Summary

En ikke-invasiv metode for å generere den sykliske belastningsinduserte intraartikulære brusklesjonsmodellen til rottekneet

Published: July 05, 2021
doi:

Summary

Her presenterer vi den sykliske belastningsinduserte intraartikulære brusklesjonsmodellen av rottekneet, generert av 60 sykliske kompresjoner over 20 N, noe som resulterer i skade på femoral kondylarbrusk hos rotter.

Abstract

Patofysiologien ved primær artrose (OA) er fortsatt uklar. Imidlertid er en spesifikk underklassifisering av OA i relativt yngre aldersgrupper sannsynligvis korrelert med en historie med leddbruskskader og ligamentavulsjon. Kirurgiske dyremodeller av OA i kneet spiller en viktig rolle i å forstå utbruddet og progresjonen av posttraumatisk OA og hjelpe til med utviklingen av nye terapier for denne sykdommen. Imidlertid har ikke-kirurgiske modeller nylig blitt vurdert for å unngå traumatisk betennelse som kan påvirke evalueringen av intervensjonen.

I denne studien ble det utviklet en intraartikulær brusklesjonsrottemodell indusert av in vivo syklisk trykkbelastning, noe som tillot forskere å (1) bestemme optimal størrelse, hastighet og varighet av belastning som kunne forårsake fokal bruskskade; (2) vurdere posttraumatiske spatiotemporale patologiske forandringer i kondrocytt vitalitet; og (3) evaluere det histologiske uttrykket av destruktive eller beskyttende molekyler som er involvert i tilpasnings- og reparasjonsmekanismer mot felles trykkbelastninger. Denne rapporten beskriver den eksperimentelle protokollen for denne nye brusklesjonen i en rottemodell.

Introduction

Tradisjonelt har fremre korsbånd (ACL) transeksjon eller destabilisering av medial menisk blitt ansett som optimal for å undersøke posttraumatisk slitasjegikt (PTOA) hos små dyr. I de senere år har ikke-invasive sykliske kompresjonsmodeller blitt brukt til å studere PTOA. Denne modellen ble opprinnelig designet for å undersøke den avbrytende beinresponsen på mekanisk belastning1 og ble deretter modifisert som en ikke-kirurgisk dyremodell for PTOA-studier 2,3,4,5,6. Begrunnelsen er å kollidere leddbrusk ved å påføre en periodisk ekstern kraft, som utløser en rekke inflammatoriske responser. Denne modellen har imidlertid bare blitt brukt på mus, og den passende størrelsen på belastningen på større dyr har ikke blitt diskutert.

Et annet problem med den forrige modellen er at høyvolumprotokollen inkluderte for mange sykluser, noe som forårsaket overdreven fortykning av subchondral bein, en uønsket bivirkning, i flere prøver7. Derfor bledet utviklet en ny metode for syklisk kompresjon med passende størrelse for store dyr og en bivirkning med lavere belastning. Det overordnede målet med denne artikkelen er å beskrive protokollen til den ikke-invasive sykliske kompresjonsmodellen hos rotter og observere de representative resultatene av bruskdegenerasjon. Den nåværende protokollen vil hjelpe lesere som er interessert i anvendelsen av den ikke-invasive sykliske kompresjonsmodellen på rotter.

Protocol

Protokollen ble godkjent av Animal Research Committee of Kyoto University (godkjenningsnummer: Med kyo 17616). 1. Utfør in vivo syklisk kompresjon på rottekneet Indusere eksperimentell dyrebedøvelseInduser anestesi hos en 12 uker gammel Wistar-rotte (256,8 ± 8,7 g) ved innånding av 5 % isofluranoppløsning i anestesiboksen. Intraperitonealt injiser en blanding av tre bedøvelsesmidler9, inkludert medetomidin, midazolam og butor…

Representative Results

Et representativt resultat av de kortsiktige endringene (1 time og 12 timer) i kondrocytt levedyktighet i prøver utsatt for 20 N syklisk belastning ble oppnådd. Som vist i figur 3 økte antall døde kondrocytter (rød fluorescens) ved 12 timer etter traumer. Omvendt fortsatte antall levende kondrocytter (grønn fluorescens) å synke, med noen prøver som ikke inneholdt levende kondrocytter i det berørte området. Histologi viste at leddbrusken i rotteknærne so…

Discussion

For første gang viser den nåværende protokollen hvordan man etablerer en modell for belastningsindusert brusklesjon på den laterale femorale kondylen hos rotter, lik den intraartikulære skademodellen hos mindre gnagere som musen2. Belastningsprotokollen hos mus forårsaket imidlertid alvorlig osteofyttdannelse og korsbåndskader, noe som ikke var ideelt for å evaluere effekten av syklisk kompresjon. Den nåværende protokollen skapte en fokal brusklesjon hos rotter med mye lavere belastnings…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne studien ble støttet delvis av et JSPS KAKENHI-stipend (nummer JP18H03129 og JP18K19739).
Denne forskningen mottok også finansiering fra Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training (AR3T), som støttes av Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD), National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS), og National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) fra National Institutes of Health under prisnummer P2CHD086843. Innholdet er utelukkende forfatterens ansvar og representerer ikke nødvendigvis de offisielle synspunktene til National Institutes of Health.

Materials

Anesthetic Apparatus for Small Animals SHINANO MFG CO.,LTD. SN-487-0T
Autograph AG-X Shimadzu Corp N.A. Precision Universal / Tensile Tester
Fluoview FV10i microscope Olympus Corp N.A. A fully automated confocal laser-scanning microscope
ISOFLURANE Inhalation Solution Pfizer Japan Inc. (01)14987114133400
LIVE/DEA Viability/Cytotoxicity Kit Thermo Fisher Scientific Japan Inc L3224 A quick and easy two-color assay to determine viability of cells
TRAPEZIUM X Software Shimadzu Corp N.A. Data processing software for Autograph AG-X

References

  1. De Souza, R. L., et al. Non-invasive axial loading of mouse tibiae increases cortical bone formation and modifies trabecular organization: a new model to study cortical and cancellous compartments in a single loaded element. Bone. 37 (6), 810-818 (2005).
  2. Poulet, B., Hamilton, R. W., Shefelbine, S., Pitsillides, A. A. Characterizing a novel and adjustable noninvasive murine joint loading model. Arthritis and Rheumatism. 63 (1), 137-147 (2011).
  3. Wu, P., et al. Early response of mouse joint tissue to noninvasive knee injury suggests treatment targets. Arthritis and Rheumatism. 66 (5), 1256-1265 (2014).
  4. Poulet, B., et al. Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions. Osteoarthritis Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).
  5. Ko, F. C., et al. Progressive cell-mediated changes in articular cartilage and bone in mice are initiated by a single session of controlled cyclic compressive loading. Journal of Orthopaedic Research. 34 (11), 1941-1949 (2016).
  6. Adebayo, O. O., et al. Role of subchondral bone properties and changes in development of load-induced osteoarthritis in mice. Osteoarthritis Cartilage. 25 (12), 2108-2118 (2017).
  7. Ko, F. C., et al. In vivo cyclic compression causes cartilage degeneration and subchondral bone changes in mouse tibiae. Arthritis and Rheumatism. 65 (6), 1569-1578 (2013).
  8. Ji, X., et al. Effects of in vivo cyclic compressive loading on the distribution of local Col2 and superficial lubricin in rat knee cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 39 (3), 543-552 (2021).
  9. Kawai, S., Takagi, Y., Kaneko, S., Kurosawa, T. Effect of three types of mixed anesthetic agents alternate to ketamine in mice. Experimental Animals. 60 (5), 481-487 (2011).
  10. Iijima, H., et al. Destabilization of the medial meniscus leads to subchondral bone defects and site-specific cartilage degeneration in an experimental rat model. Osteoarthritis Cartilage. 22 (7), 1036-1043 (2014).

Play Video

Cite This Article
Ji, X., Nakahata, A., Zhao, Z., Kuroki, H., Aoyama, T., Ito, A. A Non-Invasive Method for Generating the Cyclic Loading-Induced Intra-Articular Cartilage Lesion Model of the Rat Knee. J. Vis. Exp. (173), e62660, doi:10.3791/62660 (2021).

View Video