Eine nicht-invasive Methode zur Erzeugung des zyklischen Belastungsinduzierten intraartikulären Knorpelläsionsmodells des Rattenknies
Summary
Hier präsentieren wir das zyklisch belastungsinduzierte intraartikuläre Knorpelläsionsmodell des Rattenknies, das durch 60 zyklische Kompressionen über 20 N erzeugt wird, was bei Ratten zu einer Schädigung des femoralen Kondylenknorpels führt.
Abstract
Die Pathophysiologie der primären Arthrose (OA) bleibt unklar. Eine spezifische Subklassifizierung von OA in relativ jüngeren Altersgruppen korreliert jedoch wahrscheinlich mit einer Vorgeschichte von Gelenkknorpelschäden und Bänderavulsion. Chirurgische Tiermodelle von OA des Knies spielen eine wichtige Rolle beim Verständnis des Beginns und des Fortschreitens von posttraumatischer OA und helfen bei der Entwicklung neuartiger Therapien für diese Krankheit. In jüngster Zeit wurden jedoch nicht-chirurgische Modelle in Betracht gezogen, um traumatische Entzündungen zu vermeiden, die die Bewertung des Eingriffs beeinträchtigen könnten.
In dieser Studie wurde ein intraartikuläres Knorpelläsionsmodell entwickelt, das durch zyklische In-vivo-Druckbelastung induziert wurde, das es den Forschern ermöglichte, (1) die optimale Größe, Geschwindigkeit und Dauer der Belastung zu bestimmen, die fokale Knorpelschäden verursachen könnte; (2) Beurteilung posttraumatischer raumzeitpathologischer Veränderungen der Chondrozytenvitalität; und (3) die histologische Expression von destruktiven oder schützenden Molekülen zu bewerten, die an den Anpassungs- und Reparaturmechanismen gegen gemeinsame Druckbelastungen beteiligt sind. Dieser Bericht beschreibt das experimentelle Protokoll für diese neuartige Knorpelläsion in einem Rattenmodell.
Introduction
Traditionell wurde die Durchtrennung des vorderen Kreuzbandes (ACL) oder die Destabilisierung des medialen Meniskus als optimal für die Untersuchung der posttraumatischen Osteoarthritis (PTOA) bei Kleintieren angesehen. In den letzten Jahren wurden nicht-invasive zyklische Kompressionsmodelle verwendet, um PTOA zu untersuchen. Dieses Modell wurde ursprünglich entwickelt, um die spongiöse Knochenreaktion auf mechanische Belastung1 zu untersuchen und wurde dann als nicht-chirurgisches Tiermodell für die PTOA-Studien 2,3,4,5,6 modifiziert. Die Begründung besteht darin, den Gelenkknorpel durch Anwendung einer periodischen äußeren Kraft zu kollidieren, die eine Reihe von Entzündungsreaktionen auslöst. Dieses Modell wurde jedoch nur auf Mäuse angewendet, und das angemessene Ausmaß der Belastung größerer Tiere wurde nicht diskutiert.
Ein weiteres Problem des Vorgängermodells besteht darin, dass das Protokoll mit hohem Volumen zu viele Zyklen enthielt, was in mehreren Proben zu einer übermäßigen Verdickung des subchondralen Knochens führte, einer unerwünschten Nebenwirkung7. Daher wurde eine neuartige Methode der zyklischen Kompression mit der entsprechenden Größenordnung für große Tiere und einem geringeren Belastungsnebeneffekt entwickelt8. Das übergeordnete Ziel des vorliegenden Artikels ist es, das Protokoll des nicht-invasiven zyklischen Kompressionsmodells bei Ratten zu beschreiben und die repräsentativen Ergebnisse der Knorpeldegeneration zu beobachten. Das aktuelle Protokoll würde Lesern helfen, die an der Anwendung des nicht-invasiven zyklischen Kompressionsmodells bei Ratten interessiert sind.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zum ersten Mal zeigt das aktuelle Protokoll, wie ein Modell der belastungsinduzierten Knorpelläsion auf dem lateralen Femurkondylen bei Ratten etabliert werden kann, ähnlich dem intraartikulären Schadensmodell bei kleineren Nagetieren wie der Maus2. Das Belastungsprotokoll bei Mäusen verursachte jedoch eine schwere Osteophytenbildung und Kreuzbandläsionen, was für die Bewertung der Auswirkungen einer zyklischen Kompression nicht ideal war. Das aktuelle Protokoll erzeugte eine fokale Knorpell…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde teilweise durch einen JSPS KAKENHI-Zuschuss unterstützt (Nummern JP18H03129 und JP18K19739).
Diese Forschung wurde auch von der Alliance for Regenerative Rehabilitation Research & Training (AR3T) finanziert, die vom Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD), National Institute of Neurological Disorders and Stroke (NINDS) und National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) der National Institutes of Health unter der Award-Nummer P2CHD086843 unterstützt wird. Der Inhalt liegt in der alleinigen Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offiziellen Ansichten der National Institutes of Health dar.
Materials
| Anesthetic Apparatus for Small Animals | SHINANO MFG CO.,LTD. | SN-487-0T | |
| Autograph AG-X | Shimadzu Corp | N.A. | Precision Universal / Tensile Tester |
| Fluoview FV10i microscope | Olympus Corp | N.A. | A fully automated confocal laser-scanning microscope |
| ISOFLURANE Inhalation Solution | Pfizer Japan Inc. | (01)14987114133400 | |
| LIVE/DEA Viability/Cytotoxicity Kit | Thermo Fisher Scientific Japan Inc | L3224 | A quick and easy two-color assay to determine viability of cells |
| TRAPEZIUM X Software | Shimadzu Corp | N.A. | Data processing software for Autograph AG-X |
References
- De Souza, R. L., et al. Non-invasive axial loading of mouse tibiae increases cortical bone formation and modifies trabecular organization: a new model to study cortical and cancellous compartments in a single loaded element. Bone. 37 (6), 810-818 (2005).
- Poulet, B., Hamilton, R. W., Shefelbine, S., Pitsillides, A. A. Characterizing a novel and adjustable noninvasive murine joint loading model. Arthritis and Rheumatism. 63 (1), 137-147 (2011).
- Wu, P., et al. Early response of mouse joint tissue to noninvasive knee injury suggests treatment targets. Arthritis and Rheumatism. 66 (5), 1256-1265 (2014).
- Poulet, B., et al. Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions. Osteoarthritis Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).
- Ko, F. C., et al. Progressive cell-mediated changes in articular cartilage and bone in mice are initiated by a single session of controlled cyclic compressive loading. Journal of Orthopaedic Research. 34 (11), 1941-1949 (2016).
- Adebayo, O. O., et al. Role of subchondral bone properties and changes in development of load-induced osteoarthritis in mice. Osteoarthritis Cartilage. 25 (12), 2108-2118 (2017).
- Ko, F. C., et al. In vivo cyclic compression causes cartilage degeneration and subchondral bone changes in mouse tibiae. Arthritis and Rheumatism. 65 (6), 1569-1578 (2013).
- Ji, X., et al. Effects of in vivo cyclic compressive loading on the distribution of local Col2 and superficial lubricin in rat knee cartilage. Journal of Orthopaedic Research. 39 (3), 543-552 (2021).
- Kawai, S., Takagi, Y., Kaneko, S., Kurosawa, T. Effect of three types of mixed anesthetic agents alternate to ketamine in mice. Experimental Animals. 60 (5), 481-487 (2011).
- Iijima, H., et al. Destabilization of the medial meniscus leads to subchondral bone defects and site-specific cartilage degeneration in an experimental rat model. Osteoarthritis Cartilage. 22 (7), 1036-1043 (2014).
