تقييم التئام كسور العظام باستخدام التصوير المقطعي المحوسب الدقيق
Summary
التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (μCT) هو أداة تصوير غير مدمرة مفيدة في تقييم بنية العظام في الدراسات قبل السريرية ، ولكن هناك نقص في الإجماع على إجراءات μCT لتحليل الكالس الشافي للعظام. توفر هذه الدراسة بروتوكول μCT خطوة بخطوة يسمح بمراقبة التئام الكسور.
Abstract
التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (μCT) هو طريقة التصوير الأكثر شيوعا لتوصيف مورفولوجيا ثلاثية الأبعاد (3D) للعظام والعظام المشكلة حديثا أثناء التئام الكسور في التحقيقات العلمية الانتقالية. عادة ما تتضمن دراسات التئام كسور العظام الطويلة في القوارض الشفاء الثانوي وتشكيل الكالس المعدني. قد يختلف شكل الكالس المتشكل وكثافة العظم المتشكل حديثا اختلافا كبيرا بين النقاط الزمنية والعلاجات. في حين أن المنهجيات القياسية لتحديد معلمات العظم القشري والتربيقي السليم تستخدم على نطاق واسع ومضمنة في البرامج المتاحة تجاريا ، هناك نقص في الإجماع على إجراءات تحليل الكالس الشافي. الغرض من هذا العمل هو وصف بروتوكول موحد يحدد كمية جزء حجم العظام وكثافة الكالس المعدنية في الكالس الشافي. يصف البروتوكول المعلمات المختلفة التي يجب مراعاتها أثناء التصوير والتحليل ، بما في ذلك محاذاة العينة أثناء التصوير ، وحجم حجم الاهتمام ، وعدد الشرائح التي يتم تحديدها لتحديد الكالس.
Introduction
تم استخدام التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (μCT) على نطاق واسع في أبحاث العظام قبل السريرية ، مما يوفر صورا غير جراحية عالية الدقة لتقييم البنية المجهرية للعظام1،2،3،4،5. يتضمن μCT عددا كبيرا من صور الأشعة السينية ، التي تم الحصول عليها من عينة دوارة أو باستخدام مصدر وكاشف دوار للأشعة السينية. تستخدم الخوارزميات لإعادة بناء البيانات الحجمية 3D في شكل كومة من شرائح الصور. التصوير المقطعي المحوسب السريري هو المعيار الذهبي للتصوير ثلاثي الأبعاد للعظام البشرية ، و μCT هي تقنية شائعة الاستخدام لتقييم كفاءة شفاء العظام في التجارب1،2،3،4،6،7. العظام المعدنية لديها تباين ممتاز مع الأشعة السينية ، في حين أن الأنسجة الرخوة لديها تباين ضعيف نسبيا ما لم يتم استخدام عامل تباين. في تقييم التئام الكسور ، يولد μCT صورا توفر معلومات مفصلة حول بنية 3D وكثافة الكالس المعدني. يمكن أيضا استخدام المسح الضوئي μCT في الجسم الحي للتقييم الطولي والزمني لالتئام الكسور.
إن القياس الكمي للعظام القشرية والتربيقية السليمة باستخدام μCT راسخ وموحدبشكل عام 8. على الرغم من أن الدراسات قبل السريرية تستخدم مجموعة متنوعة من منهجيات القياس الكمي لتحليل التئام الكسور9،10،11 ، إلا أنه لم يتم نشر بروتوكول مفصل لتحليل صور μCT لقياس الكالس بعد. لذلك ، فإن الهدف من هذه الدراسة هو توفير بروتوكول مفصل خطوة بخطوة لتصوير μCT وتحليل الكالس شفاء العظام.
Protocol
Representative Results
Discussion
الغرض من هذه الدراسة هو وصف بروتوكول مفصل لتحليل μCT بهدف التحديد الكمي الدقيق لهيكل الكالس المعدني 3D ، والذي غالبا ما يكون أساسيا في دراسات التئام العظام والكسور. يستخدم البروتوكول منصة برمجية لتحليل الصور 3D للأغراض العامة تسهل تصور الصور والتجزئة / وضع العلامات والقياسات التي تتراوح من ?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (NIH) R01 DK121327 إلى R.A.E و R01 AR071968 إلى F.K.
Materials
| 10% neutral buffered formalin | Fisher chemical | SF100-20 | Used for bone tissue fixation |
| Avizo | Thermo Scientific | Image processing and analysis software | |
| Hydroxyapatite phantom | Micro-CT HA D4.5, QRM | QRM-70128 | |
| Image Processing Language | Scanco | Used to convert raw images to DICOM images | |
| Micro-Mosquito Straight Hemostatic Forceps | Medline | Used to remove the intramedullary pin | |
| Microsoft Excel | Microsoft | Spreadsheet software | |
| Scanco mCT system (vivaCT 40) | Scanco | Used for µCT imaging |
Referenzen
- Rüegsegger, P., Koller, B., Müller, R. A microtomographic system for the nondestructive evaluation of bone architecture. Calcified Tissue International. 58 (1), 24-29 (1996).
- Müller, R., et al. Morphometric analysis of human bone biopsies: a quantitative structural comparison of histological sections and micro-computed tomography. Bone. 23 (1), 59-66 (1998).
- Waarsing, J. H., et al. Detecting and tracking local changes in the tibiae of individual rats: a novel method to analyse longitudinal in vivo micro-CT data. Bone. 34 (1), 163-169 (2004).
- Boyd, S. K., Davison, P., Müller, R., Gasser, J. A. Monitoring individual morphological changes over time in ovariectomized rats by in vivo micro-computed tomography. Bone. 39 (4), 854-862 (2006).
- Christiansen, B. A. Effect of micro-computed tomography voxel size and segmentation method on trabecular bone microstructure measures in mice. Bone Reports. 5, 136-140 (2016).
- Holdsworth, D. W., Thornton, M. M. Micro-CT in small animal and specimen imaging. Trends in Biotechnology. 20 (8), 34-39 (2002).
- Schambach, S. J., Bag, S., Schilling, L., Groden, C., Brockmann, M. A. Application of micro-CT in small animal imaging. Methods. 50 (1), 2-13 (2010).
- Bouxsein, M. L., et al. Guidelines for assessment of bone microstructure in rodents using micro-computed tomography. Journal of Bone and Mineral Research. 25 (7), 1468-1486 (2010).
- Morgan, E. F., et al. Micro-computed tomography assessment of fracture healing: Relationships among callus structure, composition, and mechanical function. Bone. 44 (2), 335-344 (2009).
- O’Neill, K. R., et al. Micro-computed tomography assessment of the progression of fracture healing in mice. Bone. 50 (6), 1357-1367 (2012).
- Bissinger, O., et al. Fully automated segmentation of callus by micro-CT compared to biomechanics. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 12 (1), 108 (2017).
- Brown, M. L., et al. Delayed fracture healing and increased callus adiposity in a C57BL/6J murine model of obesity-associated type 2 diabetes mellitus. PLOS One. 9 (6), 99656 (2014).
- Khajuria, D. K., et al. Aberrant structure of fibrillar collagen and elevated levels of advanced glycation end products typify delayed fracture healing in the diet-induced obesity mouse model. Bone. 137, 115436 (2020).
- Sigurdsen, U., Reikeras, O., Hoiseth, A., Utvag, S. E. Correlations between strength and quantitative computed tomography measurement of callus mineralization in experimental tibial fractures. Clinical Biomechanics. 26 (1), 95-100 (2011).
- Duvall, C. L., Taylor, W. R., Weiss, D., Wojtowicz, A. M., Guldberg, R. E. Impaired angiogenesis, early callus formation, and late stage remodeling in fracture healing of osteopontin-deficient mice. Journal of Bone and Mineral Research. 22 (2), 286-297 (2007).
- Gerstenfeld, L. C., et al. Comparison of effects of the bisphosphonate alendronate versus the RANKL inhibitor denosumab on murine fracture healing. Journal of Bone and Mineral Research. 24 (2), 196-208 (2009).
- Alentado, V. J., et al. Validation of the modified radiographic union score for tibia fractures (mRUST) in murine femoral fractures. Frontiers in Endocrinology. 13, 911058 (2022).
- Yu, K. E., et al. Enhancement of impaired MRSA-infected fracture healing by combinatorial antibiotics and modulation of sustained inflammation. Journal of Bone and Mineral Research. 37 (1), 1352-1365 (2022).
- Nyman, J. S., et al. Quantitative measures of femoral fracture repair in rats derived by micro-computed tomography. Journal of Biomechanics. 42 (7), 891-897 (2009).
- Fiset, S., et al. Experimental validation of the radiographic union score for tibial fractures (RUST) using micro-computed tomography scanning and biomechanical testing in an in-vivo rat model. The Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (21), 1871-1878 (2018).
- Shefelbine, S. J., et al. Prediction of fracture callus mechanical properties using micro-CT images and voxel-based finite element analysis. Bone. 36 (3), 480-488 (2005).
- Liu, Y., et al. Glucocorticoid-induced delayed fracture healing and impaired bone biomechanical properties in mice. Clinical Interventions in Aging. 13, 1465-1474 (2018).
- Watson, P. J., Fitton, L. C., Meloro, C., Fagan, M. J., Gröning, F. Mechanical adaptation of trabecular bone morphology in the mammalian mandible. Scientific Reports. 8 (1), 7277 (2018).
- Nie, C., Wang, Z., Liu, X. The effect of depression on fracture healing and osteoblast differentiation in rats. Neuropsychiatric Disease and Treatment. 14, 1705-1713 (2018).
