Kemik Kırığı İyileşmesinin Mikro Bilgisayarlı Tomografi Kullanılarak Değerlendirilmesi
Summary
Mikrobilgisayarlı tomografi (μBT), preklinik çalışmalarda kemik yapısının değerlendirilmesinde etkili olan tahribatsız bir görüntüleme aracıdır, ancak kemik iyileşmesi nasırını analiz etmek için μBT prosedürleri konusunda fikir birliği yoktur. Bu çalışma, kırık iyileşmesinin izlenmesine izin veren adım adım bir μCT protokolü sunmaktadır.
Abstract
Mikro-bilgisayarlı tomografi (μBT), translasyonel bilim araştırmalarında kırık iyileşmesi sırasında kemiğin ve yeni oluşan kemiğin üç boyutlu (3D) morfolojisini karakterize etmek için en yaygın görüntüleme yöntemidir. Kemirgenlerde uzun kemik kırığı iyileşmesi çalışmaları tipik olarak ikincil iyileşmeyi ve mineralize bir kallus oluşumunu içerir. Oluşan nasırın şekli ve yeni oluşan kemiğin yoğunluğu, zaman noktaları ve tedaviler arasında önemli ölçüde değişebilir. Sağlam kortikal ve trabeküler kemiğin parametrelerini ölçmek için standart metodolojiler yaygın olarak kullanılsa ve ticari olarak temin edilebilen yazılımlara gömülüyken, iyileşen nasırı analiz etme prosedürleri konusunda fikir birliği eksikliği vardır. Bu çalışmanın amacı, iyileşen kallusta kemik hacmi fraksiyonunu ve kallus mineral yoğunluğunu ölçen standart bir protokolü tanımlamaktır. Protokol, görüntüleme sırasında numune hizalaması, ilgilenilen hacmin boyutu ve nasırı tanımlamak için konturlanan dilim sayısı dahil olmak üzere görüntüleme ve analiz sırasında dikkate alınması gereken farklı parametreleri açıklar.
Introduction
Mikro bilgisayarlı tomografi (μCT) görüntüleme, klinik öncesi kemik araştırmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır ve kemiklerin mikro yapısını değerlendirmek için noninvaziv, yüksek çözünürlüklü görüntüler sağlar 1,2,3,4,5. μCT, dönen bir numuneden veya dönen bir X-ışını kaynağı ve dedektörü kullanılarak elde edilen çok sayıda X-ışını görüntüsünü içerir. Algoritmalar, 3B hacimsel verileri bir görüntü dilimleri yığını biçiminde yeniden oluşturmak için kullanılır. Klinik BT, insan kemiklerinin 3D görüntülenmesi için altın standarttır ve μCT, deney hayvanlarındakemik iyileşme etkinliğini değerlendirmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir 1,2,3,4,6,7. Mineralize kemik, X-ışını ile mükemmel kontrasta sahipken, yumuşak dokular, kontrast madde kullanılmadıkça nispeten zayıf kontrasta sahiptir. Kırık iyileşmesinin değerlendirilmesinde μCT, mineralize kallusun 3 boyutlu yapısı ve yoğunluğu hakkında ayrıntılı bilgi sağlayan görüntüler üretir. İn vivo μCT taraması, kırık iyileşmesinin uzunlamasına, zaman seyri değerlendirmesi için de kullanılabilir.
μCT kullanılarak sağlam kortikal ve trabeküler kemiğin miktar tayini genellikle iyi kurulmuş ve standardize edilmiştir8. Klinik öncesi çalışmalar, kırık iyileşmesini analiz etmek için çeşitli kantifikasyon metodolojileri kullansada 9,10,11, kallus kantitifikasyonu için ayrıntılı bir μCT görüntü analizi protokolü henüz yayınlanmamıştır. Bu nedenle, bu çalışmanın amacı, μBT görüntüleme ve kemik iyileşmesi nasırının analizi için ayrıntılı bir adım adım protokol sağlamaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmanın amacı, kemik ve kırık iyileşme çalışmalarında genellikle temel olan 3D mineralize kallus yapısının doğru bir şekilde ölçülmesi amacıyla μCT analizi için ayrıntılı bir protokol tanımlamaktır. Protokol, görüntü görselleştirmeyi, segmentasyon/etiketlemeyi ve basitten karmaşığa değişen ölçümleri kolaylaştıran genel amaçlı, son teknoloji ürünü bir 3D görüntü analiz yazılımı platformu kullanır.
Protokoldeki en çok zaman alan göre…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) R01 tarafından R.A.E’ye DK121327 ve R01 AR071968 F.K. tarafından desteklenmiştir.
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).
