结合光学和μCT成像中的整形外科植入物感染的小鼠模型中,利用金黄色葡萄球菌的生物发光的工程应变,所提供的能力,以非侵入性和纵向监测细菌感染的动力学,以及相应的炎症反应和解剖学上的变化,在骨。
多模态成像已经成为在临床前和临床研究中常用的技术方法。相结合的活体光学和μCT成像先进技术使生物现象的解剖方面的可视化。这种成像方式可能特别有用的学习条件影响骨骼。特别是,整形外科植入物感染在临床整形外科手术的一个重要问题。这些感染是难以治疗的,因为细菌生物膜有关外手术植入的材料形成,从而导致持久性炎症,骨髓炎和植入物周围,从而最终导致假体松动和失败的骨的最终骨溶解。这里,使用了受感染的整形外科假体植入物的小鼠模型涉及克氏针线植入物的手术放置成在股骨的髓内管以这样的方式,植入物e的端xtended到膝关节。在这个模型中,LysEGFP小鼠,小鼠菌株具有EGFP荧光中性粒细胞,分别用在与生物发光的金黄色葡萄球菌菌株,其中自然发射光一起使用。将细菌之前闭合手术部位接种到小鼠的膝关节。 体内生物发光和荧光成像来定量的细菌负担和嗜中性粒细胞的炎症反应,分别。此外,μCT成像在同一小鼠中进行,使得生物发光和荧光的光信号的三维位置可以被共登记了解剖μCT图像。量化的变化,骨随时间推移,所述外骨骼体积远端股骨的测定在使用半自动化的基于轮廓分段过程的特定时间点。两者合计, 在体内生物发光/荧光成像用μCT成像的组合可以是F特别有用或无创监测的感染,炎症反应,随着时间的推移解剖学上的变化在骨。
涉及光学和解剖学信息相结合的多模临床前成像技术使可视化和监视的3D 1-4生物现象。由于μCT成像允许骨解剖的精致可视化,使用μCT成像与光学成像是一个独特的组合,可能是调查涉及的骨生物学5-7进程特别有用结合。一个例子是使用这些技术来研究骨科植入物感染,这代表了一个灾难性的并发症整形外科手术8,9。细菌生物膜的形成促进了细菌的存活作为阻止免疫细胞从访问细菌10,11感应感染,并阻止抗生素的物理屏障植入的异物。联合组织(化脓性关节炎)的慢性和持续性感染ð骨(骨髓炎)诱导骨吸收,导致松动的假体,并最终失败8,9。此得到的假体周围骨溶解时具有增加的发病率和死亡率12,13相关联。
在我们之前的工作中, 在体内生物发光和荧光成像被一起使用的X射线和微计算机断层成像(μCT)在小鼠中14-19整形外科假体关节感染模型。该模型涉及到放置钛克氏针线(K线)以这样的方式延伸,在膝关节从小鼠14-19的股骨植入物的切断端。 金黄色葡萄球菌 (生物发光应变Xen29或Xen36)的接种物,然后用移液管上,在膝关节植入物的表面外科手术部位被关闭14-19前在体内光学成像方法检测和定量的生物发光信号,该信号对应于NUMBER细菌感染的关节和骨组织14-19。另外, 在体内荧光LysEGFP小鼠,其具有荧光嗜中性粒细胞20的成像,来定量嗜中性粒细胞移居到含有克氏针植入物14,19被感染的膝盖关节的数量。最后,解剖成像方式,包括高分辨率的X射线成像和μCT成像,允许各自的2D受影响的骨和三维解剖成像在慢性感染的整个持续时间,这是我们会任意地结束通常为2和6的术后周16之间18。利用该模型,对局部和全身抗生素治疗,保护性免疫应答和在骨病理解剖变化的疗效可评价14-18。在这个手稿,在这个骨科人工关节感染模型的光学和μCT成像方式的具体方案提供了一个representati已经系统来研究生物过程中的骨的解剖上下文。这些包括外科手术过程进行建模的整形外科假体关节感染小鼠中,二维和三维体内光学成像程序(以检测细菌的生物发光信号和荧光信号的嗜中性粒细胞)的3D光学图象用的,μCT成像采集和分析,并共同登记μCT图像。
多模态成像如利用体内光学成像与μCT成像相结合的成像技术提供了一种新的技术方法,使三维可视化,量化和生物过程的纵向监测解剖方面1-4。在本研究的协议提供了如何在体内生物发光和荧光成像可以用μCT成像组合在小鼠中的矫形假体植入物感染模型来监测细菌的负担,中性粒细胞炎症和解剖学上的变化在骨无创和纵向上的详细信息时间。两者合计,通过结合光学和结构成像获得的信息是一个重大的技术进步,这可能是特别适用于研究影响肌肉骨骼系统的生物过程和病理状况。
一个利益荷兰国际集团的发现,即应当指出的是,我们观察到EGFP-嗜中性粒细胞的荧光信号降低到背景水平由14-21天,并保持在背景水平为实验的持续时间,尽管发光细菌的存在。这是不太可能的X射线照射的影响嗜中性粒细胞存活,因为我们观察到相似的嗜中性粒细胞的信号的动力学中的非照射小鼠19。在我们以前的工作,涉及S的模型金黄色葡萄球菌感染的伤口,中性粒细胞浸润所涉及的流通稳健中性粒细胞募集,延长生存中性粒细胞的组合,在感染的部位和套装+祖细胞归巢的脓肿,他们在当地引起成熟中性粒细胞23。很可能是类似的过程促进了嗜中性粒细胞浸润,在整形外科植入物S。金黄色葡萄球菌感染模型。虽然它是未知原因的嗜中性粒细胞的信号在骨科下降aedic感染模型,它可能是免疫反应的变化随着时间的推移这种病从急性转为慢性感染的进展,这是未来研究的课题。
有带的整形外科假体关节感染该小鼠模型和体内多模态成像应该注意的限制。首先,这种小鼠模型是用在整形外科手术中24人,实际操作和材料过于简单。然而,这种模式确实重温慢性感染和随之而来的炎症在骨和关节组织被视为人类的骨科植入物感染8,9。此外,为了获得μCT图像,相对低剂量的X射线照射被用于减少感染的过程中,对动物的健康产生任何不良影响。为更好的分辨率骨的,较高剂量的X射线辐射,可用于μCT成像上安乐死Änimals。然而,这将消除的能力,非侵入性和纵向监测在实验的持续时间内的骨变化。
总之,多模态成像涉及活体整体动物光学成像的解剖μCT成像相结合,允许对感染和炎症反应更全面的信息。此外,这些技术已经允许对骨和关节组织的感染和炎症的后果进行评价。未来的工作可能需要多模态成像的优势,评估抗菌疗法,免疫反应,疾病的发病机制,并在骨反应性改变的效果,因为我们已经开始调查14-18。此外,多模态成像可以评估探针和示踪物以诊断感染的存在如先前在动物模型中大腿感染,心内膜炎,肺侵染描述离子和生物材料感染25-28。最后,利用多模态成像可以超越传染病扩大和跨学科,包括骨科,风湿病学和肿瘤学应用,探讨其他条件的影响,肌肉骨骼系统,如骨肿瘤,转移性疾病,骨折和关节炎5-7 。
The authors have nothing to disclose.
这项工作是由H&H李某外科住院医师研究学者项目(扬),支持的AO基金会创业补助金的S-12-03M(以LSM)和健康补助R01-AI078910(以LSM)的国家机构。
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 |