يصف هذا البروتوكول نموذج فأر محسن لإصابات صفيحة نمو عظام المراهقين. باستخدام الفئران المعدلة وراثيا مع مراسلي الفلورسنت ثلاثي السلالات لأنواع الكولاجين الأول والثاني والعاشر ، المصفوفات الأولية المرتبطة بثلاث طبقات فرعية مختلفة من صفيحة النمو ، يتم توجيه وضع الإصابة من خلال التألق الأصلي تحت المجهر.
تمكن صفائح نمو الغضاريف في عظام الأطفال من إطالة الأطراف ولكنها ضعيفة بالنسبة للعظام ، مما يجعلها عرضة للكسر عندما تكون العظام محملة بشكل زائد. هناك حاجة إلى علاجات أفضل لألواح النمو المكسورة بشدة لأن الاستجابة للإصابة هي جسر عظمي يدمج صفيحة النمو قبل الأوان ، مما يؤدي إلى تقزم الأطراف و / أو ملتوية. تعد نماذج الفئران لإصابة صفيحة النمو مفيدة للدراسات الميكانيكية ، ولكنها صعبة لأنه من الصعب تصور وإصابة صفائح النمو الصغيرة بدقة في الفئران الصغيرة. نصف هنا نموذجا محسنا لإصابة صفيحة النمو باستخدام الفئران المعدلة وراثيا مع مراسلين الفلورسنت ثلاثي السلالات لأنواع الكولاجين الأول والثاني والعاشر.
تظهر هذه الفئران مضان أصلي مرتبط بالطبقات التحتية الأساسية الثلاث لصفيحة النمو. يتم إنشاء إصابة صفيحة نمو مماثلة لإصابة Salter-Harris من النوع الثاني بشكل متكرر باستخدام bur باستخدام القسم الضخامي من صفيحة النمو كمرجع أثناء التصوير المباشر تحت توجيه المجهر الاستريو الفلوري. يبسط تحليل الأنسجة المجمدة للتألق الأصلي تقييم الاستجابة الخلوية للإصابة. تمثل هذه المنهجية قفزة كبيرة في أبحاث إصابة صفائح النمو ، مما يوفر طريقة مفصلة وقابلة للتكرار للتحقيق في علم الأمراض وتقييم الاستراتيجيات العلاجية الجديدة.
تلعب صفائح نمو العظام دورا محوريا في النمو الطولي للعظام الطويلة أثناء الطفولة والمراهقة1. تقع صفيحة النمو في نهايات العظام الطويلة ، وتتألف من مناطق متعددة ، مع كون الخلايا الغضروفية هي المكونات الخلوية الرئيسية المسؤولة عن إنتاج منطقة النمو الديناميكية هذه والحفاظ عليها. يحدث التعظم داخل الغضروف لصفيحة النمو لإطالة وتوسيع العظام من خلال تقدم متسلسل لتكاثر الخلايا الغضروفية ، والتضخم ، وموت الخلايا المبرمج ، وغزو الأوعية الدموية ، وتجنيد الخلايا العظمية السلفية ، وأخيرا ، تكوين العظام2. نظرا لأن صفيحة النمو أكثر ليونة نسبيا من العظام ، فهي معرضة بشدة للكسر عندما تكون العظام محملة بشكل زائد أثناء ممارسة الرياضة أو الأنشطة الأخرى. يحدد تصنيف Salter-Harris خمسة أنواع متميزة من إصابات صفيحة النمو3. الكسر من النوع الثاني من خلال المنطقة الضخامية لصفيحة النمو والأنسجة العظمية السفلية المجاورة هو الأكثر انتشارا4. غالبا ما يتشكل الجسر العظمي استجابة لإصابات المنطقة الضخامية أو العظم المجاور ويؤدي إلى الانصهار المبكر لأقسام العظام الطويلة المجاورة5. الجسور العظمية تعيق التوسع الطبيعي لصفيحة النمو. حاليا ، لا تتوفر علاجات وقائية لتشكيل الجسر العظمي ، ويترك بعضها دون علاج اعتمادا على عمر المريض وحجم الجسر العظمي وموقعه6. عندما يكون تشوه الأطراف شديدا ، تشمل الخيارات الجراحية الإزالة تليها زرع مواد متداخلة مثل الدهون أو مطاط السيليكون أو قطع العظم التصحيحي وإجراءات إطالة العظام. ومع ذلك ، قد يستمر الجسر العظمي في إصلاح6. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لمنع تكوين الجسر العظمي وتحسين نتائج الأطفال الذين يعانون من إصابات صفيحة نمو العظام.
تم إنشاء العديد من النماذج الحيوانية لاستكشاف الآليات الأساسية وتطوير استراتيجيات جديدة لمنع ضعف الجسر العظمي لألواح النمو بعد الإصابة7،8،9،10،11،12. تركز هذه النماذج الحيوانية بشكل متكرر على صفيحة نمو الظنبوب القريبة وصفيحة نمو عظم الفخذ البعيدة كموقع إصابة أساسي ، نظرا لأن هذا هو المكان الذي تحدث فيه الإصابات البشرية عادة. يتم إنشاء عيوب عظام إما عن طريق نهج جانبي مشابه لمسار الكسر الفعلي أو نهج من أعلى أو أسفل صفيحة النمو مما يؤدي إلى ثقب حفر مركزي في صفيحة النمو. في نموذج الفئران الذي تم الإبلاغ عنه سابقا ، يتم إنشاء عيب في صفيحة النمو عن طريق إدخال بر الأسنان من خلال نافذة قشرية في العمود الأوسط الظنبوبي والحفر لأعلى من خلال النخاع باتجاه مفصل الركبة لإصابة صفيحة النمو مركزيا 7,13. بدلا من ذلك ، يستخدم نموذج الماوس الحديث نهجا جانبيا بإبرة صغيرة التجويف لإنشاء مسار إبرة مستو عبر لوحة النمو8. في نموذج الفئران المستخدم على نطاق واسع ، يتم إنشاء العيب في صفيحة نمو عظم الفخذ البعيد عن طريق الحفر من خلال الغضروف المفصلي بين اللقمات 9,14. في الكبيرة مثل الأرانب والأغنام ، تم تحفيز عيوب صفيحة النمو بشكل جانبي مباشرة في الساق القريبة وعظم الفخذ البعيد عن طريق الحفر أو القطع في صفيحة النمو أو عن طريق الاقتراب من الأسفل وخلق عيب مركزي يترك حواف صفيحة النمو دون تغيير10،11،12،15.
تعد نماذج الفئران لإصابات صفيحة النمو مفيدة للدراسات الميكانيكية التي يمكن تحقيقها مع الفئران المعدلة وراثيا ، مثل دراسات تتبع نسب الخلايا الجذعية8. ومع ذلك ، فإن التحدي الكبير في النماذج الحيوانية للفئران أو الفئران هو تحقيق إصابة متسقة ودقيقة لمنطقة فرعية معينة من صفيحة النمو. مطلوب إصابة مناطق معينة من صفيحة النمو والعظام المجاورة لتقليد أحد مسارات الكسر ذات الصلة سريريا الموصوفة في تصنيفات Salter-Harris. ترجع التحديات حتى الآن في نماذج القوارض في المقام الأول إلى عدم وجود وسيلة بصرية لتحديد الطبقات التحتية لصفيحة النمو أثناء الإنشاء الجراحي للإصابة. يصف هذا البروتوكول تقنية محسنة لإنشاء عيوب صفيحة النمو في الطبقات التحتية المستهدفة من صفيحة نمو الفئران من خلال استخدام الفئران المعدلة وراثيا الثلاثية التي تعبر عن الكولاجين I و II و X مراسلي الفلورسنت16،17،18. يسمح التألق الملون المختلف لهذه الكولاجين في كل منطقة من المناطق الأساسية للوحة النمو بالتمييز البصري للأقسام المختلفة من صفيحة النمو تحت مجهر ستيريو مضان أثناء الإنشاء الجراحي لإصابة صفيحة النمو. يسمح استخدام هذه الفئران المعدلة وراثيا بدقة إصابة غير مسبوقة في فأر صغير في مرحلة نمو مماثلة للأطفال المصابين.
يتيح الاستخدام المبتكر للفئران مراسلة الكولاجين ثلاثية الألوان إنشاء عيوب صفيحة النمو بحجم وموقع محددين مسبقا ، مما يعزز بشكل كبير دقة النماذج التجريبية للفئران لإصابات صفيحة النمو. نظرا لصغر حجم الفئران البالغة من العمر أسبوعين ، فمن الأهمية بمكان استخدام بر صغير يبلغ 0.5 مم لإنشاء الإصابة لتجنب إضعاف الطرف والتسبب في كسر كامل السماكة. يجب على الجراح أيضا تطبيق ضغط كاف عند إنشاء العيب لتجنب الحفر بعمق في العظام لنفس السبب. يعد استخدام مسبار السمحاق أمرا بالغ الأهمية لتأكيد عمق الإصابة المتسق.
كما هو الحال مع أي عملية جراحية ، من المهم تأكيد عمق التخدير الكافي ، والذي يؤكده قرصة إصبع القدم العرضية ويتم الحفاظ على العقم طوال الوقت. نقطة جراحية أخرى ذات أهمية هي أنه تم وصف التشريح الحاد باستخدام النحات لأنه يتجنب إتلاف الأنسجة الرخوة ويساعد على ضمان قدرة الفئران على التنقل فور الشفاء من التخدير للوصول إلى الفأر الأم للتغذية والراحة. في تجربتنا ، ظلت الجروح المغلقة بالغرز مغلقة بنجاح ولا يلزم وجود مشابك الجرح. يوصى بإجراء عملية جراحية على الفئران في عمر 2 أسابيع لتقليد الطفل الصغير الذي يعاني من كسور صفيحة النمو. أحد الجوانب السلبية لهذا البروتوكول هو أنه نظرا لطبيعة الولادة غير المتوقعة ، فإن استخدام نموذج الفأر هذا يتطلب توافر الجراح في غضون مهلة قصيرة.
فيما يتعلق بوضع البر لإنشاء العيب ، يصف البروتوكول إنشاء الإصابة باستخدام مجموعة مرشح mCherry / Texas الحمراء التي تضيء المنطقة الضخامية داخل صفيحة النمو بسبب سطوع مضان الكولاجين X. لضمان حدوث الإصابة داخل صفيحة نمو الظنبوب ، من المفيد تحريك فتحة الأنسجة الرخوة قليلا إلى اليسار واليمين للتأكد من أن صفيحة نمو الظنبوب القريبة في الأفق ، وليس عظم الفخذ. يعد التبديل بين قنوات مجموعة المرشح لإلقاء الضوء على منطقة الخلايا الغضروفية التكاثرية أو أقسام العظام المجاورة مفيدا لتأكيد الوضع الدقيق بالنسبة لموقع المنطقة التكاثرية وأقسام العظام المجاورة.
في حين يمكن تمييز منطقة الخلايا الغضروفية التكاثرية وعظم المشاش والميتافيسيل تحت المجهر الفلوري في الفئران الحية ، فإن القيمة الحقيقية لمراسلي الكولاجين من النوع الثاني والنوع الأول تتحقق أثناء التحليل النسيجي لصفيحة النمو. نظرا للطبيعة المائية للعمليات النسيجية بالتبريد ، فإن بروتوكولات ترسيب الصبغة الكروموجينية التقليدية غير مناسبة بسبب الاختلال المحتمل للون مع التصوير الفلوري الناجم عن خطوات الجفاف. على الرغم من أن البروتوكول المائي ينتج عنه أنماط تلطيخ مماثلة لتلك الموجودة في أقسام البارافين ، إلا أن التصوير السريع بعد التلوين ضروري لمنع انتشار الصبغة من الأنسجة. يمكن أن يؤدي استخدام 30٪ من الجلسرين في الماء المقطر كوسيط تركيب إلى إبطاء هذا الانتشار ، مما يسمح بتلطيخ متعدد للكروموجينيك في نفس القسم ، بما في ذلك الغضروف باستخدام Safranin O / Fast Green.
يمكن رؤية عملية التعظم داخل الغضروف بوضوح مع الخلايا الغضروفية الحمراء التي تبطن الجسر العظمي المتطور (الشكل 6). يمكن أن يؤدي الاستخدام الإضافي لتقنيات الكيمياء الهيستولوجية المناعية ، التي يتوفر لها العديد من الأجسام المضادة للفئران ، إلى زيادة تعزيز الدراسات الميكانيكية التي أجريت في هذه الفئران المعدلة وراثيا. وإجمالا، فإن الجمع بين تقنيات الفاكسيترون والتصوير المقطعي المحوسب الدقيق والتصوير النسيجي بالتبريد في نموذج الفأر المعدل وراثيا هذا يوفر فهما شاملا للتغيرات العيانية والمجهرية التي تحدث استجابة لإصابات صفيحة النمو، مما يمهد الطريق للتدخلات العلاجية المستقبلية للتخفيف من هذه النتائج السلبية. يمكن إجراء المزيد من التلاعب الجيني لهذه الفئران المعدلة وراثيا للسماح لدراسات تتبع النسب بفهم أصل الخلايا التي تشارك زمانيا ومكانيا في الشفاء. سيسمح إجراء التجارب على الفئران مع تعديلات إضافية بدراسة أمراض الغضاريف مثل الورم العظمي الغضروفي – فرط نمو الغضروف والعظام بالقرب من صفيحة النمو.
يتضح اتساق نموذجنا من خلال التكوين القابل للتكرار للجسور العظمية في جميع الفئران دون الحاجة إلى التخلص من أي فئران من المجموعة بسبب إصابة الغضروف المفصلي. يعد هذا تحسنا مقارنة بالنماذج السابقة التي اقتربت من صفيحة النمو من نافذة قشرية أسفل صفيحة النمو ووجهت أداة حادة أو bur لأعلى نحو صفيحة النمو وأحيانا تتجاوز الغضروف المفصلي. إصابة إضافية في الغضروف المفصلي لا تحاكي إصابات صفيحة النمو الشائعة عند الأطفال. تقلل الإصابة الأكثر دقة لهذا النموذج الحيواني من عدد الفئران المطلوبة لكل تجربة وهذا تحسن آخر. يسمح استخدام الفئران المعدلة وراثيا للباحث بتركيز الإصابة على الأقسام الفرعية من صفيحة النمو ، مثل المنطقة الضخامية / المتكلسة مؤقتا أو منطقة المشاش / منطقة الراحة / منطقة التكاثر ، دون التأثير على الغضروف المفصلي. ومع ذلك ، فإن أحد قيود هذا النموذج هو التباين في حجم الجسر العظمي ، والذي يمكن أن يختلف بنسبة تصل إلى 30٪ بين المصابة. وبالتالي ، فإن اكتشاف تأثير مهم سريريا على تكوين الجسر العظمي لا يزال يتطلب عددا كبيرا من لتحقيق الأهمية الإحصائية.
تشمل الفوائد التي تعود على نموذج الفأر كما هو موضح هنا مقارنة بنماذج إصابة صفيحة نمو الفئران أو الأرانب المنشورة سابقا7،9،10،14 ، عددا أقل من المستخدمة ، وخفض التكلفة ، وحجم تكرار فعال بسبب تكوين قضيب عظمي قابل للتكرار ، وإطار زمني أقصر للدراسة ، ووضع إصابة أكثر دقة بسبب التصوير الحي للفئران المحورة وراثيا الثلاثية. على الرغم من عدم مناقشته بالتفصيل ، يمكن استخدام نموذج الماوس هذا لاختبار الغرسات المهندسة للأنسجة أو المواد الحيوية التي توفر عوامل النمو. من القيود الملحوظة على طريقة الفئران هذه أن حجم الغرسة المستخدمة لتوصيل الأدوية أو الخلايا العلاجية يقتصر على حجم العيب الذي يبلغ قطره 0.5 مم تقريبا. فقط النماذج الحيوانية الأكبر يمكن أن تستوعب حجم مواد الاختبار التي يمكن استخدامها في المرضى من البشر. عيب البر الذي تم إنشاؤه في هذا البروتوكول ليس هو نفس هندسة الكسر الرقيق وبالتالي يختلف عن الإصابات البشرية الفعلية. ومع ذلك ، فإن فوائد نموذج الفأر هذا كثيرة ، ويتجنب النهج الجانبي إتلاف الغضروف المفصلي الذي قد يحدث عند الاقتراب بشكل أعمى فوق أو أسفل صفيحة النمو بما يتماشى مع المحور الطويل الظنبوبي. تمثل هذه المنهجية قفزة كبيرة في أبحاث إصابة صفائح النمو ، مما يوفر طريقة مفصلة وقابلة للتكرار للتحقيق في علم الأمراض وتقييم الاستراتيجيات العلاجية الجديدة.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل بمنحة من المعاهد الوطنية للصحة والمعهد الوطني لالتهاب المفاصل وأمراض الجهاز العضلي الهيكلي والجلد (NIAMS) 1R21AR079153 ومنحة برنامج تعزيز أبحاث جامعة كونيتيكت (REP). يود المؤلفون أن يشكروا على مساعدة ريناتا ريدزيك من مرفق التصوير المقطعي المحوسب الأساسي بجامعة كونيتيكت.
2-methyl-butane | Sigma Aldrich | M32631 | |
Alcohol antiseptic pads | Acme United Corporation | H305-200 | |
Axio Scan.Z1 | Carl Zeiss AG | Axio Scan.Z1 | |
AxioVision software | Carl Zeiss AG | ||
Betadine solution (10% povidone-iodine) | Avrio Health L.P. | 67618-150-01 | |
Calcein | Sigma Aldrich | C0875 | |
Calcein Blue | Sigma Aldrich | M1255 | |
CFP filter set | Chroma Technology Corp. | 49001 | |
Cryomatrix | Thermo Scientific | 6769006 | |
Cryomolds | Fisher Scientific | Fisherbrand #22-363-554 | |
Cryostat | Leica Biosystems | 3050s | |
Cryostat blades | Thermo Scientific | 3051835 | |
Cryotape | Section Lab | Cryofilm 2C | |
Curved fine scissor | Fine Science Tools | 14061-11 | |
Curved mosquito hemostatic forceps | HuFriedyGroup | H3 | |
cy5 filter set | Chroma Technology Corp. | 49009 | |
DAPI | ThermoFisher Scientific | 62247 | |
DAPI filter set | Chroma Technology Corp. | 49000 | |
Dental bur (0.5 mm diameter) | |||
Dental cleoid discoid carver | ACE Surgical Supply Inc. | 6200097A-EA | |
Dry glass bead sterilizer (Inotech Steri 350) | Inotech Bioscience, LLC | IS-250 | |
Ear punch | Fine Science Tools | 24212-01 | |
Electric heating pad | |||
Electronic foot control | Nouvag AG | 1866nou | |
Electronic motors 31 ESS | Nouvag AG | 2063nou | |
Environmental surface barrier (3 x 12 inch tube sox) | Patterson Companies, Inc. | BB-0312H | |
Ethanol (70%) | |||
Ethiqa XR (buprenorphine extended-release injectable suspension) 1.3 mg/mL | Fidelis Animal Health | 86084-100-30 | |
Faxitron x-ray cabinet | Kubtech Scientific | Parameter | |
Fluorescence Stereomicroscope | Carl Zeiss AG | Lumar V12 | |
GFP filter set | Chroma Technology Corp. | 49020 | |
Glacial acetic acid | Sigma Aldrich | ARK2183 | |
Glass microscope slides | Thermo Scientific | 3051 | |
Glycerol | Sigma Aldrich | G5516 | |
Graefe forceps | Fine Science Tools | 11051-10 | |
Handpiece (contra angle 32:1 push button) | Nouvag AG | 5201 | |
Implantology/oral surgery system control unit (Straumann) | Nouvag AG | SEM | |
Instant sealing sterilization pouch with dual internal/external process indicators (3 1/2 x 5 1/4 inch) | Fisher Scientific | 01-812-50 | |
Instant sealing sterilization pouch with dual internal/external process indicators (5 4/1 x 10 inch) | Fisher Scientific | 01-812-54 | |
Insulin syringe (29 G) | Exel International | 26028 | |
Isoflurane | Dechra Pharmaceuticals plc | 17033-091-25 | |
Isoflurane anesthetic system | |||
mCherry filter set | Chroma Technology Corp. | 39010 | |
Micro-dissecting scissor | Fine Science Tools | 14084-08 | |
NaHCO3 | Sigma Aldrich | S5761 | |
Needle (20 G) | Becton, Dickinson and Company | 305178 | |
Needle holder | HuFriedyGroup | NHCW | |
Neutral buffered formalin (10%) | Sigma Aldrich | HT501128-4L | |
Non-sterile applicator swabs | Allegro Industries | 205 | |
Non-woven gauze (3 x 3 inch) | Fisher Scientific | 22028560 | |
Norland Optical Adhesive, 61 | Norland Optical | Norland Optical Adhesive, 61 | |
Ophthalmic ointment (Optixcare eye lube) | CLC Medica | ||
PBS | Sigma Aldrich | P5368 | |
Periodontal probe | HuFriedyGroup | PQW | |
Phosphate buffered saline (PBS) pH 7.4 (1x) | Gibco, by Life Technologies | 10-010-023 | |
Plastic microscope slides | Electron Microscopy Sciences | 71890-01 | |
Professional clipper/trimmer (Wahl Classic Peanut) | Wahl Clipper Corporation | 8685 | |
Roller | Electron Microscopy Sciences | 62800-46 | |
Scanco Medical software | SCANCO Medical | Scanco μCT 50 | |
Sodium acetate anhydrous | Sigma Aldrich | S2889 | |
Sodium nitrite | Sigma Aldrich | S2252 | |
Sodium tartrate dibasic dihydrate | Sigma Aldrich | T6521 | |
Specimen disc | Leica Biosystems | 14037008587 | |
Stainless steel #15 surgical blade | Aspen Surgical Products, Inc. | 371615 | |
Sterile surgical gloves | Cardinal Health, Inc. | 2D72PT65X | |
Sterile towel drape (18 x 26 inch) | IMCO | 4410-IMC | |
Sucrose | Sigma Aldrich | S9378 | |
Syringe (1 mL) | Becton, Dickinson and Company | 309659 | |
Undyed braided coated vicryl suture (5-0) | Ethicon Inc. | J490G | |
UV black light | General Electric | F15T8-BLB |
.