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Medicine

건설 및 무 균 완화에 CoCrMo 입자에 노출에 의해 Calvarial Osteolysis Murine 모델의 평가

Published: February 17, 2018 doi: 10.3791/56276
* These authors contributed equally

Summary

이 원고는 마모 입자 및 무 균 완화에 다양 한 세포 간의 상호 작용을 평가 하기 위한 이상적인 동물 모델을 구성 하는 CoCrMo 입자에 노출에 의해 calvarial osteolysis murine 모델을 설명 합니다.

Abstract

마모 입자 유도 osteolysis 관절 교체 실패, 무 균 완화의 주요 원인 이지만 기본 메커니즘 불분명 남아. 검색 및 산발적 발생에 필요한 긴 후속 인 그것 병 인 ofparticle 유도 osteolysis 임상의 경우에서 평가 하기 위해 도전적 이다. 따라서, 최적의 동물 모델은 추가 연구 필요. CoCrMo 입자에 노출에 의해 설립 calvarial osteolysis murine 모델은 입자와 무 균 완화에 다양 한 세포 간의 상호 작용을 평가 하기 위한 효과적이 고 유효한 도구. 이 모델에서 CoCrMo 입자 처음 높은 진공 3 전극 직류 여 되었고 50 mg/mL의 농도에서 인산 염 버퍼 염 분에 resuspended. 다음, 후 분리 하 여 두개골과 날카로운 해 부 결과 서 스 펜 션의 50 µ L murine calvaria의 중간에 적용 되었습니다. 2 주 후, 생쥐 희생 했다, 및 calvaria 표본 수확 했다; 질적 및 양적 평가 되며 고 오신 얼룩 및 마이크로 컴퓨터 단층 촬영에 의해 수행 되었습니다. 이 모델의 장점 절차 단순, 뼈 손실의 양적 평가, osteolysis 개발, 잠재적인 사용 유전자 변형 또는 녹아웃 모델, 그리고 상대적으로 저렴 한 비용의 속도 포함 한다. 그러나,이 모델은 기계적인 힘 및 입자 무 균 완화의 만성 효과 평가 하는 데 사용할 수 없습니다. Calvarial osteolysis murine 모델 CoCrMo 입자에 노출에 의해 생성 된 마모 입자 및 다양 한 셀, 예를 들면, 대 식 세포, 섬유 아 세포, osteoblasts 및 osteoclasts, 무 균 완화에 사이 상호 작용을 평가 하기 위한 이상적인 도구입니다.

Introduction

가장 일반적인 원인은 이다 무 균을 풀면 총 엉덩이 관절 (THA) 교체 및 총 무릎 관절 (TKA) 교체 실패의 개정 수술1필요. 그러나, 기본 메커니즘 불분명2남아 있습니다. 긴 후속 입자 유도 osteolysis, 그 발생은 드문; 검색 하는 데 필요한 따라서, 그것은 임상의 경우에서 자사의 pathogenesis 탐험 도전 이다. 따라서, 복잡 한 세포와 조직 메커니즘에 초점을 맞추고 더 연구에 실험 비보에 모두 착용 입자 유도 osteolysis 모델 및 분석 실험 체 외에 세포 항상성3뼈에 관련 된 필요 합니다. 유효한 동물 모델 더 세포질 분석 실험에 대 한 증거를 제공 하는 뼈 손실에 마모 입자의 효과 드러내는에서 중요 하다.

CoCrMo 입자에 노출에 의해 건설 murine calvarial osteolysis 모델 입자와 무 균 완화에 다양 한 세포 간의 상호 작용을 평가 하기 위한 효과적이 고 유효한 방법입니다. 이 모델에서 CoCrMo 입자 발생할 calvarial osteolysis 유도 하는 대 식 세포에서 염증 성 cytokines, osteoclasts 활성화, osteoblast 확산 억제 및 osteoblast apoptosis를 홍보.

그것은이 모델을 설정 하려면 2 주 걸립니다. Osteolysis 수 수 시각 hematoxylin와 오신 (H & E) 얼룩 계량 및 마이크로 계산 된 단층 촬영 (마이크로 CT)2. 또한,이 모델은 상대적으로 저렴 한 비용, 그리고 유전자 변형 및 녹아웃 마우스 모델 다양 한 복용량3화합물의 많은 화면을 사용할 수 있습니다.

설정 하 고이 모델을 평가 절차는 간단 합니다. 첫째, CoCrMo 입자 높은 진공 3 전극 직류 여 되었고 50 mg/mL의 농도에서 인산 염 버퍼 염 (PBS)에서 resuspended. 다음, 후 분리 하 여 두개골과 날카로운 해 부 결과 서 스 펜 션의 50 µ L murine calvaria의 중간에 적용 되었습니다. 쥐 2 주 후, 희생 했다 및 calvaria 샘플 수확 했다; 질적 및 양적 분석 H & E andmicro-코네티컷 얼룩에 의해 수행 되었다

CoCrMo 입자에 노출에 의해 건설 murine calvarial osteolysis 모델 CoCrMo 입자와 대 식 세포, 섬유 아 세포, osteoblasts, osteoclasts에 무 균 완화 등 다양 한 세포 간의 상호 작용을 평가 하기 위한 이상적인 도구입니다.

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Protocol

여기에 설명 된 모든 메서드는 기관 동물 관리 및 사용 위원회 (IACUC)의 난징 대학에 의해 승인 되었습니다.

1. CoCrMo 입자 준비

  1. 조작된 높은 진공 3 전극 직류4를 사용 하 여 CoCrMo 입자를 얻을. 10-3 Pa 진공, 0.04 MPa 아르곤 및 수소 3:2 (v/v), 악기에서 장소 CoCrMo 합금 그리고 현재 650 A 음극 선.
  2. CoCrMo 입자의 직경을 측정 합니다.
    1. 무수 에탄올의 1.5 mL에 CoCrMo 입자의 1 밀리 그램을 추가 합니다.
    2. 무수 에탄올에 초음파 진동 28 kHz, 600 W 5 분에 의해 CoCrMo 입자를 resuspend.
    3. 전송 전자 현미경 (TEM)의 객관적인 테이블에 결과 현 탁 액의 한 방울 (약 20 µ L)를 적용 합니다. 200 kV 가속 전압 및 0.24 nm 해상도에 가장 사진 시리즈를 캡처하십시오.
    4. TEM 현미경 사진에서 평균 직경 및 입자 크기 분포를 계산 하기 위해 제공 된 소프트웨어를 사용 합니다.
  3. 오염을 부유
    1. 고압 121 ° C와 15 psi에서 15 분 동안 입자의 50 g.
    2. Limulus Amebocyte Lysate (LAL) 분석 결과 양적으로 독 검색 (< 0.25 %EU / mL 내 부재를 나타내기 위해 여겨졌다)5.
  4. 재고 솔루션650 mg/mL의 농도에서 인산 염 버퍼 염 (PBS)에 입자를 resuspend.

2입니다. Calvarial Osteolysis 모델의 건설

  1. 6 주 된 C57BL/J6 쥐 (그룹 당 6 쥐) withpentobarbital (50 mg/kg) anesthetize 핀치 테스트를 사용 하 여 마 취의 수준을 평가 하기 위해. 일반적인 염 분으로 눈의 건조를 방지 합니다.
  2. 경향이 위치에서 마우스를 놓습니다. 두개골에 모피는 면도기로 제거 하 고 75%의 에탄올을 포함 하는 의료 면봉을 사용 하 여 피부를 소독.
  3. 포인트 지역화, 각각 두 눈과 귀 사이의 중간점을 포함 하 여 2 포인트를 식별 합니다. 다음, 포인트, 위의 두 사이의 라인을 확인 하 고가 위 (그림 1A)와 위의 라인을 따라 피부를 incise.
  4. 메스 (그림 1B)6calvaria에서 두개골과 제거 합니다.
  5. 간단한 중단된 봉합으로 양쪽 끝에 봉합 피부.
  6. 노팅 없이 절 개의 중간을 통해 봉합 라인을 확인 합니다. 봉합 선의 두 끝을 잡으십시오.
  7. Calvarias (그림 1C)2의 한가운데에 CoCrMo 입자 현 탁 액 (PBS에 50 mg/mL)의 50 µ L를 포함 합니다.
  8. 간단한 중단된 봉합 (그림 1D) 내 마지막 스티치 매듭
  9. 또 다른 2 주 동안 마우스를 유지.

3. 마이크로-CT 스캔 하 여 Calvarial Osteolysis 모델의 평가

  1. 이산화탄소와 쥐를 희생. 수평 평면에 쥐 목을 벨. 뇌 조직 내부, 그리고 피부를 제거 하 고 밖에 서 모피. 추가 실험을 위한 calvarias을 수확.
  2. 부드럽게 핀셋으로는 calvaria에 모든 연 조직 정리. 마이크로-CT 검사 전에 PBS 24 h calvarias 24 h. 담가 4 ° C에서 4 %paraformaldehyde 지운된 calvarias을 수정.
  3. 마우스 calvarias 18 µ m의 아이소메트릭 해상도 및 45의 x 선 에너지 설정에서 고해상도 마이크로-CT 분석 kV 및 550 mA.
  4. 소프트웨어와 마이크로-CT 데이터의 3 차원 재구성을 수행 합니다.
  5. 정성 및 정량 분석입니다.
    1. 먼저, 관심의 영역으로 중간 봉합 사 주위의 사각형 영역을 선택 합니다.
    2. 둘째, 뼈 미네랄 밀도 (BMD)를 측정, 볼륨/총 뼈 볼륨 (BV/TV), 배수 수 (Tb.N), 배수 두께 (Tb.Th), 배수 분리/간격 (Tb.Sp), 그리고 마이크로-코네티컷에 대 한 제공 된 소프트웨어와 함께 총 다공성의 비율
    3. 셋째, 일방통행 ANOVA에 의해 다양 한 측정을 위한 3 개 그룹을 비교할 수 있습니다. 포스트 hoc 분산 분석 적용 Bonferroni 방법2.

4. Calvarial Osteolysis 모델 H & E 염색 법의 평가

  1. 15% 에틸렌 diamine tetraacetic 산 (EDTA) calvaria 샘플을 알려줍니다-4 ° c.에서 PBS 3 주 동안 매일 decalcification 솔루션을 변경 합니다.
  2. 2 cm x 1 cm x 1 cm 큐브, 파라핀에 석된 샘플을 포함 하 고 입자 증 착의 영역에서 2 µ m 섹션으로 그들을 슬라이스.
  3. 되며 섹션 얼룩 하 고 오신 앞7에서 설명한.
  4. 가벼운 현미경 검사 법에 의해 전체 pathomorphism의 현미경을 캡처하십시오.

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Representative Results

사내 생산된 nanoscale CoCrMo 입자 했다 약 50 nm (3.56의 표준 오차) 직경, 가장 (그림 2)에 의해 정량으로. 마우스 calvarias의 CoCrMo 입자, 동물에 노출 된 후 (n = 그룹 당 6) 또 다른 2 주 동안 유지 되었다. 2 주 이내에 calvarial 절 개는 완전 하 게 치유 하 고 봉합 떨어질 수 있습니다. 모든 로컬 감염 또는 뼈 손실 평가 영향을 없앤 5 월. 마우스 희생 후 calvaria 샘플 수확 했다. 그리고, 모든 부드러운 조직을 부드럽게 정돈 했다 마이크로 CT 뼈 손실을 측정 하는 데 사용 되었다. 3 차원 재구성 이미지와 횡단면에 대표적인 코로나 사진에서 중요 한 뼈 손실은 CoCrMo 입자 (그림 3)으로 치료 하는 쥐에서 관찰 되었다. 뼈 미네랄 밀도 (BMD), 뼈 볼륨/총 볼륨 (BV/TV), 배수 수 (Tb.N), 및 배수 두께 (Tb.Th) 현저 하 게 감소 되었다, 총 다공성 및 배수 분리/간격 (Tb.Sp)는 CoCrMo에서 크게 증가 했다 그룹 제어 및 가짜 작업 그룹 (그림 4)와 비교. 학생 t 테스트 그룹와 p의 차이 평가 하는 데 사용 되었다 < 0.05 통계적으로 중요 하 게 고려 되었다. 또한, H & E 염색 calvaria 섹션의 CoCrMo 입자 (그림 5)로 치료 하는 쥐에 있는 뼈 손실 확인.

Figure 1
그림 1 : 입자 유도 osteolysis (PIO) 마우스 모델의 도식. 왼쪽은 모델링에서 마우스 위치를 보여준다. (A) 지역화 포인트. 두 눈과 귀 사이의 중간점을 각각 결정 하 고 그들 사이 선 따라 피부를 incise. (B) 고는 calvaria에서 두개골과 제거. (C) 포함 CoCrMo 입자 현 탁 액은 calvaria 중간. 간단한 중단된 봉합에 ((D)) 봉합 피부. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2 : 전송 CoCrMo 입자의 전자 현미경 스캐닝. (A) CoCrMo 입자의 대표 전송 전자 현미경 이미지. (B) CoCrMo 입자의 입자 크기 분포는 소프트웨어와 함께 정량 했다. 각 막대는 입자의 총 수를 정상화 하는 주파수를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3 : 제어 마우스 및 그에서 샘플의 3 차원 개조와 마이크로 CT 분석 치료 PBS (가짜 동작)와 CoCrMo 입자. 흰색 가로줄 횡단면 이미지의 위치를 나타냅니다. 흰색 화살표 CoCrMo 주입 그룹에서 뼈 손실을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4 : 3 차원 재구성 후 마이크로-CT 이미지의 정량 분석. 뼈 미네랄 밀도 (BMD) (A), 뼈 볼륨/총 거래량 (BV/TV) (B), 총 다공성 (C), 배수 수 (Tb.N) (D), 배수 두께 (Tb.Th) (E)의 비율의 정량화 및 배수 분리/간격 (Tb.Sp) (F), mean±standard 오류에. 학생 t 검정 p 그룹 간의 차이 평가 하는 데 사용 되었다 < 0.05 통계적으로 유의 한 것으로 간주. * *, P < 0.01; P < 0.001. n = 그룹 당 6 쥐. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 5
그림 5 : H 조 & 전자 제어 마우스 및 그에서 calvaria 샘플 (10 ×)의 얼룩의 대표 이미지 치료 PBS (가짜 동작)와 CoCrMo 입자. 빨간색 화살표 osteolysis를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

마모 입자 유도 osteolysis 쥐에 대 한 두 가지 주요 방법이 있다: 공기 주머니 모델과 calvarial osteolysis 모델. 공기 주머니 모델에서 피하 생성 된 공기 주머니는 처음 설립, 마모 입자 소개 및 이식 뼈 조직8에 이어서. 주머니 벽 무 균 완화에 모방합니다. 그러나, 뼈 이식이 이다 nonvascular 생물 학적 활동 없이, 입자와 뼈 조직 간의 직접적인 상호 작용을 평가 하기 어렵습니다. Calvarial osteolysis 모델 공기 주머니 대응 이상의 몇 가지 이점이 있다. 첫째, 마모 입자는 직접 노출 calvaria, 마모 입자 간의 상호 작용을 평가 하 고 항상성, 뼈 재흡수, 그리고 osteoblast, osteoclast 및 대 식 세포 활동9,10 포함 하 여 뼈를 가능 하 게 하 . 둘째, 뼈 손실의 양적 측정 뼈 손실 예방11다양 한 잠재적인 유전 접근 및 생물 학적 에이전트의 평가 허용 사용할 수 있습니다. 셋째, 마모 입자와 다양 한 유전자, 유전자 변형 등 배경과 유전자 녹아웃 쥐12,13에 뼈 손실의 관계를 평가 하기 위해 가능 하다. 넷째, 다양 한 복용량에서 화합물의 많은 화면을 사용할 수 있습니다. 그러나, traditionalcalvarial osteolysis 모델의 상대적으로 낮은 이며 객관적인1적은 결과 만드는 osteolysis 측정 하 뼈 histomorphometry을 사용 하 여.

모델의 향상과 더 객관적 결과 렌더링, 몇 가지 수정은 했다. 첫째, 나노 입자는 calvaria 간의 상호 작용을 강화 하 고 입자를 착용을 사용 했다. 실제로, 나노 입자와는 calvaria 간의 상호 작용 1.5 µ m14,15의 평균 직경 상업적으로 합금 입자에 비해 향상 됩니다. 둘째,는 calvaria에 1.0 c m2 지역은 calvaria의 적절 한 노출을 달성 하는 구분 된 했다. 셋째, 마이크로-CT 및 3 차원 재구성 뼈 손실을 계량에 사용 되었다.

현재 모델에 몇 가지 제한이 있습니다. 마우스에 대 한 첫 번째, 마이크로-CT 장비는 연구자, 널리 사용할 수 없습니다 그리고 기술자 검사 및 3 차원 재구성 필요 합니다. 둘째, 현재 모델에 사용 된 CoCrMo 나노 입자는 상업적으로 사용할 수, 그리고 그들의 생산에서 재료 과학 기술자 지원에 의존. 셋째,이 모델 뼈 질량, 입자의 만성 효과 나타내지 않는 고 진동 유체 압력 또는 기계적인 힘 등 osteolysis에 관련 된 비 생물 요소를 결여. 모델의 효능 나노 입자의 도움과는 calvaria의 충분 한 노출 크게 증가 될 수 있습니다. 뼈 손실 양이 정해질 수 있는, 그리고 마이크로-코네티컷 더 객관적인 데이터 취득

CoCrMo 입자에 노출에 의해 설립 calvarial osteolysis murine 모델 CoCrMo 입자와 대 식 세포, 섬유 아 세포, osteoblasts osteoclasts에 무 균 완화 등 다른 세포 사이 상호 작용을 평가 하기 위해 이상적인 도구입니다. 또한,이 모델을 사용 하 여 무 균 완화에 그들의 효과의 약품의 시리즈를 테스트할 수 있습니다.

이 절차의 많은 중요 한 단계가 있습니다. 첫 번째는 50의 평균 직경 CoCrMo 나노 입자의 응용 nm. 둘째,는 calvaria의 적절 한 노출을 달성 했다. calvaria에 1.0 c m2 지역 충분이 모델, 그리고 신중 하 고 완전히 해 부 수 한다는 calvaria에과. 과의 명확한 해 부 강렬 calvaria 고 입자 사이 상호 작용. 셋째, 마이크로 CT, 뼈 손실의 양적 측정 가능 하다. 3 차원 재구성, BMD, BV/TV, Tb.N, Tb.Th, Tb.Sp 및 총 다공성의 비율 등에서 뼈 손실의 양적 측정 쉽게 다양 한 치료, 뼈 손실 차이 구별 하 고의 확실 한 증거를 제공 osteolysis 전통적인 뼈 histomorphometry와 비교입니다.

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Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

이 연구는 국립 자연 과학 재단의 중국 (81572111), 과학 및 기술 프로젝트 재단의 장쑤 성 (BL2012002), 과학 연구 난징 프로젝트 (201402007), 자연 과학에 의해 지원 되었다 장쑤 성 (BK20161385)의 기초 그리고 중국 의사 협회 (2015COS0810)의 특별 한 기초.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CoCrMo alloy from prosthesis Waldemar Link GmbH & Co GEMINI MK II Raw material to obtain CoCrMo nanoparticles
Fabricated high-vacuum three-electrode direct current College of Materials Science & Engineering , Nanjing University of Technology Self designed machine
6 week old male C57BL/6J mice Model animal research center of Nanjing University N000013
100% Ethanol Nanjing Reagent C0691514023 Solvent of CoCrMo nanoparticles for transmission electron microscope scanning
1.5 ml Microcentrifuge tubes Taizhou Weierkang Medical Supplies co., LTD W603
Microanalytical balance Shenzhen Qun long Instrument Equipment Co,. LTD EX125DZH
Ultrasonic shaker Shanghai Yuhao scientific instrument co., LTD YH-200DH To suspend CoCrMo nanoparticles
Transmission Electron Microscope FEI Tecnai G20
SimplePCI software Compix Inc. 6.6 version To calculate the mean diameter and particle size distribution.
High-handed sterilization pan QIULONGYIQI KYQL-100DS To decontaminate endotoxin
Limulus Amebocyte Lysate (LAL) Assay Charles River R13025 To detect endotoxin 
15 ml Microcentrifuge tubes Taizhou Suyi Medical B122
Phosphate-buffered saline Boster Biological Technology AR0030 Solvent of CoCrMo nanoparticles stock solution
Pentobarbital Sodium Sigma P3761 To anesthetize mice
Normal saline SACKLER SR8572EP-15 To prevent drying of mice eyes
75% Ethanol Nanjing Reagent C0691560275 Disinfection
Medical cotton ball Shuitao 1278298933 Disinfection
Shaver Kemei KM-3018 To shave the fur
Scissor RWD LIFE SCIENCE S12005-10 To incise skin
Suture RWD LIFE SCIENCE F34001-01 To suture skin
Needle holder RWD LIFE SCIENCE F33001-01 To suture skin
Needle RWD LIFE SCIENCE R14003-12 To suture skin
Vessel forceps RWD LIFE SCIENCE F22003-09 To suture skin
Scalpel RWD LIFE SCIENCE S31010-01 To harvest calvaria
Tweezers RWD LIFE SCIENCE F12006-10 To harvest calvaria
100 µL pipettes Eppendorf 3120000240 To embed particles suspension in the calvatias
100 µL pipette tips AXYGEN T-200-Y To embed particles suspension in the calvatias
5 ml Microtubes Taizhou Weierkang Medical Supplies co., LTD W621
4% Paraformaldehyde Servicebio G1101 Fixation
Micro Computed Tomography  SkyScan SkyScan1176
Ethylene Diamine Tetraacetic Acid Servicebio G1105 Decalcification
Paraffin Servicebio #0001
Paraffin slicing machine Leica RM2125RTS
Glass slide Servicebio G6004
Cover glass Servicebio 200
HE staining kit Servicebio #1-5 HE staining
Light microscope Nikon E200

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References

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Jiang, H., Wang, Y., Deng, Z., Jin,More

Jiang, H., Wang, Y., Deng, Z., Jin, J., Meng, J., Chen, S., Wang, J., Qiu, Y., Guo, T., Zhao, J. Construction and Evaluation of a Murine Calvarial Osteolysis Model by Exposure to CoCrMo Particles in Aseptic Loosening. J. Vis. Exp. (132), e56276, doi:10.3791/56276 (2018).

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