Summary

Die Etablierung von kalvarialen, naht-knöchernen Kompositdefekten bei Ratten: Ein standardisiertes Modell für die Untersuchung der nahtregenerativen Therapie

Published: May 10, 2024
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Summary

Wir beschreiben die detaillierten chirurgischen Abläufe von Schädeldach-Naht-Knochen-Kompositdefekten bei Ratten und untersuchen die kurz- und langfristigen Prognosen des Modells. Unser Ziel ist es, ein standardisiertes Modell für die Entwicklung nahtregenerativer Therapien zu entwickeln.

Abstract

Großflächige Schädelbaddefekte fallen oft mit einer Rissbildung der Schädelnaht zusammen, was zu Beeinträchtigungen bei der Wiederherstellung der Schädeldefekte und der Schädelentwicklung führt (letztere tritt im sich entwickelnden Schädel auf). Das Fehlen eines standardisierten Modells behindert jedoch den Fortschritt bei der Erforschung nahtregenerativer Therapien und stellt eine Herausforderung für die Durchführung vergleichender Analysen über verschiedene Studien hinweg dar. Um dieses Problem zu lösen, beschreibt das aktuelle Protokoll den detaillierten Modellierungsprozess von kalvarialen Naht-Knochen-Kompositdefekten bei Ratten.

Das Modell wurde erstellt, indem rechteckige Löcher in voller Dicke von 4,5 mm × 2 mm über die koronalen Nähte gebohrt wurden. Die Ratten wurden euthanasiert und die Schädelproben wurden postoperativ an Tag 0, Woche 2, Woche 6 und Woche 12 entnommen. μCT-Ergebnisse von Proben, die unmittelbar nach der Operation entnommen wurden, bestätigten die erfolgreiche Etablierung des Naht-Knochen-Kompositdefekts, bei dem die koronale Naht und das angrenzende Knochengewebe entfernt wurden.

Daten aus der 6. und 12. postoperativen Woche zeigten eine natürliche Heilungstendenz, damit sich der Defekt schließt. Die histologische Färbung bestätigte diesen Trend weiter, indem sie vermehrt mineralisierte Fasern und neuen Knochen im Defektzentrum zeigte. Diese Befunde deuten auf eine fortschreitende Nahtfusion im Laufe der Zeit nach Schädelmarksdefekten hin, was die Bedeutung therapeutischer Interventionen für die Nahtregeneration unterstreicht. Wir gehen davon aus, dass dieses Protokoll die Entwicklung von nahtregenerativen Therapien erleichtern wird, indem es neue Einblicke in die funktionelle Wiederherstellung von Schädelbergdefekten bietet und unerwünschte Folgen im Zusammenhang mit Nahtverlust reduziert.

Introduction

Schädelnähte sind dichte faserige Verbindungen zwischen Schädelknochen, die als Gelenke dienen, um leichte Schädelbewegungen zu erleichtern und ein schützendes Polster für das Gehirn unter Druck zu bieten1. In den letzten Jahren hat die Forschung verstärkt die zentrale Rolle von Schädelnähten bei der Schädelentwicklung, der kraniofazialen Homöostase und dem inhärenten osteoreparativen Potenzial hervorgehoben 2,3,4,5,6,7,8. Während der Wachstums- und Entwicklungsphasen fungieren Schädelnähte als Hauptwachstumszentren im Schädel4. Die Knochenneubildung findet an den osteogenen Fronten auf beiden Seiten der Nähte statt, während die Zellen in den Nähten einen undifferenzierten mesenchymalen Zustand beibehalten, was eine ausgewogene Schädelexpansion neben dem Gehirnwachstum gewährleistet1. Der Verlust der Schädelnähte zu diesem Zeitpunkt führt zu einer Diskrepanz zwischen dem Wachstum des Schädels und des Gehirns, was zu schwerwiegenden Problemen wie Hirnverletzungen, Hydrozephalus, erhöhtem Hirndruck und kognitiver Dysfunktion führt 3,9.

Darüber hinaus spielen Schädelnähte eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Prognose von Schädeldachdefekten 5,7,10. Das Regenerationspotenzial über die Schädeloberfläche ist ungleichmäßig verteilt, wobei die Schädelnähte im Vergleich zu nicht nahten Regionen bemerkenswert überlegene Fähigkeiten aufweisen10,11. Eine Studie zeigt, dass die Geschwindigkeit der Heilung des Schädeldefekts umgekehrt mit dem Abstand zwischen der Schädelnaht und der Verletzungsstelle korreliert10. Insbesondere führt die Entfernung von koronalen und sagittalen Nähten zur Nichtheilung von parietalen Knochendefekten7, was die Notwendigkeit einer Nahtregeneration bei Schädeldachdefekten unterstreicht. Der Fokus der aktuellen Studien liegt jedoch überwiegend auf der Wiederherstellung der kranialen Knochenstruktur unter Vernachlässigung der Regeneration des Nahtmesenchyms.

Was die Fortschritte bei der Nahtregeneration betrifft, so wurden vielversprechende Ergebnisse bei der Transplantation von nahthaltigen Knochenlappen, mesenchymalen Stammzellen (MSCs) und künstlichen Biomaterialien beobachtet. Wenn Knochenlappen mit Nähten in Schädeldachdefekte transplantiert wurden, integrierten und heilten sie erfolgreich, im Gegensatz zu solchen ohne Nähte, die eine Pseudarthrose und die Unfähigkeit zeigten, Periost, Dura mater oder Osteozyten zu bilden5. Ebenso erleichterte die Implantation von MSCs aus dem Knochenmark in sagittale Naht-Knochen-Kompositdefekte die Bildung nahtartiger Lücken12. Bemerkenswert ist, dass eine kürzlich durchgeführte Studie die Realisierung der Nahtregeneration mit Gli1+ MSCs hervorhob, die eine intrakranielle Druckkontrolle, eine Korrektur der Schädeldeformität und eine verbesserte neurokognitive Funktion ermöglichen13. Mit der Entwicklung der regenerativen Medizin und der biomedizinischen Technik konzentrieren sich die Forscher aufgrund ihrer anpassungsfähigen und anpassbaren Eigenschaften zunehmend auf Tissue Engineering-Biomaterialien14. Insbesondere haben sich Polytetrafluorethylenmembranen bei der gleichzeitigen Rekonstruktion von Schädelknochen- und Nahtmesenchym als wirksam erwiesen15,16.

In der kraniofazialen Forschung fehlen jedoch etablierte Modelle für die Erforschung mesenchymaler regenerativer Nahttherapien, im Gegensatz zu relativ ausgereiften Modellen zur Reparatur anderer Gewebe wie Knochen, Haut, Knorpel und Muskeln17. Das Fehlen eines standardisierten Modells schränkt die Untersuchung von nahtregenerativen Therapien ein und macht es schwierig, vergleichende Analysen über verschiedene Studien hinweg durchzuführen. Daher wurde in unserer Studie ein praktikabler und reproduzierbarer Defekt zwischen Schädeldach und Knochen der Ratte festgestellt. Mit dieser Methode wollen wir geeignete klinische Interventionen für die Rekonstruktion von Schädelnaht entwickeln, die neue Perspektiven für die funktionelle Reparatur von Schädelmarksdefekten bieten und ungünstige Ergebnisse durch Nahtverlust verringern.

Protocol

Alle tierexperimentellen Verfahren in dieser Studie wurden von der Ethikkommission der West China School of Stomatology der Universität Sichuan überprüft und genehmigt (WCHSIRB-D-2021-597). Insgesamt 12 (3 Ratten zu jedem der vier Zeitpunkte) Sprague-Dawley (SD) Ratten (männlich, 300 g, 8 Wochen alt) wurden aus einer kommerziellen Quelle gewonnen (siehe Materialtabelle). 1. Präoperative Vorbereitung Chirurgische…

Representative Results

In dieser Studie wurde der Kompositdefekt zwischen Schädeldach und Knochen der Ratte durch Bohren eines 4,5 mm x 2 mm großen rechteckigen Lochs durch die koronale Naht festgestellt. Die schematische Darstellung des chirurgischen Schemas und das Flussdiagramm der Forschung sind in Abbildung 3 dargestellt. Die 3D-Aufnahme und die Schnittansicht der postoperativen 0-Tage-Proben, d.h. der Proben, die unmittelbar nach der Operation entnommen wurden, bestätigte…

Discussion

Konventionelle Modelle von Schädeldefekten, unabhängig davon, ob sie Schädelnähte beinhalten oder nicht, konzentrieren sich in erster Linie auf die Reparatur von Hartgewebe und vernachlässigen oft die vitale Regeneration des Nahtmesenchyms19,20. In der Nahtregenerationsforschung führten frühere Modelle, wie die von Mardas et al.15,16, die einen Trepanbohrer verwend…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie wurde unterstützt von der National Natural Science Foundation of China 82100982 (F.L.), 82101000 (H.W.), 82001019 (B.Y.), dem Science and Technology Department of Sichuan Province 2022NSFSC0598 (B.Y.), 2023NSFSC1499 (H.W.) und Forschungsmitteln der West China School/Hospital of Stomatology Sichuan University (RCDWJS2021-5). Abbildung 3 wurde mit Biorender.com erstellt.

Materials

4% paraformaldehyde Biosharp BL539A
2% Iodophor solution Chengdu Jinshan Chemical Reagent Co., Ltd. None
75% Ethanol Chengdu Jinshan Chemical Reagent Co., Ltd. None
Cotton balls Haishi Hainuo Group Co., Ltd.  None
Cotton swabs Lakong Medical Devices Co.,  None
Curved forceps Chengdu Shifeng Co., Ltd. None
Dataviewer and Ctan software for residual defect volume assessments Bruker None
Dental low-speed round burs Dreybird Medical Equipment Co., Ltd. RA3-012
RA1-008
Disposable sterile scalpel Hangzhou Huawei Medical Supplies Co., Ltd. None
Disposable syringes (22 G) Chengdu Shifeng Co., Ltd. SB1-089(IX)
Electric shaver JASE BM320210
Ethylene Diamine Tetraacetic Acid (EDTA) BioFroxx 1340GR500
Hematoxylin and Eosin Stain Kit Biosharp BL700B
Irrigation needle (23 G) Sichuan New Century Medical Polymer Products Co., Ltd. None
Low-speed handpiece Guangzhou Dental Guard Technology Co., Ltd. None
Masson’s Trichrome Stain Kit Solarbio G1340
Medical non-woven fabrics Henan Yadu Industrial Co., Ltd.  None
Micro-computed tomography (µCT)  Scanco Medical AG µCT45
Mimics 20.0 for cross-sectional images Materialise None
Needle holders Chengdu Shifeng Co., Ltd. None
Periosteal elevator Chengdu Shifeng Co., Ltd. None
Saline solution Sichuan Kelun Pharmaceutical Co., Ltd. None
Scanco medical visualizer software for 3D image reconstruction Scanco Medical AG None
SPSS Statistics 20.0 for statistical analysis IBM None
Sprague-Dawley rats  Byrness Weil Biotech Ltd None
Straight Scissors Chengdu Shifeng Co., Ltd. None
Surgical Motor MARATHON N3-140232
Surgical sutures (3-0 monofilament) Hangzhou Huawei Medical Supplies Co., Ltd. None

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Diesen Artikel zitieren
Wu, J., Yu, C., Han, C., Li, F., Wang, H., Yin, B. The Establishment of Calvarial Suture-Bony Composite Defects in Rats: A Standardized Model for Suture-Regenerative Therapy Investigation. J. Vis. Exp. (207), e66417, doi:10.3791/66417 (2024).

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