Оценка заживления переломов костей с помощью микрокомпьютерной томографии
Summary
Микрокомпьютерная томография (мкКТ) — это неразрушающий метод визуализации, который играет важную роль в оценке структуры костной ткани в доклинических исследованиях, однако до сих пор нет единого мнения о процедурах μКТ для анализа костной мозоли. В этом исследовании представлен пошаговый протокол μКТ, который позволяет контролировать заживление перелома.
Abstract
Микрокомпьютерная томография (мкКТ) является наиболее распространенным методом визуализации для характеристики трехмерной (3D) морфологии кости и новообразованной кости во время заживления переломов в трансляционных научных исследованиях. Исследования заживления переломов длинных костей у грызунов обычно включают вторичное заживление и образование минерализованной мозоли. Форма образовавшейся мозоли и плотность новообразованной кости могут существенно различаться в зависимости от времени и лечения. В то время как стандартные методики количественной оценки параметров интактной кортикальной и трабекулярной кости широко используются и встроены в коммерчески доступное программное обеспечение, существует отсутствие консенсуса по процедурам анализа заживающей мозоли. Целью данной работы является описание стандартизированного протокола, который количественно оценивает объемную долю костной ткани и минеральную плотность каллуса в заживающей мозоли. Протокол описывает различные параметры, которые следует учитывать во время визуализации и анализа, включая выравнивание образца во время визуализации, размер интересующего объема и количество срезов, которые оконтуриваются для определения каллуса.
Introduction
Микрокомпьютерная томография (мкКТ) широко используется в доклинических исследованиях костей, обеспечивая неинвазивные изображения с высоким разрешением для оценки микроструктуры костей 1,2,3,4,5. МикроКТ включает в себя большое количество рентгеновских изображений, полученных с вращающегося образца или с помощью вращающегося источника рентгеновского излучения и детектора. Алгоритмы используются для реконструкции объемных 3D-данных в виде стопки срезов изображения. Клиническая КТ является золотым стандартом для 3D-визуализации костей человека, а μКТ является широко используемым методом оценки эффективности заживления костей у экспериментальных животных 1,2,3,4,6,7. Минерализованная кость имеет отличный контраст для рентгена, в то время как мягкие ткани имеют относительно слабый контраст, если не используется контрастное вещество. При оценке заживления перелома микроКТ генерирует изображения, которые предоставляют подробную информацию о 3D-структуре и плотности минерализованной каллуса. Компьютерная томография in vivo также может быть использована для продольной оценки заживления перелома во времени.
Количественная оценка интактной кортикальной и трабекулярной кости с помощью микроКТ в целом хорошо известна и стандартизирована8. Несмотря на то, что в доклинических исследованиях используются различные методики количественной оценки для анализа заживления переломов 9,10,11, подробный протокол анализа изображений мкКТ для количественного определения каллуса еще не опубликован. Поэтому целью данного исследования является предоставление подробного пошагового протокола для микроКТ-визуализации и анализа костной мозоли.
Protocol
Representative Results
Discussion
Целью данного исследования является описание подробного протокола микроКТ-анализа с целью точного количественного определения 3D-минерализованной каллусной структуры, которая часто является основополагающей в исследованиях заживления костей и переломов. Протокол использует соврем…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (NIH) R01 DK121327 для R.A.E и R01 AR071968 для 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).
