Denne protokol beskriver en musemodel af ortopædisk kirurgi, der er blevet brugt til at studere mekanismer af postoperative neuroinflammation og adfærdsmæssige ændringer, og når det kombineres med parabiosis, at studere vævsregeneration under aldring.
Kirurgi er almindeligt anvendt til at forbedre og vedligeholde livskvalitet. Desværre, i sårbare patienter som ældre, komplikationer kan forekomme og betydeligt mindske resultatet. Faktisk, efter rutinemæssig ortopædisk kirurgi til at reparere en fraktur, så mange som 50% af ældre patienter lider af neurologiske komplikationer som delirium. Også kapacitet til at helbrede og regenerere væv efter operationen falder med alderen, og kan påvirke kvaliteten af fraktur reparation og endda ossøse integration af implantater. Således kunne en bedre forståelse af mekanismer, der driver ændringerne aldersbetinget give strategiske mål for at minimere risikoen for sådanne komplikationer og optimere resultaterne. Her introducerer vi en klinisk relevante musemodel af tibial fraktur. De postoperative forandringer i disse mus efterligne nogle af de kognitive funktionsnedsættelser almindeligt observeret efter rutinemæssig ortopædisk kirurgi hos mennesker. Kort, et snit er udført i det højre bagben lemmer strengt aseptiske betingelser. Muskler er adskilte, og en 0,38-mm rustfrit stål pin er indsat i den øverste crest af tibia, inde i marvkanalen. Osteotomi udføres derefter, og såret er hæftet. Vi har anvendt denne model til at undersøge virkningerne af kirurgisk traume på postoperative neuroinflammation og adfærdsmæssige ændringer. Ved at anvende denne fraktur model i kombination med parabiosis, en kirurgisk model hvor 2 mus er anastomosed, har vi studeret celler og udskilles faktorer, som systemisk forynge orgel funktion og væv regeneration efter skade. Ved at følge vores trinvise protokol, disse modeller kan gengives med high fidelity, og kan tilpasses til at afhøre mange biologiske veje, der er ændret af kirurgisk traume.
Kirurgi har forvandlet den medicinske sundhedssystem og løbende bidrager til banebrydende teknologi, forbedret sikkerhed, og vedligeholdes af livskvaliteten. Desværre, kirurgi også inducerer patofysiologiske svar, der kan føre til postoperative komplikationer herunder sårinfektioner, neurologisk funktionshæmninger og endda dødelighed, især i ældre patienter1,2. Ortopædisk kirurgi udføres rutinemæssigt, især hos ældre voksne, til at forbedre livskvaliteten og reparere almindelige knogle skader. Dog op til 50% af ortopædisk kirurgi patienter, som er 65 år og ældre erfaring neurologiske handicap såsom postoperative delirium. Denne konsekvent korrelerer med dårlig prognose, dvs., 5-fold øget risiko for dødelighed på 6 måneder, vedvarende funktionelle tilbagegang, øgede sygepleje tid pr. patient, øget længden af hospitalsophold og højere priser på Plejehjemmet placering af 3 , 4 , 5. nogle risikofaktorer, herunder fremskreden alder, er blevet identificeret, men lidt er kendt om de mekanismer, der er ansvarlige for neurologiske funktionsnedsættelse efter operation.
Da frakturer er meget almindelige hos ældre, har vi etableret en musemodel af tibial fraktur til at bestemme virkningen af perifere traumer på postoperativ nyttiggørelse, herunder neuroinflammation og hjerne sundhed (kognitiv funktion)6, 7. denne model, oprindeligt beskrevet af Harry et al. 8, består af intramedullært fastgørelse og tibial fraktur under generel anæstesi og analgesi, og dermed efterligner huden skade, muskel traumer, og knoglen reparere forbundet med fælles long-knoglebrud og reparation hos mennesker. Efter denne procedure, mus demonstrere ændringer i inflammatoriske markører svarende til observerede ændringer i mennesker9,10, samt microglial aktivering i hippocampus, som er forbundet med underskud i deklarativ hukommelse og hippocampus neuroplasticitet6,7,11. Vi har tidligere kombineret denne fraktur model med parabiosis. Parabiosis er en kirurgisk model hvor 2 mus er anastomosed, og dermed deler en kredsløbssygdomme. Denne model har givet et gennembrud i forståelsen af regulerende virkninger af cirkulerende celler og humorale faktorer på organfunktion i forbindelse med alder og sygdom12,13,14. Ved hjælp af denne fremgangsmåde opdaget vi for nylig systemiske faktorer forbundet med aldersbetinget fraktur healing12.
Her introducerer vi en protokol, der kombinerer tibial fraktur modellen med parabiosis at studere knogle-til-hjerne alder afhængige mekanismer, som er relevante for regenerativ medicin og neuroimmunology. Protokollen 1A beskriver parabiosis procedure og 1B protokoloplysninger tibial fraktur procedure (figur 1A). Disse kan udføres uafhængigt eller i kombination, afhængig af arten af forhør.
Frakturer er en fælles klinisk problem, og fortsat er en førende årsag til sygelighed, især i den hastigt voksende senior befolkning. Her, indfører vi en trinvis protokol for en musemodel af tibial fraktur at studere mekanismer er ansvarlige for postoperative neuroinflammation og kognitiv svækkelse. Denne model kan kombineres med parabiosis kirurgi til at studere neuro-immune interaktioner, vævsregeneration og andre signaling processer. Forstå disse mekanismer vil give strategiske mål for at minimere risikoen for postoperative komplikationer og optimere resultaterne.
Flere ortopædisk modeller er blevet udviklet for at studere knogle reparation i gnavere25. Vi har vedtaget og ændret denne tibial fraktur procedure, oprindeligt beskrevet af Harry et al. 8, at studere virkningerne af ortopædisk kirurgi på hjernefunktion. Vi har også brugt denne fraktur model i kombination med vores parabiosis model til at undersøge faktorer, der er ansvarlige for knogleheling og alder afhængige vævsregeneration. Når der udføres under flygtige generel anæstesi, denne tibial fraktur procedure kræver kun ca 15 min pr. dyr, resulterer i nul til minimal dødelighed (afhængigt af alder af musen og underliggende genetiske modtagelighed), og sammenfatter fælles fornærmelser forbundet med long-knoglebrud og ortopædisk Kirurgisk traume. Således, denne model er ideel til spørgekriterierne biologiske veje og udføre langsgående vurderinger. Det er imidlertid afgørende at den osteotomi og fastgørelse er reproducerbare, og at skade på det bløde væv er konsekvent. Blødt vævsskader kan moduleres, for eksempel ved stripning periosteum og klemme omkringliggende muskler til at gøre kirurgi mere traumatisk. Modeller af traumatisk fraktur induceret af ikke-fast stumpe traumer eller tre-punkts bøjning ville ikke give sådanne konsistens eller nøjagtighed. Disse procedurer resultere ofte i re-skade, som fører til langvarig inflammatorisk respons. Omvendt, modeller af fraktur med rigid fiksation har en mere moderat betændelse, som ikke fuldt sammenfatte skader forbundet med ortopædisk kirurgi26,27.
Andre modeller bruger titanium-legering fastgørelse er blevet udviklet til nøje efterligne menneskelige artroplastik og kan være mere relevant at afhøre protesen ustabilitet, osteolyse, og protesen-associerede komplikationer i mus28,29 . Drill-hullers modeller frygter som man præsenteres her, give passende stabilisering, og mus kan testes i adfærdsmæssige paradigmer uden betydelige underskud, der kunne forvirre opgaver som aircondition eller åbne feltet bevægelse/angst test6 ,7,11,15,19,20. Men, roterende deformiteter kan opstå Hvis optagelsen ikke er korrekt låst. Nogle modeller bruger en ekstern fiksator, som giver overlegen stabilisering, men er en udfordring for at gennemføre i en mus tibia, selv om det kan gennemføres med succes i en mus lårbenet27.
Kognitive funktionsnedsættelser, herunder delirium og postoperativ kognitiv dysfunktion, er fælles komplikationer efter ortopædisk kirurgi for fraktur reparation, især i ældre og svagelige patienter30. Denne klinisk relevante musemodel af tibial knoglebrud surgery viser postoperative systemisk cytokin release6,7,17, nedsat blod – hjerne barrieren funktion15,19 , og ændret microglial morfologi16,22, bidrage til hukommelse værdiforringelse, og kan udgøre vigtige funktioner for de postoperative neurologiske komplikationer ses hos mange patienter efter ortopædisk kirurgi. Det er vigtigt at bemærke, at andre kirurgiske procedurer er blevet brugt til at modellere postoperativ kognitiv dysfunktion hos mus. Disse omfatter abdominal31,32,33 samt vaskulære34 kirurgi og overfladiske traumer35,36. Parabiosis teknikken er gældende for alle disse modeller, som deler samme endepunkter, herunder betændelse, glial aktivering og adfærdsmæssige underskud, der kan være medieret af fælles mekanismer.
Undersøgelser, der omfatter parabiosis har afsløret nye roller for cirkulerende faktorer, der kan påvirke kognitive funktion, neuroinflammation og væv foryngelse i alderen dyr37,38,39,40 ,41,42. Vi har vist, at parabiosis kan kombineres med succes med den tibial fraktur model beskrevet her til at afhøre regenerativ veje og studere mekanismer der involverer blodbårne faktorer, indflydelse healing og fraktur reparation12. Her, viste vi at fraktur-reparation kapacitet af et ældre dyr kan blive forynget, når alderen dyret er anastomosed til en unge dyr. Denne vending af alder var forankret i engraftment hæmatopoietisk celler på webstedet fraktur. Interessant, ville sådan foryngelse også kunne opnås gennem transplantation af unge knoglemarv i alderen mus. Knoglemarvstransplantation kan i denne forbindelse anses for en mere direkte og enklere alternativ tilgang til parabiosis. Parabiosis er dog en mere robust model for at undersøge funktionen af cirkulerende celler og faktorer. Vi forventer, at en kombination af parabiosis og ortopædisk kirurgi modeller vil spille en vigtig rolle i besvarelsen af kritiske spørgsmål i perioperative pleje og aldring biologi.
I sammendrag indfører vi en trinvis protokol for en musemodel af tibial fraktur at studere mekanismer er ansvarlige for postoperative neuroinflammation og kognitiv svækkelse efter ortopædisk kirurgisk procedurer. Denne model kan kombineres med en parabiosis procedure at studere neuro-immune interaktioner, vævsregeneration og andre veje. Definerer disse mekanismer vil give strategiske mål for at minimere risikoen for postoperative komplikationer og optimere resultaterne.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker Kathy Gage, BS (afdeling af Anesthesiology, Duke University Medical Center, Durham, NC) for redaktionelle bistand. NT anerkender støtte fra en drøm Innovation tilskud fra hertug Anesthesiology og NIH/NIA R01 AG057525-01.
Isoflurane | Piramal Healthcare | NDC 66794-017-25 | Other volatile agents or injectable anesthesia can be also used |
Buprenorphine | Reckitt-Benckiser Pharmaceuticals | NDC 12496- 6757-1 | Optional and depending on individual Institutional Animal Care and Use Committee recommendations |
Ethanol | Fisher Scientific | 04-355-451 | 70% solution for antiseptic treatment of skin and cleaning |
10% povidone Iodine | Dynarex | For antiseptic treatment of skin | |
SomnoSuite | Kent Scientific | SS-01 | Low Flow Anesthesia system |
MouseSTAT | Kent Scientific | PS1161 | Pulse Oximeter & Heart Rate Monitor |
Shaver | Wahl | 9854L | |
Stereomicroscope | Leica | MZ6 | |
Scalpel Handle | Fine science tools | 10003-12 | |
Scalpel Blades – #11 | Fine science tools | 10011-00 | |
Adson Forceps | Fine science tools | 11006-12 | Needed for stripping the periosteum |
Iris Forceps | Fine science tools | 11066-07 | Useful (1×2 teeth) to causing localized muscle/soft tissue trauma |
Bonn Scissors (Straight) | Fine science tools | 14084-08 | Good for osteotomy, note to change regularly as becomes blunt |
Fine Scissors | Fine science tools | 14058-09 | Sharp scissors for cutting sutures |
22G x 3.5 In Quincke Spinal Needle | BD | 405181 | Use inner rod for pinning |
Needle Holders | Fine science tools | 12001-13 | |
Suture | Look | 1079B | |
C57BL6/J | Jackson Laboratory | stock no. 000664 | |
eGFP+ (expressing enhanced green fluorescent protein ubiquitously) | Jackson Laboratory | stock no. 003291 |