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Method Article
Los tejidos primarios obtenidos de pacientes después de la artroplastia total de rodilla proporcionan un modelo experimental para la investigación de la osteoartritis con la máxima traducibilidad clínica. Este protocolo describe cómo identificar, procesar y aislar el ARN de siete tejidos únicos de la rodilla para apoyar la investigación mecanicista en la osteoartritis humana.
La osteoartritis (OA) es una enfermedad articular crónica y degenerativa que afecta con mayor frecuencia a la rodilla. Como actualmente no hay cura, la artroplastia total de rodilla (ATC) es una intervención quirúrgica común. Los experimentos con tejidos primarios de OA humana obtenidos de TKA proporcionan la capacidad de investigar los mecanismos de la enfermedad ex vivo. Si bien anteriormente se pensaba que la OA afectaba principalmente al cartílago, ahora se sabe que afecta a múltiples tejidos de la articulación. Este protocolo describe la selección del paciente, el procesamiento de muestras, la homogeneización de tejidos, la extracción de ARN y el control de calidad (basado en la pureza, integridad y rendimiento del ARN) de cada uno de los siete tejidos únicos para apoyar la investigación del mecanismo de la enfermedad en la articulación de la rodilla. Con consentimiento informado, se obtuvieron muestras de pacientes sometidos a ATC para OA. Los tejidos se diseccionaron, lavaron y almacenaron dentro de las 4 h posteriores a la cirugía mediante congelación instantánea para la fijación de ARN o formalina para histología. Los tejidos recolectados incluyeron cartílago articular, hueso subcondral, menisco, almohadilla de grasa infrapatelar, ligamento cruzado anterior, sinovial y músculo oblicuo vasto medialis. Se probaron protocolos de extracción de ARN para cada tipo de tejido. La modificación más significativa involucró el método de desintegración utilizado para tejidos duros de células bajas, de matriz alta (considerados como cartílago, hueso y menisco) versus tejidos blandos de células relativamente altas, de matriz baja (considerados como almohadilla de grasa, ligamento, sinovial y músculo). Se encontró que la pulverización era apropiada para los tejidos duros, y la homogeneización era apropiada para los tejidos blandos. Se observó una proclividad de algunos sujetos a producir valores de número de integridad de ARN (RIN) más altos que otros sujetos consistentemente en múltiples tejidos, lo que sugiere que factores subyacentes como la gravedad de la enfermedad pueden afectar la calidad del ARN. La capacidad de aislar ARN de alta calidad de tejidos primarios de OA humana proporciona un modelo fisiológicamente relevante para experimentos sofisticados de expresión génica, incluida la secuenciación, que pueden conducir a conocimientos clínicos que se traducen más fácilmente a los pacientes.
La rodilla es la articulación sinovial más grande del cuerpo humano, que comprende la articulación tibiofemoral entre la tibia y el fémur y la articulación patelofemoral entre la rótula y el fémur1. Los huesos de la rodilla están revestidos con cartílago articular y soportados por varios tejidos conectivos, incluidos meniscos, grasa, ligamentos y músculos, y una membrana sinovial encapsula toda la articulación para crear una cavidad llena de líquido sinovial1,2,3 (Figura 1). Una rodilla sana funciona como una articulación de bisagra móvil que permite un movimiento sin fricción en el plano frontal1,3. En condiciones patológicas, el movimiento puede volverse restringido y doloroso. La enfermedad degenerativa de la articulación de la rodilla más común es la osteoartritis (OA)4. Se sabe que una variedad de factores de riesgo predisponen al desarrollo de OA, incluida la edad avanzada, la obesidad, el sexo femenino, el trauma articular y la genética, entre otros5,6. Actualmente se estima que hay 14 millones de personas en los Estados Unidos con OA de rodilla sintomática, con la prevalencia aumentando debido al aumento de la edad de la población y las tasas de obesidad7,8. Inicialmente considerada como una enfermedad del cartílago, la OA ahora se entiende como una enfermedad de toda la articulación9. Los cambios patológicos comúnmente observados en la OA incluyen erosión del cartílago articular, formación de osteofitos, engrosamiento óseo subcondral e inflamación de la membrana sinovial9,10. Dado que no existe una cura conocida para la OA, los tratamientos se centran principalmente en el manejo de los síntomas (por ejemplo, dolor)11,12, y una vez que la OA ha progresado a la etapa final, la cirugía de reemplazo articular a menudo está indicada13.
Las cirugías de reemplazo articular pueden ser reemplazos parciales o totales de rodilla, con artroplastia total de rodilla (TKA) que incluye el reemplazo de toda la articulación tibiofemoral y la articulación patelofemoral. A partir de 2020, aproximadamente 1 millón de TKAs se realizan en los EE.UU. cada año14. Durante la TKA, un cirujano ortopédico resecta la parte superior de la meseta tibial y los cóndilos femorales inferiores(Figura 2A,2B)para ser equipado con implantes protésicos. A veces malinterpretado por los pacientes, en un TKA, solo se resejan 8-10 mm del extremo de cada hueso, que posteriormente se tapa o resurge, con metal. Un revestimiento de polietileno interpuesto forma la superficie del rodamiento (es decir, el acolchado) entre los dos implantes metálicos. Además, varios componentes de tejidos blandos de la articulación se extirpan total o parcialmente para lograr un equilibrio articular adecuado. Entre estos tejidos se encuentran los meniscos medial y lateral(Figura 2C),almohadilla de grasa infrapatelar(Figura 2D),ligamento cruzado anterior (LCA; Figura 2E),sinovial(Figura 2F),y músculo oblicuo vasto medialis (VMO; Figura 2G) 15. Aunque los TKAs son generalmente exitosos para el tratamiento de la OA, alrededor del 20% de los pacientes reportan recurrencia del dolor después de la cirugía16. Junto con el alto costo y la relativa invasividad del procedimiento, estas limitaciones apuntan a la necesidad de más investigación para identificar tratamientos alternativos para mitigar la progresión de la OA.
Para explorar los mecanismos de la enfermedad en la OA que pueden presentar nuevas vías para la intervención terapéutica, se pueden utilizar sistemas experimentales, incluidas células, explantes de tejidos y modelos animales. Las células se cultivan típicamente en monocapa y se derivan de tejidos humanos o animales primarios (por ejemplo, condrocitos aislados del cartílago) o células inmortalizadas (por ejemplo, ATDC517 y CHON-00118). Si bien las células pueden ser útiles para manipular variables experimentales en un entorno de cultivo controlado, no capturan las condiciones de la articulación natural que se sabe que afectan los fenotipos celulares19. Para recapitular mejor la compleja cascada de comunicación química, mecánica y de célula a célula subyacente a la OA, se encuentra una alternativa en muestras primarias de tejido humano o animal, ya sea que se utilicen frescas o cultivadas ex vivo como explantes, para preservar la estructura del tejido y el microambiente celular20. Para estudiar la articulación in vivo,también son útiles los modelos animales pequeños (por ejemplo,ratón 21)y grandes (por ejemplo, caballo22)para OA (por ejemplo, a través de inducción quirúrgica, alteración genética o envejecimiento). Sin embargo, la traducción de estos modelos a la enfermedad humana puede estar limitada por diferencias anatómicas, fisiológicas y metabólicas, entre otras23. Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas de los sistemas experimentales, las fortalezas clave de ser específico de la especie y mantener el nicho extracelular ofrecido por los tejidos primarios de OA humana maximizan el potencial de traducción de los hallazgos de la investigación.
Los tejidos primarios de OA humana se pueden obtener fácilmente después de la TKA, lo que hace que la alta frecuencia de TKA sea un recurso valioso para la investigación. Entre las posibles aplicaciones experimentales se encuentran la expresión génica y los análisis histológicos. Para darse cuenta del potencial de los tejidos primarios de OA humana para estos enfoques de investigación y otros, se describen las siguientes consideraciones clave. En primer lugar, el uso de muestras de pacientes está sujeto a regulación ética, y los protocolos deben cumplir con las aprobaciones de la Junta de Revisión Institucional (IRB)24. En segundo lugar, la heterogeneidad inherente de los tejidos primarios enfermos humanos y la influencia de variables como la edad y el sexo, entre otras, crean la necesidad de una cuidadosa selección del paciente (es decir, la aplicación de criterios de elegibilidad) y la interpretación de los datos. En tercer lugar, las propiedades biológicas únicas de diferentes tejidos en la articulación (por ejemplo, baja celularidad del cartílago y el menisco25)pueden presentar desafíos durante los experimentos (por ejemplo, aislar alta calidad y cantidad de ARN). Este informe aborda estas consideraciones y presenta un protocolo para la selección de pacientes, el procesamiento de muestras, la homogeneización de tejidos, la extracción de ARN y el control de calidad (es decir, la evaluación de la pureza e integridad del ARN; Figura 3) fomentar el uso de tejidos primarios de OA humana en la comunidad investigadora.
Este protocolo de estudio fue aprobado y siguió las pautas institucionales establecidas por la Junta de Revisión Institucional del Sistema de Salud Henry Ford (IRB # 13995).
1. Selección de pacientes
2. Procesamiento de muestras (para ARN)
NOTA: Realice todo el procesamiento de tejidos en un gabinete de bioseguridad de clase II y siga técnicas estériles. Siempre use epp apropiado (guantes de nitrilo, bata de laboratorio, gafas de seguridad) al procesar muestras humanas. Varios fragmentos de hueso se producen durante la TKA, una gran cantidad de hueso / cartílago estará potencialmente disponible para la disección. Debido a la progresión de la enfermedad, la degeneración del cartílago articular puede ser más grave en algunas porciones óseas, lo que se puede tener en cuenta en el diseño experimental. Solo los tejidos que exigen electrocauterización para la resección tienen daño térmico en el borde, y se realiza un esfuerzo quirúrgico concertado para obtener la mayoría de los tejidos con un bisturí para minimizar el daño. Los tejidos resecados deben mantenerse hidratados en todo momento con PBS estéril.
3. Procesamiento de muestras (para histología)
PRECAUCIÓN: La formalina es un producto químico peligroso, solo se usa en una campana de humos químicos.
4. Homogeneización tisular
PRECAUCIÓN: El protocolo utiliza el químico peligroso fenol. El trabajo con fenol debe realizarse en una campana de humos químicos.
NOTA: Limpie a fondo todos los equipos y superficies que se utilizarán con etanol al 70% (remoje durante un mínimo de 10 minutos), seguido de descontaminante RNasa (remoje durante un mínimo de 10 minutos), enjuague con agua tratada con DEPC, limpie con una toalla de papel limpia y sin pelusa, y luego vuelva a pulverizar o remojar con etanol al 70%.
5. Extracción de ARN de los tejidos
PRECAUCIÓN: Este protocolo utiliza productos químicos peligrosos como fenol, cloroformo e isopropanol. Realiza todo el trabajo en una campana extractora de humos químicos.
NOTA: El equipo y los reactivos están reservados solo para el trabajo de ARN y deben ser de grado químico adecuado para aplicaciones moleculares (es decir, estériles, libres de nucleasas). Este protocolo sucede a los protocolos de homogeneización de tejidos de las partes 4.1 y 4.2. Limpie a fondo todos los equipos y superficies que se utilizarán con etanol al 70% (remojo durante un mínimo de 10 min), seguido de descontaminante RNasa (remojo durante un mínimo de 10 min). Enjuague con agua tratada con DEPC, limpie el líquido residual con una toalla de papel limpia y sin pelusa, y luego vuelva a pulverizar o remojar con etanol al 70%.
6. Control de calidad
Siete tejidos únicos de la articulación de la rodilla humana están disponibles para su recolección de pacientes sometidos a ATC para OA(Figura 1). En este protocolo, cada uno de estos tejidos fue identificado y procesado dentro de las 4 h de la extirpación quirúrgica (Figura 2). Siguiendo los pasos descritos en la Figura 3,las porciones de cada tejido se fijaron en formalina para la evaluación histológica
El protocolo presentado ha demostrado ser exitoso para la recolección de siete tejidos primarios de OA humana para la extracción de ARN(Tabla 1)y el procesamiento histológico(Figura 4). Antes de recolectar muestras de pacientes, es necesario establecer un protocolo aprobado por el IRB, idealmente en colaboración con un cirujano o equipo quirúrgico. La aplicación de un protocolo estandarizado para la recolección de muestras (por ejemplo, la resección desde ubicaciones...
Los autores declaran que no hay conflictos de intereses.
Los autores agradecen a los participantes del estudio que hicieron posible esta investigación y dedican este informe a los nuevos científicos en el campo de la osteoartritis.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 mL microcentrifuge tubes | Eppendorf | 05 402 | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only. |
10% Formalin | Cardinal Health | C4320-101 | Store in chemical cabinet when not in use. |
100% Chloroform (Molecular Biology Grade) | Fisher Scientific | ICN19400290 | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only, store in chemical cabinet when not in use. |
100% Ethanol (Molecular Biology Grade) | Fisher Scientific | BP2818500 | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only, when diluting use DEPC/nuclease-free water. |
100% Isopropanol (Molecular Biology Grade) | Fisher Scientific | AC327272500 | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only, store in chemical cabinet when not in use. |
100% Reagent Alcohol | Cardinal Health | C4305 | Diluted to 70% with dH2O for cleaning purposes. |
15 cm sterile culture dishes | Thermo Scientific | 12-556-003 | Sterile, nuclease-free. |
15 mL polypropylene (Falcon) tubes | Fisher Scientific | 14 959 53A | Sterile, nuclease-free. |
2 mL cryovials (externally threaded) | Fisher Scientific | 10 500 26 | Sterile, nuclease-free. |
5 mL round-bottom tubes | Corning | 352052 | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only. |
50 mL polypropylene (Falcon) tubes | Fisher Scientific | 12 565 271 | Sterile, nuclease-free. |
Bioanalyzer | Agilent | G2939BA | For RNA integrity measurement. |
Biosafety Cabinet | General lab equipment | ||
Bone Cutters | Fisher Scientific | 08 990 | Sterilized with 70% EtOH. |
Chemical Fume Hood | General lab equipment | ||
Disposable Scalpels (No.10) | Thermo Scientific | 3120032 | Sterile, nuclease-free. |
EDTA | Life Technologies | 15-576-028 | 10% solution with dH2O. |
Forceps | Any vendor | Sterilized with 70% EtOH. | |
Glycoblue Coprecipitant | Fisher Scientific | AM9516 | Reserved for RNA work only, store at -20 °C. |
Kimwipes | Fisher Scientific | 06-666 | |
Liquid Nitrogen | Any vendor | ||
Liquid Nitrogen Dewar | General lab equipment | ||
Mortar and Pestle | Any vendor | Reserved for RNA work only, sterilzed per protocol. | |
Nanodrop Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-2000 | For RNA purity and yield measurements. |
Nuclease-free/DEPC-treated water | Fisher Scientific | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only. | |
PBS (Sterile) | Gibco | 20 012 050 | Sterile, nuclease-free. |
Pipettes (2 µL, 20 µL, 200 µL, 1000 µL) & tips | Any vendor | Sterile, nuclease-free. | |
Plasma/Serum Advanced miRNA kit | Qiagen | 217204 | |
Refrigerated Centrifuge 5810R | Eppendorf | 22625101 | |
RNAlater | Thermo Scientific | 50 197 8158 | Sterile, nuclease-free. |
RNAse Away/RNAseZap | Fisher Scientific | 7002 | |
Spatula (semimicro size) | Any vendor | Reserved for RNA work only. | |
Tissue homogenizer | Pro Scientific | 01-01200 | Reserved for RNA work only, sterilzed per protocol. |
TRIzol Reagent | Fisher Scientific | 15 596 026 | Sterile, nuclease-free. Reserved for RNA work only. |
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