Abstract
Abstract
Pigs are used with increased frequency to model different kinds of orthopedic surgical conditions. In order to show the full potential of porcine models in orthopedic research, it is therefore required to examine the expression of bone regulatory genes in pigs affected by orthopedic surgery and compare it to the expression in humans and mice as mice, are one of the most applied animal species in orthopedics today. In the present study, the local molecular response to drilling of a tibial implant cavity, and the subsequent insertion of a steel implant was examined in a porcine model. Pigs were euthanized five days after drilling of the bone. The molecular response of 73 different genes was analyzed using a high-throughput quantitative polymerase chain reaction platform and compared to histopathology. Histologically, it was found that bone remodeling was initiated on day 5 after surgery and was associated with upregulation of several genes involved in bone degradation and formation (CTSK, ACP5, IBSP, RANK, RANKL and COL1A1). Interleukin-6 and several acute-phase proteins (C3, SAA and ITIH4) were significantly upregulated, indicating their importance in the initial process of healing and osseointegration. All tested bone morphogenic proteins (BMP2, -4 and -7) including their inhibitor noggin were also significantly upregulated. Surprisingly, vascular endothelial growth factor A was not found to be regulated five days after surgery while several other vascular growth factors (ANGPT1, ANGPT2 and PTN) were upregulated. The pig was found to be a useful model for elucidation of bone regulatory genes in humans.
Résumé
Les porcs sont de plus en plus fréquemment utilisés pour étudier différents types d’états liés à des chirurgies orthopédiques. Afin de démontrer le véritable potentiel des modèles porcins dans la recherche orthopédique, il est par conséquent primordial d’analyser l’expression des gènes régulateurs osseux des porcs subissant une chirurgie orthopédique et de la comparer à l’expression des gènes de l’homme et des souris car ces dernières font partie des espèces animales qui sont actuellement les plus couramment utilisées dans la recherche orthopédique. Dans la présente étude, la réaction moléculaire locale au forage effectué dans la cavité de l’implant tibial et l’insertion ultérieure d’un implant en acier ont été étudiées chez un modèle porcin. Les porcs ont été euthanasiés 5 jours après le forage de l’os. La réaction moléculaire de 73 gènes différents a été examinée en utilisant une plate-forme qPCR à haut débit et une comparaison a été effectuée à l’aide d’une analyse histopathologique. D’un point de vue histologique, il a été établi que le remodelage osseux a commencé 5 jours après l’opération et qu’il était associé à la régulation positive de plusieurs gènes impliqués dans la dégradation et la formation des os (CTSK, ACP5, IBSP, RANK, RANKL et COL1A1). L’interleukine 6 ainsi que plusieurs protéines de phase aiguë (C3, SAA et ITIH4) présentaient une régulation fortement positive, indiquant leur importance dans le processus initial de guérison des os et d’ostéo-intégration. Toutes les protéines morphogéniques osseuses testées (BMP2, -4 et -7), y compris leur inhibiteur noggin, présentaient également une régulation considérablement positive. De manière surprenante, il a été constaté que le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire A n’a subi aucune régulation 5 jours après l’opération tandis que plusieurs autres facteurs de croissance vasculaire (ANGPT1, ANGPT2 et PTN) présentaient une croissance positive. Il a été établi que les porcs représentent un modèle de comparaison utile permettant d’élucider le mystère lié aux gènes régulateurs osseux de l’homme.
Abstract
Schweine werden immer häufiger bei der Modellierung verschiedener Arten von orthopädischen Operationsbedingungen eingesetzt. Um das volle Potenzial von Schweinemodellen in der orthopädischen Forschung aufzuzeigen, ist es daher erforderlich, die Expression von knochenregulierenden Genen bei Schweinen, die durch orthopädische Chirurgie verursacht wurden, zu untersuchen und mit der Expression bei Menschen und Mäusen zu vergleichen, da Mäuse heute zu den am häufigsten verwendeten Tierarten in der Orthopädie gehören. In der vorliegenden Studie wurde die lokale molekulare Reaktion auf das Bohren eines Tibia-Implantathohlraums und das anschließende Einsetzen eines Stahlimplantats in einem Schweinemodell untersucht. Die Schweine wurden 5 Tage nach der Knochenbohrung eingeschläfert. Die molekulare Reaktion von 73 verschiedenen Genen wurde mit Hilfe einer qPCR-Plattform mit hohem Durchsatz analysiert und mit der Histopathologie verglichen. Histologisch wurde festgestellt, dass der Knochenumbau am fünften Tag nach der Operation eingeleitet wurde und mit der Hochregulation mehrerer Gene, die am Knochenabbau und an der Knochenbildung beteiligt sind, verbunden war (CTSK, ACP5, IBSP, RANK, RANKL und COL1A1). Interleukin 6 und mehrere Akute-Phase-Proteine (C3, SAA und ITIH4) wurden signifikant hochreguliert, was auf ihre Bedeutung für den anfänglichen Heilungsprozess und die Osseointegration schließen lässt. Alle getesteten knochenmorphogenen Proteine (BMP2, -4 und -7) einschließlich ihres Inhibitors Noggin wurden ebenfalls signifikant nach oben reguliert. Überraschenderweise wurde der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor A 5 Tage nach der Operation nicht reguliert, während mehrere andere vaskuläre Wachstumsfaktoren (ANGPT1, ANGPT2 und PTN) hochreguliert wurden. Das Schwein erwies sich als nützliches Modell für die Erhellung knochenregulatorischer Gene beim Menschen.
Resumen
Cada vez más se utilizan cerdos como modelos para distintos tipos de condiciones quirúrgicas ortopédicas. Para poder demostrar todo el potencial de los modelos porcinos en la investigación ortopédica es necesario, por tanto, examinar la expresión de los genes regulatorios óseos en cerdos debido a una intervención quirúrgica ortopédica y compararla con la expresión en humanos y ratones ya que estos últimos son una de las especies animales más utilizadas actualmente en ortopedia. En el presente estudio, la respuesta molecular local de perforación de una cavidad de implante tibial y el subsiguiente inserto de un implante de acero fue examinada en un modelo porcino. Se sacrificó a los cerdos cinco días después de la perforación del hueso. La respuesta molecular de 73 genes distintos fue analizada utilizando una plataforma qPCR de alto rendimiento y se comparó con la histopatología. Histológicamente, se encontró que el remodelado del hueso fue iniciado el día cinco tras la operación y se asoció a la regulación de varios genes involucrados en la degradación y formación ósea (CTSK, ACP5, IBSP, RANK, RANKL y COL1A1). Interleukina 6 y varias proteínas de fase aguda (C3, SAA e ITIH4) fueron reguladas significativamente lo que indica su importancia en el proceso inicial de cura y oseointegración. Todas las proteínas morfogénicas óseas que fueron testadas (BMP2, -4 y -7), incluido su noggin inhibidor fueron también reguladas significativamente. Sorprendentemente, se observó que el factor A de crecimiento endotelial vascular no fue regulado cinco días después de la operación mientras que otros factores de crecimiento vascular (ANGPT1, ANGPT2 y PTN) fueron regulados. Se encontró que el cerdo era un modelo útil para la elucidación de los genes regulatorios óseos en humanos.