ישירה עכבר טראומה / צרוב דגם של Heterotopic התאבנות

Summary

An Achilles tenotomy and burn injury model of heterotopic ossification allows for the reliable study of trauma induced ectopic bone formation without the application of exogenous factors.

Abstract

Heterotopic ossification (HO) is the formation of bone outside of the skeleton which forms following major trauma, burn injuries, and orthopaedic surgical procedures. The majority of animal models used to study HO rely on the application of exogenous substances, such as bone morphogenetic protein (BMP), exogenous cell constructs, or genetic mutations in BMP signaling. While these models are useful they do not accurately reproduce the inflammatory states that cause the majority of cases of HO. Here we describe a burn/tenotomy model in mice that reliably produces focused HO. This protocol involves creating a 30% total body surface area partial thickness contact burn on the dorsal skin as well as division of the Achilles tendon at its midpoint. Relying solely on traumatic injury to induce HO at a predictable location allows for time-course study of endochondral heterotopic bone formation from intrinsic physiologic processes and environment only. This method could prove instrumental in understanding the inflammatory and osteogenic pathways involved in trauma-induced HO. Furthermore, because HO develops in a predictable location and time-course in this model, it allows for research to improve early imaging strategies and treatment modalities to prevent HO formation.

Introduction

Heterotopic ossification (HO) is the formation of ectopic bone in which osteo-potent cells are aberrantly induced to form endochondral bone outside of the skeleton. While the details of the HO formation pathway are still largely unknown, an accepted paradigm includes three key factors: an inflammatory inciting incident, a permissive niche, and mesenchymal stem cells capable of forming bone.^1-3 HO is a common comorbidity complicating over 60% of major burn injuries, 65% of combat-related injuries, and 10% of invasive orthopaedic surgery cases.^4,5 However, it is often difficult to predict where HO will form because it can occur at sites of local injury or at distant locations that may be otherwise uninjured. This variability in location makes it difficult to intervene prophylactically to prevent reactive bone formation in a locally targeted manner. There are also congenital forms of HO such as fibrodysplasia ossificans progressiva (FOP) in which patients are prone to the development of robust HO in response to minor trauma or inflammatory insult. Powerful animal models using transgenic mice have reproduced this phenotype and provided insight to the molecular pathways that may also be important in trauma induced HO.^6-9 Translational research into the pathogenesis of non-congenital HO has used a wide variety of constructs ranging from injury alone to the implantation of exogenous osteo-inductive materials and/or cells.^10-13

In our prior work we have validated a simple and reliable model of HO formation in mice which does not require the administration of any exogenous material.^14-17 This model created two key conditions to initiate HO: local trauma and global inflammation. This was achieved through the use of an Achilles tenotomy (local trauma) combined with a distant burn injury (global inflammation). Mice received both treatments concurrently and were found to develop a robust amount of HO that could be analyzed by histologic, radiologic, and molecular means. Interestingly, concurrent burn injury significantly increased the amount of HO that formed and accelerated its developmental time-course.^14-16 HO developed at predictable sites around the calcaneus, ankle joint, and tibia/fibula of the limb that received the tenotomy. The reliability of HO development at a known location allowed for focused examination of molecular and histologic features in the early stages of ectopic ossification.^14,17 To date, 100% of mice (over 50 animals) with a tenotomy and concurrent burn injury have developed HO. Additionally, longitudinal 2D and 3D imaging and spectroscopic analysis were conducted to examine the growth pattern and biochemical make-up of HO.^15,16

Protocol

הצהרת אתיקה: נהלי כל החיה בוצעו בהתאם קפדן עם תרגול חיה טוב כפי שהוגדר בהנחיות המופיעות במדריך לשימוש וטיפול בחי מעבדה: המהדורה השמינית של המכון לחקר בעלי החיים מעבדה (ILAR, 2011) והיו אושר על ידי הוועדה המוסדית הטיפול בבעלי חיים ושימוש באוניברסיטת מישיגן (PRO0001553).

1. ניתוחי עכבר

הערה: C57BL הישן 8-10 השבוע השתמש / 6 עכברים. גם בגילים אחרים, רקעים, וזנים של עכברים יכולים לשמש כדי לבדוק תנאים שונים או איפור גנטי. עבור חלק tenotomy של ההליך, לשמור על תנאים סטריליים באמצעות מסיכת פנים, כובע שיער, ושמלת סטרילי, כפפות, ומכשירים. אתרי כירורגי צריכים להיות מוכנים סטרילי עם povidone- יוד וכורך סטרילי. הימנע היפותרמיה באמצעות כרית חימום וטרינרים והתחממות פתרונות החייאה עד 37 מעלות צלזיוס לפני ניהול כלליtion.

1. להרדים את העכבר באמצעות 2.5% isoflurane בשאיפה. השתמש חרטום לעזוב את dorsum ואחורי-גפיים נגישים בקלות. התאם את שיעור ממשל isoflurane לשמור על קצב מתאים נשימה וצבע של קרומים ריריים ולהבטיח הרדמה על ידי בדיקת טונוס שרירים, קמצוץ הבוהן, ורפלקס מצמוץ. החל משחת עיניים תפל לעיניו של העכבר כדי למנוע פגיעה בעין יבשה במהלך ההליך. לשמור על טמפרטורת גוף מתאימה באמצעות כרית חימום וטרינרים או circulator מים חם מתחת לשדה הניתוח.
2. לנהל עצירות, 0.1 מ"ג / קילוגרם, תת עורי מייד לפני הניתוח לשיכוך כאבים.
3. מקרוב לגלח את האתר כירורגית על הכף האחורית השמאלית באמצעות קוצץ מהעקב עד הברך.
4. מקרוב לגלח dorsum של העכבר, מתחיל מעל עמוד השדרה והארכת האזור המגולח בצד השמאל של קו האמצע הגב, ניקוי שטח לפחות 2 סנטימטרים X 3 סנטימטר כדי להתאים את פציעת הכווייה.
5. הכן את האתר כירורגית, כולל הכף האחורית בברך באמצעות סקראבס povidone- יוד 3 לסירוגין.
6. לבצע חתך אורכי לאורך ההיבט המדיאלי של גיד אכילס עזב. להאריך את החתך כך ניתן דמיין בקלות גיד אכילס; כ 0.5 סנטימטר.
7. בצע tenotomy אכילס עם נתיחה חדה של הגיד באמצע עם מספריים חדים רקמה. הכנס להב אחד המספריים הרקמה במטוס הרקמה מתחת לגיד ולנתח יחד את המטוס עד שהלהב הוא באמצע הגיד. סגור את להבי המספריים לנתק את הגיד בצורה חדה.
   הערה: ודא הכללה של כל הגידים האחוריים כוללים הגסטרוקנמיוס, soleus, וגידי Plantaris.
8. להשיג עצירת דימום על ידי הפעלת לחץ עם גזה סטרילית (לא אמור להיות דימום מינימאלי) ולסגור את החתך בעור עם תפר 5-0 vicryl.
9. לבצע צריבת העובי החלקית הגב עם בלוק אלומיניום במשקל גרם 35 עם measuremen המשוערTS 2 סנטימטרים X 2 ס"מ על 3 סנטימטר מחומם ל -60 מעלות צלזיוס באמבט מים להחיל את dorsum המגולח של העכבר במשך 17 שניות.
   הערה: השג את עומק הכווייה המתאים על ידי מנוחה הבלוק על גבי העכבר הרדים, להבטיח כי את כל פני השטח של הבלוק הוא במגע עם העכבר, לעומת זאת להימנע מהחלה כל לחץ נוסף לבלוק, כלומר, לאפשר את כוח משיכה כדי להיות הכוח היחיד שהחזיק את הגוש במקום. ידית פלסטיק דקיקה שצמודה אל צד אחד של הבלוק היא נוחה למניפולציה, ייצוב, ואחזור מאמבט המים החם. זו תיצור שטח גוף הכולל של כ -30% לשרוף בC57BL / 6 עכבר 8-10 בן שבוע. כווייה קשר זה נבחרה על פני שיטות אחרות (צריבת להבה או לחלוט) בשל האחידות של עומק כווייה על הפצע והשחזור בין בעלי החיים.
10. ייבש את אתר הכווייה בגזה ולהחיל הלבשה Tegaderm.
11. לנהל נוזלי החייאה חיממו: פתרון מיליליטר 1 של Lactated רינגרזריקת intraperitoneal ו -0.5 הזרקה תת עורית מיליליטר. ממשל חד פעמי זה של החייאה הוא נאות להתאוששות מהפציעה הכווייה וtenotomy.
    הערה: אל תחזור עכברים מורדמים לכלובי דיור עם עכברים אחרים, בית בנפרד בכלובים נקיים תחת ניטור עד עכברים הם התאוששו באופן מלא. התאוששות אופיינית מתרחשת בתוך 1-6 שעות. אתרי צריבה בדרך כלל לרפא בתוך 2-4 שבועות ומסובכים לעתים רחוקות על ידי זיהום פצע אם המשיכו בסביבות דיור נקיות.
12. לנהל 0.1 מ"ג / קילוגרם עצירות הזרקה תת עורית בכל 12 שעות במשך 3 ימים לאחר ההליך. צג צמיחת HO עם סריקות μCT סידוריים במרווחים מתאימים. צמיחת עצם מחוץ לרחם היא ראשונה שלאחר ניתוח בסביבות 3 שבועות ניכרו על ידי μCT.
    הערה: רוב פיתוח HO הושלם על ידי 9 שבועות לאחר ניתוח. אנחנו לא נצפו הבדל בנפח HO או מיקום עם μCT חזר סריקות דו שבועי במשך 15 שבועות בהשוואה לנקודת סיום אחת μCT לסרוק בגיל 15 שבועות.בסופו של הניסויים, להרדים את כל העכברים עם CO ₂ משאיפת פי הנחיות מוסדיות ולאמת מוות עם נקע בצוואר הרחם לאחר 10 דקות.

2. μCT רכישה וניתוח

1. אבטח את העכבר מורדם על מיטת הסורק במצב שכיבה. הדבק את הגפיים האחוריות היטב למיטה כדי למנוע נשימת חפץ תנועה. כלול את האוויר, מים, וhydroxyapatite מכיל פנטום מתחת לעכבר לכיול תמונה.
2. פתח את תוכנת עצם ניתוח ולהגדיר אזור של העניין (ROI) המקיף את שני גפיים אחוריות ממפרק ירך proximally לקצה הכף האחורית distally. להשיג תמונה באמצעות הפרמטרים הבאים:. 80 קילו וולט, 500 מיקרו-אמפר ו1,300 חשיפה msec, גודל voxel 48 מיקרומטר ^14,15
3. לכייל את התמונה ליחידות Hounsfield (האוניברסיטה העברית) על ידי ציור את ההחזר על ההשקעה בכל אחת משלושת תאי הפנטום ומזין את הצפיפות הממוצעת בשדות המתאימים בהתוכנה.
4. שימוש באפשרות "חוטף" בתוכנה, רי-אוריינט את התמונה כך השוקה של הגפיים האחורי השמאלי מקבילה לאורך ציר Z כדי לאפשר את התצוגה אנטומיים הברורה לתיחום של מבני orthotopic קליפת המוח עצם וHO.
5. החל בברך, לגלול distally דרך פרוסות התמונה עד HO הוא נתקל. שימוש בכלי שגם במדריך, לעשות את ההחזר על ההשקעה סביב עצם חוץ רחמי על כל פרוסה ^-5 ממשיכה distally דרך הכפה או עד HO כבר עלה. השתמש בכלי להסיק להאריך ולתפור ROIs יחד להחזר על השקעה אחד שמכיל את כל HO.
6. הפוך את ההחזר על השקעת 3D ולבחור את תפריט הניתוח. חשב את נפח העצם על ידי הגדרת ערכי הסף התחתונים ועליונים בצורה הטובה ביותר להציג את חלון העצם. השתמש באותם ערכי סף שנקבעו לכל הסריקות.

תוצאות

במחקר הנוכחי, את הפרוטוקול מתואר למודל העכבר שפורסם בעבר של טראומה / לשרוף מושרה HO. ^14-17 זה כרוך ביצירה של פציעת שריר-שלד מקומי במקביל לtenotomy אכילס ועלבון דלקתי העולמי בעובי חלקי לשרוף פציעה. התוצאה היא היווצרות אמינה של עצם תגובה באתר tenotomy שניתן אחריו עם הדמיה סיד...

Discussion

Heterotopic ossification represents a major functional impairment faced by patients that sustain trauma, burns, and invasive musculoskeletal procedures. The most at-risk population are soldiers in modern conflicts with major blast injuries from mechanisms such as improvised explosive devices (IED).¹⁸ Improved body armor and forward positioned medical units allows for improved survival of major extremity injury. After initial stabilization and repair of their extremity injury, these patients are at high risk...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
C57BL/6 mice	Jackson Laboratory	664	8-10 weeks old
Isoflurane – Fluriso	VET one, Boise, ID	V1 501017
Buprenorphine – Buprenex	Reckitt Benckiser Healthcare	NDC 12496-0757-1	0.3 mg/ml solution
Betadine	Owens and Minor, Mechanicsville, VA	2047PVP202
5-0 Vicryl sutures	Ethicon, Summerville, NJ	J493
Tegaderm Film, 6 cm x 7 cm	3M	1624W	Cut in half to properly cover burn site
µCT - GE eXplore Locus SP	GE Healthcare Pre-Clinical Imaging, London, ON, Canada
Microview 2.2 Advanced Bone Analysis Application	GE Healthcare Pre-Clinical Imaging, London, ON, Canada