocol suggereert het invoeren van een geleidingspen bij het instappunt van de pedicle-schroef in de lumbale wervelkolom. Het bepalen van de positie van de pedicle schroef met behulp van C-arm of draagbare röntgenstralen wordt ook voorgesteld inDit protocol. Bovendien kan het volledige intraosseuze traject door middel van een pedicle-klankapparaat worden bevestigd. Dit protocol kan gebruikt worden om de juiste positionering van de pedicle schroeven vast te stellen, zodat de verkeerde plaatsing kan voorkomen worden. Dit protocol is gebaseerd op de menselijke wervelkolomchirurgie techniek die in ons ziekenhuis wordt gebruikt.
Deze methode heeft een aantal beperkingen. Ten eerste werd de operatie uitgevoerd met een gezond varkensmodel. Omdat het doel van het evalueren van pedicle schroeven is om complicaties bij patiënten met osteoporose te verminderen, moet dit protocol worden toegepast op osteoporotische porcine ruggengraatmodellen om de effectiviteit van de pedicle schroeven te demonstreren. Ten tweede vereist het varkenswervelmodel de aankoop en huisvesting van, evenals de chirurgische uitrusting voor varkens. Dit kan de kosten verhogen, waardoor het aantal dieren dat in elke studiegroep kan worden gebruikt, beperkt worden. Ten derde bevat deze studie slechts 12 maanden oude miniatuurvarkens omdat ze e warenAsy te verwerven en te behandelen. Bovendien, hoewel er verschillende soorten apparaten voor ruggengraatfixatie zijn, werd hier slechts een protocol gebruikt met een rigid fixatiesysteem, omdat het het meest gebruikt wordt in ruggengraatchirurgie.
Concluderend, een porcine model van pedicle screw fixatie is een belangrijk klinisch platform om efficiënte fixatie technieken te onderzoeken die minder complicaties veroorzaken bij patiënten met osteoporose. Dit protocol bevat technische details voor verdoving, operatie en oogst in een porcine lumbale ruggengraat model. Dit zal de evaluatie van transpediculaire schroeffixatie vergemakkelijken met dit model.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te maken met dit document om te onthullen.
Acknowledgments
Deze studie werd ondersteund door een subsidie (CNUH-BRI-2012-02-005), gefinancierd door het Biomedisch Onderzoeksinstituut van Chonbuk National University Hospital (CNUH-BRI), Republiek 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).
