الجمع بين التصوير الضوئي وμCT في نموذج الفأر العدوى زرع العظام، وذلك باستخدام إضاءة الحيوية سلالة هندسيا من المكورات العنقودية الذهبية، شريطة القدرة على noninvasively طوليا ومراقبة ديناميات عدوى بكتيرية، فضلا عن الاستجابة الالتهابية المقابلة والتغيرات التشريحية في العظام.
وقد برز التصوير Multimodality كنهج التكنولوجي شيوعا في كل من البحوث قبل السريرية والسريرية. التقنيات المتقدمة التي تجمع في التصوير الضوئي وμCT فيفو تسمح التصور من الظواهر البيولوجية في سياق التشريحية. قد تكون هذه الطرائق التصوير مفيدا بشكل خاص لدراسة الظروف التي عظم تأثير. على وجه الخصوص، والتهابات زرع العظام هي مشكلة هامة في جراحة العظام السريرية. هذه الالتهابات هي صعبة لعلاج بسبب الأغشية الحيوية البكتيرية تشكل على المواد الأجنبية مزروع جراحيا، مما يؤدي إلى التهاب مستمر، التهاب العظم والنقي وعظام النهايات نهاية المطاف العظم المحيطة الزرع، مما يؤدي في النهاية إلى تخفيف الزرع والفشل. هنا، تم استخدام نموذج الفأر من زرع العظام الاصطناعية المصابة التي تنطوي على وضع الجراحي لزرع أسلاك كيرشنر إلى القناة داخل النقي في عظم الفخذ في مثل هذه الطريقة أن نهاية الغرسة الإلكترونيةxtended في مفصل الركبة. في هذا النموذج، الفئران LysEGFP، سلالة الفأر الذي لديه العدلات EGFP-الفلورسنت، وكانوا يعملون جنبا إلى جنب مع سلالة المكورات العنقودية الذهبية للإضاءة الحيوية التي تنبعث ضوء طبيعي. تم تلقيح البكتيريا في مفاصل الركبة من الفئران قبل إغلاق موقع الجراحية. إضاءة الحيوية في الجسم الحي واستخدمت التصوير الفلورسنت لقياس عبء الاستجابة الالتهابية البكتيرية والمتعادلة، على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تم تنفيذ μCT التصوير على نفس الفئران بحيث موقع 3D للإضاءة الحيوية والإشارات الضوئية الفلورية يمكن أن يشترك المسجلة مع الصور μCT التشريحية. لقياس التغيرات في العظام مع مرور الوقت، تم قياس حجم العظام الخارجي للعظام الفخذ البعيدة في نقطة زمنية محددة باستخدام كفاف تستند عملية تقسيم شبه الآلي. أخذت معا، فإن الجمع بين إضاءة الحيوية في الجسم الحي / التصوير الفلورسنت مع μCT التصوير قد يكون مفيدا بشكل خاص وأو رصد موسع للعدوى، الاستجابة الالتهابية والتغيرات التشريحية في العظام مع مرور الوقت.
Multimodality تقنيات التصوير قبل السريرية التي تنطوي على مزيج من المعلومات البصرية والتشريحية تسمح التصور ورصد الظواهر البيولوجية في 3D 1-4. منذ μCT التصوير يسمح التصور رائعة من تشريح العظام، وذلك باستخدام μCT التصوير بالتزامن مع التصوير الضوئي من يمثل مزيجا فريدا التي قد تكون مفيدة بشكل خاص للعمليات التي تنطوي البيولوجيا العظام 5-7 التحقيق. على سبيل المثال سيكون لاستخدام هذه التقنيات لدراسة التهابات زرع العظام، والتي تمثل إحدى المضاعفات الكارثية التالية العمليات الجراحية للعظام 8،9. البكتيريا تشكل الأغشية الحيوية على الأجسام الغريبة المزروعة التي تعزز بقاء البكتيريا عن طريق بمثابة حاجز مادي يمنع الخلايا المناعية من الاستشعار العدوى وكتل المضادات الحيوية البكتيريا من الوصول إلى 10،11. العدوى المزمنة والمستمرة للأنسجة المشتركة (التهاب المفاصل الصرف الصحي) لد العظام (التهاب العظم والنقي) يدفع ارتشاف العظم الذي يؤدي إلى تخفيف من بدلة و8،9 في نهاية المطاف الفشل. ويرتبط هذا الناتج عظام النهايات periprosthetic مع زيادة معدلات الاعتلال والوفيات 12،13.
في عمل مسبق لدينا، كانت تستخدم للإضاءة الحيوية في الجسم الحي والتصوير الفلورسنت مع الأشعة السينية والتصوير المقطعي-احتساب الدقيقة (μCT) في نموذج الاصطناعية عدوى مشتركة العظام في الفئران 14-19. شارك هذا النموذج وضع أسلاك التيتانيوم كيرشنر (K أسلاك) بطريقة أن نهاية قطع من زرع الموسعة في مفصل الركبة من عظام الفخذ من الفئران 14-19. ثم pipetted لقيحة من المكورات العنقودية الذهبية (سلالة إضاءة الحيوية Xen29 أو Xen36) على سطح الغرسة في مفصل الركبة قبل تم إغلاق موقع الجراحية 14-19. كانت تستخدم في الجسم الحي التصوير الضوئي للكشف وتحديد اشارات للإضاءة الحيوية التي تتوافق مع نوmber من البكتيريا في العظام المصابة المشتركة والأنسجة 14-19. بالإضافة إلى ذلك، في الجسم الحي مضان التصوير من الفئران LysEGFP، التي تمتلك العدلات الفلورسنت 20، تم استخدامها لتحديد أعداد العدلات أن هاجر إلى مفاصل الركبة المصابة التي تحتوي على يزرع K-سلك 14،19. أخيرا، طرائق التصوير التشريحية، بما في ذلك عالية الدقة التصوير بالأشعة السينية والتصوير μCT، يسمح 2D و 3D المعنية التصوير التشريحي العظام المتضررة خلال كامل مدة العدوى المزمنة، وهو ما سينهي تعسفا عادة ما بين 2 و 6 أسابيع بعد العملية الجراحية 16 18. باستخدام هذا النموذج، وفعالية العلاج المضادة للميكروبات المحلية والنظامية، استجابات مناعية واقية والتغيرات التشريحية المرضية في العظام يمكن تقييم 14-18. في هذه المخطوطة، وقدمت بروتوكولات مفصلة لطرائق التصوير البصرية وμCT في هذا النموذج الاصطناعية عدوى مشتركة العظام باعتباره representatiلقد نظام لدراسة العمليات البيولوجية في سياق التشريحية للعظام. وتشمل هذه العمليات الجراحية لنموذج عدوى مشتركة الاصطناعية العظام في الفئران، 2D و 3D في إجراءات التصوير الضوئي الجسم الحي (للكشف عن إشارات للإضاءة الحيوية البكتيرية وإشارات الفلورسنت العدلات)، μCT اكتساب التصوير والتحليل وشارك في تسجيل الصور 3D البصرية مع الصور μCT.
التصوير Multimodality مثل تقنيات التصوير التي تستخدم في التصوير الضوئي الجسم الحي بالتزامن مع μCT التصوير يوفر النهج التكنولوجي الجديد الذي يسمح التصور 3D، الكمي والرصد الطولي للعمليات البيولوجية في سياق التشريحية 1-4. توفر البروتوكولات في هذه الدراسة معلومات مفصلة عن كيفية إضاءة الحيوية في الجسم الحي والتصوير الفلورسنت يمكن الجمع بين μCT التصوير في زرع الأطراف الاصطناعية نموذج عدوى العظام في الفئران لمراقبة العبء البكتيري، والتهاب العدلات والتغيرات التشريحية في العظام noninvasively وأكثر طوليا الوقت. أخذت معا، فإن المعلومات التي تم الحصول عليها من خلال الجمع بين التصوير الضوئي والهيكلي يمثل التقدم التكنولوجي الكبرى، والتي قد تكون خاصة مناسبة تماما لدراسة العمليات البيولوجية والحالات المرضية التي تؤثر على الجهاز الحركي.
مصلحة واحدةجي الحقائق التي ينبغي الإشارة إلى أن لاحظنا أن الإشارات الفلورسنت-EGFP العدلات انخفضت إلى مستويات الخلفية من 14-21 يوما وظلت عند مستويات الخلفية طوال مدة التجربة رغم وجود البكتيريا للإضاءة الحيوية. فمن غير المرجح أن الإشعاع الأشعة السينية أثر بقاء العدلات كما لاحظنا حركية مماثلة من الإشارات العدلات في الفئران غير المشع 19. في عملنا السابق التي تنطوي على نموذج S. جروح المصابين الذهبية، تشارك العدلات تسلل مجموعة من تجنيد العدلات قوية من التداول والبقاء لفترات طويلة العدلات في موقع الإصابة وصاروخ موجه من KIT + السلف الخلايا إلى الخراج، حيث أنها تعطي محليا ارتفاعا حتى تنضج العدلات 23. فمن المرجح أن عمليات مماثلة ساهمت في العدلات تسلل في زرع العظام S. الذهبية نموذج العدوى. على الرغم من أنه من غير المعروف لماذا انخفضت إشارات العدلات في orthopنموذج عدوى aedic، فإنه يمكن أن تكون الاستجابة المناعية التي تغيرت بمرور الوقت مع تقدم هذا المرض من حاد إلى عدوى مزمنة، وهذا هو موضوع التحقيق في المستقبل.
هناك قيود مع هذا نموذج الفأر من العظام العدوى مشترك الاصطناعية والتصوير في الجسم الحي multimodality التي ينبغي أن يلاحظ. أولا، هذا نموذج الفأر هو التبسيط للإجراءات والمواد الفعلية المستخدمة في جراحة العظام في الإنسان 24. مع ذلك، هذا النموذج لا ألخص العدوى المزمنة وما تبعها من التهاب في العظام والأنسجة المشتركة التي ينظر اليها في التهابات زرع العظام البشرية 8،9. وبالإضافة إلى ذلك، للحصول على الصور μCT، استخدمت بجرعات منخفضة نسبيا من الإشعاع الأشعة السينية لتقليل أي آثار سلبية على صحة الحيوانات أثناء العدوى. لقرار أفضل من العظام، جرعات من الإشعاع الأشعة السينية يمكن استخدامها في التصوير μCT على الموت الرحيم وnimals. ومع ذلك، فإن هذا القضاء على القدرة على noninvasively طوليا ورصد التغيرات العظام خلال فترة التجارب.
في الختام، التصوير multimodality تنطوي على مزيج من الجسم الحي كله في التصوير الضوئي الحيوان مع التصوير التشريحي μCT أتاح المزيد من المعلومات الشاملة عن العدوى والاستجابة الالتهابية. بالإضافة إلى ذلك، فقد سمحت هذه التقنيات تقييم الآثار المترتبة على العدوى والالتهاب في العظام والأنسجة المشتركة. العمل المستقبلي يمكن الاستفادة من التصوير multimodality لتقييم فعالية العلاجات المضادة للميكروبات، الاستجابات المناعية، التسبب في المرض والتغيرات المتفاعلة في العظام كما بدأنا التحقيق 14-18. بالإضافة إلى ذلك، يمكن التصوير multimodality تقييم تحقيقات واستشفاف لتشخيص وجود عدوى كما هو موضح سابقا في النماذج الحيوانية عدوى الفخذ، التهاب الشغاف، تصيب الرئةالأيونات والتهابات بيولوجية 25-28. وأخيرا، فإن استخدام التصوير multimodality يمكن توسيع راء الأمراض المعدية وتستخدم في مختلف التخصصات، بما في ذلك العظام والروماتيزم وأمراض السرطان، للتحقيق في الظروف الأخرى التي تؤثر على الجهاز الحركي، مثل السرطان العظمي، المرض المنتشر والكسور والتهاب المفاصل 5-7 .
The authors have nothing to disclose.
وأيد هذا العمل من قبل برنامج H & H لي أبحاث علماء المقيم الجراحي (إلى JAN)، وبدء في إنشاء مؤسسة AO منحة S-12-03M (لLSM)، والمعاهد الوطنية للصحة منح R01-AI078910 (لLSM) .
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 |