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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Das Tibiafraktur-Pin-Modell ist ein klinisch relevantes Modell des orthopädischen Traumas, das eine einseitige offene Tibiafraktur mit interner Fixierung des Marknagels und gleichzeitiger Verletzung des Musculus tibialis anterior umfasst. Die thermische Empfindlichkeit in diesem Modell kann mit einem 45-s-Heizplattenparadigma gemessen werden.

Zusammenfassung

Das Tibiafraktur-Pin-Modell ist ein Mausmodell für orthopädische Traumata und Operationen, das die komplexen Muskel-, Knochen-, Nerven- und Bindegewebsschäden rekapituliert, die sich bei dieser Art von Verletzung beim Menschen manifestieren. Dieses Modell wurde entwickelt, weil frühere Modelle des orthopädischen Traumas keine gleichzeitige Verletzung mehrerer Gewebetypen (Knochen, Muskeln, Nerven) umfassten und nicht wirklich repräsentativ für komplexe orthopädische Traumata beim Menschen waren. Die Autoren modifizierten daher bisherige Modelle des orthopädischen Traumas und entwickelten das Tibiafraktur-Pin-Modell. Dieses modifizierte Frakturmodell besteht aus einer einseitigen offenen Tibiafraktur mit interner Fixation des Marknagels (IMN) und gleichzeitiger Verletzung des Musculus tibialis anterior (TA), was zu einer mechanischen Allodynie führt, die bis zu 5 Wochen nach der Verletzung anhält. Diese Protokollreihe beschreibt die detaillierten Schritte zur Durchführung des klinisch relevanten orthopädischen Trauma-Tibia-Fraktur-Pin-Modells, gefolgt von einem modifizierten Heizplatten-Assay zur Untersuchung nozizeptiver Veränderungen nach orthopädischen Verletzungen. Zusammengenommen werden diese detaillierten, reproduzierbaren Protokolle es Schmerzforschern ermöglichen, ihr Instrumentarium für die Untersuchung von orthopädischen traumainduzierten Schmerzen zu erweitern.

Einleitung

Orthopädische Traumata sind für 25 % aller Verletzungen verantwortlich, die jedes Jahr weltweit von fast 500 Millionen Menschen erlittenwerden 1,2,3. Orthopädische Traumata können mit komplexen Muskel-, Knochen-, Nerven- und Bindegewebsschäden einhergehen, die einen Krankenhausaufenthalt und eine Operation erforderlich machen, um eine angemessene Genesung zu gewährleisten 3,4. Akute und chronische Schmerzen nach einem orthopädischen Trauma können zu erheblichen physischen, psychischen und finanziellen Belastungen führen, die die Lebensqualität des Patienten beeinträchtigen 1,4. Darüber hinaus ist die orthopädische Chirurgie zur Stabilisierung und Fixierung von Frakturen auch mit starken akuten und chronischen postoperativen Schmerzen verbunden 5,6,7,8,9.

Die Mechanismen, die akuten und chronischen traumabedingten Schmerzen zugrunde liegen, müssen besser verstanden werden, um bessere Behandlungen zu entwickeln. Um dies zu erreichen, sind zuverlässige, reproduzierbare und klinisch relevante präklinische Modelle erforderlich. Da die meisten Tiermodelle für orthopädische Traumata keine gleichzeitige Verletzung mehrerer Gewebetypen (Knochen, Muskeln, Nerven) beinhalteten, waren sie nicht wirklich repräsentativ für komplexe orthopädische Traumata des Menschen, z. B. Traumata nach Stürzen, Autounfällen oder kriegsbedingten Verletzungen10,11. Aus diesem Grund haben wir das Tibiafraktur-Pin-Mausmodell entwickelt, um die wichtigsten Manifestationen solcher Verletzungen zu untersuchen, einschließlich Knochen- und Muskelgewebeschäden sowie akuter und chronischer Schmerzen11. Das Tibiafraktur-Pin-Modell besteht aus einer einseitigen offenen Tibiafraktur mit IMN-interner Fixation und gleichzeitiger TA-Muskelverletzung. Histologische Schnitte der TA zeigen eine Verletzung des Muskels, bei der sich bereits 2 Wochen nach der Verletzung eine dichte Fibrose mit einem damit verbundenen Verlust großer, reifer Muskelfasern entwickelt. Darüber hinaus ist der Frakturkallus 4 Wochen nach der Verletzung in der Mikrocomputertomographie (microCT) sichtbar und wird weiterhin umgebaut11.

Verschiedene reflexive und nichtreflexive Verhaltensassays können verwendet werden, um die sensorischen und affektiven Komponenten des Schmerzes im Tibiafraktur-Pin-Modell zu bewerten. Zum Beispiel kann man die Von-Frey-Filamente verwenden, um mechanische Überempfindlichkeit in diesem Modell zu demonstrieren. Tatsächlich entwickeln Mäuse nach einer Tibiafraktur-Pin-Operation eine lang anhaltende mechanische Überempfindlichkeit in der ipsilateralen Hinterpfote11. Ein weiteres besonders nützliches Verhaltensparadigma ist der Hot-Plate-Assay, der traditionell die Latenz bis zum Rückzug der Pfote zu einem thermischen Reiz misst. Obwohl dieser Assay seit Jahrzehnten verwendet wird12 und damit ein echter Goldstandard in der präklinischen Schmerzforschung ist, hat die Messung des reflexiven Verhaltens allein seine Grenzen13. Als Ergebnis haben wir ein modifiziertes Heizplattenparadigma entwickelt, das Elemente sowohl reflexiver als auch nichtreflexiver Reaktionen in der Einstellung eines thermischen Reizeserfassen kann 14.

Dieser modifizierte Heizplatten-Assay bestimmt die anfängliche Ansprechlatenz wie im ursprünglichen Heizplattentest und einen erweiterten Beobachtungszeitraum, um zusätzliches nozifensives Verhalten aufzuzeichnen. Durch die Kategorisierung dieser ausgedehnten Verhaltensweisen in verschiedene Kategorien (Zucken, Lecken, Bewachen, Springen) kann die nichtreflexive Reaktion auf den thermischen Reiz erfasst werden. Zucken ist das schnelle Entfernen der Pfote und/oder das Spreizen der Finger, aber das Glied wird schnell wieder auf die heiße Platte gelegt. Sowohl das Lecken als auch das Beißen der Hinter- und Vorderpfoten werden zu Analysezwecken als Lecken definiert. Guarding ist das fortgesetzte Anheben der Extremität über das Ende der afferenten nozizeptiven Information hinaus. Schließlich ist das Springen das Entfernen aller vier Gliedmaßen von der Heizplattenoberfläche. Diese Verhaltensweisen können einzeln analysiert und mit besonderer Sorgfalt gruppiert werden, um die anfängliche Reaktionslatenz zu notieren.

Protokoll

Alle Methoden, die bei der Durchführung dieser Forschung verwendet wurden, wurden in Übereinstimmung und mit Genehmigung des Stanford University Administrative Panel on Laboratory Animal Care (APLAC #33114) in Übereinstimmung mit den Richtlinien der American Veterinary Medical Association und der International Association for the Study of Pain durchgeführt. Mäuse (C57BL/6J, 9-11 Wochen alt bei Ankunft, 11-12 Wochen alt bei Studienbeginn) wurden 2-5 pro Käfig untergebracht und in einem 12-stündigen Hell-Dunkel-Zyklus in einer temperaturkontrollierten Umgebung mit ad libitum Zugang zu Futter und Wasser gehalten. Männliche Mäuse wogen zu Beginn der Studie etwa 25 g. In der Materialtabelle finden Sie Einzelheiten zu allen in dieser Studie verwendeten Materialien.

1. Grundlegende Messungen des Verhaltens

  1. Da Mäuse im Heizplatten-Assay schnell lernen, sollten Sie in diesem Assay keine Ausgangswerte für Mäuse aufzeichnen. Vergleichen Sie die Mäuse stattdessen mit unverletzten Kontrollen.

2. Anästhesie/Vorbereitung

  1. Betäuben Sie die Maus mit inhalativem Isofluran 2%-4%.
  2. Kneifen Sie den Zeh mit einer Pinzette zusammen und nutzen Sie den Verlust des Zehenkneifreflexes, um die Narkosetiefe zu bestätigen.
  3. Tragen Sie Augenschmiermittel großzügig auf die Augen der Maus auf, um Trockenheit während der Narkose zu verhindern.
  4. Legen Sie ein Stück Gaze unter die Maus und entfernen Sie mit einer Haarschneidemaschine die Haare vom rechten Bein der Maus bis zum Kniegelenk.
  5. Reinigen Sie die Haare mit der Gaze aus dem Operationsbereich und entsorgen Sie dann die Gaze.
  6. Desinfizieren Sie den Operationsbereich mit einem in Jodlösung getauchten Wattestäbchen.

3. Chirurgie

  1. Nachdem Sie den Operationsbereich gereinigt und die Narkosetiefe bestätigt haben, verwenden Sie ein Skalpell, um einen Hautschnitt auf der medialen Oberfläche des rechten Beins von der distalen Tibia bis zur proximalen Tibia vorzunehmen, der auf Höhe des unteren Kniegelenks endet (Abbildung 1A).
  2. Trocknen Sie den Bereich mit einem Wattestäbchen und achten Sie dabei besonders auf das proximale Schienbein.
  3. Bohren Sie mit einem Bohrer mit einem 0,6-mm-Rundfräser ein Loch am proximalen Ende der Tibia auf Höhe der Tibiatuberositas, ~2 mm distal der Gelenklinie (Abbildung 1B).
  4. Führen Sie dann eine 27-G-Nadel durch dieses Loch/diese Osteotomie in der Markachse des Knochens ein, um einen Kanal zu etablieren, und entfernen Sie dann die Nadel (Abbildung 1B).
  5. Als nächstes verwenden Sie eine Knochensäge, um die Tibia an der Verbindung des mittleren und des distalen Drittels (~5-6 mm distal zur Osteotomiestelle) von der lateralen Seite zu ritzen, was zu einem Trauma des vorderen Musculus tibialis führt (Abbildung 1D).
    KRITISCH: Ein medialer Zugang zur Fraktur führt nicht zu einer Muskelverletzung.
  6. Klemmen Sie das proximale Ende der Tibia ein, halten Sie das distale Ende der Tibia zwischen Daumen und Zeigefinger und üben Sie Gegendruck aus, um die Knochenfraktur abzuschließen (Abbildung 1C).
  7. Führen Sie die 27-G-Nadel wieder durch die proximale Tibia in den Markraum ein und schieben Sie sie über die Frakturstelle zum distalen Segment des Knochens, um die Fraktur auszurichten.
    HINWEIS: Bei bildgebenden Anwendungen, bei denen Metall unerwünscht ist, kann ein Keramikimplantat ähnlicher Größe anstelle einer 27-G-Nadel eingesetzt werden. Obwohl hier nicht durchgeführt, ist eine Keramikschraube ein mögliches Implantat, das in Betracht gezogen werden sollte (siehe Materialtabelle).
  8. Schneiden Sie dann das Nadel-/Kunststoffimplantat mit einer Schneidezange bündig mit der Tibiarinde ab.
  9. Reinigen Sie jegliches Blut und vergewissern Sie sich, dass die Blutung aufgehört hat, bevor Sie fortfahren.
  10. Sobald die Blutung aufgehört hat, verschließen Sie die Wunde mit einer unterbrochenen 5-0-Seidennaht.
    KRITISCH: Lassen Sie das Tier zu keinem Zeitpunkt der Operation unbeaufsichtigt. Beobachten Sie das Tier, bis es in der Lage ist, sich selbstständig zu mobilisieren, und bringen Sie es erst dann wieder in seine Käfige zurück, wenn es sich vollständig erholt hat.

4. Nach der Operation

  1. Nach der Operation verabreichen Sie den Mäusen zweimal täglich Buprenorphin 0,05 mg kg-1 durch subkutane Injektion für zwei Tage gemäß den lokalen Protokollen.
  2. Überwachen Sie die Mäuse in der Zeit nach der Anästhesie und für die Dauer der Studie wie folgt: zweimal täglich in den ersten 2 Tagen, dann täglich bis zu 3 Wochen und danach wöchentlich.
  3. Untersuchen Sie die Mäuse auf Verhaltensänderungen, die auf starken Stress oder Übelkeit hinweisen, wie z. B. Lethargie, zerzaustes Fell oder >20 % Gewichtsverlust. Achten Sie auf alle Probleme im Zusammenhang mit der Mobilität und dem Zugang zu Nahrung oder Wasser.
    HINWEIS: Chirurgische und Nachsorgeprotokolle müssen nach der Operation und bei jeder Kontrolle ausgefüllt und auf unbestimmte Zeit für die Prüfung durch das Institutional Animal Care and Use Committee aufbewahrt werden.

5. Prüfung der Heizplatte

HINWEIS: Die Messungen nach einer Verletzung können 7 Tage nach der Operation an einem Schienbeinfraktur-Stift beginnen. Um den Effekt des Lernens in diesem Paradigma zu vermeiden, führen Sie den Test einmal nach der Operation durch und vergleichen Sie ihn mit unverletzten Kontrollen.

  1. Einrichtung
    1. Platzieren Sie die Heizplatte in einer Konfiguration, in der sich die Beleuchtung über Kopf befindet und der Kunststoffzylinder auf der Platte zentriert ist.
    2. Stellen Sie die Temperatur auf 50 °C ein und platzieren Sie eine Kamera vorsichtig vor der Platte, um den gesamten umschlossenen Bereich im Blick zu haben.
      KRITISCH: In dieser Studie wurde eine Standard-8-Bit-Farb-Industriekamera verwendet, die bis zu 76 fps aufzeichnet.
  2. Probe
    1. Setzen Sie die Mäuse für mindestens 30 Minuten in den Testraum, um sich daran zu gewöhnen.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass der Testraum nicht zu heiß oder zu kalt ist, um eine Verzerrung der Ergebnisse zu vermeiden.
    2. Platzieren Sie die Maus in den Zylinder und beginnen Sie mit der Aufnahme.
    3. Zeichnen Sie Bewegungen 45 s lang auf, nachdem die Füße der Maus zum ersten Mal Kontakt aufgenommen haben.
    4. Wiederholen Sie die Schritte 5.2.1 bis 5.2.3 mit dem Rest der Kohorte, während Sie die Temperatur für jeden nachfolgenden Versuch beibehalten.
    5. Messen Sie die Latenz (in Sekunden) bis zur ersten Reaktion (in der Regel Zucken), was das klassische Heizplattenergebnis ist.
      HINWEIS: Das folgende Protokoll, das in diesem Labor entwickelt wurde, bewertet zusätzlich sowohl reflexiv (Zucken) als auch nicht-reflexiv (Lecken, Bewachen und Springen).
  3. Analyse
    1. Bewerten Sie die Heizplattensitzungen mit einem Anzeigeprogramm, das einen Zeitstempel mit Millisekunden bereitstellt.
      1. Erwägen Sie die Verwendung der NCH Prism Software unter Mac OS. Laden Sie diese Software kostenlos online herunter (siehe Abbildung 2 und Materialtabelle).
      2. Öffnen Sie nach dem Herunterladen das Programm und klicken Sie auf die Option, um die Demoversion weiter zu verwenden. Klicken Sie anschließend auf das große grüne Pluszeichen, um die Herdplattenaufnahmen hochzuladen.
      3. Doppelklicken Sie nach dem Hochladen auf eine einzelne Datei, um sie im Videoformat zu öffnen. Verwenden Sie den Cursor am unteren Rand des Fensters, um langsam durch die Länge des Videos zu ziehen und mit der Bewertung zu beginnen.
        KRITISCH: Unabhängig von der verwendeten Software sollten Sie die Videos im größtmöglichen Fenster ansehen, um zu vermeiden, dass die Zeitauflösung verloren geht, wenn Sie den Zeitstempel-Cursor durch das Video ziehen.
    2. Formatieren Sie eine Tabelle wie folgt.
      1. Um die bereitgestellten R-Skripts ordnungsgemäß auszuführen, schreiben Sie die Spaltentitel genau wie unten aufgeführt, ohne Groß- und Kleinschreibung oder Leerzeichen und in der angegebenen Reihenfolge: mouseid, behavior, start, end.
      2. Geben Sie die Daten in die Start- und Endspalten in der Zeit in s bis zu drei Dezimalstellen ohne führende Nullen oder Doppelpunkte ein (z.B.: 2.001)
    3. Zeichnen Sie für jedes Video jede Instanz eines Schmerzverhaltens (bis ms) auf. Beachten Sie, dass nur Fälle von Schmerzverhalten der beiden Hinterpfoten aufgezeichnet werden. Zeichnen Sie das Verhalten der beiden Vorderpfoten nicht auf.
      1. Zeichnen Sie das Zucken/Schnippen einfach als "Zucken" auf, einschließlich des schnellen Zurückziehens der Pfote und/oder des Spreizens der Finger, aber das Glied wird schnell wieder auf die heiße Platte gelegt, solange sie nicht erkunden/gehen. Zählen Sie das Spreizen der Finger, ohne tatsächlich die gesamte Pfote anzuheben, auch als Zucken. Zeichnen Sie das Zucken/Streichen nicht länger als 500 ms auf. Wenn dies als solches aufgezeichnet wird, ziehen Sie den Cursor so langsam wie möglich durch dieses Verhalten, da es wahrscheinlich ist, dass in diesem Bereich mehrere Zuckungen und/oder Schutzmaßnahmen aufgetreten sind.
      2. Suchen Sie nach längerer Erhöhung/Schutz einer Extremität über das Ende der afferenten nozizeptiven Information hinaus und notieren Sie dies als Bewachung.
      3. Erfassen Sie das Lecken/Beißen einer Hinterpfote als Lecken.
      4. Halten Sie die Entnahme aller vier Gliedmaßen von der Heizplatte auf einmal als Springen fest.
        HINWEIS: Wenn eine Maus zusammenzuckt und dann mit der Pfote nach oben geht, fährt sie mit dem Lecken/Schützen fort und teilt dann das Verhalten ohne Überlappung des Zeitstempels auf. Erstellen Sie für jede Versuchsgruppe eine separate Tabelle.
    4. Verwenden Sie die bereitgestellten R-Skripts, um mit der Analyse der Daten zu beginnen.
      1. Verwenden Sie "Behavior_Raster_v2. R", um ein Rasterdiagramm (wie unten gezeigt) zur Visualisierung des Gesamtverhaltens zu erstellen.
      2. Verwenden Sie "Behavior_duration. R", um eine Tabelle mit fünf Blättern in das Arbeitsverzeichnis zu schreiben.
        HINWEIS: Das erste Blatt enthält die Gesamtdauer aller Schmerzverhaltensweisen, die Latenz bis zum ersten Schmerzverhalten und die Gesamtzahl der Schmerzverhaltensweisen. Jedes weitere Blatt liefert diese Informationen für das individuelle Schmerzverhalten.
      3. Verwenden Sie "Behavior_bins. R", um zwei Tabellenkalkulationen zu schreiben; Eine mit 500-ms-Bins, die die kumulative Dauer des Verhaltens zu jedem Zeitpunkt anzeigt, und die andere mit dem Bereich unter der Kurve für das Dauerverhaltensprofil jeder Maus.
      4. Verwenden Sie schließlich "Cumulative_Sums.R", um zwei Tabellenkalkulationen zu schreiben, jedoch für die kumulative Summierung eines Verhaltens.

Ergebnisse

Das Orthotrauma-Modell des Tibia-Frakturstifts reproduziert die knochen-, muskel- und schmerzähnlichen Verhaltensweisen, die bei komplexen menschlichen Verletzungen zu beobachten sind. Wie in Abbildung 1C gezeigt, heilt die Tibiafraktur mit der Zeit und bildet an der Frakturstelle einen Kallus, der 4 Wochen nach der Verletzung immer noch zu sehen ist. Infolge des oben beschriebenen lateralen Zugangs mit der Knochensäge (Schritt 3.5) wird der Musculus tibia...

Diskussion

Kritische Schritte innerhalb des Protokolls
Es ist wichtig, während der gesamten Operation sterile Bedingungen aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus ist die richtige Tierpflege vor, während und nach der Operation von größter Bedeutung für die erfolgreiche Generierung des Modells. Wie bereits erwähnt, wird bei der Durchführung der Operation der Knochen von der lateralen Seite gebrochen, um eine Muskelverletzung zu gewährleisten. Achten Sie darauf, die Tibia nicht...

Offenlegungen

Die Autoren haben keine relevanten Interessenkonflikte offenzulegen.

Danksagungen

GM wird durch ein NDSEG Graduate Fellowship und ein Stanford Bio-X Honorary Graduate Fellowship unterstützt. VLT wird vom NIH NIGMS Grant #GM137906 und der Rita Allen Foundation unterstützt.

Materialien

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27 G needlesMedsitis305136https://medsitis.com/products/bd-precisionglide-27-g-x-1-1-4-hypodermic-needles-305136?variant=39724583299
5-0 sutureesutureSN5668https://www.esutures.com/product/0-in-date/2-/132-/16552-medtronic-monosof-black-18-p-11-cutting-SN5668/
Alcohol swabsAmazonB00VS4F91Whttps://www.amazon.com/Dynarex-Alcohol-Prep-Sterile-Medium/dp/B00VS4F91W
Alternative drill bitsRio Grande341602https://www.riogrande.com/product/BuschTungstenVanadiumRoundBur
Set0314mm/341602
Bone saw drill attachmentAmazonB07DSXR3NYhttps://www.amazon.com/dp/B07DSXR3NY
BuprenorphineFidelis Pharmaceuticalshttps://ethiqaxr.com/ordering/
Ceramic implant (alternative to pin)RISystemRIS.221.103https://risystem.com/platefixation/mousescrew
Chux (Absorbent Underpad)Fisher ScientificNC0059881https://www.fishersci.com/shop/products/underpad-17x24-chux-300-cs/nc0059881#?keyword=true
C57BL/6J miceThe Jackson LaboratoryJax #00664https://www.jax.org/strain/000664
Cotton swabsUlineS-18991https://www.uline.com/Product/Detail/S-18991/First-Aid/Cotton-Tipped-Applicators-Industrial-6
Cutting pliersAmazonB076XYVS6Yhttps://www.amazon.com/iExcell-Diagonal-Cutting-Nippers-Chrome-Vanadium/dp/B076XYVS6Y
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Drill bitsAmazonB00HVIGSX2https://www.amazon.com/Universal-Diamond-Dremel-Rotary-Tool/dp/B00HVIGSX2
Electric shaverKent ScientificCL9990-KIThttps://www.kentscientific.com/products/trimmer-combo-kit/
Eye lubeAmazonB07H2NLCX5https://www.amazon.com/OptixCare-Lube-Plus-Hyaluron-Horses/dp/B07H2NLCX5
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High definition video cameraThe Imaging SourceDFK 22AUC03https://www.theimagingsource.com/products/industrial-cameras/usb-2.0-color/dfk22auc03/?adsdyn&gclid=Cj0KCQiA3-yQBhD3ARIsAHuHT64uIIlImBvh_
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Inhalational anesthesia systemKent Scientifichttps://www.kentscientific.com/products/vaporizer-with-vetflo-single-channel-anesthesia-stand/
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Thermal place preference apparatusBIOSEBBIO-T2CThttps://www.bioseb.com/en/pain-thermal-allodynia-hyperalgesia/897-thermal-place-preference-2-temperatures-choice-nociception-test.html

Referenzen

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