Summary
Her introducerer vi en metode til evaluering af transpedikulære skruer ved hjælp af en in vivo porcine lændehvirvelsøjle model.
Abstract
Pedicle skruefiksering er guldstandarden til behandling af rygsygdomme. Men mange undersøgelser har rapporteret spørgsmålet om løsnelse af pedikelskruer efter rygsmerter, hvilket er et alvorligt problem. For at løse dette problem er forskellige typer af pedicle skruer undersøgt for at identificere dem med god fikseringsstyrke og osseointegration i rygsøjleben. Den svære rygsøjle er et godt alternativ til den menneskelige rygsøjle i vurderingen af pedicle skruer på grund af den anatomiske størrelse, mekaniske egenskaber og omkostninger. Selvom flere undersøgelser har rapporteret, at pedicle skruer er effektive i svinemodellen, har ingen undersøgelser beskrevet detaljerede protokoller til evaluering af en pedicle skrue ved hjælp af svinemodellen. Her beskriver vi en detaljeret metode til evaluering af transpedikulære skruer ved hjælp af en in vivo porcine lændehvirvelsøjle model. De tekniske detaljer for anæstesi, rygsmerter og høst, der er tilvejebragt her, vil lette med evalueringen af tRanspedikulær skruefikseringsmodel.
Protocol
Den institutionelle dyrepleje og brugskomité for Chonbuk National University godkendte dette studie. Behandling, brug og håndtering af dyr fulgte alle retningslinjer og politikker. Vedligehold driftsrummet ved 24 ° C.
1. Anæstesi
- Akklimatiser miniature grise, i alderen 12 måneder, i den eksperimentelle enhed i mindst en uge. Udfør en klinisk undersøgelse, der måler respirationshastigheden, hjertefrekvensen og kropstemperaturen. Foder ikke hver miniature gris i 12 timer før bedøvelsesproceduren.
- Injicer atropin (0,05 mg / kg) og ketamin (20 mg / kg) / xylaxin (2 mg / kg) i den laterale livmoderhalskræftmuskelområde bag øret til præmedicinering.
- Efter sedation skal du straks påføre et gummibånd rundt om øret og rengøre øret med topisk alkohol.
- Placer et plastkateter over nålen i ørevenen og fjern gummibåndet. Bekræft at kateteret er korrekt placeret. InfluenzaSkal kateteret med hepariniseret saltvand og fastgør med tape.
- Til endotracheal intubation skal du placere miniatyrgrisen i brystbenet. Ved hjælp af en assistent skal du holde pigens kæbe med en passende slynge og åbne munden.
- Pass spidsen af laryngoskop i faryngehulen for at fortrænge epiglottis fra den bløde gane. Brug spidsen af laryngoskopbladet til at gøre stemmebåndene synlige og før endotrachealrøret i luftrøret under udløb.
- Følg for en fri passage af luften for korrekt intubation og kontroller brystet auskultation for åndedrætslyde i både venstre og højre side af miniature grisen.
- Fyld manchet med passende volumen luft i endotrachealrøret med luft ved hjælp af en 10 ml sprøjte, og fastgør røret til snuten ved hjælp af klæbebånd.
- Giv en 2,0% koncentration af isofluran, et inhalationsanæstetik til langvarig anæstesi, gennem endotrinetIndre intubationsrør. Test hornhinde- og palpebralreflekserne for at bekræfte bedøvelsen og brug salve på øjnene for at forhindre tørhed.
- Overvåg kardiovaskulærsystemet, åndedrætssystemet og kropstemperaturen under anæstesi mindst hver 5. minut, indtil miniaturegrisen genvinder.
- 30 min før rygsøjlen operation, anvende langsomt 30 mg / kg cefazolin IV, den 1. generation af cephalosporin antibiotika.
- Administrer 5 - 10 ml / kg / h varm (37 ° C) saltopløsning ved hjælp af en IV-linje for at opretholde homeostase og give 50 μg / kg / min fentanyl til kontrolpine.
- Efter rygsøjlen kirurgi udføre extubation når en stærk synkereflex er tydelig.
- Tag det lille gris ind i et rum og overvåg, indtil det vender tilbage fra anæstesi. Giv mad og vand, når miniatyret er fuldt bevidst.
- Påfør 3 mg / kg enrofloxacin antibiotikum med 4,4 mg / kg carprofen dagligt til smertekontrol i de første 3 dage.
- MoniDagligt grisen indtil fjernelsen af suturerne.
2. Ryggkirurgi
- Autoklaver transpedikulære skruer og bageste fikseringssystemer til sterilisering, efter producentens retningslinjer.
- Barber ryggen af miniaturegrisen, ca. 10 cm fra midten til venstre eller højre, ved hjælp af en barbermaskine, mens grisen ligger i liggende stilling. Rens huden med povidon-iodopløsning og 70% alkohol.
- Lav en langsgående midline snit fra den anden spinous proces af lændehvirvelsøjlen til den første median sacral crest ved hjælp af en skalpel. Dissect gennem det subkutane væv og fascia til spidsen af de spinøse processer.
- Løft paraspinale muskler subperiostealt fra de underliggende laminer ved hjælp af en Cobb elevator. Dissect langs den spinous proces og lamina begrænset til facet leddene.
- Åbn den overfladiske cortex af indgangspunktet (som er lige ringere end brystprocessen fra L3Til L5 på begge sider) med en burr eller en rongeur.
- Sæt ledestiften på et åbent sted parallelt med den overlegne endeplade og i en 20 ° vinkel til den spinous proces. Definer det ideelle udgangspunkt ved hjælp af C-arm eller bærbare røntgenstråler fra ruden til anterior / lateral røntgen.
- Indsæt en pedicle sonde op til 25 mm i henhold til røntgenstrålen. Bekræft den komplette intraøsiske bane ved hjælp af pedikel og kropspalpation ved hjælp af en pedicle-lydanordning.
- Indsæt seks pedicle skruer i den forberedte pedicle af L3 til L5, indtil skruehovedet er godt anbragt. Peg sidehullet på implantathovedet i den ønskede retning og juster den vandrette position med stangbanen.
- Indsæt to stænger i begge sider af pedicle skruehoveder. Sæt i ærmet og møtrikken på pedicle skruehovedet med et universalgreb.
- Løsn møtrikken løst med en lige stikkontaktnøgle og stram møtrikken fast med en drejningsmomentnøgle.
- Bekræft positionerne oF pedikelskruerne ved brug af bærbare røntgenstråler i røret.
BEMÆRK: Vent på, at miniaturegrisen vågner op og kontrollerer gangmønsteret og motorfunktionen på bagbenet for at afgøre, om en skrue er blevet meget implanteret. - Vand på operationsstedet med 3 liter normal saltvand ved hjælp af en pærevandssprøjte med sugning.
- Placér en silikondræne i kirurgiområdet og tag silicone spidsen ud. Luk paraspinale muskler og subkutan anvendelse af 1,0 metriske absorberbare suturer. Luk huden med 2,0 metriske ikke-absorberbare nylon suturer.
- Desinficer suturstedet med povidon-jod og påfør en dressing ved hjælp af steriliseret gasbind og tape.
3. Harvest Procedure
- Efter 12 uger postoperativt injicer xylazin (2 mg / kg) og ketamin (10 mg / kg) i den laterale livmoderhalskræftmuskelområde bag øret til præmedicinering.
- Efter sedation, administrer 15 mg / kg KCl direkte ind i ørevenenKateter for eutanasi.
- Lav en langsgående midline snit ved den tidligere operation lårlæge. Dissect soft tissue og paraspinal muskler.
- Udsæt spinanprocessen af lændehvirvlerne, laminas, stænger, nødder og tværgående processer fra L3 til L5.
- Fjern møtrikkerne ved hjælp af en drejningsmoment og stænger. Skær L2-3 diskplads og L5-S1 diskplads med en oscillerende sav.
- Dissect begge sider af midten og den forreste del af L3-5 ryggen med en Cobb elevator og tårn tang. Efter høst, hvis rygsøjlen ikke kan testes straks, pakkes den i gasbind, gennemblødt med saltvand og opbevares ved -20 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En detaljeret protokol til anæstesi, kirurgi og høst til evaluering af transpedikulære skruer under anvendelse af en in vivo porcine lændehvirvelsesmodel er beskrevet her. Denne protokol er egnet til en række downstream-analyser, herunder mekanisk testning ( Figur 1 ), kvantitativ mikro-CT-evaluering ( figur 2 ) og histologi ( figur 3 ). Repræsentativ mekanisk afprøvning ( Figur 1 ) viser det gennemsnitlige ekstraktions-torsionsspidsmoment. Det repræsenterer bindingsstyrken mellem pedicle skruen og benet ved hjælp af en mekanisk testmåler. Tre typer af pedicle skruer blev evalueret: ucoated, hydroxyapatit (HA) -coated og titanium-coated. Data blev indsamlet fra 14 pedicle skruer fra hver af de tre grupper. Det gennemsnitlige ekstraktions-torsionsspids drejningsmoment var større i den titanbelagte pedicle skruegruppe.
Figur 2A ) viser, at interessepunktet (det indre rum af skruens fulde længde) kan evalueres ved hjælp af et mikro-CT-program til analyse af knoglen Volumenfraktion ( figur 2B1 ), knogleoverfladedensitet ( figur 2B2 ) og specifik knogleoverflade ( figur 2B3 ). Data blev indsamlet fra 4 pedicle skruer fra hver af de tre grupper.
Et repræsentativt histologisk billede ( Figur 3 ) blev farvet med Goldner-trichrom. Grænsefladen mellem pedicle skruen og knoglen var observerbar. Den røde farve indikerer fibrøst væv, mens den blå farve indikerer knogle. I ubelagte pedicle skruer blev fibrevæv observeret ved grænsefladen mellem pedicle skruen og knoglen. Ny knogledannelse blev fundet ved grænsefladen mellem trådene af både HA- og titanbelagte pedikelskruer og knogle. I tItanium-belagte pedicle skruegruppe, blev rummet mellem gevind af skruen og benet komprimeret med knogle ( figur 3 ).
Figur 1: Mekaniske analyser af pedicle skruer i Porcine Lumbar Spine. Det gennemsnitlige ekstraktionstryksmoment for bindestyrken mellem pedicle skruen og knoglen blev målt med en mekanisk testmåler. Ændret fra reference 6 . Værdierne præsenteres som middelværdien ± SEM ( n = 14). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2. Histomorfologiske analyser af pedicle skruer i POrcine Lumbar Spine. ( A ) Manuelle områder af interesse (ROI) blev sat med det indre rum af skruens fulde længde. ( B ) Knoglemængdefraktionen, knogledens densitet og det specifikke knogleoverfladeareal blev målt med mikro-CT. Ændret fra reference 6 . Værdierne præsenteres som middelværdien ± SEM ( n = 4). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Histologiske analyser af pedicle skruer i Porcine Lumbar Spine. Goldner-trichrom-farvning (x1, x20 og x40) blev udført for at observere grænsefladen mellem pedicle skruefladen og knoglen. Ændret fra reference 6 . Skalestang (sort) = 1 mm. Scale bar (whiTe) = 500 μm. Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Evalueringen af transpedikulære skruer i svinesyggen kræver meget tid og kræfter. For det første er miniatyret et stort dyr. For dyrepleje og anæstesi har forskeren brug for en specialprotokol. For det andet skal kirurgi opretholde et miljø, der ligner det humane kirurgi. Formålet med at evaluere pedicle skruer i svinesygdom er at udvikle en effektiv skrue, der kan anvendes på mennesker. For det tredje kræver evaluering af transpedikulære skrues langsigtede stabilitet omkring tre måneder efter rygsøjlen. Derfor skal forskere inden for pedicle skruefiksering standardisere protokollen ved at udføre nøjagtig planlægning. Selv om mange undersøgelser af pedikelskruer i rygsøjlemodeller er blevet udført 9 , 10 , 11 , har ingen undersøgelse givet en detaljeret protokol til evaluering af transpedikulære skruer ved anvendelse af en in vivo porcine lændehvirvel sFyrmodel.
Selvom en ideel model til den menneskelige ryg ikke eksisterer, er den svage rygmodel et alternativ på grund af dette forsøgs karakter og den anatomiske størrelse og mekaniske egenskaber af rygsøjlen. Derudover er det forholdsvis billigt. McLain et al. 12 har sammenlignet morfometrien af den fjerde lændehvirvel fra humane, svin, får, får og hundeprøver og konkluderede, at svineprøver udviser flere fordele i forhold til andre dyremodeller som en alternativ til den menneskelige rygsøjle. Desuden er den quadruped ryggrad af svinemodellen i det væsentlige indlæst på samme måde som den for den menneskelige rygsøjle 8 . Derfor anvendes svin ryggen som en alternativ model til den menneskelige rygsøjle til forsøg, der involverer spinal fixation og instrumentering teknikker.
I denne undersøgelse beskrev vi den detaljerede metode til anæstesi, kirurgi og høst iPorcine L3-L5 lændehvirvelsøjlen til evaluering af pedicle skruefiksering. Mange undersøgelser har vurderet pedicle skruer efter flere niveauer rygsøjler operationer 7 , 13 , 14 . I mange tilfælde af menneskelig degenerativ sygdom udføres rygsøjleoperationer gennem en eller to rygsøjlefusioner. Dette betyder, at to eller tre rygsøjle niveauer af pedicle skruer bruges til fiksering 15 . Micro-CT til evaluering af knogledannelse omkring pedicle skruer har et begrænset måleområde. I dette tilfælde anvendte vi to kontrolskruer til L3 pedicles, to HA-coatede skruer til L4 pedicles og to titanium-coatede skruer til L5 pedicles. Fordi de anatomiske dimensioner af L3-L5 lændehvirvlerne er næsten de samme 16 , er en sammenligning mellem L3-L5 skruer mere pålidelig end en sammenligning mellem flere niveau skruer. Som et resultat, en to- eller tre-niveau fixering af pedicle skruer i lommenAr rygsøjlen er mere passende i forhold til flere niveauer fikseringer.
For nøjagtigt at vurdere og sammenligne transpedikulære skruer skal der tages hensyn til et kritisk punkt: hver skrue skal placeres i en lignende position på rygsøjlen. Flertallet af protokoller til implantering af transpedikulære skruer i dyremodellerne kræver imidlertid at udsætte og forborede ryggraden på rygsøjlen, inden du sætter fodskruerne 5 , 13 , 14 . På den anden side har Upasani et al . Foreslået en kirurgisk protokol, der omfatter bestemmelse af positionen og størrelsen af pedikelskruerne før kirurgi ved anvendelse af computertomografibilleder af rygsøjlen 2 . Denne protokol antyder indsættelse af en stifterstift på indgangspunktet for pedicle skruen i lændehvirvelsøjlen. Definition af positionen af pedicle skruen ved hjælp af C-arm eller bærbare røntgenstråler er også foreslået iDenne protokol. Desuden kan man ved hjælp af en pedicle-lydanordning bekræfte den komplette intraøsiske bane. Denne protokol kan bruges til at bestemme den korrekte placering af pedicle skruerne, således at forkert placering af pedicle kan forhindres. Denne protokol er baseret på den humane ryggkirurgi teknik, der anvendes i vores hospital.
Denne metode har nogle begrænsninger. Først blev operationen udført med en sund svinemodel. Fordi formålet med at evaluere pedikelskruer er at reducere komplikationer hos patienter med osteoporose, bør denne protokol anvendes på osteoporotiske svinepine-modeller for at demonstrere effektiviteten af pedicle skruerne. For det andet kræver svinespinemodellen køb og bolig af såvel som kirurgisk udstyr til svin. Dette kan øge omkostningerne og dermed begrænse antallet af dyr, der kan anvendes i hver studiegruppe. For det tredje omfattede denne undersøgelse kun 12 måneder gamle miniature grise, fordi de var eAsy at erhverve og håndtere. Hertil kommer, at selv om der findes flere typer enheder til rygsøjlefiksering, blev der kun anvendt en protokol ved hjælp af et stift fikseringssystem, fordi det er den mest almindeligt anvendte i rygsøjlen.
Afslutningsvis er en porcine model af pedicle skruefiksering en vigtig klinisk platform til at undersøge effektive fikseringsteknikker, som medfører færre komplikationer hos patienter med osteoporose. Denne protokol indeholder tekniske detaljer til anæstesi, kirurgi og høst i en lændehvirvelmodel af svin. Dette vil lette evalueringen af transpedikulær skruefiksering ved hjælp af denne model.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet i forbindelse med dette papir at afsløre.
Acknowledgments
Denne undersøgelse blev støttet af et tilskud (CNUH-BRI-2012-02-005) finansieret af Biomedicinsk Forskningsinstitut i 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).
