Summary

Chirurgische Knochenimplantationstechnik für Ratten-Tibia-Modelle für Diabetes und Osteoporose

Published: July 05, 2024
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Summary

Das Einsetzen von Implantaten in ein Rattenmodell ist ein wesentliches experimentelles Verfahren für die klinische Forschung. Diese Studie stellt ein umfassendes chirurgisches Protokoll für die Implantation von Titanimplantaten in die Tibia von Rattenmodellen mit Diabetes und Osteoporose vor.

Abstract

Die Ratte dient seit langem als wertvolles Tiermodell in der Implantologie und Orthopädie, insbesondere bei der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Biomaterialien und Knochengewebe. Das Schienbein der Ratte wird häufig gewählt, da sie einen einfachen chirurgischen Zugang durch dünne Gewebeschichten (Haut und Muskeln) und eine abgeflachte Form ihres medialen Gesichts aufweist und das chirurgische Einsetzen von intraossären Geräten erleichtert. Darüber hinaus ermöglicht dieses Modell die Induktion spezifischer Krankheiten, indem es verschiedene klinische Zustände nachahmt, um biologische Reaktionen auf verschiedene Implantatbedingungen wie Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit oder biologische Signale zu bewerten. Trotz ihrer robusten kortikalen Struktur können bestimmte intraossäre Geräte jedoch Anpassungen in Design und Größe erfordern, um eine erfolgreiche Implantation zu gewährleisten. Daher ist die Etablierung standardisierter chirurgischer Methoden zur Manipulation von Weich- und Hartgewebe im Implantationsbereich unerlässlich, um eine korrekte Platzierung von Implantaten oder Schrauben zu gewährleisten, insbesondere in Bereichen wie der Implantologie und Orthopädie. Diese Studie umfasste achtzig Sprague-Dawley-Ratten, die auf der Grundlage ihrer jeweiligen Krankheiten in zwei Gruppen eingeteilt wurden: Gruppe 1 mit Osteoporose und Gruppe 2 mit Typ-2-Diabetes. Die Implantationen wurden nach 4 Wochen und 12 Wochen durchgeführt, wobei derselbe Chirurg eine konsistente Operationstechnik anwandte. Es wurde eine positive biologische Reaktion beobachtet, die auf eine vollständige Osseointegration aller gesetzten Implantate hinweist. Diese Ergebnisse bestätigen den Erfolg des chirurgischen Protokolls, das für andere Studien repliziert werden kann und als Benchmark für die Biomaterial-Community dient. Bemerkenswert ist, dass die Osseointegrationswerte sowohl nach 4 Wochen als auch nach 12 Wochen für beide Krankheitsmodelle stabil blieben, was eine dauerhafte Integration des Implantats über die Zeit zeigt und die Etablierung einer intimen Knochenverbindung bereits nach 4 Wochen unterstreicht.

Introduction

Die häufige Wahl von Ratten als Versuchsobjekte ist der Tatsache geschuldet, dass sie einfach zu züchten und im Vergleich zu größeren Tiermodellen relativ kostengünstig sind. Das Aufkommen neuer Verfahren, wie z.B. die zuverlässige Reproduktion einer Störung, z.B. Osteoporose oder Diabetes, macht dieses Modell besonders geeignet, um den potentiellen Nutzen von Behandlungen und/oder den Einfluss der Krankheit auf das biologische Ansprechen auf Medikamente und chirurgische Geräte oder Verfahren zu analysieren 1,2.

Der Zuwachs an Knochenmasse bei der Ratte tritt hauptsächlich in den ersten 6 Lebensmonaten auf, obwohl einige Forscher glauben, dass der lange Knochen mindestens ein Jahr lang konstant wächst und die Länge schrittweise zunimmt1. Mit zunehmendem Alter kommt es zu einem Übergang von der Modellierung zum Umbau, der nicht in allen Fällen in allen Knochen gleichermaßen auftritt2. Weibliche Sprague Dawley-Ratten wachsen langsamer als männliche Ratten und erreichen ein niedrigeres Spitzengewicht als männliche Ratten1. Kontinuierliche Knochendehnung und unterschiedliche Knochenumbaudynamik bei Ratten sind Faktoren, die bei der Behandlung von Problemen der menschlichen Gesundheit berücksichtigt werden müssen. Es war jedoch bisher nicht möglich, experimentelle Untersuchungen zu finden, die entweder eine lebenslange Entwicklung von Rattenknochen oder die Unfähigkeit der Spezies zum Wiederaufbau von Knochen1 belegen. Wenn der Versuch im Alter von etwa 10 Monaten beginnt, sollte aufgrund dieses longitudinalen Knochenwachstums ein Rand von mindestens 1 mm von der Wachstumsfuge der Tibia intakt bleiben, ein Problem, das in Zahnimplantatstudien berücksichtigt werdenmuss 2. Hormone sind auch ein wichtiger Parameter in der Knochenforschung, da im Alter von 8 Monaten festgestellt wurde, dass männliche Ratten eine um 22 % größere Knochenbreite und eine um 33 % höhere Bruchfestigkeit aufweisen als weibliche Ratten in der Tibia3.

Die zuverlässige Reproduktion einer Störung ist daher in der Orthopädie und Implantologie von großer Bedeutung, da die Osseointegration einer orthopädischen Schraube oder eines Zahnimplantats ein komplexer Prozess ist, der von zahlreichen Faktoren abhängt, die die systemische Reaktion auf die Implantatimplantation in den Knochen beeinflussen. Es ist bekannt, dass systemische Erkrankungen wie Osteoporose und Diabetes die Erfolgsrate in der Orthopädie und Implantologie beeinflussen, so dass die zuverlässige Reproduktion dieser Erkrankungen in Rattenmodellen genutzt werden kann, um Wege zur Überwindung dieser Einschränkungen zu erforschen.

Die Tibia der Ratte eignet sich aufgrund des einfachen chirurgischen Zugangs, des moderaten Knochenvolumens und der flachen Form auf der medialen Platte für chirurgische Knochenimplantationsexperimente 4,5 und wurde in zahlreichen Forschungsstudien verwendet, in denen die Auswirkungen der Implantatoberfläche auf die Osseointegration untersuchtwurden 4,5,6. Eine wachsende Zahl von Studien untersucht die Auswirkungen von Beschichtungen und Substanzen, die der Implantatoberfläche zugesetzt werden, auf die Osseointegration sowohl bei gesunden Tieren7 als auch bei kompromittierten Tieren, die von Diabetes oder Osteoporose betroffen sind 8,9,10,11,12,13,14.

Die Anzahl der Implantate, die in das Schienbein einer Ratte eingesetzt werden, ist begrenzt und kann je nach Art der Studie variieren. Abhängig von der Anzahl der Implantate oder den Studienbedingungen müssen die Abmessungen der Geräte angepasst werden, um ein chirurgisches Trauma zu minimieren. In Studien mit einem Implantat kann ein Implantat in nahezu menschlicher Größe (2,0 mm Durchmesser und 4 bis 5 mm Länge) und eine bikortikale Verankerung erreicht werden 6,7,15,16. Die Abmessungen der Implantate in Multiimplantatprotokollen sollten eine geeignete Implantatgröße annehmen (1,5 mm Durchmesser und 2,5 mm Länge)4,17.

Ziel der vorliegenden Studie ist es, ein standardisiertes Operationsprotokoll für die Platzierung von Titanimplantaten auf der Tibia von zwei Rattenmodellen zu beschreiben: dem Osteoporose- und dem Diabetes-Rattenmodell. Darüber hinaus ermöglicht diese Studie die Überprüfung des chirurgischen Protokolls, um verschiedene Arten der Biofunktionalisierung der Implantatoberfläche und deren Auswirkungen auf die Osseointegration zu bewerten.

Eine Stichprobe von 80 Ratten wurde in zwei Gruppen eingeteilt. In Gruppe 1 wurden 40 ovariektomierte Sprague Dawley-Weibchen und 5 Scheintiere mit einem Durchschnittsgewicht von 484 g und einem Durchschnittsalter von 12 Wochen ausgewählt. Basierend auf den Empfehlungen des Herstellers (siehe Materialtabelle) startete das Experiment drei Monate nach der Kastration. Diese Wartezeit sorgte für das Verschwinden der Sexualhormone. Die Osteoporose wurde zum Zeitpunkt der Operation auf der Grundlage einer Knochenanalyse mit Mikrocomputertomographie (Mikro-CT) bestätigt, die einen durchschnittlichen Knochenverlust von 20 % im Vergleich zur Scheingruppe ergab. Gruppe 2 bestand aus 40 BBDR (Bio Breeding Diabetes Resistant) genetisch veränderten Sprague Dawley Ratten mit Typ-II-Diabetes. Das Durchschnittsgewicht lag bei 730 g und das Durchschnittsalter bei 12 Wochen. Vor der Operation wurde der Diabetesstatus durch drei aufeinanderfolgende Tage mit Glukosemessungen mit Ergebnissen von mehr als 200 mg/dl bestätigt. Die Glukose wurde mit einem Blutzuckermessgerät in 6 Stunden Fasten gemessen, und ein Blutstropfen wurde durch Schwanzpunktion entnommen.

Es wurden Titanimplantate der Güteklasse 3 mit einer Länge von 2 mm und einem Durchmesser von 1,8 mm verwendet. Alle Implantate wurden unter Reinraumbedingungen sterilisiert, indem sie mit Ultraschall in Cyclohexan (3 mal für 2 min), Aceton (einmal für 1 min), deionisiertem Wasser (3 mal für 2 min), Ethanol (3 mal für 2 min) und Aceton (3 mal für 2 min) in einem Ultraschallbad (230 VAC, 50/60 Hz, 360 W) gereinigt wurden. Anschließend wurden die Proben mit Stickstoffgas getrocknet und ein Stickstoffstrahl mit 0,5 bar direkt auf die Proben aufgebracht. Vor der Implantation wurden die Implantate zunächst in entionisiertem Wasser eingeweicht und dann 10 Minuten lang in 70%iges Ethanol (v/v) getaucht. Danach wurden die Implantate in sterile Mikrozentrifugenröhrchen überführt und bis zur Operation unter sterilen Bedingungen aufbewahrt.

Protocol

Alle Versuchsverfahren wurden in Übereinstimmung mit den Leitlinien der Europäischen Gemeinschaft zum Schutz der für wissenschaftliche Zwecke verwendeten Tiere (Richtlinie 2010/63/EU), wie sie in spanisches Recht umgesetzt wurden (Königliches Dekret 53/2013) und den Vorschriften der Generalitat de Catalunya (Dekret 214/97), durchgeführt. Die Ethikgenehmigung für alle tierischen Verfahren und den Umgang mit Tieren wurde von der Ethikkommission für Tierversuche des Vall D’Hebron Ins…

Representative Results

Chirurgische PhaseEs ist wichtig zu erwähnen, dass beide Tiermodelle, die in dieser Studie verwendet wurden, aufgrund der induzierten Krankheiten gewisse Einschränkungen aufweisen. Diese Einschränkungen bei der Manipulation von Hart- und Weichgewebe spiegeln sich während des chirurgischen Eingriffs wider. Im Diabetikermodell ist die Ratte größer, was es schwierig macht, die Beine während chirurgischer Eingriffe zu stabilisieren. Die…

Discussion

Obwohl die Ratte ein weit verbreitetes Modell zur Untersuchung der Osseointegration ist, ist es wichtig, eine reproduzierbare Operationstechnik für die adäquate Platzierung von Implantaten zu definieren und zu beschreiben. Eine solche Technik könnte der wissenschaftlichen Gemeinschaft als Leitfaden dienen. Darüber hinaus stellt die Tatsache, dass bestimmte Krankheiten wie Osteoporose und Diabetes den Knochenstoffwechsel verändern, höhere Anforderungen an die korrekte Gestaltung chi…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken der staatlichen spanischen Forschungsagentur für die finanzielle Unterstützung durch die Projekte PID2020-114019RBI00 und PID2021-125150OB-I00.

Materials

22 G needles+A2:C30 Terumo NN-2238R
4/0 monofilament synthetic resorbable suture Braun ( MonoSyn)
5 mL, 10 mL syringes Braun 4617100V-02 4606051V
Adson forceps Antão Medical Ref: A586
BBDR ( Biobreeding Diabetes Resistant ) Sprague Dawley Rats Janvier Labs
Betadine Mylan
Buprecare Animalcare (UK)
Castroviejo Caliper 0-40 mm 15 cm angled UL AMIN Industries
Castroviejo Needle Holder Antão Medical Ref: AM1702
Dental surgery scissors curved and straight Antão Medical AMA603 / AMA600
Electric shaver Oster Pro 3000i 34264482227
Extra Fine Graefe Forceps F.S.T Ref: 11150-10
Gauze pads COVIDIEN 441001
Glucometer Menarini (Italy)
Helicoidal Drill / OSTEO-PIN DRILL Ø1.6 mm soadco Ref. OS-8001
Implants / SCREW OSTEO-PIN Ø1.8 x 2.0 mm soadco Ref. OS-3
Isoflo Le Vet Pharma (Netherlands)
Lance pilot drill / Lanceolate Drill (DS) soadco Ref. 10 02 01 T
Latex gloves – Surgical gloves sterile Hartmann Ref: 9426495
Lucas Surgical Curette Antão Medical Ref: AMA940-3
Metacam Boehringer Ingelheim(Germany)
Micro forceps straight nopa Ref: AB 542/12
Micro-CT scan( Quantum Fx microCT ) Perkin Elmer (US)
Osteoporotic Sprague Dawley females Rats Janvier Labs
Periosteal elevator -  Molt 2-4 Antão Medical Ref: A1564
Physiologic solution for Irrigation Hygitech Ref:10238
Scalpel Blade Carbon Steel 15C Razor Med Ref: 02846
Sterile Gauze Swabs Alledental Ref: 270712
Sterile Irrigation system Hygitech Ref:HY1-110001D
Sterile towels (1 piece per animal) Dinarex 4410
Surgical contra-angle handpiece W&H Ref: WS-75 LED G
Surgical contra-angle handpiece W&H SN 08877
Surgical contra-angle handpiece W&H SN 01309
Surgical Electric Motor WH Implantmed Type: SI-1023  Ref: 30288000
Surgical scalpel handle AsaDental Ref: 0350-3
Towel clamps Xelpov surgical AF-773-11
Ultrasonic device J.P. Selecta, Abrera, Spain

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Diesen Artikel zitieren
Alfaiate, D., Mas-Moruno, C., Manuela, C., Ustrell, J. M., Camara, J. A., Ferrer, M., Manero, J. M., Manzanares-Céspedes, M. Surgical Bone Implantation Technique for Rat Tibia Models of Diabetes and Osteoporosis. J. Vis. Exp. (209), e66591, doi:10.3791/66591 (2024).

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