Summary

CoCrMo 颗粒暴露的小鼠颅骨骨溶解模型的构建与评价

Published: February 17, 2018
doi:

Summary

这篇手稿描述了一个小鼠颅骨骨溶解模型的接触 CoCrMo 颗粒, 这构成了一个理想的动物模型, 以评估磨损颗粒和各种细胞之间的相互作用的无菌松动。

Abstract

磨粒引起的骨溶解是关节置换术失败无菌性松动的主要原因, 但其基本机制尚不清楚。由于检测和零星发生所需的长期随访, 对临床病例 ofparticle 性骨溶解的发病机制进行评估具有挑战性。因此, 需要进行进一步研究的最佳动物模型。通过接触 CoCrMo 颗粒建立的小鼠颅骨骨溶解模型, 是评价无菌松动中颗粒与各种细胞相互作用的有效和有效的工具。在该模型中, CoCrMo 粒子首先获得高真空三电极直流和悬浮在磷酸盐缓冲盐水浓度为50毫克/毫升。然后, 50 µL 的结果被应用到小鼠颅骨的中间后, 通过尖锐解剖分离颅骨骨膜。两周后, 小鼠被献祭, 颅骨标本被收割;定性和定量评价是由苏木精和伊红染色和微计算机断层扫描进行的。该模型的优点包括程序简单性、骨质丢失定量评价、骨溶解快速发展、潜在使用转基因或挖空模型以及相对较低的成本。然而, 这种模型不能用来评估机械力和颗粒在无菌松动的慢性影响。暴露于 CoCrMo 颗粒的小鼠颅骨骨溶解模型是评估磨损颗粒与各种细胞之间相互作用的理想工具, 例如, 在无菌性松动中,:、细胞、成骨细胞、细胞和破骨。

Introduction

无菌松动是全髋关节置换术 (临区) 和全膝关节置换术 (TKA) 失败的最常见原因, 需要修订手术1。但是, 基础机制仍然不清楚2。需要长时间的随访, 以检测颗粒诱导的骨溶解, 其发生是罕见的;因此, 探讨其在临床病例中的发病机制具有挑战性。因此, 对复杂的细胞和组织机制的进一步研究需要体内实验中的磨损颗粒诱导的骨溶解模型和体外检测与骨骼稳态相关的细胞3。有效的动物模型对于揭示磨损颗粒对骨丢失的影响是很重要的, 为进一步的细胞化验提供了证据。

由接触 CoCrMo 颗粒构建的小鼠颅骨骨溶解模型是一种有效、有效的评估无菌松动中颗粒与不同细胞间相互作用的方法。在该模型中, CoCrMo 颗粒通过诱导巨噬细胞炎性细胞因子, 活化破骨细胞, 抑制成骨生长, 促进成骨细胞凋亡, 引起颅骨溶解。

建立这个模型只需要两个星期的时间。骨溶解可以可视化和量化的苏木精和伊红 (H & E) 染色和微计算机断层扫描 (微 CT)2。此外, 该模型的成本相对较低, 转基因和挖空鼠标模型可以用来筛选大量的化合物在不同剂量的3

建立和评估这个模型的程序是简单的。首先, 用高真空三电极直流电流和悬浮在磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 中获得了 CoCrMo 颗粒, 浓度为50毫克/毫升。然后, 50 µL 的结果被应用到小鼠颅骨的中间后, 通过尖锐解剖分离颅骨骨膜。两周后, 小鼠被献祭, 颅骨标本被收割;采用 H & E 染色 andmicro CT 进行定性和定量分析。

通过接触 CoCrMo 颗粒构建的小鼠颅骨骨溶解模型, 是评估 CoCrMo 颗粒与各种细胞之间相互作用的理想工具, 如巨细胞、成纤维体、成骨细胞和破骨动物, 无菌松动。

Protocol

这里所描述的所有方法都已获得南京大学机构动物护理和使用委员会 (IACUC) 的批准。 1. CoCrMo 颗粒制剂 使用制造的高真空三电极直流电流4获得 CoCrMo 粒子。将 CoCrMo 合金置于仪器下 10-3 Pa 真空、0.04 兆帕氩气和氢 3:2 (v/v) 和650阴极电流。 测量 CoCrMo 颗粒的直径。 将1毫克的 CoCrMo 颗粒加入1.5 毫升无水乙醇中。 并用重悬 CoCrMo…

Representative Results

内部生产的纳米 CoCrMo 粒子的直径约为 50 nm (标准误差 3.56), 由 TEM (图 2) 进行量化。在小鼠 calvarias 接触 CoCrMo 颗粒后, 动物 (每组 n=6) 维持了两周。两周内, 颅骨切口完全愈合, 缝合可能下降。任何局部感染或不愈合都可能影响骨丢失评估。在小鼠牺牲之后, 颅骨样品被收获。然后, 所有的软组织被轻轻地清除, 微 CT 用于量化骨丢失。从三维重建图像和?…

Discussion

在小鼠体内, 有两种主要的颗粒诱导骨溶解方法: 气袋模型和颅骨骨溶解模型。在气袋模型中, 首先建立一个皮下生成的气囊, 然后将粒子引入和植入到骨骼组织中8。囊壁模仿骨膜在无菌松动。然而, 骨移植 nonvascular 没有生物活性, 这使得很难评估颗粒和骨组织之间的直接相互作用。颅骨骨溶解模型在气袋对应物上有几个优点。首先, 磨损颗粒直接暴露于颅骨, 使其能够评估磨损颗?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

本研究获得中国国家自然科学基金 (81572111)、江苏省临床科技项目基金会 (BL2012002)、南京市科研项目 (201402007)、自然科学的支持。江苏省基础 (BK20161385), 中国医生协会 (2015COS0810) 特别基金会。

Materials

CoCrMo alloy from prosthesis Waldemar Link GmbH & Co GEMINI MK II Raw material to obtain CoCrMo nanoparticles
Fabricated high-vacuum three-electrode direct current College of Materials Science & Engineering , Nanjing University of Technology Self designed machine
6 week old male C57BL/6J mice Model animal research center of Nanjing University N000013
100% Ethanol Nanjing Reagent C0691514023 Solvent of CoCrMo nanoparticles for transmission electron microscope scanning
1.5 ml Microcentrifuge tubes Taizhou Weierkang Medical Supplies co., LTD W603
Microanalytical balance Shenzhen Qun long Instrument Equipment Co,. LTD EX125DZH
Ultrasonic shaker Shanghai Yuhao scientific instrument co., LTD YH-200DH To suspend CoCrMo nanoparticles
Transmission Electron Microscope FEI Tecnai G20
SimplePCI software Compix Inc. 6.6 version To calculate the mean diameter and particle size distribution.
High-handed sterilization pan QIULONGYIQI KYQL-100DS To decontaminate endotoxin
Limulus Amebocyte Lysate (LAL) Assay Charles River R13025 To detect endotoxin 
15 ml Microcentrifuge tubes Taizhou Suyi Medical B122
Phosphate-buffered saline Boster Biological Technology AR0030 Solvent of CoCrMo nanoparticles stock solution
Pentobarbital Sodium Sigma P3761 To anesthetize mice
Normal saline SACKLER SR8572EP-15 To prevent drying of mice eyes
75% Ethanol Nanjing Reagent C0691560275 Disinfection
Medical cotton ball Shuitao 1278298933 Disinfection
Shaver Kemei KM-3018 To shave the fur
Scissor RWD LIFE SCIENCE S12005-10 To incise skin
Suture RWD LIFE SCIENCE F34001-01 To suture skin
Needle holder RWD LIFE SCIENCE F33001-01 To suture skin
Needle RWD LIFE SCIENCE R14003-12 To suture skin
Vessel forceps RWD LIFE SCIENCE F22003-09 To suture skin
Scalpel RWD LIFE SCIENCE S31010-01 To harvest calvaria
Tweezers RWD LIFE SCIENCE F12006-10 To harvest calvaria
100 µL pipettes Eppendorf 3120000240 To embed particles suspension in the calvatias
100 µL pipette tips AXYGEN T-200-Y To embed particles suspension in the calvatias
5 ml Microtubes Taizhou Weierkang Medical Supplies co., LTD W621
4% Paraformaldehyde Servicebio G1101 Fixation
Micro Computed Tomography  SkyScan SkyScan1176
Ethylene Diamine Tetraacetic Acid Servicebio G1105 Decalcification
Paraffin Servicebio #0001
Paraffin slicing machine Leica RM2125RTS
Glass slide Servicebio G6004
Cover glass Servicebio 200
HE staining kit Servicebio #1-5 HE staining
Light microscope Nikon E200

References

  1. Dong, L., et al. Antisense oligonucleotide targeting TNF-alpha can suppress Co-Cr-Mo particle-induced osteolysis. J Orthop Res. 26 (8), 1114-1120 (2008).
  2. Deng, Z., et al. SIRT1 protects osteoblasts against particle-induced inflammatory responses and apoptosis in aseptic prosthesis loosening. Acta Biomater. 49, 541-554 (2017).
  3. Langlois, J., Hamadouche, M. New animal models of wear-particle osteolysis. Int Orthop. 35 (2), 245-251 (2011).
  4. Wang, P., Zhao, F. X., Zhang, Z. Z. Preparation of ultrafine zinc powders by DC arc plasma evaporation method. Chinese Journal of Nonferrous Metals. 21 (9), 2236-2241 (2011).
  5. Wang, Z., et al. The fibroblast expression of RANKL in CoCrMo-particle-induced osteolysis is mediated by ER stress and XBP1s. Acta Biomater. 24, 352-360 (2015).
  6. Wang, Z., et al. Autophagy mediated CoCrMo particle-induced peri-implant osteolysis by promoting osteoblast apoptosis. Autophagy. 11 (12), 2358-2369 (2015).
  7. Wang, R., et al. Particle-induced osteolysis mediated by endoplasmic reticulum stress in prosthesis loosening. Biomaterials. 34 (11), 2611-2623 (2013).
  8. Yang, S. Y., et al. Adeno-associated virus-mediated osteoprotegerin gene transfer protects against particulate polyethylene-induced osteolysis in a murine model. Arthritis Rheum. 46 (9), 2514-2523 (2002).
  9. Liu, N., et al. Autophagy mediated TiAl(6)V(4) particle-induced peri-implant osteolysis by promoting expression of TNF-alpha. Biochem Biophys Res Commun. 473 (1), 133-139 (2016).
  10. Wang, Z., et al. ER Stress Mediates TiAl6V4 Particle-Induced Peri-Implant Osteolysis by Promoting RANKL Expression in Fibroblasts. PLoS One. 10 (9), e0137774 (2015).
  11. Wang, Z., et al. TiAl6V4 particles promote osteoclast formation via autophagy-mediated downregulation of interferon-beta in osteocytes. Acta Biomater. 48, 489-498 (2017).
  12. Chen, S., et al. Lycorine suppresses RANKL-induced osteoclastogenesis in vitro and prevents ovariectomy-induced osteoporosis and titanium particle-induced osteolysis in vivo. Sci Rep. 5, 12853 (2015).
  13. Neuerburg, C., et al. The role of calcitonin receptor signalling in polyethylene particle-induced osteolysis. Acta Biomater. 14, 125-132 (2015).
  14. Catelas, I., Jacobs, J. J. Biologic activity of wear particles. Instr Course Lect. 59, 3-16 (2010).
  15. Liu, A., et al. The biological response to nanometre-sized polymer particles. Acta Biomater. 23, 38-51 (2015).

Play Video

Cite This Article
Jiang, H., Wang, Y., Deng, Z., Jin, J., Meng, J., Chen, S., Wang, J., Qiu, Y., Guo, T., Zhao, J. Construction and Evaluation of a Murine Calvarial Osteolysis Model by Exposure to CoCrMo Particles in Aseptic Loosening. J. Vis. Exp. (132), e56276, doi:10.3791/56276 (2018).

View Video