Staphylococcus aureus के bioluminescent इंजीनियर तनाव उपयोग, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण संक्रमण के एक माउस मॉडल में ऑप्टिकल और μCT इमेजिंग संयुक्त, noninvasively और longitudinally में बैक्टीरिया के संक्रमण की गतिशीलता, साथ ही इसी भड़काऊ प्रतिक्रिया और संरचनात्मक परिवर्तन की निगरानी करने की क्षमता प्रदान की हड्डी.
Multimodality इमेजिंग दोनों preclinical और नैदानिक अनुसंधान में इस्तेमाल एक आम तकनीकी दृष्टिकोण के रूप में उभरा है. विवो ऑप्टिकल और μCT इमेजिंग में गठबंधन उन्नत तकनीक है कि एक संरचनात्मक संदर्भ में जैविक घटना के दृश्य की अनुमति. इन इमेजिंग रूपात्मकता शर्तों प्रभाव है कि हड्डी का अध्ययन करने के लिए विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है. विशेष रूप से, आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण संक्रमण नैदानिक आर्थोपेडिक सर्जरी में एक महत्वपूर्ण समस्या है. इन संक्रमणों जीवाणु biofilms विदेशी शल्य चिकित्सा द्वारा प्रत्यारोपित सामग्री पर फार्म क्योंकि लगातार सूजन, osteomyelitis और अंततः प्रत्यारोपण ढीला और विफलता में जो परिणाम प्रत्यारोपण, आसपास के हड्डी के अंतिम osteolysis के लिए अग्रणी, इलाज के लिए मुश्किल है. इधर, एक संक्रमित आर्थोपेडिक कृत्रिम प्रत्यारोपण के एक माउस मॉडल ऐसे में फीमर में एक intramedullary नहर में एक Kirschner तार प्रत्यारोपण की शल्य नियुक्ति शामिल है कि इस्तेमाल किया गया था कि प्रत्यारोपण ई के अंतसंयुक्त घुटने में xtended. इस मॉडल, LysEGFP चूहों, EGFP फ्लोरोसेंट neutrophils है कि एक माउस तनाव में, स्वाभाविक रूप से प्रकाश का उत्सर्जन करता है जो एक bioluminescent Staphylococcus aureus तनाव, साथ संयोजन के रूप में कार्यरत थे. बैक्टीरिया. पूर्व शल्य साइट को बंद करने के लिए चूहों के घुटने के जोड़ों में टीका में vivo bioluminescent और फ्लोरोसेंट इमेजिंग क्रमशः, बैक्टीरियल बोझ और न्युट्रोफिल भड़काऊ प्रतिक्रिया यों इस्तेमाल किया गया था रहे थे. Bioluminescent और फ्लोरोसेंट ऑप्टिकल संकेतों के 3 डी स्थान संरचनात्मक μCT छवियों के साथ सह पंजीकृत किया जा सकता है ताकि इसके अलावा, μCT इमेजिंग एक ही चूहों पर प्रदर्शन किया गया था. समय के साथ हड्डी में परिवर्तन यों, बाहर का femurs के बाहरी हड्डी मात्रा एक अर्द्ध स्वचालित समोच्च आधारित विभाजन प्रक्रिया का उपयोग कर विशिष्ट समय बिंदुओं पर मापा गया. ΜCT इमेजिंग के साथ vivo में bioluminescent / फ्लोरोसेंट इमेजिंग के संयोजन च विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है, साथ में ले लीया संक्रमण, सूजन प्रतिक्रिया और समय के साथ हड्डी में संरचनात्मक परिवर्तन की noninvasive निगरानी.
ऑप्टिकल और संरचनात्मक जानकारी का संयोजन शामिल है कि Multimodality preclinical इमेजिंग तकनीक दृश्य और 3 डी 1-4 में जीवविज्ञान घटना की निगरानी की अनुमति. ΜCT इमेजिंग ऑप्टिकल इमेजिंग हड्डी जीव विज्ञान 5-7 शामिल प्रक्रियाओं की जांच के लिए विशेष रूप से उपयोगी हो सकता है कि एक अद्वितीय संयोजन का प्रतिनिधित्व करता है के साथ के संयोजन के रूप में μCT इमेजिंग का उपयोग हड्डी शरीर रचना विज्ञान के अति सुंदर दृश्य, परमिट के बाद से. एक उदाहरण आर्थोपेडिक शल्य चिकित्सा प्रक्रियाओं 8,9 के बाद एक विनाशकारी जटिलता का प्रतिनिधित्व करते हैं जो आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण संक्रमण, अध्ययन करने के लिए इन तकनीकों का उपयोग किया जाएगा. जीवाणु biofilms बैक्टीरिया 10,11 पहुँचने से संक्रमण और ब्लॉक एंटीबायोटिक दवाओं संवेदन से प्रतिरक्षा कोशिकाओं को रोकता है कि एक शारीरिक बाधा के रूप में सेवारत द्वारा बैक्टीरिया के अस्तित्व को बढ़ावा देने कि प्रत्यारोपित विदेशी वस्तुओं पर फार्म. संयुक्त ऊतक (सेप्टिक गठिया) एक की पुरानी और लगातार संक्रमणडी की हड्डी (osteomyelitis) कृत्रिम अंग और अंतिम विफलता 8,9 का ढीला करने के लिए सुराग कि अस्थि अवशोषण लाती है. इस जिसके परिणामस्वरूप periprosthetic osteolysis वृद्धि की रुग्णता और मृत्यु दर 12,13 के साथ जुड़ा हुआ है.
हमारे पहले काम में, इन विवो bioluminescent और फ्लोरोसेंट इमेजिंग चूहों 14-19 में एक आर्थोपेडिक कृत्रिम संयुक्त संक्रमण मॉडल में एक्स रे और सूक्ष्म गणना टोमोग्राफी इमेजिंग (μCT) के साथ एक साथ इस्तेमाल किया गया था. यह मॉडल इस तरीके में एक टाइटेनियम Kirschner तार (कश्मीर तार) रखकर शामिल चूहों कि 14-19 के femurs से संयुक्त घुटने में बढ़ाया प्रत्यारोपण की कटौती अंत. शल्य साइट 14-19 बंद कर दिया था इससे पहले Staphylococcus aureus (bioluminescent तनाव Xen29 या Xen36) के एक inoculum तो. संयुक्त घुटने में प्रत्यारोपण की सतह पर pipetted था में vivo ऑप्टिकल इमेजिंग, bioluminescent संकेतों का पता लगाने और यों इस्तेमाल किया गया था जो परमाणु के लिए correspondedसंक्रमित संयुक्त और हड्डी के ऊतकों 14-19 में बैक्टीरिया की mber. इसके अलावा, फ्लोरोसेंट न्यूट्रोफिल 20 अधिकारी जो LysEGFP चूहों, के vivo प्रतिदीप्ति इमेजिंग, कश्मीर तार प्रत्यारोपण 14,19 युक्त संक्रमित घुटने के जोड़ों के लिए emigrated कि neutrophils की संख्या यों इस्तेमाल किया गया था. अंत में, उच्च संकल्प एक्स रे इमेजिंग और μCT इमेजिंग सहित संरचनात्मक इमेजिंग रूपात्मकता, हम मनमाने ढंग से 2 और 6 पश्चात सप्ताह 16 के बीच आम तौर पर खत्म होगा जो पुराने संक्रमण की पूरी अवधि के, अधिक प्रभावित हड्डी के संबंधित 2 डी और 3 डी शारीरिक इमेजिंग की अनुमति , 18. इस मॉडल का उपयोग करना, स्थानीय और प्रणालीगत रोगाणुरोधी चिकित्सा, सुरक्षात्मक प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया और हड्डी में वैकृत संरचनात्मक परिवर्तन की प्रभावकारिता 14-18 मूल्यांकन किया जा सकता है. इस पांडुलिपि में, इस आर्थोपेडिक कृत्रिम संयुक्त संक्रमण मॉडल में ऑप्टिकल और μCT इमेजिंग रूपात्मकता के लिए विस्तृत प्रोटोकॉल एक representati के रूप में प्रदान किया गयाहड्डी की शारीरिक संदर्भ में जैविक प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए प्रणाली ve. इन चूहों में एक आर्थोपेडिक कृत्रिम संयुक्त संक्रमण मॉडल के लिए शल्य चिकित्सा प्रक्रियाओं में शामिल हैं, 2 डी और vivo ऑप्टिकल इमेजिंग प्रक्रियाओं में 3 डी (बैक्टीरियल bioluminescent संकेतों और फ्लोरोसेंट न्युट्रोफिल संकेतों का पता लगाने के लिए) के साथ 3 डी ऑप्टिकल छवियों की, μCT इमेजिंग अधिग्रहण और विश्लेषण और सह पंजीकरण μCT छवियों.
ऐसे μCT इमेजिंग के साथ संयोजन के रूप में vivo ऑप्टिकल इमेजिंग में उपयोग कि इमेजिंग तकनीक के रूप में Multimodality इमेजिंग एक संरचनात्मक संदर्भ 1-4 में 3 डी दृश्य, मात्रा का ठहराव और जीवविज्ञान प्रक्रियाओं के अनुदैर्ध्य निगरानी की अनुमति देता है कि एक नए तकनीकी दृष्टिकोण प्रदान करता है. वर्तमान अध्ययन में प्रोटोकॉल noninvasively और longitudinally अधिक हड्डी में बैक्टीरियल बोझ, neutrophilic सूजन और संरचनात्मक परिवर्तन की निगरानी करने के लिए चूहों में एक आर्थोपेडिक कृत्रिम प्रत्यारोपण संक्रमण मॉडल में μCT इमेजिंग के साथ जोड़ा जा सकता है कि कैसे इन विवो bioluminescent और फ्लोरोसेंट इमेजिंग की विस्तृत जानकारी प्रदान समय. साथ में ले ली, ऑप्टिकल और संरचनात्मक इमेजिंग के संयोजन से प्राप्त जानकारी विशेष रूप से musculoskeletal प्रणाली को प्रभावित करने वाले जैविक प्रक्रियाओं और रोग की स्थिति का अध्ययन करने के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हो सकता है जो एक प्रमुख प्रौद्योगिकीय अग्रिम का प्रतिनिधित्व करता है.
एक ब्याजबताया जाना चाहिए कि आईएनजी खोज हम EGFP-न्युट्रोफिल फ्लोरोसेंट संकेत 14-21 दिनों से पृष्ठभूमि के स्तर को कम किया है और bioluminescent बैक्टीरिया की मौजूदगी के बावजूद प्रयोग की अवधि के लिए पृष्ठभूमि के स्तर पर बने रहे कि मनाया है. यह हम गैर विकिरणित चूहों 19 में न्युट्रोफिल संकेतों के समान कैनेटीक्स मनाया के रूप में एक्स रे विकिरण न्युट्रोफिल अस्तित्व पर असर पड़ा है कि संभावना नहीं है. हमारे काम में पिछले एस की एक मॉडल शामिल ऑरियस संक्रमित घावों न्युट्रोफिल घुसपैठ संक्रमण की साइट और वे स्थानीय स्तर पर neutrophils 23 परिपक्व को जन्म दे जहां फोड़ा, के लिए किट + पूर्वज कोशिकाओं के घर वापस आना में प्रचलन से मजबूत न्युट्रोफिल भर्ती, लंबे समय तक न्युट्रोफिल अस्तित्व का एक संयोजन शामिल किया गया. यह इसी तरह की प्रक्रियाओं आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण एस में न्युट्रोफिल घुसपैठ के लिए योगदान दिया है कि संभावना है ऑरियस संक्रमण मॉडल. यह अज्ञात है न्युट्रोफिल संकेतों orthop में कमी आई क्योंaedic संक्रमण मॉडल, यह इस संक्रमण जीर्ण संक्रमण के लिए एक तीव्र से प्रगति की है और यह भविष्य जांच का विषय है के रूप में प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया समय के साथ बदल कि हो सकता है.
आर्थोपेडिक कृत्रिम संयुक्त संक्रमण के इस माउस मॉडल और ध्यान दिया जाना चाहिए कि इन विवो multimodality इमेजिंग के साथ सीमाएं हैं. सबसे पहले, इस माउस मॉडल मनुष्यों 24 में आर्थोपेडिक सर्जरी में इस्तेमाल वास्तविक प्रक्रियाओं और सामग्री का एक अति सरलीकरण है. बहरहाल, इस मॉडल मानव आर्थोपेडिक प्रत्यारोपण संक्रमण 8,9 में देखा जाता है कि हड्डी और संयुक्त ऊतक में पुराने संक्रमण और आगामी सूजन पुनरावृत्ति करता है. इसके अलावा, μCT छवियों को प्राप्त करने के लिए, एक्स रे विकिरण की अपेक्षाकृत कम मात्रा संक्रमण के दौरान पशुओं के स्वास्थ्य पर कोई प्रतिकूल प्रभाव को कम करने के लिए इस्तेमाल किया गया. ΜCT इमेजिंग के लिए इस्तेमाल किया जा सकता हड्डी के बेहतर संकल्प, एक्स रे विकिरण की ज्यादा खुराक लेने के लिए euthanized पर एकnimals. हालांकि, इस noninvasively और longitudinally प्रयोगों की अवधि के दौरान हड्डी परिवर्तन की निगरानी करने की क्षमता को समाप्त होगा.
अंत में, संरचनात्मक μCT इमेजिंग के साथ vivo में पूरे पशु ऑप्टिकल इमेजिंग के संयोजन को शामिल multimodality इमेजिंग संक्रमण और सूजन की प्रतिक्रिया के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी की अनुमति दी है. इसके अलावा, इन तकनीकों हड्डी और संयुक्त ऊतक पर संक्रमण और सूजन के परिणामों के मूल्यांकन की अनुमति दी है. हम 14-18 की जांच शुरू कर दिया है के रूप में भविष्य के काम रोगाणुरोधी चिकित्सा, प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया, रोग के रोगजनन और हड्डी में प्रतिक्रियाशील परिवर्तन की प्रभावकारिता का मूल्यांकन करने के लिए multimodality इमेजिंग का लाभ ले सकता है. पहले से पशु मॉडल एक जांघ संक्रमण, अन्तर्हृद्शोथ, फेफड़े संक्रमित में वर्णित के रूप में इसके अलावा, multimodality इमेजिंग एक संक्रमण की उपस्थिति का निदान करने के लिए जांच और tracers का मूल्यांकन कर सकता हैआयनों और biomaterial संक्रमण 25-28. अंत में, multimodality इमेजिंग का उपयोग करते हैं, इस तरह के कंकाल कैंसर, मेटास्टैटिक रोग, भंग और गठिया 5-7 के रूप में, प्रभाव है कि अन्य स्थितियों musculoskeletal प्रणाली की जांच के लिए संक्रामक रोगों से परे का विस्तार और हड्डी रोग, संधिवातीयशास्त्र और कैंसर विज्ञान सहित विषयों भर में इस्तेमाल किया जा सकता है .
The authors have nothing to disclose.
यह काम (जनवरी तक) एक एच एंड एच ली सर्जिकल निवासी रिसर्च स्कॉलर्स कार्यक्रम, द्वारा समर्थित किया गया एक एओ फाउंडेशन शुरू अप अनुदान एस 12-03M (एल एस एम) और (एल एस एम को) स्वास्थ्य अनुदान R01-AI078910 के राष्ट्रीय संस्थान .
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 |