I Vivo Evaluering av brudd Callus utvikling i bein Healing i mus bruker en MRI-kompatibel Osteosynthesis enhet for musen Femur
Summary
Evalueringen av vev utvikling i brudd callus under endochondral bein healing er viktig å overvåke helbredelsesprosessen. Her rapporterer vi bruk av en magnetisk resonans imaging (MRI)-kompatibel ekstern fixator for musen femur tillate MRI finkjemmer bein gjenfødelse i mus.
Abstract
Endochondral brudd healing er en kompleks prosess som involverer utviklingen av fibrøst cartilaginous og osseous vev i brudd callus. Mengden av ulike vev i callus gir viktig informasjon om brudd healing fremgang. Tilgjengelig i vivo teknikker å overvåke langs callus vev utviklingen i preklinisk brudd-healing studier med liten dyrene inkluderer digital røntgen og µCT bildebehandling. Begge teknikkene er imidlertid bare kunne skille mellom mineralholdig og ikke-mineraliserte vev. Derfor er det umulig å diskriminere brusk fra fibrøst vev. I kontrast, magnetisk resonans imaging (MRI) visualiserer anatomiske strukturer basert på sitt vanninnhold og derfor kunne identifisere noninvasively mykt vev og brusk i brudd callus. Her rapporterer vi bruk av en MRI-kompatibel ekstern fixator for musen femur at Mr skanner under bein regenerasjon i mus. Eksperimenter har vist at fixator og en skreddersydd montering tillater repeterende Mr skanner, dermed muliggjør langsgående analyse av brudd-callus vev utvikling.
Introduction
Sekundær brudd healing er den vanligste formen for bein helbredelse. Det er en kompleks prosess mimicking bestemte aspekter av ontogenic endochondral forbening1,2,3. Tidlig brudd hematom består hovedsakelig av immunceller, korning og bindevev. Oksygen spenning og høy biomekaniske stammer hemme osteoblast differensieringen brudd gapet, men fremme differensiering av progenitor celler i chondrocytes4,5,6. Disse cellene begynner å spre seg på stedet av skade å danne en cartilaginous matrise gir første stabiliteten i fractured benet. Under callus modning, chondrocytes bli hypertrofisk, gjennomgår apoptose, eller trans-skille ut osteoblasts. Neovascularization på brusk-til-Ben overgang zone gir forhøyet oksygen nivåer, slik at dannelsen av bein vev7. Etter benete bygge bro av brudd gapet, biomekaniske stabilitet er økt og osteoclastic ombygging av eksterne brudd callus oppstår for å få fysiologiske bein kontur og struktur3. Derfor inneholder mengder fibrøse cartilaginous og bein vev i brudd callus viktig informasjon om benet helbredelsesprosessen. Forstyrret eller forsinket healing blir synlig ved endringer callus vev utvikling både mennesker og mus8,9,10,11. Tilgjengelig i vivo teknikker langs overvåke callus vev utvikling i preklinisk brudd healing studier med liten dyrene inkluderer digital røntgen og µCT imaging12,13. Men kan begge teknikkene bare forskjellsbehandle mineralholdig og ikke-mineraliserte vev. I kontrast, Mr gir utmerket bløtvev kontrast og derfor kunne identifisere mykt vev og brusk i brudd callus.
Tidligere arbeid viste lovende resultater for post mortem MRI i mus med articular frakturer14 og i vivo MRI i mus under intramembranous bein-defekt helbredende15. Men uttalt både studier også begrenset romlig oppløsning og vev kontrast. Vi viste tidligere muligheten for høy oppløsning i vivo MRI langsgående vurdering av myke callus formasjon under murine endochondral brudd healing16. Her rapportere vi av protokollen for å bruke en MRI-kompatibel ekstern fixator for femur osteotomi i mus for å overvåke callus vev utvikling langs under endochondral brudd helbredelsesprosessen. Utformingen av en skreddersydd montering enhet for innsetting av den eksterne fixator sikret en standardisert posisjon under gjentatt skanner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Endringer og feilsøking:
Hovedmålet med denne studien var å beskrive en protokoll for bruk av en MRI-kompatibel ekstern fixator for femur osteotomi musen muligheten til å overvåke callus vev utvikling langs under endochondral brudd-healing prosessen. Utformingen av en skreddersydd montering enhet for innsetting av den eksterne fixator sikret en standardisert posisjon under gjentatt skanner. Halvautomatisk vev segmentering tillater analyse av mengder fibrøse cartilaginous…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Sevil Essig, Stefanie Schroth, Verena Fischer, Katja Prystaz, Yvonne Hägele og Anne Subgang utmerket kundestøtte. Vi takker også tysk Research Foundation (CRC1149, INST40/499-1) og AO traumer Foundation Tyskland for finansiering denne studien.
Materials
| Anaesthesia tube | FMI, Seeheim, Germany | ZUA-82-ANA-TUB-Mouse | |
| Anaesthetic machine | FMI, Seeheim, Germany | ZUA-82-GME-MA | |
| Artery forceps | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BH104R | |
| Autoclave | Systec, Wettenberg, Germany | DX-150 | |
| Autoclaving packaging | Stericlin, Feuchtwangen, Germany | 2301-04/06/10/12/16 | |
| Avizo software | FEI, Burlington, USA | – | Version 8.0.1 |
| BioSpec 117/16 magnetic resonance imaging system | Bruker Biospin, Ettlingen, Germany | 117/16 | |
| Bulldog clamp | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BH 021R | |
| Carbon steel scalpel no. 11/15 | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BA211/215 | |
| Ceramic mounting pin 0.45 mm | RISystem, Davos, Switzerland | HS691490 | |
| Clindamycin (300 mg / 2ml) | Ratiopharm, Ulm, Germany | – | |
| Dressing forceps 115 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD210R | |
| Dressing forceps 130 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD025R | |
| Drill bit coated 0.45 mm | RISystem, Davos, Switzerland | HS820420 | |
| Durogrip needle holder 125 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BM024R | |
| Foliodrape | Hartmann, Heidenheim, Germany | 2513026 | |
| Frekaderm | Fresenius, Bad Homburg, Germany | 4928211 | |
| Gigli saw 0.44 mm | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.590.110.25 | |
| Hand drill | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.390.130-01 | |
| Heating plate | FMI, Seeheim, Germany | IOW-3704 | |
| Hygonorm gloves | Hygi, Telgte, Germany | 2706 | |
| Isoflurane | Abbot, London, UK | Forene | |
| Micro forceps 155 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BD343R | |
| Micro scissors 120 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | FD013R | |
| Mouse FixEx L 0.7 mm | RISystem, Davos, Switzerland | RIS.611.300-10 | |
| Needle case for drills | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BL911R | |
| Needle holder | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB078R | |
| Octenisept | Schülke, Norderstedt, Germany | 121403 | |
| Osirix software | Pixmeo SARL, Bernex, Switzerland | – | Version 4.0 |
| Oxygen, medical grade | MTI, Ulm, Germany | – | |
| Resolon 5/0 | Resorba, Nürnberg, Germany | 88143 | |
| Saline 0.9% | Braun, Melsungen, Germany | 3570350 | |
| Scalpel handle 125 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB073R | |
| Scissors 150 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BC006R | |
| Sealer for autoclave packaging | Hawo GmbH, Obrigheim, Germany | HM500 | |
| Sterican 27 G | Braun, Melsungen, Germany | 4657705 | |
| Sterile surgical blades no. 11/15 | Aesculap, Tuttlingen, Germany | BB511/515 | |
| Surgical gloves | Hartmann, Heidenheim, Germany | Peha-micron 9425712 | |
| Surgical light | Maquet SA, Ardon, France | Blue line 80 | |
| Syringes 5 ml | Braun, Melsungen, Germany | Injekt 4606051V | |
| Tissue forceps 80 mm | Aesculap, Tuttlingen, Germany | OC091R | |
| Tramadol 25 mg/l | Grünenthal, Aachen, Germany | 100mg/ml | |
| Vasofix Safety | Braun, Melsungen, Germany | 4268113S-01 | |
| Vicryl 5-0 | Ethicon, Norderstedt, Germany | V30371 | |
| Visdisic eye ointment | Bausch & Lomb, Berlin, Germany | 3099559 |
References
- Claes, L., Recknagel, S., Ignatius, A. Fracture healing under healthy and inflammatory conditions. Nat Rev Rheumatol. 8 (3), 133-143 (2012).
- Einhorn, T. A. The cell and molecular biology of fracture healing. Clin Orthop Relat Res. (355), S7-S21 (1998).
- Einhorn, T. A., Gerstenfeld, L. C. Fracture healing: mechanisms and interventions. Nat Rev Rheumatol. 11 (1), 45-54 (2015).
- Augat, P., et al. Local tissue properties in bone healing: influence of size and stability of the osteotomy gap. J Orthop Res. 16 (4), 475-481 (1998).
- Claes, L. E., Heigele, C. A. Magnitudes of local stress and strain along bony surfaces predict the course and type of fracture healing. J Biomech. 32 (3), 255-266 (1999).
- Claes, L. E., et al. Effects of mechanical factors on the fracture healing process. Clin Orthop Relat Res. (355), 132-147 (1998).
- Hu, D. P., et al. Cartilage to bone transformation during fracture healing is coordinated by the invading vasculature and induction of the core pluripotency genes. Development. 144 (2), 221-234 (2017).
- Hankenson, K. D., Zimmerman, G., Marcucio, R. Biological perspectives of delayed fracture healing. Injury. 45, 8-15 (2014).
- Meyer, R. A., et al. Age and ovariectomy impair both the normalization of mechanical properties and the accretion of mineral by the fracture callus in rats. J Orthop Res. 19 (3), 428-435 (2001).
- Nikolaou, V. S., Efstathopoulos, N., Kontakis, G., Kanakaris, N. K., Giannoudis, P. V. The influence of osteoporosis in femoral fracture healing time. Injury. 40 (6), 663-668 (2009).
- Haffner-Luntzer, M., Kovtun, A., Rapp, A. E., Ignatius, A. Mouse Models in Bone Fracture Healing Research. Current Molecular Biology Reports. 2 (2), 101-111 (2016).
- Garcia, P., et al. Rodent animal models of delayed bone healing and non-union formation: a comprehensive review. Eur Cell Mater. 26, 1-14 (2013).
- Histing, T., et al. Small animal bone healing models: standards, tips, and pitfalls results of a consensus meeting. Bone. 49 (4), 591-599 (2011).
- Zachos, T. A., Bertone, A. L., Wassenaar, P. A., Weisbrode, S. E. Rodent models for the study of articular fracture healing. J Invest Surg. 20 (2), 87-95 (2007).
- Taha, M. A., et al. Assessment of the efficacy of MRI for detection of changes in bone morphology in a mouse model of bone injury. J Magn Reson Imaging. 38 (1), 231-237 (2013).
- Haffner-Luntzer, M., et al. Evaluation of high-resolution In Vivo MRI for longitudinal analysis of endochondral fracture healing in mice. PLoS One. 12 (3), 0174283 (2017).
- Beckmann, N., Falk, R., Zurbrugg, S., Dawson, J., Engelhardt, P. Macrophage infiltration into the rat knee detected by MRI in a model of antigen-induced arthritis. Magn Reson Med. 49 (6), 1047-1055 (2003).
- Al Faraj, ., Shaik A, S. u. l. t. a. n. a., Pureza, A., A, M., Alnafea, M., Halwani, R. Preferential macrophage recruitment and polarization in LPS-induced animal model for COPD: noninvasive tracking using MRI. PLoS One. 9 (3), 90829 (2014).
- Rolle, A. M., et al. ImmunoPET/MR imaging allows specific detection of Aspergillus fumigatus lung infection in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (8), 1026-1033 (2016).
- Niemeyer, M., et al. Non-invasive tracking of human haemopoietic CD34(+) stem cells in vivo in immunodeficient mice by using magnetic resonance imaging. Eur Radiol. 20 (9), 2184-2193 (2010).
