Een Rat Tibial Growth Plate Injury Model om reparatie mechanismen te karakteriseren en te evalueren Growth Plate Regeneration Strategies
Summary
De groeiplaat is een kraakbeenachtig gebied in de lange botten van kinderen waarbij longitudinale groei optreedt. Wanneer gewond, kan botweefsel vormen en de groei verminderen. We beschrijven een ratmodel van groeiplaatschade die leidt tot benige reparatieweefsel, waardoor de studie van herstelmechanismen en regeneratiestrategieën voor groeiplaatjes mogelijk is.
Abstract
Een derde van alle pediatrische fracturen betreffen de groeiplaat en kan leiden tot een verminderde botgroei. De groeiplaat (of physis) is kraakbeenweefsel gevonden aan het einde van alle lange botten bij kinderen die verantwoordelijk zijn voor longitudinale botgroei. Eenmaal beschadigd, kan kraakbeenweefsel in de groeiplaat een vroegtijdige verenging ondergaan en leiden tot ongewenst botherstelweefsel, dat een "bony bar" vormt. In sommige gevallen kan deze benige bar resulteren in vervorming van botgroei, zoals hoekdeformaties, of het kan de botengroei van de lengte volledig stoppen. Er is momenteel geen klinische behandeling die een gewonde groeiplaat volledig kan repareren. Het gebruik van een diermodel van groeiplaatschade om de mechanismen van de bony barvorming beter te begrijpen en om manieren te identificeren om hem te remmen, is een geweldige kans om betere behandelingen te ontwikkelen voor de groei van de plaatbeschadigingen. Dit protocol beschrijft hoe u de proximale tibiale groeiplaat met een boorgat defect kunt verstoren. Deze smaLl diermodel produceert betrouwbaar een benige bar en kan resulteren in groei misvormingen die vergelijkbaar zijn met die die bij kinderen worden gezien. Dit model maakt het mogelijk om de moleculaire mechanismen van bony bar formatie te onderzoeken en dient als middel om potentiële behandelingsopties te testen voor groeiplaatverwondingen.
Introduction
Plantenverwondingen zijn 30% van alle pediatrische fracturen en kunnen leiden tot een verminderde botgroei 1 . Naast fracturen kunnen groeiplaatletsel veroorzaakt worden door andere etiologieën, waaronder osteomyelitis 2 , primaire bottumoren 3 , straling en chemotherapie 4 en iatrogene schade 5 . De groeiplaat (of physis) is een kraakbeenregio aan het einde van de lange botten van de kinderen die verantwoordelijk is voor longitudinale botgroei. Het vergt botverlenging door endochondrale ossificatie; Chondrocyten ondergaan proliferatie en hypertrofie en worden vervolgens door inkomende osteoblasten herbouwd om trabekulair bot 6 te vormen. De groeiplaat is ook een zwak gebied van het ontwikkelende skelet, waardoor het vatbaar is voor letsel. Het grote probleem met groeiplaatbreuken of verwondingen is dat het beschadigde kraakbeenweefsel in de groeiplaat kan bE vervangen door ongewenste botten reparatie weefsel, ook bekend als een "bony bar." Afhankelijk van de grootte en de plaats binnen de groeiplaat kan de bony bar leiden tot hoekdeformaties of volledige groeiregst, een verwoestende sequela voor jonge kinderen die nog niet volledig zijn bereikt 7 .
Er is momenteel geen behandeling die een gewonde groeiplaat volledig kan repareren. Zodra de benige staaf vormt, moet de arts besluiten of hij 8 chirurgisch moet verwijderen. Patiënten met een resterende skeletgroei van tenminste 2 jaar of 2 cm en met een benige staaf die minder dan 50% van het groeiplaatgebied bedragen, zijn meestal kandidaten voor de bony barresectie 8 . Chirurgische verwijdering van de benige staaf wordt vaak gevolgd door een interologie van een autologe vetgraft om te voorkomen dat het beenderweefsel wordt hervormd en de omringende onbedekte groeiplaat te laten groeien om de groei te herstellen. Deze technieken zijn echter problEmatic en vaak falen, wat leidde tot een bony bar herhaling en voortgezet negatief effect op groei 9 . Er is een kritieke noodzaak om effectieve behandelingen te ontwikkelen die niet alleen voorkomen dat de bony barvorming wordt gevormd, maar ook de kraakbeen van het groeiplaatje regenereert, waardoor normale botverlenging wordt hersteld.
De moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan de vorming van de bonybaren moeten nog niet volledig worden uitgelicht. Een beter inzicht in deze biologische mechanismen kan leiden tot effectievere therapeutische interventies voor kinderen die lijden aan groeiplaatletsel. Aangezien het bestuderen van deze mechanismen bij mensen moeilijk is, zijn dierenmodellen gebruikt, met name het ratmodel van groeiplaatschade 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 . De methode die hierin wordt gepresenteerdPapier beschrijft hoe een boorgatafwijking in de rattenbloed groeiplaat leidt tot voorspelbaar en reproduceerbaar reparatieweefsel dat al 7 dagen na verwonding begint te worden en een volgroeide benenbalk vormt met remodeling op 28 dagen na verwonding 10 . Dit verschaft een klein dier in vivo model waarin de biologische mechanismen van de bony barvorming worden bestudeerd, evenals nieuwe therapieën die de bottenbalk kunnen voorkomen en / of het groeiplaat kraakbeen kunnen regenereren. Bijvoorbeeld, dit model kan gebruikt worden om chondrogeen biomaterialen te testen die groeiplaatkraakbeen kunnen regenereren en een waardevolle behandeling bieden voor kinderen die lijden aan groeiplaatletsel. De technieken die in dit document worden gepresenteerd, beschrijven de chirurgische methoden die gebruikt worden om het groeiplaatletsel te veroorzaken en de daaropvolgende bezorging van biomaterialen op de schadeplaats. We zullen ook methoden bespreken om de bony barvorming te beoordelen en weefsel te repareren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een groeiplaat schade dier model voegt sterk toe bij ons inzicht in de biologische mechanismen van dit letsel, waardoor het mogelijk is om effectiever therapeutische interventies te geven voor kinderen die lijden aan groeiplaatletsel. Om succesvol een benige staaf te maken en zijn in vivo vorming te bestuderen door gebruik te maken van het model dat in dit werk wordt gepresenteerd, is het van kritieke belang om de groeiplaat te ontwrichten door voldoende voldoende diepte te boren zonder de gewrichtskraakbeen te…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen financieringssteun van het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases van de National Institutes of Health (NIH) onder onderscheidingsnummer R03AR068087, het Academisch Verrijking Fonds van de Universiteit van Colorado School of Medicine en het Gates Center for Regenerative Medicine . Dit werk werd ook ondersteund door NIH / NCATS Colorado CTSA Grant Nummer UL1 TR001082. De inhoud is de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs officiële NIH-standpunten.
Materials
| Scalpel handle | McKesson | MCK42332500 | |
| Needle holder | Stoelting | RS-7824 | |
| Adson tissue forceps | Sklar | 50-3048 | |
| Iris Scissors | Sklar | 47-1246 | |
| Rotary Tool | Dremel | 7700 | Variable speed rotary tool |
| Keyless Rotary Tool Chuck | Dremel | 4486 | |
| Dental Burs | Dental Burs USA | FG6 | Round carbide bur, ≤2mm |
| Steinmann pins | Simpex Medical | T-078 | |
| Hair clippers | Wahl | 5537N | |
| 3-0 PGA surutes | Oasis | MV-J398-V | |
| Sterile gauze 2×2" | Covidien | 441211 | |
| Povidone Iodine | McKesson | 922-00801 | |
| Sterile saline | Vetone | 510224 | |
| 10 ml luer lock syringe | Becton Dickinson | 309604 | |
| 23 gauge needle | Becton Dickinson | 305145 | |
| Isopropyl alcohol pads | Dynarex | 1113 | |
| Isoflurane | IsoFlo | 30125-2 | |
| Caliper | Mitutoyo | 500-196-30 | |
| Carprofen | Rimadyl | 27180 | |
| Buprenorphine | Par Pharmaceuticals Inc | NDC 42023-179 | |
| Fenestrated Surgical Drape | McKesson | 25-517 | |
| Surgical Gloves | Uline | S-20204 | |
| #15 Scalpel Blade | Aven | 44044 | |
| 9mm wound clips | Fine Science Tools | 12032-09 | |
| Reflex clip applier | World Precision Instruments | 500345 | |
| Absorbant underpads | McKesson | MON 43723110 | |
| Tec 3 Iso Vaporizer | VetEquip | 911103 | |
| Germinator 500 | Braintree Scientific | GER 5287-120V | |
| Warm water recirculator | Kent Scientific | TP-700 | |
| Absorbent Underpads | Medline Industries | MSC281230 |
References
- Mann, D. C., Rajmaira, S. Distribution of physeal and nonphyseal fractures in 2,650 long-bone fractures in children aged 0-16 years. J Pediatr Orthop. 10 (6), 713-716 (1990).
- Browne, L. P., et al. Community-acquired staphylococcal musculoskeletal infection in infants and young children: necessity of contrast-enhanced MRI for the diagnosis of growth cartilage involvement. AJR Am J Roentgenol. 198 (1), 194-199 (2012).
- Weitao, Y., Qiqing, C., Songtao, G., Jiaqiang, W. Epiphysis preserving operations for the treatment of lower limb malignant bone tumors. Eur J Surg Oncol. 38 (12), 1165-1170 (2012).
- Butler, M. S., Robertson, W. W., Rate, W., D’Angio, G. J., Drummond, D. S. Skeletal sequelae of radiation therapy for malignant childhood tumors. Clin Orthop Relat Res. (251), 235-240 (1990).
- Shapiro, F. Longitudinal growth of the femur and tibia after diaphyseal lengthening. J Bone Joint Surg Am. 69 (5), 684-690 (1987).
- Kronenberg, H. M. Developmental regulation of the growth plate. Nature. 423 (6937), 332-336 (2003).
- Dodwell, E. R., Kelley, S. P. Physeal fractures: basic science, assessment and acute management. Orthopaedics and Trauma. 25 (5), 377-391 (2011).
- Khoshhal, K. I., Kiefer, G. N. Physeal bridge resection. J Am Acad Orthop Surg. 13 (1), 47-58 (2005).
- Hasler, C. C., Foster, B. K. Secondary tethers after physeal bar resection: a common source of failure. Clin Orthop Relat Res. (405), 242-249 (2002).
- Xian, C. J., Zhou, F. H., McCarty, R. C., Foster, B. K. Intramembranous ossification mechanism for bone bridge formation at the growth plate cartilage injury site. J Orthop Res. 22 (2), 417-426 (2004).
- Chen, J., et al. Formation of tethers linking the epiphysis and metaphysis is regulated by vitamin d receptor-mediated signaling. Calcif Tissue Int. 85 (2), 134-145 (2009).
- Coleman, R. M., Schwartz, Z., Boyan, B. D., Guldberg, R. E. The therapeutic effect of bone marrow-derived stem cell implantation after epiphyseal plate injury is abrogated by chondrogenic predifferentiation. Tissue Eng Part A. 19 (3-4), 475-483 (2013).
- Chung, R., Foster, B. K., Xian, C. J. The potential role of VEGF-induced vascularisation in the bony repair of injured growth plate cartilage. J Endocrinol. 221 (1), 63-75 (2014).
- Coleman, R. M., et al. Characterization of a small animal growth plate injury model using microcomputed tomography. Bone. 46 (6), 1555-1563 (2010).
- Macsai, C. E., Hopwood, B., Chung, R., Foster, B. K., Xian, C. J. Structural and molecular analyses of bone bridge formation within the growth plate injury site and cartilage degeneration at the adjacent uninjured area. Bone. 49 (4), 904-912 (2011).
- Su, Y. W., et al. Neurotrophin-3 Induces BMP-2 and VEGF Activities and Promotes the Bony Repair of Injured Growth Plate Cartilage and Bone in Rats. J Bone Miner Res. , (2016).
- Zhou, F. H., Foster, B. K., Sander, G., Xian, C. J. Expression of proinflammatory cytokines and growth factors at the injured growth plate cartilage in young rats. Bone. 35 (6), 1307-1315 (2004).
- Sayers, D., Volpin, G., Bentley, G. The demonstration of bone and cartilage remodelling using alcian blue and hematoxylin. Biotechnic & Histochemistry. 63 (1), 59-63 (1988).
- Riederer, M. S., Requist, B. D., Payne, K. A., Way, J. D., Krebs, M. D. Injectable and microporous scaffold of densely-packed, growth factor-encapsulating chitosan microgels. Carbohydrate Polymers. 152, 792-801 (2016).
- Lee, M. A., Nissen, T. P., Otsuka, N. Y. Utilization of a murine model to investigate the molecular process of transphyseal bone formation. J Pediatr Orthop. 20 (6), 802-806 (2000).
- Coleman, R. M., et al. Characterization of a small animal growth plate injury model using microcomputed tomography. Bone. 46 (6), 1555-1563 (2010).
- Lee, S. U., Lee, J. Y., Joo, S. Y., Lee, Y. S., Jeong, C. Transplantation of a Scaffold-Free Cartilage Tissue Analogue for the Treatment of Physeal Cartilage Injury of the Proximal Tibia in Rabbits. Yonsei Med J. 57 (2), 441-448 (2016).
- Planka, L., et al. Nanotechnology and mesenchymal stem cells with chondrocytes in prevention of partial growth plate arrest in pigs. Biomed Pap Med Fac Univ Palacky Olomouc Czech Repub. 156 (2), 128-134 (2012).
- Hansen, A. L., et al. Growth-plate chondrocyte cultures for reimplantation into growth-plate defects in sheep. Characterization of cultures. Clin Orthop Relat Res. (256), 286-298 (1990).
- Cepela, D. J., Tartaglione, J. P., Dooley, T. P., Patel, P. N. Classifications In Brief: Salter-Harris Classification of Pediatric Physeal Fractures. Clin Orthop Relat Res. , (2016).
- Salter, R. B., Harris, W. R. Injuries Involving the Epiphyseal Plate. The Journal of Bone & Joint Surgery. 83 (11), 1753 (2001).
- Chung, R., Foster, B. K., Zannettino, A. C., Xian, C. J. Potential roles of growth factor PDGF-BB in the bony repair of injured growth plate. Bone. 44 (5), 878-885 (2009).
- Fischerauer, E., Heidari, N., Neumayer, B., Deutsch, A., Weinberg, A. M. The spatial and temporal expression of VEGF and its receptors 1 and 2 in post-traumatic bone bridge formation of the growth plate. J Mol Histol. 42 (6), 513-522 (2011).
- Chung, R., Cool, J. C., Scherer, M. A., Foster, B. K., Xian, C. J. Roles of neutrophil-mediated inflammatory response in the bony repair of injured growth plate cartilage in young rats. J Leukoc Biol. 80 (6), 1272-1280 (2006).
- Chung, R., et al. Roles of Wnt/beta-catenin signalling pathway in the bony repair of injured growth plate cartilage in young rats. Bone. 52 (2), 651-658 (2013).
- Zhou, F. H., Foster, B. K., Zhou, X. F., Cowin, A. J., Xian, C. J. TNF-alpha mediates p38 MAP kinase activation and negatively regulates bone formation at the injured growth plate in rats. J Bone Miner Res. 21 (7), 1075-1088 (2006).
- Arasapam, G., Scherer, M., Cool, J. C., Foster, B. K., Xian, C. J. Roles of COX-2 and iNOS in the bony repair of the injured growth plate cartilage. J Cell Biochem. 99 (2), 450-461 (2006).
