Summary

Spannungsfreies gewichtstragendes Modell der steroidinduzierten Osteonekrose des Femurkopfes bei Ratten

Published: September 27, 2024
doi:

Summary

Das Protokoll zeigt den Aufbau eines einfachen und kostengünstigen Trainingsmodells für die Steroid-induzierte Osteonekrose des Hüftkopfes unter Verwendung eines elastischen therapeutischen Tapes.

Abstract

Im Gegensatz zum Menschen sind Ratten Tiere, die auf allen Vieren gehen, während Menschen zweibeinige Tiere sind, die stehen und deren Hüften beim Gehen und Stehen einem enormen Druck ausgesetzt sind. In Rattenmodellen, die durch Steroide induzierte Femurkopfnekrose durchgeführt wurden, müssen häufig die biomechanischen Eigenschaften der menschlichen Hüfte unter höherem Druck simuliert werden. Einige Gelehrte versuchen, den Zustand des menschlichen Hüftdrucks nachzuahmen, indem sie Ratten ein bestimmtes Gewicht tragen lassen, aber es ist schwierig, das tragende Objekt an der Ratte zu befestigen. Ratten können sich leicht aus der Immobilisierung befreien, und das Aufkleben des Gewichts mit Klebeband auf die Ratten führt dazu, dass die Ratten ersticken oder an Darmverschluss sterben. Unsere Forschungsgruppe verwendete ein elastisches therapeutisches Tape, um eine spannungsfreie Immobilisierung von gewichtstragenden Objekten bei Ratten durchzuführen, so dass die Ratten frei atmen konnten und sich unter Gewichtsbelastungsbedingungen nicht von der Immobilisierung lösten. Im Vergleich zum üblichen steroidinduzierten Modell der Femurkopfnekrose bei Ratten fanden wir heraus, dass dieser gewichtstragende Eingriff das Fortschreiten der Femurkopfnekrose bei Ratten verschlimmern kann.

Introduction

Die Gabe von Glukokortikoiden ist der häufigste Risikofaktor für eine nicht-traumatische Osteonekrose des Hüftkopfes (ONFH)1. Zahlreiche Hinweise deuten darauf hin, dass neben den Glukokortikoiden auch die Druckbelastung des Hüftgelenks bei Patienten mit dem Auftreten von ONFH assoziiert ist. Faktoren wie Körpergewicht und körperliche Arbeitsintensität werden als Risikofaktoren für ONFH2 anerkannt. Mehrere klinische Studien haben einen engen Zusammenhang zwischen den Belastungsbedingungen des Hüftgelenks und dem Zeitpunkt und der Häufigkeit von Gelenkersatz gezeigt 3,4,5,6. Daher ist die Etablierung eines Modells, das den Zusammenhang zwischen Belastung und steroidinduzierter Osteonekrose des Hüftkopfes (SONFH) widerspiegelt, wichtig für eine umfassende Untersuchung dieser Erkrankung.

Große zweibeinige Vögel wie Strauße und Emus dienen als gute Modelle, um die Belastung des Hüftgelenks zu simulieren und ähneln den Belastungen menschlicher Beine 7,8. Die Haltung großer Vogelarten ist jedoch eine Herausforderung, und die damit verbundenen Forschungskosten sind hoch. Spontan hypertensive Rattenmodelle 9,10 können höhere ONFH-Raten aufweisen, aber die durch spontane Hypertonie erzeugte Kompartimentdruckbelastung im Knochenmark unterscheidet sich signifikant von mechanischem Druck und ist ungeeignet, um den Einfluss des mechanischen Drucks auf SONFH zu untersuchen.

Kleintiermodelle werden häufig in der Forschung zu SONFH eingesetzt. Vierbeinige Reptilien haben jedoch eine geringere Belastung des Hüftgelenks, und ihre Hüftmodelle können die biomechanische Umgebung der menschlichen Hüftgelenke beim zweibeinigen Gehen nicht simulieren. Die Immobilisierung einer einzelnen Gliedmaße11 und die Teilentlastungsmodelle12 sind üblich, aber beide reduzieren die Belastung der Gliedmaßen. Da der Mensch ein zweibeiniger Organismus mit erheblichen Belastungen der unteren Gliedmaßen beim Stehen und Gehen ist, verringert die Verringerung der Belastung in diesen Modellen den Zusammenhang zwischen Tiermodellen und menschlichen Krankheiten.

Ziel dieser Studie ist es, ein einfaches und kostengünstiges Modell für das Krafttraining zu etablieren, um den Einfluss des Gewichtstrainings auf die steroidinduzierte Osteonekrose des Hüftkopfes bei Ratten zu untersuchen. Gegenwärtig werden Rattenmodelle verwendet, um die steroidinduzierte Osteonekrose des Hüftkopfes zu untersuchen13,14, aber es gibt immer noch kein Modell, das eine langfristige, sichere Fixierung mit minimaler Störung der Bewegung ermöglichen kann, was auch relativ einfach und kostengünstig ist. In dieser Studie wird ein hochadhäsives Fixierungsmaterial verwendet, das eine spannungsfreie Fixierung annimmt, die die Beweglichkeit der Ratten erhält und das Leiden und sogar den Tod durch unsachgemäße Fixierung reduziert.

Protocol

Das Protokoll hält sich an die ethischen Richtlinien des Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) an der Beijing University of Chinese Medicine, Protokollnummer BUCM-4-2022062001-2109. Das Protokoll verwendet Sprague Dawley (SD) Ratten (SCXK(Jing)2019-0008) im Alter von 8-10 Wochen und mit einem Gewicht von 200 g-250 g. 1. Anpassungstraining Albino-Ratten haben in der Regel einen Sichtbereich von weniger als 60 cm<sup cla…

Representative Results

Histopathologische AnalyseHämatoxylin- und Eosin-Färbungen zeigten, dass in der Kontrollgruppe und der Control+Load-Gruppe die Knochentrabekel intakt und regelmäßig angeordnet waren. In den Knochengrübchen waren Endothelzellen der Blutgefäße vorhanden, und die Zellmorphologie schien prall zu sein. Im Gegensatz dazu zeigten die Modellgruppen und Modell+Load frakturierte und ungeordnete Knochentrabekel sowie eine signifikant höhere Anzahl leerer Lücken. Die Gr…

Discussion

Derzeit können verschiedene Tiere, wie z. B. Kaninchen25, Ratten26, Mäuse27, Schweine28, Masthähnchen29, Strauße8 und Emus30 verwendet werden, um Modelle der Femurkopfnekrose zu erstellen. Unter ihnen sind Ratten, Mäuse und Kaninchen die am häufigsten verwendeten Arten. Die Ratte als Modell für die Hüftkopfnekrose …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Studie ist eine unabhängige Studie und wurde nicht gefördert.

Materials

15ml centrifuge tube Corning,USA 430791
5mm stainless steel bead Gelisen,China 5mm
Acetic acid Merck KGaA, Germany 64-19-7
Anhydrous alcohol Merck KGaA, Germany 64-17-5
clay Mincai stationery,China 102
Coverslip Servicebio,China WMWD-1818
Flat pressure bottle 10ml BEHNCKE,China MD10ml
Formic acid Macklin Biochemical ,China 64-18-6
HE staining kit Solarbio,China G1120
HistoCore AUTOCUT Leica, Germany 149AUTO00C1
Kinesio tape (elastic therapeutic tape) Fuluo medicine,China CL1819
Lipopolysaccharide Solarbio,China L8880
Lipopolysaccharides (LPS) Selleck,USA S7850 
Manual carbon dioxide euthanasia box Yuyan,China LC-500-S1
Methylprednisolone sodium succinate,MPS AbMole,China M25573
MicroCT  Hiscan,China  Hiscan VM Pro
Neutral resin Beijing Zhongshan Golden Bridge Biotechnology l ,China ZLI-9555
Paraffin Servicebio,China WGHB-319213129
Paraformaldehyde Servicebio,China G1101-500ML
Potassium chloride Macklin Biochemical ,China  7447-40-7
Slide Servicebio,China WG6012
Treadmill for Rats and  mice Litc Life Science,USA 801
Xylene Macklin Biochemical ,China  1330-20-7

Referenzen

  1. Konarski, W., et al. Avascular necrosis of femoral head-overview and current state of the art. Inl J Environ Res Public Health. 19 (12), 7348 (2022).
  2. Tan, B., et al. Epidemiological study based on China osteonecrosis of the femoral head database. Ortho Surg. 13 (1), 153-160 (2020).
  3. Algarni, A. D., Al Moallem, H. M. Clinical and radiological outcomes of extracorporeal shock wave therapy in early-stage femoral head osteonecrosis. Adv Ortho. 2018, 7410246 (2018).
  4. Huang, Z., et al. Chinese herbal Huo-Gu formula for the treatment of steroid-associated osteonecrosis of femoral head: A 14-year follow-up of convalescent SARS patients. J Ortho Transl. 23, 122-131 (2020).
  5. Tomaru, Y., et al. Concentrated autologous bone marrow aspirate transplantation versus conservative treatment for corticosteroid-associated osteonecrosis of the femoral head in systemic lupus erythematosus. J Rural Med. 16 (1), 1-7 (2021).
  6. Wu, W., et al. Prognostic analysis of different morphology of the necrotic-viable interface in osteonecrosis of the femoral head. Int Ortho. 42 (1), 133-139 (2018).
  7. Troy, K. L. R., Lundberg, H. J., Conzemius, M. G., Brown, T. D. Habitual hip joint activity level of the penned EMU (Dromaius novaehollandie). Iowa Ortho J. 27, 17 (2007).
  8. Jiang, W., Wang, P., Wan, Y., Xin, D., Fan, M. A simple method for establishing an ostrich model of femoral head osteonecrosis and collapse. J Ortho Surg Res. 10, 1-10 (2015).
  9. Murata, M., Kumagai, K., Miyata, N., Osaki, M., Shindo, H. Osteonecrosis in stroke-prone spontaneously hypertensive rats: effect of glucocorticoid. J Ortho Sci. 12 (3), 289-295 (2007).
  10. Drescher, W., et al. Enhanced constriction of supplying arteries-A mechanism of femoral head Necrosis in Wistar rats. Ann Anat. 192 (1), 58-61 (2010).
  11. Friedman, M. A., Zhang, Y., Wayne, J. S., Farber, C. R., Donahue, H. J. Single limb immobilization model for bone loss from unloading. J Biomech. 83, 181-189 (2019).
  12. Gadomski, B. C., et al. Partial gravity unloading inhibits bone healing responses in a large animal model. J Biomech. 47 (12), 2836-2842 (2014).
  13. Peng, P., Nie, Z., Sun, F., Peng, H. Glucocorticoids induce femoral head necrosis in rats through the ROS/JNK/c-Jun pathway. FEBS Open bio. 11 (1), 312-321 (2021).
  14. Yan, Y. Q., Pang, Q. J., Xu, R. J. Effects of erythropoietin for precaution of steroid-induced femoral head necrosis in rats. BMC Musculoskel Dis. 19, 1-7 (2018).
  15. Dean, P. Are rats short-sighted? Effects of stimulus distance and size on visual detection. Quat J Exp Psychol Sec B. 33 (2), 69-76 (1981).
  16. Fu, D., et al. Proper mechanical stress promotes femoral head recovery from steroid-induced osteonecrosis in rats through the OPG/RANK/RANKL system. BMC Musculoskel Dis. 21, 281 (2020).
  17. Wan, F., et al. Effect of glucocorticoids on miRNA expression spectrum of rat femoral head microcirculation endothelial cells. Gene. 651, 126-133 (2018).
  18. Alahmari, K. A., et al. The effect of Kinesio taping on cervical proprioception in athletes with mechanical neck pain-a placebo-controlled trial. BMC Musculoskel Dis. 21, 1-9 (2020).
  19. Shidara, K., et al. Strain-specific differences in the development of bone loss and incidence of osteonecrosis following glucocorticoid treatment in two different mouse strains. J Ortho Transl. 16, 91-101 (2019).
  20. Lv, Y., et al. A novel model of traumatic femoral head necrosis in rats developed by microsurgical technique. BMC Musculoskel Dis. 23 (1), 374 (2022).
  21. Yu, H., et al. Icariin promotes angiogenesis in glucocorticoid-induced osteonecrosis of femoral heads: In vitro and in vivo studies. J Cell Mol Med. 23 (11), 7320-7330 (2019).
  22. Kim, H. K., Morgan Bagley, S., Kostenuik, P. RANKL inhibition: a novel strategy to decrease femoral head deformity after ischemic osteonecrosis. J Bone Mine Res. 21 (12), 1946-1954 (2006).
  23. Weinstein, R. S., Jilka, R. L., Parfitt, A. M., Manolagas, S. C. Inhibition of osteoblastogenesis and promotion of apoptosis of osteoblasts and osteocytes by glucocorticoids. Potential mechanisms of their deleterious effects on bone. J Clin Invest. 102 (2), 274-282 (1998).
  24. Kapfer, S. A. . The effects of hyperbaric exposure on bone cell activity in the rat: implications for the pathogenesis of dysbaric osteonecrosis. , (1995).
  25. Jiang, X., et al. Puerarin facilitates osteogenesis in steroid-induced necrosis of rabbit femoral head and osteogenesis of steroid-induced osteocytes via miR-34a upregulation. Cytokine. 143, 155512 (2021).
  26. Peng, P., Nie, Z., Sun, F., Peng, H. Glucocorticoids induce femoral head necrosis in rats through the ROS/JNK/c-Jun pathway. FEBS Open bio. 11 (1), 312-321 (2021).
  27. Chen, C. Y., et al. Glucocorticoid-induced loss of beneficial gut bacterial extracellular vesicles is associated with the pathogenesis of osteonecrosis. Sci Adv. 8 (15), 8335 (2022).
  28. Gorios Filho, A., et al. Experimental model study of ischemic necrosis induction of the growing femoral head. Acta Ortop Bras. 30 (2), e247996 (2022).
  29. Wilson, F. D., et al. A field study of histologic and bacteriologic characterization of femoral head separation and femoral head necrosis. Avian Dis. 64 (4), 571-581 (2020).
  30. Fan, M., et al. Comparisons of emu necrotic femoral head micro structure repaired in two different methods. Acta Acad Med Sinicae. 38 (1), 16-21 (2016).
  31. Naito, S., et al. Femoral head necrosis and osteopenia in stroke-prone spontaneously hypertensive rats (SHRSPs). Bone. 14 (5), 745-753 (1993).
  32. Omokawa, S., Tamai, S., Ohneda, Y., Mizumoto, S., Yamamoto, S. A histopathological study on the femoral head necrosis in spontaneously hypertensive rats (SHR). Nihon Seikeigeka Gakkai Zasshi. 66 (1), 69-82 (1992).

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Zhang, Y., Tang, J., Yue, Z., Guo, W., Wang, W. Tension-Free Weight-Bearing Model of Steroid-Induced Osteonecrosis of Femoral Head in Rats. J. Vis. Exp. (211), e66883, doi:10.3791/66883 (2024).

View Video