黄色ブドウ球菌の生物発光操作された株を用いて、整形外科用インプラント感染のマウスモデルにおいて、光学およびμCTイメージングを組み合わせて、非侵襲的にかつ長手方向における細菌感染の動態、ならびに対応する炎症反応および解剖学的変化をモニターする能力を提供骨。
マルチモダリティイメージングは、両方の前臨床および臨床研究で使用される一般的な技術的アプローチとして浮上している。 インビボ光学およびμCTイメージングにおいて組み合わせる高度な技術は、解剖学的文脈における生命現象の可視化を可能にする。これらの画像診断法は、骨に影響を与える条件を研究するのに特に有用である可能性がある。具体的には、整形外科用インプラントの感染症は、臨床整形外科手術における重要な問題である。これらの感染症は、細菌のバイオフィルムは、外国外科的に移植材料に形成するので、持続的な炎症、骨髄炎、最終的には、インプラントの緩みや故障をもたらすインプラントを、周囲の骨の最終的な骨溶解を引き起こす、治療が困難である。ここで、感染した整形外科用補綴インプラントのマウスモデルは、このような方法で、大腿骨の髄内管内にキルシュナー·ワイヤ用インプラントの外科的配置を関連するその使用したインプラントeの端膝関節にXtendedでは。このモデルでは、LysEGFPマウス、EGFP蛍光好中球を有するマウス株は、自然光を発する生物発光の黄色ブドウ球菌株と組み合わせて使用した。細菌は、前に手術部位を閉鎖したマウスの膝関節に接種した。 インビボ生物発光及び蛍光撮像は、それぞれ、細菌負荷及び好中球の炎症性応答を定量した。生物発光および蛍光の光信号の3D位置は解剖学的μCT画像と共に同時登録することができるように、また、μCTイメージングは同じマウスで行った。経時的な骨の変化を定量化するために、遠位大腿骨の外側の骨体積は、半自動化された輪郭ベースのセグメンテーションプロセスを使用して、特定の時点で測定した。 μCTイメージングを用いたインビボ生物発光/蛍光イメージングの組み合わせをf特に有用である、一緒になってまたは感染、炎症反応と時間をかけて骨に解剖学的変化を非侵襲的に監視する。
光学的および解剖学的情報の組み合わせを伴うマルチモダリティ前臨床イメージング技術は、3D 1-4生物学的現象の可視化および監視を可能にします。 μCTイメージングは骨の解剖学的構造の絶妙な可視化を可能にするので、光学イメージングとの組み合わせてμCTイメージングを使用すると、骨の生物学5-7を伴うプロセスを調査するために特に有用かもしれないユニークな組み合わせを表しています。例は、整形外科手術手順8,9次の悲惨な合併症を表す整形外科用インプラント感染を研究するためにこれらの技術を使用することであろう。細菌バイオフィルムは細菌10,11へのアクセスからの感染をブロック抗生物質を検知することから免疫細胞を妨げる物理的障壁として機能することにより、細菌の生存を促進する移植された異物に形成する。関節組織(敗血症性関節炎)、ANの慢性持続感染d個の骨(骨髄炎)は、人工関節の緩み、最終的故障8,9につながる骨吸収を誘導する。この得られた人工関節周囲の骨溶解が増加罹患率と死亡率の12,13に関連付けられています。
私たちの以前の研究では、in vivoでの生物発光と蛍光イメージングは、マウス14〜19における整形外科人工関節感染モデルにおけるX線およびマイクロコンピュータ断層撮影(μCT)と一緒に使用した。このモデルは、インプラントの切断端が14-19マウスの大腿骨から膝関節に伸長するように(Kワイヤ)チタンキルシュナー·ワイヤを配置関係する。手術部位が14-19を閉じる前に、黄色ブドウ球菌 (生物発光株Xen29またはXen36)の接種は、その後。膝関節におけるインプラントの表面上にピペットで移したインビボ光学イメージングは、生物発光シグナルを検出および定量化するために使用されたNUに対応した感染した関節と骨組織14〜19中の細菌のmber。また、蛍光好中球20を有しLysEGFPマウスのin vivo蛍光イメージング、Kワイヤイ ンプラント14,19を含む感染した膝関節に移住した好中球の数を定量した。最後に、高分解能X線イメージングとμCT画像を含む解剖学的撮像モダリティは、私たちが任意に2,6術後週16の間、典型的には終わるだろう慢性感染症の全期間にわたって影響を受けた骨のそれぞれの2次元および3次元解剖学的画像化を可能にし、18。このモデルを使用して、局所的および全身的抗菌療法、防御免疫応答および骨における病理学的解剖学的変化の有効性は、14〜18を評価することができる。本稿では、この整形外科人工関節感染モデルにおける光とμCTイメージングモダリティのための詳細なプロトコルはrepresentatiとして提供された骨の解剖学的文脈で生物学的プロセスを研究するためのシステムをVEの。これらは、μCT画像取得および分析した3D光学画像の同時登録を、マウスにおける整形外科人工関節感染をモデル化するための外科的処置を含む2Dおよび3D インビボ光学イメージング手順(細菌性生物発光シグナルおよび蛍光好中球の信号を検出するため) μCT画像。
そのようなμCTイメージングと組み合わせてインビボ光学イメージングに利用するイメージング技術としてマルチモダリティイメージングは、解剖学的文脈1-4 3Dビジュアライゼーション、定量および生物学的プロセスの長手方向の監視を可能にする新たな技術的アプローチを提供します。本研究におけるプロトコルは、非侵襲的に長さ方向にわたって骨に細菌負荷、好中球性炎症および解剖学的変化を監視するために、マウスにおける整形外科補綴インプラント感染モデルにμCTイメージングと組み合わせることができるかのin vivo生物発光と蛍光イメージングの詳細な情報を提供する時間。まとめると、光学的および構造的イメージングを組み合わせることによって得られた情報は、特に筋骨格系に影響を与える生物学的プロセスおよび病理学的状態を研究するために適してもよい主要な技術的進歩を表す。
One関心指摘されるべきであるる知見は、私たちがEGFP-好中球の蛍光シグナルは、14〜21日までにバックグラウンドレベルまで減少し、生物発光細菌の存在にもかかわらず、実験の期間中、バックグラウンドレベルのままであったことを観察することである。私たちは、非照射マウス19における好中球の信号の類似の動態を観察し、X線照射の影響を受けた好中球の生存可能性は低い。私たちの以前の研究ではSのモデルを含む黄色ブドウ球菌に感染した傷、好中球の浸潤は循環から強固な好中球動員、感染部位、彼らはローカルで好中球23を成熟を 生じる膿瘍にKIT +前駆細胞のホーミングで長期の好中球生存のフォーメーションを採用。これは、同様の処理が整形外科用インプラントSに好中球浸潤に寄与した可能性がある黄色ブドウ球菌感染モデル。それは不明であるが、好中球の信号は、整形外科において減少した理由aedic感染モデルは、この感染症は慢性感染への急性から進行し、これが今後の調査の対象であり、免疫応答は経時的に変化しているかもしれません。
注目すべきである整形外科人工関節感染およびin vivoでのマルチモダリティイメージングのこのマウスモデルでは制限があります。まず、このマウスモデルは、ヒト24に整形外科手術で使用される実際の手順および材料の過度の単純化である。それにもかかわらず、このモデルは、慢性感染を再現し、人間の整形外科用インプラント感染8,9に見られる骨および関節組織の炎症が続くん。また、μCT画像を得るために、X線照射の比較的低用量は、感染の経過の間、動物の健康への悪影響を最小限にするために使用された。 μCTイメージングに使用することができる骨の良好な分解能、X線放射のより高用量のために安楽死にnimals。しかしながら、これは、非侵襲的かつ縦方向に実験の期間にわたって骨の変化を監視する能力を排除する。
結論として、解剖学的μCTイメージングを用いたインビボ動物全体光学イメージングの組み合わせを含むマルチモダリティイメージングは、感染症や炎症反応についてのより総合的な情報が可能になった。また、これらの技術は、骨および関節組織における感染および炎症の影響の評価を可能にした。今後の課題は、私たちが14〜18を調査し始めているように抗菌療法、免疫応答、疾患の病因と骨中の反応性の変化の有効性を評価するためにマルチモダリティイメージングを利用することができます。また、マルチモダリティイメージングは、以前に動物モデルにおいて大腿感染症、心内膜炎、肺感染し、記載のように感染の存在を診断するためのプローブおよびトレーサーを評価することができイオンや生体材料の感染25-28。最後に、マルチモダリティイメージングの使用は、感染症を超えて拡大し、そのような骨格癌、転移性疾患、骨折や関節炎5-7のような筋骨格系に影響を与える他の条件を調査するために整形外科、リウマチ学および腫瘍学などの学問分野、全体で使用することができる。
The authors have nothing to disclose.
この作品は、H&H·リー外科レジデント研究奨学プログラム(JAN)にすることにより、AO財団スタートアップ(LSM)の助成金S-12-03Mと(LSM)は国立衛生研究所の助成金R01-AI078910をサポートされていました。
Xen36 bioluminescent Staphylococcus aureus strain | PerkinElmer, Hopkinton, MA | Bioluminescent Staphylococcus aureus strain derived from ATCC 49525 (Wright), a clinical isolate from a bacteremia patient | |
Tryptic soy broth | BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ | 211825 | |
Bacto Soy Agar | BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ | 214010 | |
LysEGFP knockin mouse strain | Not commercially available. This strain contains a knockin of enhanced green fluorescence protein (EGFP) into the lysozyme M gene | ||
Betadine | Purdue Products, Stamford, CT | ||
Kirschner-wire (titanium, 0.8 mm diameter) | Synthes, West Chester, PA | 492.08 | |
Wire Cutter – Duracut T.C. | H&H Company, Ontario, Canada | 83-7002 | |
Isoflurane | Baxter, Deerfield, IL | 118718 | |
Vicryl 5-0 sutures (P-3 Reverse cutting) | Ethicon, Summerville, NJ. Purchased through VWR International. | 95056-936 | |
Sustained-release Buprenorphine (5 ml – 1 mg/ml) | Zoopharm, Windsor, CO | analgesic | |
IVIS Spectrum Imaging System | PerkinElmer, Hopkinton, MA | optical in vivo imaging system | |
Quantum FX in vivo μCT system | PerkinElmer, Hopkinton, MA | μCT in vivo imaging system | |
IVIS SpectrumCT Imaging System | PerkinElmer, Hopkinton, MA | combined optical and μCT in vivo imaging system | |
Living Image Software | PerkinElmer, Hopkinton, MA | Image analysis software for in vivo optical imaging |