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* Estos autores han contribuido por igual
El modelo de impacto del cóndilo femoral medial abierto en conejos es fiable para estudiar la artrosis postraumática (PTOA) y nuevas estrategias terapéuticas para mitigar la progresión de la PTOA. Este protocolo genera un defecto aislado del cartílago del cóndilo femoral medial posterior en conejos utilizando una torre de caída basada en carros con una cabeza impactadora.
La osteoartritis postraumática (PTOA, por sus siglas en inglés) es responsable del 12% de todos los casos de osteoartritis en los Estados Unidos. El PTOA puede iniciarse por un solo evento traumático, como una carga de alto impacto que actúa sobre el cartílago articular, o por inestabilidad articular, como ocurre con la rotura del ligamento cruzado anterior. En la actualidad, no existen terapias eficaces para prevenir el PTOA. Es necesario desarrollar un modelo animal fiable de PTOA para comprender mejor los mecanismos por los que se produce el daño del cartílago e investigar nuevas estrategias de tratamiento para aliviar o prevenir la progresión del PTOA. Este protocolo describe un modelo de impacto de cóndilo femoral de conejo abierto basado en una torre de caída para inducir daño en el cartílago. Este modelo entregó cargas máximas de 579,1 ± 71,1 N, y tensiones máximas de 81,9 ± 10,1 MPa con un tiempo de carga máxima de 2,4 ± 0,5 ms. El cartílago articular de los cóndilos femorales mediales (MFC) impactados tenía tasas más altas de células apoptóticas (p = 0,0058) y poseía puntuaciones más altas de la Sociedad Internacional de Investigación de la Osteoartritis (OARSI) de 3,38 ± 1,43 en comparación con los MFC contralaterales no impactados (0,56 ± 0,42) y otras superficies de cartílago de la rodilla impactada (p < 0,0001). No se detectaron diferencias en las puntuaciones de OARSI entre las superficies articulares no impactadas (p > 0,05).
La osteoartritis postraumática (PTOA) es una de las principales causas de discapacidad en todo el mundo y representa entre el 12 % y el 16 % de las osteoartritis sintomáticas (OA)1. El estándar de oro actual para el tratamiento de la artrosis terminal es la artroplastia total de rodilla y cadera2 o artrodesis, como en el caso de la artritis tibioastragalina o subastragalina terminal. Aunque en gran medida es exitosa, la artroplastia puede tener complicaciones costosas y mórbidas3. Además, la artroplastia es menos deseable en pacientes menores de 50 años, dada la baja supervivencia del implante libre de revisión del 77-83%4,5. Actualmente, no existen tratamientos aprobados por la FDA para prevenir o mitigar la progresión del PTOA.
El PTOA afecta a toda la articulación, incluido el tejido sinovial, el hueso subcondral y el cartílago articular. Se caracteriza por degeneración del cartílago articular, inflamación sinovial, remodelación ósea subcondral y formación de osteofitos 6,7. El fenotipo de PTOA se desarrolla a través de un complejo proceso de interacción entre el cartílago, la membrana sinovial y el hueso subcondral. La comprensión actual es que la lesión del cartílago conduce a la liberación de componentes de la matriz extracelular (MEC) como el colágeno tipo 2 (COL2) y el agrecano (ACAN). Estos fragmentos componentes de la MEC son proinflamatorios y provocan un aumento de la producción de IL-6, IL-1β y especies reactivas de oxígeno. Estos mediadores actúan sobre los condrocitos, provocando una regulación positiva de las metaloproteinasas de la matriz (MMP), como la MMP-13, que degradan el cartílago articular y disminuyen la síntesis de la matriz, lo que conduce a un entorno catabólico general para el cartílago articular8. Además, existe evidencia de aumento de la apoptosis de condrocitos en la artrosis primaria y en la PTOA 9,10. La disfunción mitocondrial ocurre después de la carga suprafisiológica del cartílago 11,12,13,14, lo que puede conducir a un aumento de la apoptosis de los condrocitos 12,15. El aumento de la apoptosis de los condrocitos se ha asociado con un aumento de la depleción de proteoglicanos y el catabolismo del cartílago y se ha demostrado que precede a los cambios en la remodelación del cartílago y del hueso subcondral16,17,18.
Al igual que con la mayoría de las enfermedades humanas, se necesitan modelos confiables y traslacionales de PTOA para comprender mejor la fisiopatología de la enfermedad y probar nuevas terapias. Los animales grandes, como los cerdos y los caninos, se han utilizado en modelos de fractura intraarticular e impacto de PTOA17,19, pero son costosos. Los modelos animales más pequeños, como ratones, ratas y conejos, son menos costosos y se utilizan para estudiar el PTOA generado a través de la desestabilización articular, que generalmente implica la transección quirúrgica del ligamento cruzado anterior (LCA) y/o la ruptura del menisco medial 20,21,22,23,24,25. A pesar de que un traumatismo articular puede acarrear diversas consecuencias, entre ellas una lesión ligamentosa26, en casi todos los casos se produce una sobrecarga mecánica del cartílago.
Existe evidencia emergente de que la patología detrás del desarrollo de PTOA después de la inestabilidad ligamentosa (como en la transección del LCA) y la lesión condral aguda se debe a mecanismos distintos27. Por lo tanto, es importante desarrollar modelos de lesión directa del cartílago. Actualmente existe un número limitado de modelos de impacto que generan lesiones osteocondrales o condrales en ratas y ratones28,29. Sin embargo, el cartílago murino no es adecuado para generar defectos condrales aislados. Esto se debe a que el cartílago articular murino tiene solo 3-5 capas celulares de espesor y carece de zonas organizadas de cartílago superficial, radial y de transición, así como de la gruesa capa de cartílago calcificado que se encuentra en humanos y animales más grandes. Los modelos murinos también muestran una resolución espontánea de los defectos parciales del cartílago30,31. Por lo tanto, elegimos el conejo para este modelo de impacto, ya que el grosor y la organización de su cartílago son similares a los de los humanos, y es el modelo animal más pequeño que permitirá la entrega de un impacto condral consistente que da como resultado PTOA. Los modelos quirúrgicos abiertos anteriores del impacto del cóndilo femoral en el conejo han empleado un péndulo32, un dispositivo de impactación de cartílago manual accionado por resorte 33 y una torre de caída que permitió la creación de impactadores específicos para conejos34. Sin embargo, estos estudios carecían de datos in vivo. Otros han reportado datos in vivo con dispositivos de impacto basados en péndulo 35, neumáticos36 y resortes37 10, y estos estudios muestran una alta tasa de variabilidad en el estrés máximo y las tasas de carga entre los métodos. Aun así, el campo carece de un enfoque coherente para modelar de forma fiable el traumatismo agudo del cartílago in vivo.
El protocolo actual emplea un sistema basado en una torre de caída para proporcionar un impacto consistente en el cóndilo medial posterior de la rodilla de conejo. Se emplea un abordaje posterior de la rodilla para exponer el cóndilo femoral medial posterior. A continuación, se coloca un clavo Steinman a través de los cóndilos femorales de medial a lateral en línea con la superficie de la articulación y se fija a la plataforma. Una vez asegurado, se administra una carga al cóndilo femoral medial posterior. Este método permite que el daño constante del cartílago se aplique a la superficie que soporta el peso del fémur distal del conejo.
El siguiente procedimiento se realizó con la aprobación del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Facultad de Medicina de la Universidad de Indiana. Todas las cirugías de supervivencia se realizaron en condiciones estériles, como se indica en las directrices de los NIH. Los riesgos de dolor e infección se trataron con analgésicos y antibióticos adecuados para optimizar los resultados exitosos. Para el presente estudio se utilizaron conejos blancos de Nueva Zelanda machos esqueléticamente maduros, con un peso de 3,0 a 4,0 kg.
1. Fabricación de torres de caída
2. Preparación de los animales
3. Exposición quirúrgica
NOTA: Antes de la cirugía y el impacto, el peso y la altura de la caída que producen daño visible en el cartílago sin fractura ósea subcondral deben determinarse empíricamente para la cepa específica, la edad y el sexo del conejo.
4. Impacto del cóndilo femoral
5. Cierre del sitio quirúrgico
6. Manejo postoperatorio
7. Evaluación histológica
El éxito de este procedimiento se controló inmediatamente después del impacto mediante la visualización del cóndilo por parte del cirujano (Figura 4A) y mediante radiografía para garantizar que no se produjera ninguna fractura (Figura 4B). Existe el riesgo de que el fallo del impacto conduzca a una fractura intraoperatoria del cóndilo. Por lo general, esto se debió a la colocación incorrecta de los pines de Steinman (Figura 5
Este procedimiento quirúrgico tiene como objetivo generar un daño cartilaginoso consistente en la superficie que soporta el peso del cóndilo femoral medial del conejo en un modelo de PTOA. Una ventaja de este procedimiento es que el abordaje posterior a la rodilla permite la visualización directa del cóndilo femoral medial posterior completo, y se puede realizar en aproximadamente 37 min (Tabla 2). También hay que tener en cuenta que se trata de un modelo de lesión abierta y puede dar lugar a camb...
Roman Natoli imparte conferencias para AO Trauma North America, es editor de sección de Current Osteoporosis Reports y recibió regalías de libros de texto de Morgan y Claypool. Todd McKinley recibe regalías de Innomed. El resto de los autores no tienen nada que revelar.
Este estudio fue financiado por el Programa de Investigación Médica Revisada por Pares del Departamento de Defensa - Premio de Investigación Iniciada por el Investigador W81XWH-20-1-0304 de la Actividad de Adquisición de Investigación Médica del Ejército de los EE. UU., por el NIH, el NIAMS R01AR076477 y un Programa Integral de Capacitación Musculoesquelética T32 de los NIH (AR065971) y por la Subvención R01 del NIAMS de los NIH AR069657. Los autores desean agradecer a Kevin Carr por aportar su experiencia en mecanizado y fabricación a este proyecto, y a Drew Brown y al Centro de Histología Ósea del Centro de Salud Musculoesquelética de Indiana por ayudar con la histología.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Flat head screw | McMaster-Carr | 92210A194 | Stainless steel hex drive flat head screw, 8-32, 1/2" |
#15 scalpel blades | McKesson | 1029066 | Scalpel McKesson No. 15 Stainless Steel / Plastic Classic Grip Handle Sterile Disposable |
1/2”-20 threaded rod | McMaster-Carr | 99065A120 | 1/2”-20 threaded rod |
10 mL syringe | McKesson | 1031801 | For irrigation; General Purpose Syringe McKesson 10 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety |
3 mL syringe | McKesson | 1031804 | For lidocaine/bupiviacaine injection; General Purpose Syringe McKesson 3 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety. |
3-0 polysorb | Ethicon | J332H | 3-0 Vircryl, CT-2, 1/2 circle, 26 mm, tapered |
4-0 monosorb | Ethicon | Z397H | 4-0 PDS 2, FS-2, 3/8 circle, 19mm, cutting edge |
5-0 polysorb | Med Vet International | NC9335902 | Med Vet International 5-0 ETHICON COATED VICRYL C-3 |
Accelerometer | Kistler | 8743A5 | Accelerometer |
Adson-Browns Forceps | World precision tools | 500177 | Adson-Brown Forceps, 12 cm, Straight, TC Jaws, 7 x 7 Teeth |
Alfaxalone | Jurox | 49480-002-01 | Alfaxan Multidose by Jurox : 10 mg/mL |
Buprenorphine | Par Pharmaceuticals | 42023-0179-05 | Buprenorphine HCL injection: 0.3 mg/mL |
Butorphanol | Zoetis | 54771-2033 | Butorphanol tartrate 10mg/ml by Zoetis |
Chlorhexidine Hand Scrub | BD | 371073 | BD E-Z Scrub 107 Surgical Scrub Brush/Sponge, 4% CHG, Red |
Collet | STRYKER | 14023 | Stryker 4100-62 wire Collet 0.28-0.71'' |
Cordless Driver handpiece | STRYKER | OR-S4300 | Stryker 4300 CD3 Cordless Driver 3 handpiece |
Cricket Retractors | Novosurgical | G3510 21 | 2x Heiss (Holzheimer) Cross Action Retractor |
Dissector Scissors | Jorvet labs | J0662 | Aesculap AG, Metzenbaum, Scissors, Straight 5 3/4″ |
Elizabethian Collar | ElizaSoft | 62054 | ElizaSoft Elizabethan Recovery Collar |
Enrofloxacin | Custom Meds | Enrofloxacin compounded by Custom Meds | |
Eye Ointment | Pivetal | 46066-753-55 | Pivetal Articifical Tears- recently recalled |
Face-mount shaft collar | McMaster-Carr | 5631T11 | Face-mount shaft collar |
Fast green | Millipore Sigma | F7258 | Fast green |
Freer | Jorvet labs | J0226Q | Freer elevator |
Head screw -1 | McMaster-Carr | 91251A197 | Black-oxide alloy steel socket head screw, 8-32, 3/4" |
Head screw -2 | McMaster-Carr | 92196A194 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -3 | McMaster-Carr | 92196A146 | Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2" |
Head screw -4 | McMaster-Carr | 92196A151 | Stainless steel socket head screw, 6-32, 3/4" |
Hematoxylin Solution, Gill No. 1 | Millipore Sigma | GHS132-1L | Hematoxylin Solution, Gill No. 1 |
Hex nut | McMaster-Carr | 91841A007 | Stainless steel hex nut, 6-32 |
Hold-down toggle clamp | McMaster-Carr | 5126A71 | Hold-down toggle clamp |
Impact device | n/a | n/a | custom made |
Impact platform | n/a | n/a | custom made |
K-wires | Jorvet Labs | J0250A | JorVet Intramedullary Steinman Pins, Trocar-Trocar 1/16" x 7" |
Lab View | National Instruments | n/a | n/a |
Load cell | Kistler | 9712B5000 | Load cell |
MATLAB | The MathWorks Inc. | n/a | n/a |
Microscope | Leica | DMi-8 | Leica DMi8 microscope with LAS-X software |
Midazolam | Almaject | 72611-749-10 | Midazolam Hydrochloride injection: 5mg/ml by Almaject |
milling machine depth stops | McMaster-Carr | 2949A71 | Clamp-on milling machine depth stops |
Mobile C-arm | Philips | 718095 | BV Pulsera, Mobile C-arm |
Mounted linear ball bearing | McMaster-Carr | 9338T7 | Mounted linear ball bearing |
Needle Driver | A2Z Scilab | A2ZTCIN39 | TC Webster Needle Holder Smooth Jaws 5", Premium |
Pentobarbital | Vortech | 0298-9373-68 | Pentobarbital 390 mg/mL by Vortech |
Safranin O | Millipore Sigma | HT90432 | Safranin O |
Small Battery pack | STRYKER | NS014036 | 6212 Small Battery pack- 9.6 V |
Steel rod, 2’ | McMaster-Carr | 89535K25 | Steel rod, 2’ |
Sterile Saline | ICU Medical | 6139-22 | AquaLite Solution Pour Bottles, 250 mL |
Stryker 6110-120 System 6 Battery Charger | STRYKER | OR-S6110-120 | |
Surgical gloves | McKesson | 1044729 | Surgical Glove McKesson Perry Size 6.5 Sterile Pair Latex Extended Cuff Length Smooth Brown Not Chemo Approved |
Surgical gown | McKesson | 1104452 | Non-Reinforced Surgical Gown with Towel McKesson Large Blue Sterile AAMI Level 3 Disposable |
Suture scissors | Jorvet Labs | J0910SA | Super Cut Scissors, Mayo, Straight, 5 1/2″ |
TUNEL staining kit | ABP Bioscience | A049 | TUNEL Chromogenic Apoptosis Detection Kit |
Weitlaner Retractors | Fine Science Tools | 17012-11 | 2x Weitlaner-Locktite Retractors |
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