Summary

Eine Mini-invasive interne Fixierungstechnik zum Studium der Immobilisierung-induzierten Knieflexionskontraktur bei Ratten

Published: May 20, 2019
doi:

Summary

Hier stellen wir ein Protokoll zur Beschreibung einer minimalinvasiven Technik zur Immobilisierung von Kniegelenken in einem Rattenmodell vor. Dieses reproduzierbare Protokoll, das auf dem Modus der Muskel-Lücken-Trennung und der Mini-Inzisionsfähigkeit basiert, eignet sich für die Untersuchung des zugrunde liegenden molekularen Mechanismus der erworbenen Gelenkkontraktur.

Abstract

Die gemeinsame Kontraktur, die aus einer längeren Gelenkimmobilisierung resultiert, ist eine häufige Komplikation in der Orthopädie. Derzeit ist die Verwendung einer internen Fixierung zur Einschränkung der Kniegelenksbeweglichkeit ein weithin akzeptiertes Modell, um experimentelle Kontraktur zu erzeugen. Die Implantation wird jedoch unweigerlich zu chirurgischen Traumata für die Tiere führen. Mit dem Ziel, einen weniger invasiven Ansatz zu entwickeln, kombinierten wir einen Muskel-Lücken-Trennungsmodus mit einer zuvor gemeldeten Mini-Inzisionsfähigkeit während des chirurgischen Eingriffs: Zwei Mini-Hautschnitte wurden an seitlichem Oberschenkel und Bein gemacht, gefolgt von einer Muskellücke Trennung, um die Knochenoberfläche freizulegen. Das Kniegelenk der Ratte wurde nach und nach durch eine vorkonstruierte innere Fixierung bei ca. 135° Kniebeugung immobilisiert, ohne wesentliche Nerven oder Blutgefäße zu stören. Wie erwartet, ermöglicht diese einfache Technik eine schnelle postoperative Rehabilitation bei Tieren. Die korrekte Position der internen Fixierung wurde durch eine Röntgen- oder Mikro-CT-Scananalyse bestätigt. Der Bewegungsumfang war im immobilisierten Kniegelenk deutlich eingeschränkt als im kontralateralen Kniegelenk, das die Wirksamkeit dieses Modells demonstrierte. Außerdem ergab die histologische Analyse die Entwicklung von faseriger Ablagerung und Haftung in der hinteren-überlegenen Kniegelenkkapsel im Laufe der Zeit. Somit kann dieses Mini-invasive Modell geeignet sein, um die Entwicklung von immobilisierten Kniegelenkkontrakturen nachzuahmen.

Introduction

Gemeinsame Kontrakturen sind definiert als eine Beschränkung im passiven Bewegungsbereich (ROM) eines Diaarthrodialgelenks1,2. Die aktuellen Therapien zur Vorbeugung und Behandlung von Gelenkkontrakturen haben einige Erfolge erzielt3,4. Der zugrunde liegende molekulare Mechanismus der erworbenen gemeinsamen Kontraktur bleibt jedoch weitgehend unbekannt5. Die Ätiologie der gemeinsamen Kontrakturen in verschiedenen sozialen Gemeinschaften ist sehr vielfältig und umfasst genetische Faktoren, posttraumatische Zustände, chronische Krankheiten und anhaltende Immobilität6. Es ist allgemein anerkannt, dass Immobilität ein kritisches Thema bei der Entwicklung der erworbenen gemeinsamen Verträge7ist. Menschen, die unter größeren gemeinsamen Verträgen leiden, können letztlich zu einer körperlichen Behinderung führen8. Daher ist ein stabiles und reproduzierbares Tiermodell notwendig, um die möglichen pathophysiologischen Mechanismen der erworbenen Gelenkkontraktur zu untersuchen.

Die derzeit aufgebauten Immobilisierungs-induzierten Kniegelenkkontrakturmodelle werden meist durch den Einsatz nicht-invasiver Gipsabgüsse, externer Fixierungen und interner Fixierungen erreicht. Watanabe et al. berichteten über die Möglichkeit der Verwendung von Gipsguss-Immobilisierung auf Rattenkniegelenke9. Durch das Tragen einer speziellen Jacke wird eine Seite des unteren Gelenks der Ratte durch einen Guss immobilisiert. Das Kniegelenk der Ratte kann ohne chirurgisches Trauma vollständig gebeugt bleiben10,11. Jedoch, sowohl die Hüft- und Knöchelgelenkbewegungen sind auch von dieser Form der Immobilisierung betroffen, die den Grad der Muskelatrophie bei Quadrizeps femoris oder Gastrocnemius12erhöhen kann. Darüber hinaus müssen Ödeme und Staus der Hinterbeine vermieden werden, indem die Umwandlung zu festgelegten Zeitpunkten ersetzt wird, was die Kontinuität der Unbeweglichkeit beeinträchtigen kann. Eine weitere akzeptierte Methode zur Etablierung eines Kniegelenk-Kontrakturmodells ist die Verwendung externer chirurgischer Fixierung. Nagai et al. kombinierten Kirschnerdraht und Stahldraht zu einem externen Fixator, der das Kniegelenk auf ca. 140° Flexion13immobilisierte. Bei dieser Methode wird ein Harz verwendet, um die Oberfläche zu bedecken, um Hautkratzer zu verhindern. Obwohl die externe Fixierungsimmobilisierung robust und zuverlässig ist14,15, perkutane Kirschner Drahtstiftspuren können das Infektionsrisiko erhöhen16. Nach unserer eigenen Erfahrung kann die Verwendung der externen Fixierungstechnik die tägliche Aktivität von Ratten aufgrund einer Zunahme des konditionierten Leckverhaltens reduzieren.

Alternativ beschrieben Trudel et al. ein gut akzeptiertes Modell der Gelenkkontraktur im Kniegelenk der Ratte auf der Grundlage einer chirurgischen inneren Fixierung17 (diese Methode wurde von der von Evans und Kollegen18verwendeten methode modifiziert). Diese Methode unterstreicht insbesondere die Bedeutung der Verwendung einer Mini-Inzisionstechnik, um die chirurgischen Wunden zu minimieren. Die effiziente Entwicklung der gemeinsamen Auftragsvergabewurde in diesem Modell 19 nachgewiesen. Das Protokoll, wie eine minimale Sezierung zum Belichten der Knochenoberfläche durchgeführt werden soll, ist jedoch noch unklar20. Auch die genaue Position, an der die Schraube bohrt, ist nicht vollständig verstanden. Die Implantation der inneren Fixierung durch eine subkutane oder submuskuläre Weise ist noch umstritten21. Um diese Probleme zu lösen, haben wir diese Methode modifiziert, indem wir einen geeigneten Muskel-Lücken-Trennmodus einbeziehen, der eine mini-invasive Exposition der Knochenoberfläche und die Platzierung der Implantation durch einen submuskulären Kanal ermöglicht. Dieses Protokoll führte zu einer schnellen postoperativen Rehabilitation bei Ratten nach einer Operation. Die Tiere entwickelten nach der gelenken Immobilisierung einen begrenzten Gelenkbewegungsbereich, der mit morphologischen Veränderungen der kapselförmigen Adhäsion aus der histologischen Analyse übereinstimmte. Wir beschreiben auch eine genaue mögliche Position der gebohrten Schrauben, wie durch Röntgenanalyse oder Mikro-CT-Analyse bestätigt. So zielte diese Studie darauf ab, eine minimal-invasive Technik in einem Kniegelenkskontrakturmodell im Detail zu beschreiben, die durch einen Muskel-Lücken-Trennmodus in Kombination mit einer Mini-Inzisionsmethode etabliert wurde. Wir glauben, dass minimalinvasive Techniken sowohl Tiertraumata reduzieren als auch den pathologischen Prozess der gelenken Flexionskontraktur effektiv nachahmen können.

Protocol

Alle Verfahren wurden in Übereinstimmung mit dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren durchgeführt und wurden vom Third Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University institutional animal care and use Committee (Genehmigungsnummer: 02-165-01) genehmigt. Alle Tierversuche wurden nach den ARRIVE-Richtlinien durchgeführt. 1. Präoperative Zubereitung HINWEIS: Abbildung 1 zeigt das Design des chirurgischen Eingriffs….

Representative Results

Wir beobachteten, dass Ratten, die minimal-invasive Operationen erhielten, nur einen Tag nach der Operation zur regulären Ernährung zurückkehren können. Insbesondere hat sich der chirurgische Schnitt ohne Exulat vernarbt (Abbildung 5a). Die Schwellung des Knöchels und der metacarpophalangealen Gelenke im operativen Hinterglied ist zwei Tage postoperativ fast vollständig verschwunden (Abbildung 5b) im Vergleich zur kontralat…

Discussion

Diese Studie zielte darauf ab, eine schrittweise Methode der Immobilisierung des Kniegelenks mit einer Mini-invasiven Technik aufzuklären, die eine schnelle postoperative Rehabilitation bei Tieren nach einer Operation ermöglicht. Konventionell wird der Muskel-Lücken-Trennungsansatz als minimalinvasive Technik in der orthopädischen Chirurgie angesehen. Wie erwartet, fanden wir heraus, dass Ratten zu einer normalen Ernährung und Aktivitäten nur einen Tag postoperativ zurückkehren können, was mit der vorherigen Stud…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch Stipendien der National Natural Science Foundation of China (Nr. 81772368), der Natural Science Foundation der Provinz Guangdong (Nr. 2017A030313496) und des Guangdong Provincial Science and Technology Plan Project (Nr. 2016A02020215225; 2017B090912007). Die Autoren danken Dr. Fei Zhang, M.D. von der Abteilung für Orthopädische Chirurgie, The Eighth Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University für seine technische Hilfe bei der Modifikation.

Materials

Anerdian Shanghai Likang Ltd. 310173 antibacterial
Buprenorphine  Shanghai Shyndec Pharmaceutical Ltd. / analgesia 
Carprofen MCE HY-B1227 analgesia 
Cross screwdriver STANLEY PH0*125mm tighten the screws
Electric drill WEGO 185 drill hole(with stainless steel drill 0.9mm;1.0mm)
Microsurgical instruments RWD / Orthopaedic surgical instruments for animals
Neomycin Sigma N6386 antibacterial
Sodium pentobarbital Sigma P3761  anaesthetize
Stainless Steel screws WEGO m1.4*8; m1.2*6 screw(part of internal fixation) 
Syringe  WEGO 3151474 use for plastic plate(part of internal fixation) 
μ-CT  ALOKA Latheta LCT-200 in vivo CT scan

Riferimenti

  1. Akeson, W. H., Amiel, D., Woo, S. L. Immobility effects on synovial joints the pathomechanics of joint contracture. Biorheology. 17 (1-2), 95-110 (1980).
  2. Trudel, G., Uhthoff, H. K., Brown, M. Extent and direction of joint motion limitation after prolonged immobility: an experimental study in the rat. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 80 (12), 1542-1547 (1999).
  3. Arsoy, D., et al. Joint contracture is reduced by intra-articular implantation of rosiglitazone-loaded hydrogels in a rabbit model of arthrofibrosis. Journal of Orthopaedic Research. , (2018).
  4. Glaeser, J. D., et al. Anti-Inflammatory Peptide Attenuates Edema and Promotes BMP-2-Induced Bone Formation in Spine Fusion. Tissue Engineering. Part A. , (2018).
  5. Fergusson, D., Hutton, B., Drodge, A. The epidemiology of major joint contractures: a systematic review of the literature. Clinical Orthopaedics and Related Research. 456, 22-29 (2007).
  6. Wong, K., Trudel, G., Laneuville, O. Noninflammatory Joint Contractures Arising from Immobility: Animal Models to Future Treatments. BioMed Research International. 2015, 848290 (2015).
  7. Clavet, H., Hebert, P. C., Fergusson, D., Doucette, S., Trudel, G. Joint contracture following prolonged stay in the intensive care unit. CMAJ : Canadian Medical Association Journal. 178 (6), 691-697 (2008).
  8. Dehail, P., et al. Joint contractures and acquired deforming hypertonia in older people: Which determinants?. Annals of Physical and Rehabilitation Medicine. , (2018).
  9. Watanabe, M., Kojima, S., Hoso, M. Effect of low-intensity pulsed ultrasound therapy on a rat knee joint contracture model. Journal of Physical Therapy Science. 29 (9), 1567-1572 (2017).
  10. Goto, K., et al. Development and progression of immobilization-induced skin fibrosis through overexpression of transforming growth factor-ss1 and hypoxic conditions in a rat knee joint contracture model. Connective Tissue Research. 58 (6), 586-596 (2017).
  11. Sasabe, R., et al. Effects of joint immobilization on changes in myofibroblasts and collagen in the rat knee contracture model. Journal of Orthopaedic Research. 35 (9), 1998-2006 (2017).
  12. Sakakima, H., Yoshida, Y., Sakae, K., Morimoto, N. Different frequency treadmill running in immobilization-induced muscle atrophy and ankle joint contracture of rats. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports. 14 (3), 186-192 (2004).
  13. Nagai, M., et al. Contributions of biarticular myogenic components to the limitation of the range of motion after immobilization of rat knee joint. BMC Musculoskeletal Disorders. 15, 224 (2014).
  14. Matsuzaki, T., Yoshida, S., Kojima, S., Watanabe, M., Hoso, M. Influence of ROM Exercise on the Joint Components during Immobilization. Journal of Physical Therapy Science. 25 (12), 1547-1551 (2013).
  15. Kaneguchi, A., Ozawa, J., Kawamata, S., Yamaoka, K. Development of arthrogenic joint contracture as a result of pathological changes in remobilized rat knees. Journal of Orthopaedic Research. 35 (7), 1414-1423 (2017).
  16. Hargreaves, D. G., Drew, S. J., Eckersley, R. Kirschner wire pin tract infection rates: a randomized controlled trial between percutaneous and buried wires. Journal of Hand Surgery. 29 (4), 374-376 (2004).
  17. Trudel, G. Differentiating the myogenic and arthrogenic components of joint contractures. An experimental study on the rat knee joint. International Journal of Rehabilitation Research. 20 (4), 397-404 (1997).
  18. Evans, E. B., Eggers, G. W. N., Butler, J. K., Blumel, J. Experimental Immobilization and Remobilization of Rat Knee Joints. Journal of Bone and Joint Surgery. 42 (5), 737-758 (1960).
  19. Hagiwara, Y., et al. Expression patterns of collagen types I and III in the capsule of a rat knee contracture model. Journal of Orthopaedic Research. 28 (3), 315-321 (2010).
  20. Trudel, G., Uhthoff, H. K. Contractures secondary to immobility: is the restriction articular or muscular? An experimental longitudinal study in the rat knee. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 81 (1), 6-13 (2000).
  21. Hagiwara, Y., et al. Increased elasticity of capsule after immobilization in a rat knee experimental model assessed by scanning acoustic microscopy. Upsala Journal of Medical Sciences. 111 (3), 303-313 (2006).
  22. Adelsperger, A. R., Bigiarelli-Nogas, K. J., Toore, I., Goergen, C. J. Use of a Low-flow Digital Anesthesia System for Mice and Rats. Journal of Visualized Experiments. (115), (2016).
  23. Trudel, G., O’Neill, P. A., Goudreau, L. A. A mechanical arthrometer to measure knee joint contracture in rats. IEEE Transactions On Rehabilitation Engineering. 8 (1), 149-155 (2000).
  24. Campbell, T. M., et al. Using a Knee Arthrometer to Evaluate Tissue-specific Contributions to Knee Flexion Contracture in the Rat. Journal of Visualized Experiments. (141), (2018).
  25. Moriyama, H., et al. Alteration of knee joint connective tissues during contracture formation in spastic rats after an experimentally induced spinal cord injury. Connective Tissue Research. 48 (4), 180-187 (2007).
  26. Onoda, Y., et al. Joint haemorrhage partly accelerated immobilization-induced synovial adhesions and capsular shortening in rats. Knee Surgery, Sports Traumatology, & Arthroscopy. 22 (11), 2874-2883 (2014).
  27. Trudel, G., Jabi, M., Uhthoff, H. K. Localized and adaptive synoviocyte proliferation characteristics in rat knee joint contractures secondary to immobility. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 84 (9), 1350-1356 (2003).
  28. Jiang, S., et al. Endoplasmic reticulum stress-dependent ROS production mediates synovial myofibroblastic differentiation in the immobilization-induced rat knee joint contracture model. Experimental Cell Research. 369 (2), 325-334 (2018).
  29. Pithioux, M., et al. An Efficient and Reproducible Protocol for Distraction Osteogenesis in a Rat Model Leading to a Functional Regenerated Femur. Journal of Visualized Experiments. (128), (2017).

Play Video

Citazione di questo articolo
Jiang, S., Yi, X., Luo, Y., Yu, D., Liu, Y., Zhang, F., Zhu, L., Wang, K. A Mini-Invasive Internal Fixation Technique for Studying Immobilization-Induced Knee Flexion Contracture in Rats. J. Vis. Exp. (147), e59260, doi:10.3791/59260 (2019).

View Video