Dieses Protokoll beschreibt ein verbessertes Mausmodell für Verletzungen der Knochenwachstumsfugen bei Jugendlichen. Unter Verwendung transgener Mäuse mit Fluoreszenzreportern der Tri-Linie für die Kollagentypen I, II und X, den primären Matrices, die mit drei verschiedenen Substraten der Wachstumsfuge assoziiert sind, wird die Platzierung von Verletzungen durch native Fluoreszenz unter dem Mikroskop gesteuert.
Die Knorpelwachstumsfugen in den Knochen von Kindern ermöglichen die Verlängerung der Gliedmaßen, sind aber im Verhältnis zum Knochen schwach, was sie anfällig für Frakturen macht, wenn die Knochen überlastet werden. Bessere Behandlungen für stark frakturierte Wachstumsfugen sind erforderlich, da die Reaktion auf eine Verletzung eine knöcherne Brücke ist, die die Wachstumsfuge vorzeitig verschmilzt, was zu verkümmerten und/oder krummen Gliedmaßen führt. Mausmodelle der Wachstumsfugenverletzung sind vorteilhaft für mechanistische Studien, stellen aber eine Herausforderung dar, da es schwierig ist, die kleinen Wachstumsfugen bei jungen Mäusen sichtbar zu machen und präzise zu verletzen. Wir beschreiben hier ein verbessertes Wachstumsfugen-Verletzungsmodell unter Verwendung transgener Mäuse mit tri-lineage fluoreszierenden Reportern für die Kollagentypen I, II und X.
Diese Mäuse zeigen eine native Fluoreszenz, die mit den drei primären Substraten der Wachstumsfuge assoziiert ist. Eine Wachstumsfugenverletzung, die einer Salter-Harris-Typ-II-Verletzung ähnelt, wird reproduzierbar mit einem Bohrer erzeugt, wobei der hypertrophe Abschnitt der Wachstumsfuge als Referenz während der Live-Bildgebung unter Fluoreszenz-Stereomikroskopie-Führung verwendet wird. Die gefrorene histologische Analyse der nativen Fluoreszenz vereinfacht die Beurteilung der zellulären Reaktion auf Verletzungen. Diese Methodik stellt einen wesentlichen Sprung in der Erforschung von Wachstumsfugenverletzungen dar und bietet eine detaillierte und reproduzierbare Methode zur Untersuchung der Pathologie und zur Evaluierung neuer therapeutischer Strategien.
Knochenwachstumsfugen spielen eine zentrale Rolle beim Längswachstum langer Knochen im Kindes- und Jugendalter1. Die Wachstumsfuge befindet sich an den Enden langer Knochen und besteht aus mehreren Zonen, wobei Chondrozyten die wichtigsten zellulären Komponenten sind, die für die Produktion und Aufrechterhaltung dieses dynamischen Wachstumsbereichs verantwortlich sind. Die endochondrale Ossifikation der Wachstumsfuge tritt auf, um die Knochen durch eine sequentielle Progression der Chondrozytenproliferation, Hypertrophie, Apoptose, Invasion durch Blutgefäße, Rekrutierung von Osteoprogenitorzellen und schließlich Knochenbildung zu verlängern und zu erweitern2. Da die Wachstumsfuge relativ weicher ist als der Knochen, ist sie sehr anfällig für Frakturen, wenn die Knochen beim Sport oder anderen Aktivitäten überlastet werden. Die Salter-Harris-Klassifikation beschreibt fünf verschiedene Arten von Verletzungen der Wachstumsfugen3. Die Typ-II-Fraktur durch die hypertrophe Zone der Wachstumsfuge und des angrenzenden unteren Knochengewebes ist die häufigste4. Eine knöcherne Brücke bildet sich häufig als Reaktion auf Verletzungen der hypertrophen Zone oder des angrenzenden Knochens und führt zu einer vorzeitigen Versteifung der angrenzenden langen Knochenabschnitte5. Knöcherne Brücken behindern die normale Ausdehnung der Wachstumsfuge. Derzeit gibt es keine vorbeugenden Behandlungen für die Bildung der knöchernen Brücken, und einige bleiben unbehandelt, abhängig vom Alter des Patienten und der Größe und Lage der knöchernen Brücke6. Wenn die Fehlbildungen der Gliedmaßen schwerwiegend sind, umfassen die chirurgischen Optionen die Entfernung, gefolgt von der Implantation von Interpositionalmaterialien wie Fett oder Silikonkautschuk oder korrigierende Osteotomien und Knochenverlängerungsverfahren. Dennoch kann sich eine knöcherne Brücke immer noch neu bilden6. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Bildung von Knochenbrücken zu verhindern und die Ergebnisse von Kindern mit Verletzungen der Knochenwachstumsfugen zu verbessern.
Es wurden mehrere Tiermodelle etabliert, um die zugrunde liegenden Mechanismen zu erforschen und neue Strategien zu entwickeln, um eine Beeinträchtigung der Knochenbrücken der Wachstumsfugen nach Verletzungenzu verhindern 7,8,9,10,11,12. Diese Tiermodelle konzentrieren sich häufig auf die proximale tibiale Wachstumsfuge und die distale Femurwachstumsfuge als primäre Verletzungsstelle, da dies typischerweise der Ort ist, an dem menschliche Verletzungen auftreten. Die tierischen Knochendefekte entstehen entweder durch einen lateralen Zugang, der einem tatsächlichen Frakturweg ähnelt, oder durch einen Zugang von oben oder unterhalb der Wachstumsfuge, der zu einer zentralen Bohrung in der Wachstumsfuge führt. In einem zuvor berichteten Rattenmodell wird ein Wachstumsplattendefekt erzeugt, indem ein Zahnbohrer durch ein kortikales Fenster im tibialen Mittelschaft eingeführt und durch das Knochenmark nach oben in Richtung des Kniegelenks gebohrt wird, um die Wachstumsfuge zentral zu verletzen 7,13. Alternativ verwendet ein rezentes Mausmodell einen lateralen Zugang mit einer Nadel mit kleiner Bohrung, um eine planare Nadelbahn durch die Wachstumsfuge8 zu erzeugen. In einem weit verbreiteten Rattenmodell wird der Defekt in der Wachstumsfuge des distalen Femurs erzeugt, indem der Gelenkknorpel zwischen den Kondylendurchbohrt wird 9,14. Bei größeren Tieren wie Kaninchen und Schafen wurden Wachstumsplattendefekte sowohl direkt in der proximalen Tibia als auch im distalen Femur durch Bohren oder Schneiden in die Wachstumsfuge oder durch Annäherung von unten und Schaffung eines zentralen Defekts induziert, wobei die Ränder der Wachstumsfuge unverändert blieben 10,11,12,15.
Mausmodelle für Verletzungen der Wachstumsfugen sind vorteilhaft für mechanistische Studien, die mit genetisch veränderten Mäusen durchgeführt werden können, wie z. B. Studien zur Rückverfolgung von Stammzelllinien8. Eine große Herausforderung in Maus- oder Rattentiermodellen besteht jedoch darin, eine konsistente und präzise Schädigung einer bestimmten Unterregion der Wachstumsfuge zu erreichen. Die Verletzung bestimmter Zonen der Wachstumsfuge und des angrenzenden Knochens ist erforderlich, um einen der klinisch relevanten Frakturpfade nachzuahmen, die durch die Salter-Harris-Klassifikationen beschrieben werden. Die bisherigen Herausforderungen in Nagetiermodellen sind vor allem auf das Fehlen eines visuellen Mittels zur Identifizierung des Substrats der Wachstumsfuge während der chirurgischen Entstehung der Verletzung zurückzuführen. Dieses Protokoll beschreibt eine verfeinerte Technik zur Erzeugung von Wachstumsplattendefekten in gezielten Substraten der murinen Wachstumsfuge unter Verwendung von dreifach transgenen Mäusen, die Kollagen I, II und X Fluoreszenzreporter exprimieren 16,17,18. Die verschiedenfarbige Fluoreszenz dieser Kollagene in jeder der primären Zonen der Wachstumsfuge ermöglicht die visuelle Unterscheidung der verschiedenen Abschnitte der Wachstumsfuge unter einem Fluoreszenz-Stereomikroskop während der chirurgischen Entstehung der Wachstumsfugenverletzung. Die Verwendung dieser transgenen Mäuse ermöglicht eine beispiellose Verletzungsgenauigkeit bei einer jungen Maus in einem vergleichbaren Entwicklungsstadium wie bei den verletzten Kindern.
Der innovative Einsatz von dreifarbigen Kollagen-Reportermäusen ermöglicht die Erzeugung von Wachstumsplattendefekten mit einer vorgegebenen Größe und Lokalisation, wodurch die Genauigkeit von experimentellen Mausmodellen für Wachstumsplattenverletzungen erheblich verbessert wird. Angesichts der geringen Größe der 2 Wochen alten Mäuse ist es wichtig, einen kleinen 0,5-mm-Bohrer zu verwenden, um die Verletzung zu erzeugen, um eine Schwächung der Extremität und eine Fraktur in voller Dicke zu vermeiden. Der Chirurg muss auch bei der Erstellung des Defekts gerade genug Druck ausüben, um zu vermeiden, dass sich aus dem gleichen Grund zu tief in den Knochen bohrt. Die Verwendung der Perioprobe ist entscheidend für die Bestätigung einer konstanten Verletzungstiefe.
Wie bei jeder Operation ist es wichtig, eine ausreichende Narkosetiefe zu bestätigen, die durch ein gelegentliches Einklemmen der Zehen bestätigt wird, und die Sterilität bleibt durchgehend erhalten. Ein weiterer chirurgischer Punkt von Bedeutung ist, dass die stumpfe Dissektion mit einem Schnitzer beschrieben wurde, da sie eine Beschädigung des Weichgewebes vermeidet und dazu beiträgt, dass die Mäuse sofort nach der Genesung aus der Narkose gehfähig sind, um die Muttermaus für Ernährung und Komfort zu erreichen. Nach unserer Erfahrung sind die mit Nähten verschlossenen Wunden erfolgreich verschlossen geblieben und Wundclips sind nicht erforderlich. Eine Operation an Mäusen im Alter von 2 Wochen wird empfohlen, um das kleine Kind, bei dem Wachstumsfugenfrakturen auftreten, am besten nachzuahmen. Ein Nachteil dieses Protokolls besteht darin, dass die Verwendung dieses Mausmodells angesichts der Unvorhersehbarkeit der Geburt die kurzfristige Verfügbarkeit des Chirurgen erfordert.
In Bezug auf die Positionierung des Bohrers zur Erzeugung des Defekts beschreibt das Protokoll die Erzeugung der Verletzung unter Verwendung eines mCherry/Texas-Rotfiltersets, das die hypertrophe Zone innerhalb der Wachstumsfuge aufgrund der Helligkeit der Kollagen-X-Fluoreszenz beleuchtet. Um sicherzustellen, dass die Verletzung innerhalb der Tibia-Wachstumsfuge entsteht, ist es von Vorteil, die Weichteilöffnung leicht nach links und rechts zu bewegen, um zu bestätigen, dass die proximale Tibia-Wachstumsfuge und nicht der Femur sichtbar ist. Das Umschalten zwischen den Filtersetkanälen zur Beleuchtung der proliferativen Chondrozytenzone oder der angrenzenden Knochenabschnitte ist nützlich, um die genaue Platzierung relativ zur Position der proliferativen Zone und der angrenzenden Knochenabschnitte zu bestätigen.
Während bei den lebenden Mäusen die proliferative Chondrozytenzone sowie der epiphysäre und metaphysäre Knochen unter Fluoreszenzmikroskopie unterschieden werden können, wird der reale Wert der Kollagenreporter Typ II und Typ I bei der histologischen Analyse der Wachstumsfuge erkannt. Angesichts der wässrigen Natur kryohistologischer Prozesse sind herkömmliche chromogene Farbstofffällungsprotokolle ungeeignet, da die Farbe mit der Fluoreszenzbildgebung möglicherweise durch Dehydratisierungsschritte fehlausgerichtet wird. Obwohl das wässrige Protokoll Färbemuster liefert, die denen in Paraffinschnitten ähneln, ist eine schnelle Bildgebung nach der Färbung unerlässlich, um eine Farbstoffdiffusion aus dem Gewebe zu verhindern. Die Verwendung von 30 % Glycerin in destilliertem Wasser als Einbettmedium kann diese Diffusion verlangsamen und ermöglicht eine mehrfache chromogene Färbung auf demselben Abschnitt, einschließlich Knorpel mit Safranin O/Fast Green.
Der endochondrale Ossifikationsprozess ist deutlich sichtbar, wobei rote Chondrozyten die sich entwickelnde knöcherne Brücke auskleiden (Abbildung 6). Der zusätzliche Einsatz immunhistochemischer Techniken, für die viele murine Antikörper zur Verfügung stehen, könnte die mechanistischen Studien, die an diesen transgenen Mäusen durchgeführt werden, weiter verbessern. Insgesamt bietet die Kombination von Faxitron-, MikroCT- und kryo-histologischen Bildgebungsverfahren in diesem transgenen Mausmodell ein umfassendes Verständnis der makroskopischen und mikroskopischen Veränderungen, die als Reaktion auf Wachstumsfugenverletzungen auftreten, und ebnet den Weg für zukünftige therapeutische Interventionen zur Milderung solcher unerwünschten Ergebnisse. Weitere genetische Manipulationen an diesen transgenen Mäusen könnten durchgeführt werden, um die Herkunft der Zellen zu verstehen, die zeitlich und räumlich an der Heilung beteiligt sind. Experimente an Mäusen mit zusätzlichen Modifikationen würden die Untersuchung von Knorpelerkrankungen wie dem Osteochondrom ermöglichen – einer Überwucherung von Knorpel und Knochen in der Nähe der Wachstumsfuge.
Die Konsistenz unseres Modells zeigt sich in der reproduzierbaren Bildung von knöchernen Brücken bei allen Mäusen, ohne dass Mäuse aus der Gruppe aufgrund einer Gelenkknorpelverletzung verworfen werden mussten. Dies ist eine Verbesserung gegenüber früheren Modellen, die sich der Wachstumsfuge von einem kortikalen Fenster unterhalb der Wachstumsfuge näherten und ein scharfes Werkzeug oder einen Bohrer nach oben in Richtung der Wachstumsfuge abwinkelten und gelegentlich in den Gelenkknorpel hineinragten. Eine zusätzliche Verletzung des Gelenkknorpels ahmt die bei Kindern häufig auftretenden Verletzungen der Wachstumsfuge nicht nach. Die präzisere Schädigung dieses Tiermodells reduziert die Anzahl der pro Versuch benötigten Mäuse, was eine weitere Verbesserung darstellt. Die Verwendung transgener Mäuse ermöglicht es dem Forscher, die Verletzung auf Teilabschnitte der Wachstumsfuge zu fokussieren, wie z. B. den hypertrophen/provisorisch verkalkten Bereich oder den Bereich der Epiphyse/Ruhezone/proliferativen Zone, ohne den Gelenkknorpel zu beeinträchtigen. Eine Einschränkung dieses Modells ist jedoch die Variabilität des Knochenbrückenvolumens, die sich bei verletzten Tieren um bis zu 30% unterscheiden kann. Um einen klinisch signifikanten Effekt auf die Knochenbrückenbildung nachweisen zu können, ist daher immer noch eine große Anzahl von Tieren erforderlich, um eine statistische Relevanz zu erreichen.
Zu den Vorteilen eines Mausmodells, wie es hier beschrieben wird, im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Ratten– oder Kaninchen-Wachstumsfugen-Verletzungsmodellen 7,9,10,14 gehören eine geringere Anzahl verwendeter Tiere, Kostenreduzierung, eine effiziente Replikatgröße aufgrund reproduzierbarer Knochenbalkenbildung, ein kürzerer Studienzeitraum und eine präzisere Verletzungsplatzierung aufgrund der Live-Bildgebung der dreifach transgenen Mäuse. Obwohl nicht im Detail diskutiert, kann dieses Mausmodell verwendet werden, um Tissue-Engineering-Implantate oder Biomaterialien zu testen, die Wachstumsfaktoren liefern. Eine bemerkenswerte Einschränkung dieser murinen Methode besteht darin, dass die Größe eines Implantats, das zur Verabreichung von therapeutischen Medikamenten oder Zellen verwendet wird, auf das Defektvolumen von etwa einer Kugel mit einem Durchmesser von 0,5 mm begrenzt ist. Nur größere Tiermodelle können das Volumen an Testmaterial aufnehmen, das bei menschlichen Patienten verwendet würde. Der Bohrerdefekt, der in diesem Protokoll erzeugt wird, hat nicht die gleiche Geometrie wie eine dünne Fraktur und unterscheidet sich daher von tatsächlichen menschlichen Verletzungen. Nichtsdestotrotz sind die Vorteile dieses Mausmodells vielfältig, und der laterale Zugang vermeidet eine Beschädigung des Gelenkknorpels, die auftreten würde, wenn man sich blind über oder unter der Wachstumsfuge in einer Linie mit der Tibia-Längsachse nähert. Diese Methodik stellt einen wesentlichen Sprung in der Erforschung von Wachstumsfugenverletzungen dar und bietet eine detaillierte und reproduzierbare Methode zur Untersuchung der Pathologie und zur Evaluierung neuer therapeutischer Strategien.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss der National Institutes of Health, des National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (NIAMS) 1R21AR079153 und einen Zuschuss des University of Connecticut Research Enhancement Program (REP) unterstützt. Die Autoren danken Renata Rydzik von der MicroCT Imaging Core Facility der University of Connecticut für die Unterstützung.
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 |
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