Beoordeling van botbreukgenezing met behulp van micro-computertomografie
Summary
Microcomputertomografie (μCT) is een niet-destructief beeldvormingsinstrument dat een belangrijke rol speelt bij het beoordelen van de botstructuur in preklinische studies, maar er is een gebrek aan consensus over μCT-procedures voor het analyseren van de botgenezende callus. Deze studie biedt een stapsgewijs μCT-protocol waarmee de genezing van fracturen kan worden gevolgd.
Abstract
Micro-computertomografie (μCT) is de meest voorkomende beeldvormingsmodaliteit om de driedimensionale (3D) morfologie van bot en nieuw gevormd bot tijdens fractuurgenezing te karakteriseren in translationeel wetenschappelijk onderzoek. Studies van lange botbreukgenezing bij knaagdieren omvatten meestal secundaire genezing en de vorming van een gemineraliseerde eelt. De vorm van de gevormde callus en de dichtheid van het nieuw gevormde bot kunnen aanzienlijk variëren tussen tijdspunten en behandelingen. Terwijl standaardmethoden voor het kwantificeren van parameters van intact corticale en trabeculaire bot op grote schaal worden gebruikt en ingebed in commercieel beschikbare software, is er een gebrek aan consensus over procedures voor het analyseren van de genezende callus. Het doel van dit werk is om een gestandaardiseerd protocol te beschrijven dat botvolumefractie en eeltmineraaldichtheid in de genezende callus kwantificeert. Het protocol beschrijft verschillende parameters waarmee rekening moet worden gehouden tijdens beeldvorming en analyse, waaronder de uitlijning van het monster tijdens beeldvorming, de grootte van het relevante volume en het aantal segmenten dat is gevormd om het eelt te definiëren.
Introduction
Micro-computertomografie (μCT) beeldvorming is op grote schaal gebruikt in preklinisch botonderzoek en levert niet-invasieve beelden met hoge resolutie om de microstructuur van botten te evalueren 1,2,3,4,5. μCT omvat een groot aantal röntgenfoto’s, verkregen uit een roterend monster of met behulp van een roterende röntgenbron en detector. Algoritmen worden gebruikt om 3D-volumetrische gegevens te reconstrueren in de vorm van een stapel afbeeldingssegmenten. Klinische CT is de gouden standaard voor 3D-beeldvorming van menselijke botten en μCT is een veelgebruikte techniek voor het evalueren van botgenezingsefficiëntie bij proefdieren 1,2,3,4,6,7. Gemineraliseerd bot heeft een uitstekend contrast met röntgenstraling, terwijl zachte weefsels een relatief slecht contrast hebben, tenzij een contrastmiddel wordt gebruikt. Bij de beoordeling van fractuurgenezing genereert μCT beelden die gedetailleerde informatie geven over de 3D-structuur en dichtheid van de gemineraliseerde callus. In vivo μCT-scanning kan ook worden gebruikt voor longitudinale, tijdsverloopbeoordeling van fractuurgenezing.
De kwantificering van intact corticale en trabeculaire bot met behulp van μCT is over het algemeen goed ingeburgerd en gestandaardiseerd8. Hoewel preklinische studies een verscheidenheid aan kwantificeringsmethoden gebruiken om fractuurgenezing 9,10,11 te analyseren, is een gedetailleerd protocol van μCT-beeldanalyse voor eeltkwantificering nog niet gepubliceerd. Daarom is het doel van deze studie om een gedetailleerd stap-voor-stap protocol te bieden voor μCT-beeldvorming en analyse van botgenezende callus.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van deze studie is om een gedetailleerd protocol voor μCT-analyse te beschrijven met als doel een nauwkeurige kwantificering van de 3D-gemineraliseerde eeltstructuur, die vaak fundamenteel is in bot- en fractuurgenezingsstudies. Het protocol maakt gebruik van een algemeen state-of-the-art 3D-beeldanalysesoftwareplatform dat beeldvisualisatie, segmentatie / etikettering en metingen van eenvoudig tot complex mogelijk maakt.
De meest tijdrovende taak in het protocol is semi-geautomatise…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door National Institutes of Health (NIH) R01 DK121327 naar R.A.E en R01 AR071968 naar 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).
