Diretta mouse Trauma / Burn modello di ossificazione eterotopica

Riepilogo

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.

Introduzione

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

Protocollo

Dichiarazione etica: Tutte le procedure sugli animali sono state eseguite in stretta conformità con le buone pratiche animale come definito nelle linee guida fornite nella Guida per l'uso e la cura di animali da laboratorio: Ottava Edizione del Institute for Research Laboratory Animal (ILAR, 2011) e sono stati approvato dalla cura e l'uso degli animali Comitato Istituzionale dell'Università del Michigan (PRO0001553).

1. mouse Procedure chirurgiche

NOTA: Usare 8-10 settimane vecchio C57BL / 6 topi. Altre epoche, sfondi e ceppi di topi possono anche essere utilizzati per testare le condizioni diverse o make-up genetico. Per la parte tenotomia del procedimento, mantenere condizioni di sterilità utilizzando la maschera di protezione, cofano capelli, e camice sterile, guanti e strumenti. Siti chirurgici devono essere sterilmente preparati con iodopovidone e drappeggio sterile. Evitare l'ipotermia utilizzando una piastra elettrica veterinaria e il riscaldamento soluzioni rianimazione a 37 ° C prima di amministrazione.

1. Anestetizzare il mouse utilizzando 2,5% isoflurano per via inalatoria. Utilizzare un cono di lasciare il dorso e arti posteriori facilmente accessibile. Regolare la velocità di somministrazione isoflurano per mantenere la frequenza respiratoria adeguata e la colorazione delle mucose e per garantire l'anestesia controllando il tono muscolare, pizzico piedi, e di riflesso corneale. Applicare blando pomata oftalmica agli occhi del mouse per evitare lesioni agli occhi asciutti durante la procedura. Mantenere un'adeguata temperatura corporea usando una piastra elettrica veterinaria o circolatore acqua calda sotto il campo operatorio.
2. Somministrare buprenorfina, 0,1 mg / kg, per via sottocutanea immediatamente prima di un intervento chirurgico per l'analgesia.
3. Strettamente radere sito chirurgico sulla zampa posteriore sinistra utilizzando tagliaunghie dal tallone al ginocchio.
4. Strettamente radere dorso del mouse, iniziando sopra la colonna vertebrale ed estendendo l'area rasata a sinistra della linea mediana dorsale, aprendo una superficie di almeno 2 cm x 3 cm per accogliere il ustioni.
5. Preparare il sito chirurgico, compresa la zampa posteriore al ginocchio con 3 alternati scrub povidone-iodio.
6. Eseguire una incisione longitudinale lungo la faccia mediale del tendine d'Achille sinistro. Estendere l'incisione in modo che il tendine di Achille può essere facilmente visualizzato; di circa 0,5 cm.
7. Eseguire una tenotomia di Achille con tagliente dissezione del tendine a metà con le forbici tessuti taglienti. Inserire una lama delle forbici del tessuto sul piano tessuto sotto il tendine e sezionare lungo il piano finché la lama è al punto medio del tendine. Chiudere le lame a forbice per tagliare il tendine bruscamente.
   NOTA: Assicurare l'inclusione di tutti i tendini posteriori tra cui gastrocnemio, soleo, e tendini Plantaris.
8. Raggiungere emostasi facendo pressione con garza sterile (ci dovrebbe essere minimo sanguinamento) e chiudere l'incisione cutanea con un punto 5-0 Vicryl.
9. Eseguire la dorsale parziale spessore di masterizzazione con un blocco di alluminio del peso di 35 g con measuremen approssimativits 2 centimetri x 2 cm x 3 cm riscaldata a 60 ° C in un bagno d'acqua applicata al dorso rasata del mouse per 17 sec.
   NOTA: ottenere la profondità ustione appropriata posizionando il blocco superiore del mouse anestetizzato, garantendo che l'intera superficie del blocco è in contatto con il mouse, però evitare di applicare qualsiasi ulteriore pressione al blocco, cioè permettono gravità essere l'unica forza tiene il blocco in posizione. Una maniglia di plastica sottile fissato su un lato del blocco è conveniente per la manipolazione, la stabilizzazione, e recupero dal bagno di acqua calda. Questo creerà un organo di totale superficie di circa il 30% a bruciare in un 8-10 settimane di età C57BL / 6 del mouse. Questo ustione contatto è stata scelta rispetto ad altri metodi (fiamma o scottature masterizzazione) a causa della uniformità della profondità dell'ustione sulla ferita e la riproducibilità tra animali.
10. Asciugare il sito ustione con una garza e applicare una medicazione Tegaderm.
11. Somministrare fluidi riscaldati rianimazione: Ringer lattato soluzione 1 mliniezione intraperitoneale e 0,5 ml iniezione sottocutanea. Questa amministrazione di una volta di rianimazione è adeguata per il recupero da ustioni e tenotomia.
    NOTA: Non tornare topi anestetizzati per gabbie abitative con altri topi, casa individualmente in gabbie pulite sotto controllo fino a quando i topi sono completamente recuperati. Recupero tipica avviene entro 1-6 ore. Siti di masterizzazione in genere guariscono entro 2-4 settimane e raramente sono complicate da infezione della ferita se tenuti in ambienti abitativi puliti.
12. Somministrare buprenorfina 0,1 mg iniezione sottocutanea / kg ogni 12 ore per 3 giorni dopo la procedura. Monitor crescita HO con scansioni seriali μCT a intervalli appropriati. Crescita ossea ectopica è il primo evidente circa 3 settimane dopo l'intervento per μCT.
    NOTA: La maggior parte dello sviluppo HO è completata entro 9 settimane post-op. Non abbiamo osservato una differenza di volume HO o posizione con ripetute μCT scansioni bi-settimanale per 15 settimane rispetto a un unico end-point μCT scansione a 15 settimane.Al termine degli esperimenti, tutti i topi eutanasia con CO ₂ inalazione secondo le linee guida istituzionali e verificare la morte con dislocazione cervicale dopo 10 min.

2. μCT Acquisizione e analisi

1. Fissare il mouse anestetizzato sul piano dello scanner in posizione prona. Nastro arti posteriori saldamente al letto per evitare di respirare artefatti da movimento. Includere l'aria, l'acqua, e idrossiapatite contenente fantasma sotto il mouse per la calibrazione dell'immagine.
2. Aprire il software di analisi Bone e definire una regione di interesse (ROI) che comprende entrambi gli arti posteriori dal anca prossimale alla punta della zampa posteriore distale. Ottenere un'immagine utilizzando i seguenti parametri:. 80 kV, 500 μA e 1.300 esposizione msec, 48 micron dimensioni voxel ^14,15
3. Calibrare l'immagine di unità Hounsfield (HU) disegnando un ROI in ciascuna delle tre camere fantasma e inserendo la densità media nei campi appropriatiil software.
4. Con lo strumento "grabber" nel software, riorientare l'immagine in modo tibia del arto posteriore sinistro è parallelo lungo l'asse Z per consentire la più chiara vista anatomico per la delineazione di strutture ossee corticali ortotopico e HO.
5. Cominciando al ginocchio, scorrere distalmente attraverso le fette di immagine fino a quando si incontra HO. Utilizzando lo strumento spline manuale, fare un ROI attorno all'osso ectopica su ogni 5 ^° fetta continuando distale attraverso la zampa o fino HO è stato superato. Utilizzare lo strumento estrapolare per estendere e cucire le ROI in un unico ROI che contiene tutte le HO.
6. Fare un ROI 3D e scegliere il menu analisi. Calcolare il volume osseo impostando i valori di soglia inferiore e superiore che meglio mostrano la finestra ossea. Utilizzare gli stessi valori soglia fissati per tutte le scansioni.

Risultati

In questo studio, il protocollo è descritto per il modello precedentemente pubblicata murino di trauma / bruciare indotto HO. ^14-17 Questo comporta la creazione di una concomitante lesione muscolo-scheletrico localizzata con un tenotomia Achille e insulto infiammatorio globale, con un spessore parziale ustioni. Ciò provoca la formazione di osso affidabile reattivo al sito tenotomia che può essere seguito con l'imaging seriale. Ad oggi, tutti i topi (più di 50) che hanno sostenuto sia Achille tenotomia...

Discussione

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...

Materiali

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