Name: a reproducible cartilage impact model to generate post-traumatic osteoarthritis in the rabbit
Uploaded: 2023-11-21T12:20:00
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这项研究得到了美国陆军医学研究收购活动的 DoD 同行评审医学研究计划 - 研究者发起的研究奖 W81XWH-20-1-0304、NIH NIAMS R01AR076477和 NIH （AR065971） 的综合肌肉骨骼 T32 培训计划以及 NIH NIAMS Grant R01 AR069657 的支持。作者要感谢 Kevin Carr 为该项目提供他在加工和制造方面的专业知识，并感谢 Drew Brown 和印第安纳州肌肉骨骼健康骨骼组织学中心对组织学的帮助。

以下程序是在印第安纳大学医学院机构动物护理和使用委员会 （IACUC） 的批准下执行的。所有生存手术均在无菌条件下进行，如美国国立卫生研究院指南所述。使用适当的镇痛药和抗生素来控制疼痛和感染风险，以优化成功的结果。本研究采用骨骼成熟的雄性新西兰白兔，体重3.0-4.0公斤。
1. 落塔制造
<ol><li>生成落塔、底座平台和机构组件的 CAD 图纸，以固定 St...

该外科手术旨在在 PTOA 模型中对兔股骨内侧髁的承重表面产生一致的软骨损伤。该手术的一个优点是膝关节的后入路允许直接观察完整的后股内侧髁，并且可以在大约 37 分钟内完成（表 2）。还应该注意的是，这是一个开放性损伤模型，除了由于滑膜和关节囊的潜在损伤而导致的影响之外，还可能导致急性炎症变化17,44。表3总?...

创伤后骨关节炎 （PTOA） 是全球致残的主要原因，占症状性骨关节炎 （OA） 的 12%-16%1。目前终末期 OA 管理的金标准是全膝关节和髋关节置换术2 或关节融合术，如终末期胫距关节或距下关节炎。虽然在很大程度上是成功的，但关节置换术可能会产生昂贵且病态的并发症3.此外，鉴于 77%-83%4,5 的无翻修种植体存活率较低，因此 50 岁以下的患者不太希望进行关节置换术。目前，尚无 FDA 批准的治疗方法来预防或减轻 PTOA 的进展。
PTOA 累及整个关节，包括滑膜组织、软骨下骨和关节软骨。其特征是关节软骨退化、滑膜炎症、软骨下骨重塑和骨赘形成 6,7。PTOA 的表型是通过软骨、滑膜和软骨下骨之间相互作用的复杂过程发展而来的。目前的理解是，软骨损伤导致细胞外基质 （ECM） 成分的释放，例如 2 型胶原 （COL2） 和聚集聚糖 （ACAN）。这些 ECM 组分片段具有促炎作用，可导致 IL-6、IL-1β 和活性氧的产生增加。这些介质作用于软骨细胞，导致基质金属蛋白酶 （MMP） 上调，例如 MMP-13，其降解关节软骨，同时也减少基质合成，导致关节软骨的整体分解代谢环境8。此外，有证据表明原发性骨关节炎和 PTOA 的软骨细胞凋亡增加 9,10。线粒体功能障碍发生在软骨11,12,13,14 的超生理负荷后，可导致软骨细胞凋亡增加 12,15。软骨细胞凋亡增强与蛋白多糖耗竭和软骨分解代谢增加有关，并已被证明先于软骨变化和软骨下骨重塑16,17,18。
与大多数人类疾病一样，需要可靠的 PTOA 转化模型来进一步了解疾病的病理生理学并测试新的治疗方法。猪和犬科动物等大型动物已被用于 PTOA17,19 的关节内骨折和冲击模型，但它们成本高昂。较小的动物模型，如小鼠、大鼠和兔子，成本较低，用于研究通过关节不稳定产生的 PTOA，这通常涉及前交叉韧带 （ACL） 的手术横断和/或内侧半月板的破坏 20、21、22、23、24、25。尽管关节创伤会导致各种后果，包括韧带损伤26，但几乎所有病例都会发生软骨的机械性超负荷。
越来越多的证据表明，韧带不稳定（如前交叉韧带横断）和急性软骨损伤后 PTOA 发展背后的病理学是由于不同的机制27。因此，开发软骨直接损伤模型非常重要。目前在大鼠和小鼠中产生骨软骨或软骨损伤的冲击模型数量有限28,29。然而，小鼠软骨不太适合产生孤立的软骨缺损。这是因为小鼠关节软骨只有 3-5 个细胞层厚，缺乏有组织的浅表、放射状和过渡软骨区，以及在人类和大型动物中发现的厚钙化软骨层。小鼠模型还显示部分软骨缺损的自发消退30,31。因此，我们选择了兔子作为这个冲击模型，因为它的软骨厚度和组织与人类相似，而且它是最小的动物模型，可以提供一致的软骨冲击，导致 PTOA。先前对兔子股骨髁撞击的开放手术模型采用了钟摆32、手持式弹簧加载软骨嵌塞装置 33 和允许创建兔子特异性撞击器的下降塔34。然而，这些研究缺乏体内数据。其他人已经报道了基于摆锤 35、气动36 和弹簧加载37 冲击装置10 的体内数据，这些研究表明，这些方法之间的峰值应力和加载速率的变异率很高。尽管如此，该领域仍缺乏一种一致的方法来可靠地模拟体内急性软骨创伤。
目前的方案采用基于落塔的系统，对兔膝关节的后内侧髁进行一致的冲击。采用膝关节后入路暴露股骨后内侧髁。然后将 Steinman 销从内侧到外侧穿过股骨髁，与关节面成一条直线，并固定在平台上。固定后，负荷被传递到股骨后内侧髁。这种方法允许将一致的软骨损伤传递到兔股骨远端的承重表面。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Flat head screw</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>92210A194</td>
			<td>Stainless steel hex drive flat head screw, 8-32, 1/2&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>#15 scalpel blades</td>
			<td>McKesson</td>
			<td>1029066</td>
			<td>Scalpel McKesson No. 15 Stainless Steel / Plastic Classic Grip Handle Sterile Disposable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2&#8221;-20 threaded rod</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>99065A120</td>
			<td>1/2&#8221;-20 threaded rod</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 mL syringe</td>
			<td>McKesson</td>
			<td>1031801</td>
			<td>For irrigation; General Purpose Syringe McKesson 10 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 mL syringe</td>
			<td>McKesson</td>
			<td>1031804</td>
			<td>For lidocaine/bupiviacaine injection; General Purpose Syringe McKesson 3 mL Blister Pack Luer Lock Tip Without Safety.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3-0 polysorb</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>J332H</td>
			<td>3-0 Vircryl, CT-2, 1/2 circle, 26 mm, tapered</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4-0 monosorb</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>Z397H</td>
			<td>4-0 PDS 2, FS-2, 3/8 circle, 19mm, cutting edge</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-0 polysorb</td>
			<td>Med Vet International</td>
			<td>NC9335902</td>
			<td>Med Vet International 5-0 ETHICON COATED VICRYL C-3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accelerometer</td>
			<td>Kistler</td>
			<td>8743A5</td>
			<td>Accelerometer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adson-Browns Forceps</td>
			<td>World precision tools</td>
			<td>500177</td>
			<td>Adson-Brown Forceps, 12 cm, Straight, TC Jaws, 7 x 7 Teeth</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alfaxalone</td>
			<td>Jurox</td>
			<td>49480-002-01</td>
			<td>Alfaxan Multidose by Jurox : 10 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprenorphine</td>
			<td>Par Pharmaceuticals</td>
			<td>42023-0179-05</td>
			<td>Buprenorphine HCL injection: 0.3 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butorphanol&#160;</td>
			<td>Zoetis</td>
			<td>54771-2033</td>
			<td>Butorphanol tartrate&#160;10mg/ml by Zoetis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chlorhexidine Hand Scrub</td>
			<td>BD</td>
			<td>371073</td>
			<td>BD E-Z Scrub 107 Surgical Scrub Brush/Sponge, 4% CHG, Red</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Collet</td>
			<td>STRYKER</td>
			<td>14023</td>
			<td>Stryker 4100-62 wire Collet 0.28-0.71&#39;&#39;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cordless Driver handpiece</td>
			<td>STRYKER</td>
			<td>OR-S4300</td>
			<td>Stryker 4300 CD3 Cordless Driver 3 handpiece</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cricket Retractors</td>
			<td>Novosurgical</td>
			<td>G3510 21</td>
			<td>2x Heiss (Holzheimer) Cross Action Retractor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dissector Scissors</td>
			<td>Jorvet labs</td>
			<td>J0662</td>
			<td>Aesculap AG, Metzenbaum, Scissors, Straight 5 3/4&#8243;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Elizabethian Collar</td>
			<td>ElizaSoft</td>
			<td>62054</td>
			<td>ElizaSoft Elizabethan Recovery Collar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Enrofloxacin</td>
			<td>Custom Meds</td>
			<td></td>
			<td>Enrofloxacin compounded by Custom Meds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eye Ointment</td>
			<td>Pivetal&#160;</td>
			<td>46066-753-55</td>
			<td>Pivetal Articifical Tears- recently recalled</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Face-mount shaft collar</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5631T11</td>
			<td>Face-mount shaft collar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fast green</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>F7258</td>
			<td>Fast green</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Freer</td>
			<td>Jorvet labs</td>
			<td>J0226Q</td>
			<td>Freer elevator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head screw -1</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>91251A197</td>
			<td>Black-oxide alloy steel socket head screw, 8-32, 3/4&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head screw -2</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>92196A194</td>
			<td>Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head screw -3</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>92196A146</td>
			<td>Stainless steel socket head screw, 8-32, 1/2&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Head screw -4</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>92196A151</td>
			<td>Stainless steel socket head screw, 6-32, 3/4&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hematoxylin Solution, Gill No. 1</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>GHS132-1L</td>
			<td>Hematoxylin Solution, Gill No. 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hex nut</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>91841A007</td>
			<td>Stainless steel hex nut, 6-32</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hold-down toggle clamp</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5126A71</td>
			<td>Hold-down toggle clamp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impact device</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Impact platform</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>K-wires</td>
			<td>Jorvet Labs</td>
			<td>J0250A</td>
			<td>JorVet Intramedullary Steinman Pins, Trocar-Trocar 1/16&#34; x 7&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lab View</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Load cell</td>
			<td>Kistler</td>
			<td>9712B5000</td>
			<td>Load cell</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>The MathWorks Inc.</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>DMi-8</td>
			<td>Leica DMi8 microscope with LAS-X software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Midazolam</td>
			<td>Almaject</td>
			<td>72611-749-10</td>
			<td>Midazolam Hydrochloride injection: 5mg/ml by Almaject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>milling machine depth stops</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>2949A71</td>
			<td>Clamp-on milling machine depth stops</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mobile C-arm</td>
			<td>Philips</td>
			<td>718095</td>
			<td>BV&#160;Pulsera, Mobile C-arm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounted linear ball bearing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>9338T7</td>
			<td>Mounted linear ball bearing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle Driver</td>
			<td>A2Z Scilab</td>
			<td>A2ZTCIN39</td>
			<td>TC Webster Needle Holder Smooth Jaws 5&#34;, Premium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pentobarbital</td>
			<td>Vortech</td>
			<td>0298-9373-68</td>
			<td>Pentobarbital 390 mg/mL by Vortech</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Safranin O</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>HT90432</td>
			<td>Safranin O</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Small Battery pack</td>
			<td>STRYKER</td>
			<td>NS014036</td>
			<td>6212 Small Battery pack- 9.6 V</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steel rod, 2&#8217;</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>89535K25</td>
			<td>Steel rod, 2&#8217;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile Saline</td>
			<td>ICU Medical</td>
			<td>6139-22</td>
			<td>AquaLite Solution Pour Bottles, 250 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stryker 6110-120 System 6 Battery Charger</td>
			<td>STRYKER</td>
			<td>OR-S6110-120</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical gloves</td>
			<td>McKesson</td>
			<td>1044729</td>
			<td>Surgical Glove McKesson Perry Size 6.5 Sterile Pair Latex Extended Cuff Length Smooth Brown Not Chemo Approved</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical gown</td>
			<td>McKesson</td>
			<td>1104452</td>
			<td>Non-Reinforced Surgical Gown with Towel McKesson Large Blue Sterile AAMI Level 3 Disposable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Suture scissors</td>
			<td>Jorvet Labs</td>
			<td>J0910SA</td>
			<td>Super Cut Scissors, Mayo, Straight, 5 1/2&#8243;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TUNEL staining kit</td>
			<td>ABP Bioscience</td>
			<td>A049</td>
			<td>TUNEL Chromogenic Apoptosis Detection Kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Weitlaner Retractors</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>17012-11</td>
			<td>2x Weitlaner-Locktite Retractors</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a reproducible cartilage impact model to generate post-traumatic osteoarthritis in the rabbit

创伤后骨关节炎 （PTOA） 占美国所有骨关节炎病例的 12%。PTOA 可由单个创伤事件引发，例如作用在关节软骨上的高冲击负荷，或由关节不稳定引发，如前交叉韧带断裂。目前尚无有效的治疗方法来预防 PTOA。开发可靠的 PTOA 动物模型对于更好地了解软骨损伤的机制以及研究缓解或预防 PTOA 进展的新治疗策略是必要的。该协议描述了一种开放的、基于落塔的兔股骨髁冲击模型，以诱导软骨损伤。该模型的峰值载荷为 579.1 ± 71.1 N，峰值应力为 81.9 ± 10.1 MPa，峰值载荷时间为 2.4 ± 0.5 ms。与未阻生的对侧 MFC（0.56 ± 0.42）和受阻膝的其他软骨表面相比，来自嵌塞内侧股骨髁 （MFC） 的关节软骨具有更高的凋亡细胞率 （p = 0.0058），并具有更高的国际骨关节炎研究学会 （OARSI） 评分 3.38 ± 1.43 （<0.56 0.42 ）。在未受影响的关节面中未检测到OARSI评分的差异（p > 0.05）。

该手术的成功在撞击后立即通过外科医生对髁突的可视化（图4A）和射线照相来监测，以确保没有发生骨折（图4B）。存在冲击失败的风险，导致术中髁突骨折。这通常是由于 Steinman 引脚放置不当造成的（图 5）。使用该模型，继发于术中骨折的骨折失败率为 9.0%（67 例手术中的 6 例）。平均峰值冲击应力为81.9 ± 10.1 MPa（CV = 12.3%?...

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A Reproducible Cartilage Impact Model to Generate Post-Traumatic Osteoarthritis in the Rabbit

兔子开放的股内侧髁突冲击模型对于研究创伤后骨关节炎 （PTOA） 和缓解 PTOA 进展的新治疗策略是可靠的。该协议使用带有撞击头的基于托架的滴塔在兔子中产生后内侧股骨髁的孤立软骨缺损。

一种可重复的软骨冲击模型在兔子中产生创伤后骨关节炎

Post-traumatic osteoarthritis (PTOA) is responsible for 12% of all osteoarthritis cases in the United States. PTOA can be initiated by a single traumatic ...

这种方法对兔膝的承重表面造成急性软骨损伤，并可靠地诱发创伤后骨关节炎。该模型反映了与临床实践相关的关节创伤。它将允许评估减轻创伤后关节炎的新疗法。主要技术障碍是将 Steinmann 销钉插入股骨干。错位会导致股骨干骨折。我们建议首先在兔子尸体上练习这个模型。首先，将不锈钢前腿块放在冲击平台末端下方，并用加热垫盖住平台。将麻醉的兔子放在加热垫上俯卧位。在对侧髋关节下方放置一个带衬垫的凸起。使用丝带，轻轻地将尾巴缩回手术肢体的上部和对侧。用氯己定和70%酒精浸泡的无菌纱布清洁手术部位，从膝后部开始，向外打圈。将无菌手套放在手术脚上直至脚踝，并用无菌粘性包裹物包裹。使用三张窗帘覆盖手术部位，将一张直接放在手术肢体下方，另外两张覆盖身体其他部位。用毛巾夹固定窗帘amps。向前触诊髌骨的位置，以估计膝关节的位置。使用 15 刀片，从髌骨上极的水平向远端沿着伸展膝的后侧切开 3 到 4 厘米的切口。通过下面的浅筋膜进行钝而尖锐的解剖。在外侧形成皮肤内侧和内侧腓肠肌之间的间隙后，在此间隙中放置自保持Weitlaner牵开器。然后外侧解剖至隐肌，内侧回缩脉管系统，外侧回缩胃比目肌复合体。继续向远端解剖，直到在股骨后内侧髁上发现一个小的移动肛门。进行关节切开术，使肯骨上外侧复员，暴露下面的股骨内侧髁。缩回软组织。在保持髁突暴露的同时，将 0.062 英寸的 Steinmann 销放在股骨内侧髁的上侧，并以股骨内侧髁的前后方向为中心，距离髁突后侧约 5 毫米。接下来，使用电池供电的 Steinmann 销驱动器，将销横向穿过平行于关节表面的骨骼和外侧皮肤。取下牵开器，用 3-0 Polysorb 缝合线以跑步方式闭合皮肤切口。用无菌纱布覆盖切口。取下手术肢体下方的悬垂物。调整 Steinmann 销夹下部的高度，使其与销的高度相匹配。通过连接夹子的顶部并拧紧螺钉，将 Steinmann 销固定在膝盖两侧。取下缝合线并重新打开切口。使用自保持 Weitlaner 和蟋蟀牵开器暴露股骨内侧髁。将无菌的三毫米撞击头连接到落塔托架上。将落塔放在手术肢体上，并将其底座放在冲击平台下方。轻轻地将撞击器降低到股骨后内侧髁的中心。移动兔子或塔，确保撞击头位于股骨内侧髁的中心。一旦确保适当的轨迹，clamp 用肘节夹将塔架固定在平台上amps.接下来，将撞击器放在股骨内侧髁上方 7 厘米处的下降塔上。在实验室视图数据采集软件中，在释放主轴停止之前单击启动按钮，以释放托架并使其在重力作用下下降。对软骨表面进行可视化，以确定是否发生了适当的软骨损伤。要使用 MATLAB 代码分析数据，请将数据文件从传感器移动到与 MATLAB 相同的文件夹并运行代码。检查加载时间曲线，确保其平滑，表明没有发生断裂。从手术肢体上方取下滴塔，将所有用过的手术工具放在一边。戴上新的无菌手套后，在下肢重新贴上无菌悬垂。然后重新暴露股骨内侧髁。用 50 至 60 毫升无菌生理盐水彻底冲洗手术部位。使用 5-0 Polysorb 缝合线闭合后囊，然后用 4-0 Monosorb 缝合线闭合皮肤。拆下固定 Steinmann 销的高度可调螺钉机构。使用有源电线驱动器从股骨上取下 Steinmann 销。用非粘性敷料包扎伤口，然后用胶带包扎伤口。对手术肢体进行 X 线检查，以确保未发生骨折并正确放置针脚。通过髁突的可视化和射线照相来监测外科手术的成功，以确认没有骨折。Steinmann 销放置不当导致撞击时骨软骨骨折。在该模型中，平均峰值冲击应力为82兆帕，平均加载速率为每毫秒37兆帕。在对侧未受伤的股骨髁中未观察到软骨损伤，主要局限于撞击部位。与对照组 MFC 相比，受影响的 16 周股内侧髁 （MFC） 具有更高的 OARSI 评分。此外，与 MTP、LTP 和 LFC 相比，阻生膝关节 MFC 的 OARSI 评分也更高。相比之下，在对侧非阻生膝关节的 MFC、LTP、MTP 和 LFC 隔室中未观察到 OARSI 评分的差异。受冲击和非受影响LFC、MTP和LTP节理面之间没有显著差异。与未受影响的 MFC 相比，受累 MFC 的关节软骨具有更高水平的隧道阳性，表明软骨细胞凋亡增加。在手术结束时，可以跟踪兔子的疼痛行为。研究结束后，将使用影像学技术、组织学和其他方法评估创伤后骨关节炎的发展。我们正在使用这个模型来测试旨在减轻创伤后骨关节炎的治疗方法和设备。该模型还可以帮助我们更好地了解这种疾病的进展。

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