Evaluating the Pain Management in a Mouse Osteotomy Model - Integrating a Refinement Approach in a Basic Research Study

Tramadol applied via the drinking water is a commonly used analgesia in the mouse osteotomy model. Another opioid that can be used is buprenorphine. The recommendation for tramadol in the drinking water was increased 40-fold by the GV-SOLAS from 2010 to 2015. A recommendation on buprenorphine is given for injection but not for the application in the drinking water. Nevertheless, some standard operating procedures are found on buprenorphine applied via the drinking water. Model-specific recommendations on pain management in the mouse osteotomy model are not available. In the current study, three pain management protocols, two dosages of tramadol and buprenorphine applied via the drinking water in the mouse osteotomy model were tested. This refinement project was integrated into a basic research study. The aim of this project was to provide researchers with a specific recommendation on pain treatment in bone-linked mouse models.
The three pain management protocols (tramadol 0.1 mg/ml, tramadol 1 mg/ml and buprenorphine 0.009 mg/ml in the drinking water) were evaluated for feasibility, analgesic efficacy and impact on the bone healing in the mouse osteotomy model. The feasibility was tested with the assessment of body weight, food and water intake, serum level of tramadol and M1 as well as stress measurements. The stress measurements consisted of the analysis of fecal corticosterone metabolites as a parameter for short-term stress and the histological assessment of adrenal glands as a measurement for long-term stress. To check for possible side effects of the different medications, the livers were histologically assessed. With the help of parameters such as a clinical score, nest complexity, explorative behavior and an activity assessment the animals were screened for behavior indicating pain or reduced wellbeing. Model-specific pain parameters like the limp score, dragging score, flinching, guarding, grooming time of the operated limb and rear up time were applied. These behavioral and model-specific tests are used to evaluate the analgesic efficiency of tramadol and buprenorphine. To grade the impact of the different pain management protocols on the animal model parameters of bone healing were assessed. These included in vitro μCT and histology of the osteotomized bone after euthanasia.
During the refinement project, more questions came up regarding the pre-emptive injection of buprenorphine. Therefore, a study on the impact of pre-emptive injected buprenorphine on bleeding during the surgery was conducted.
The animals used in the study drank after the procedure with more drinking events in the night compared to the day. A reduced wellbeing in animals treated with the tramadol dosage of 1 mg/ml was found. Also seen in the body weight loss, reduced food intake and drinking events, the clinical scoring and nest complexity. Short stress was visible on day one in all animals, but there were no signs of histological changes in the adrenal glands. The used clinical scoring was not specific to pain, but rather displayed a reduced wellbeing in Thigh animals. In the explorative behavior Tlow animals showed the fastest recovery. Operated animals had lowest activity with no clear differences between the treatment groups. The pain-specific parameters showed no better pain relief in the high tramadol group. No impact of the changed pain management protocol on the bone healing and therefore on the main read-out of the mouse osteotomy model was seen. One animal was euthanized prior to the end of the study which was not related to the analgesic treatment but rather due to a preexisting potential metabolic disorder. Tramadol of the low dosage showed serum concentrations that can be assumed sufficient to relief pain compared to human values. The time point of pre-emptive buprenorphine injection influenced the bleeding during surgery, specifically an injection 1h before the surgery increased bleeding. Additionally, buprenorphine may alter wound healing.
After successfully conducting this integrated refinement study, more projects of this kind can be recommended to gain knowledge of possible refinement benefits in specific animal models. Tramadol and buprenorphine in the drinking water is an efficient route of applying analgesia in the MOMo. The concern of a reduced water intake was not confirmed in tramadol of the low dosage and in buprenorphine. The use of tramadol in the dosage of 1 mg/ml is not necessary in the MOMo. It offers no extra benefit in pain reduction but rather reduces wellbeing in the animals. Tramadol in the dosage of 0.1 mg/ml or buprenorphine in the drinking water are a sufficient method to relief pain in the MOMo. Evaluierung des Schmerzmanagements in einem Maus-Osteotomie-Modell – Integration eines Refinement Ansatzes in eine grundlagenwissenschaftliche Studie

Tramadol wird im Maus-Osteotomie-Model häufig als Schmerzmittel im Trinkwasser verwendet. Ein weiteres häufig angewendetes Opioid in der Schmerzbehandlung in der Versuchstierkunde ist Buprenorphin. Die Empfehlung der GV-SOLAS für Tramadol im Trinkwasser wurde von 2010 bis 2015 um ein vierzigfaches erhöht. Eine Empfehlung für die Injektion von Buprenorphin ist vorhanden, die Empfehlung für eine Gabe über das Trinkwasser gibt es nicht. Standardarbeitsanweisungen zu Buprenorphin im Trinkwasser sind vorhanden während modell-spezifische Empfehlungen zum Schmerzmanagement im Maus-Osteotomie-Modell fehlen. In dieser Studie wurden drei Schmerzmanagement Protokolle, zwei Dosierungen von Tramadol und Buprenorphin im Trinkwasser im Maus-Osteotomie-Modell untersucht. Dieses Refinement Projekt war in eine grundlagenwissenschaftliche Studie eingebettet, die das Maus-Osteotomie-Modell benutzte. Ziel dieses Projekts war es, Wissenschaftlern spezifische Empfehlungen zum Schmerzmanagement im Maus-Osteotomie-Modell zur Verfügung zu stellen.
Drei Schmerzmanagement Protokolle (Tramadol 0.1 mg/ml, Tramadol 1 mg/ml und Buprenorphin im Trinkwasser) wurden unter dem Aspekt der Umsetzbarkeit, analgetischer Wirksamkeit und Einfluss auf die Knochenheilung im Maus-Osteotomie-Modell evaluiert. Die Realisierbarkeit wurde mit der Messung des Körpergewichts, Futter- und Wasseraufnahme und Messungen zur Stressbelastung bewertet. Diese bestanden aus einer Analyse der fäkalen Corticosteronmetaboliten als Parameter für Kurzzeitstress und der histologischen Untersuchung der Nebennieren als Parameter für Langzeitstress. Zusätzlich wurden die Serumkonzentration von Tramadol und M1 gemessen und die Lebern von operierten Mäusen nach der Euthanasie histologisch untersucht. Mit Hilfe von einem klinischen Score, der Nestkomplexität, des explorativen Verhaltens und einer Aktivitätsmessung wurden die Tiere auf Verhalten getestet, welches auf Schmerz oder reduziertes Wohlbefinden hinweist. Modell-spezifische Schmerzparameter wie der Limp Score und Dragging Score, Flinching, Guarding, Grooming und das Aufrichten auf beide Beine wurden angewandt. Diese Verhaltens- und Modell-spezifischen Tests dienten dazu die analgetische Wirksamkeit von Tramadol und Buprenorphin zu evaluieren. Um den Einfluss der verschiedenen Protokolle auf das Tiermodell zu untersuchen, werden Knochenheilungsparameter genutzt, die auch in der zugrundeliegenden Studie angewandt wurden. Diese beinhielten die Mikro-Computertomographie und die histologische Untersuchung der osteotomierten Beine nach der Euthanasie.
Während der Studie kamen neue Fragen auf, was zu zusätzlichen Untersuchungen führte. Eine Studie zum Einfluss von Buprenorphin, injiziert als präemptives Schmerzmittel, auf Blutungen während der Operation wurde durchgeführt.
Die Tiere in dieser Studie tranken zuverlässig nach der Operation, beziehungsweise Anästhesie und Gabe von Analgesie über das Trinkwasser. Während der Nacht war die Anzahl der Trinkevents höher als am Tag. Die Tiere mit Tramadol in der Dosis 1 mg/ml zeigten ein reduziertes Wohlbefinden, was sich im reduzierten Körpergewicht, der reduzierten Futteraufnahme, niedrigeren Wasseraufnahmefrequenzen, klinischen Scores und geringerer Nestkomplexität wiederspiegelte. Kurzzeitstress war sichtbar in allen Gruppen am Tag 1. Es gab keine Hinweise auf histologische Veränderungen in den Nebennieren. Der benutzte klinische Score war nicht schmerzspezifisch und wies vielmehr auf ein reduziertes Wohlbefinden in den Tieren mit einer hohen Tramadoldosis hin. Im explorativen Verhalten zeigten operierte Mäuse mit Tramadol in der niedrigen Dosis die schnellste Erholung. Operierte Tiere hatten die längsten Ruhezeiten, mit keinen deutlichen Unterschieden zwischen den einzelnen Behandlungsgruppen. Die schmerzspezifischen Parameter wiesen darauf hin, dass die hohe Tramadoldosis nicht zu einer verbesserten Schmerzausschaltung führt. Das geänderte Schmerzmanagement hatte keine Auswirkungen auf die Knochenheilung und damit auch nicht auf das hauptsächliche Auswertungskriterium des Maus-Osteotomie-Modells. Ein Tier wurde vorzeitig euthanasiert, was nicht in Verbindung mit der Behandlung stand, sondern vermutlich durch eine bereits bestehende Stoffwechselerkrankung hervorgerufen wurde. Verglichen mit der humanen effektiven Serumkonzentration, stellte die Serumkonzentration von Mäusen bei einer Behandlung mit der niedrigen Tramadoldosis vermutlich eine ausreichende Schmerzausschaltung sicher. Der Zeitpunkt einer präemptiven Buprenorphininjektion beeinflusste die Stärke und das Auftreten von Blutungen während der Operation. Zusätzlich veränderte Buprenorphin möglicherweise die Wundheilung.
Nachdem diese integrierte Refinement Studie im Maus-Osteotomie-Modell erfolgreich zu Ende gebracht wurde, sollten Studien dieser Art vermehrt durchgeführt werden, um mögliche Vorteile von Refinementmethoden in spezifischen Tiermodellen aufzuzeigen. Die Gabe von Tramadol und Buprenorphin über das Trinkwasser ist eine effiziente Art des Schmerzmanagements im Maus-Osteotomie-Modell. Die Befürchtung eines reduzierten Trinkverhaltens konnte für die niedrige Tramadoldosis und Buprenorphin nicht bestätigt werden. Die erhöhte Tramadoldosis von 1 mg/ml ist im Maus-Osteotomie-Modell nicht notwendig. Die erhöhte Dosis führt zu keiner erhöhten Schmerzreduktion, sondern eher zu einem reduzierten Wohlbefinden der Tiere. Die niedrigere Tramadoldosis von 0,1 mg/ml und Buprenorphin im Trinkwasser führen zu einer ausreichenden Schmerzausschaltung im Maus-Osteotomie-Modell.