Gecombineerde optische en μCT beeldvorming in een muismodel van orthopedische implantaten infectie, gebruik van een bioluminescent gemanipuleerde stam van Staphylococcus aureus, die het vermogen om de dynamiek van de bacteriële infectie, evenals de overeenkomstige ontstekingsreactie en anatomische veranderingen in de noninvasively longitudinaal bewaken bone.
Multimodale beeldvorming heeft zich ontpopt als een gemeenschappelijke technologische aanpak in zowel preklinisch en klinisch onderzoek. Geavanceerde technieken die samen in vivo optische en μCT beeldvorming laat de visualisatie van biologische fenomenen in een anatomische context. Deze beeldvormende technieken kan vooral nuttig zijn om de voorwaarden te bestuderen die van invloed zijn bot. In het bijzonder orthopedisch implantaat infecties een belangrijk probleem bij klinische orthopedische chirurgie. Deze infecties zijn moeilijk te behandelen omdat bacteriële biofilms te vormen op de vreemde chirurgisch geïmplanteerde materiaal, wat leidt tot aanhoudende ontsteking, osteomyelitis en eventuele osteolyse van het bot rondom het implantaat, wat uiteindelijk resulteert in implantaten losraken en falen. Hier, een muismodel van een geïnfecteerde orthopedische prothetische implantaat gebruikt dat de betrokken chirurgische plaatsing van een Kirschner-draad te implanteren in een intramedullaire kanaal van het dijbeen zodanig dat het uiteinde van het implantaat eXtended in het kniegewricht. In dit model, LysEGFP muizen, een muizenstam die EGFP-fluorescent neutrofielen heeft, werkzaam in combinatie met een bioluminescente Staphylococcus aureus stam, die natuurlijk licht uitzendt. De bacteriën werden geïnoculeerd in de kniegewrichten van de muizen voor het afsluiten van de operatieplaats. Bioluminescentie en fluorescentie beeldvorming werd gebruikt voor kwantificering van de bacteriële last en neutrofielen ontstekingsreactie, respectievelijk. Bovendien werd μCT beeldvorming uitgevoerd op dezelfde muizen, zodat de 3D-locatie van de bioluminescente en fluorescerende optische signalen kunnen worden geregistreerd samen met de anatomische μCT afbeeldingen. Om de veranderingen in het bot in de tijd gekwantificeerd, buitenste botvolume van het distale dijbeen werden gemeten op bepaalde tijdstippen met behulp van een semi-automatische contour gebaseerd segmentatieproces. Samengevat, de combinatie van bioluminescentie / fluorescente beeldvorming μCT beeldvorming kan bijzonder nuttig fof invasieve bewaking van de infectie ontstekingsreactie en anatomische veranderingen in het bot in de tijd.
Multimodaliteit preklinische beeldvormende technieken die de combinatie van optische en anatomische informatie te betrekken, zodat de visualisatie en controle van biologische fenomenen in 3D 1-4. Sinds μCT beeldvorming maakt de prachtige visualisatie van bot anatomie, met μCT beeldvorming in combinatie van met optische beeldvorming is een unieke combinatie die vooral nuttig zijn voor het onderzoek naar processen die botbiologie 5-7 betrekken zou kunnen zijn. Een voorbeeld zou zijn om deze technieken te gebruiken om orthopedische implantaten infecties, die een desastreuze complicatie na orthopedische ingrepen 8,9 vertegenwoordigen bestuderen. Bacteriën biofilms gevormd op de geïmplanteerde vreemde voorwerpen die de overleving van de bacteriën bevorderen door als een fysieke barrière die immuuncellen voorkomt aftasten van de infectie en blokken antibiotica toegang de bacteriën 10,11. De chronische en persisterende infectie van het gewricht weefsel (septische artritis) eend bot (osteomyelitis) induceert botresorptie die leidt tot het loskomen van de prothese en uiteindelijk falen 8,9. Het resulterende periprosthetic osteolyse wordt geassocieerd met verhoogde morbiditeit en mortaliteit 12,13.
In ons eerdere werk werd bioluminescentie en fluorescentie beeldvorming met röntgenstraling en micro computed tomography imaging (μCT) gebruikt in een orthopedische gewrichtsprothese infectiemodel in muizen 14-19. Dit model betrokken plaatsen van een titanium Kirschner-draad (K-wire) zodanig dat het afgesneden uiteinde van het implantaat uitgebreid in het kniegewricht van de dijbenen van muizen 14-19. Een inoculum van Staphylococcus aureus (stam bioluminescent Xen29 of Xen36) werd gepipetteerd op het oppervlak van het implantaat in het kniegewricht voor het chirurgisch gesloten 14-19. In vivo optische beeldvorming werd gebruikt voor het detecteren en kwantificeren bioluminescent signalen, die overeen met de nuember bacteriën in de geïnfecteerde gewrichten en botweefsel 14-19. Bovendien, in vivo fluorescentie beeldvorming van LysEGFP muizen die fluorescent neutrofielen 20 bezitten, werd gebruikt om het aantal neutrofielen die emigreerde naar de besmette kniegewrichten waarin de K-draad implantaten 14,19 kwantificeren. Tenslotte anatomische beeldvormingsmodaliteiten, waaronder high-resolution X-ray imaging en μCT imaging, toegelaten respectievelijke 2D en 3D anatomische beeldvorming van het getroffen been over de gehele duur van chronische infectie, die we willekeurig zou typisch eindigen tussen 2 en 6 weken postoperatief 16 , 18. Met dit model kan de effectiviteit van lokale en systemische antimicrobiële therapie, beschermende immuunrespons en pathologische anatomische veranderingen in bot worden geëvalueerd 14-18. In dit manuscript, werden de gedetailleerde protocollen voor de optische en μCT beeldvormende modaliteiten in dit orthopedische prothesen gezamenlijke infectie model geleverd als een Franstalve systeem biologische processen bij de anatomische context van het bot. Deze omvatten de chirurgische procedures voor het modelleren van een orthopedische prothesen gezamenlijke infectie in muizen, 2D en 3D in vivo optische beeldvorming procedures (bacteriële bioluminescentie signalen en fluorescerende neutrofielen signalen te detecteren), μCT beeldvorming acquisitie en-analyse en co-registratie van 3D optische beelden met de μCT afbeeldingen.
Multimodale beeldvorming zoals beeldvormende technieken die gebruik maken van in vivo optische beeldvorming in combinatie met μCT beeldvorming zorgt voor een nieuwe technologische benadering die de 3D-visualisatie, kwantificering en longitudinale monitoring van biologische processen in een anatomische context 1-4 maakt. De protocollen in de onderhavige studie gedetailleerde informatie over hoe bioluminescentie en fluorescentie beeldvorming te combineren met μCT beeldvorming in een orthopedische prothetische implantaat infectiemodel in muizen invasief en longitudinaal op toezien de bacteriële belasting, neutrofiele ontsteking en anatomische veranderingen in het bot tijd. Samengevat, verkregen door het combineren van optische en structurele beeldvorming informatie een belangrijke technologische vooruitgang, eventueel bijzonder geschikt om biologische processen en pathologische aandoeningen waarbij het bewegingsapparaat invloed te bestuderen.
Een belanging vaststelling dat moet worden opgemerkt is dat waargenomen dat de EGFP-neutrofielen fluorescentiesignalen verlaagd tot achtergrondniveaus van 14-21 dagen en bleef op achtergrondniveaus gedurende de duur van het experiment ondanks de aanwezigheid van bioluminescente bacteriën. Het is onwaarschijnlijk dat de X-ray bestraling beïnvloed neutrofiel overleving we vergelijkbare kinetiek van neutrofielen signalen waargenomen in niet-bestraalde muizen 19. In ons vorige werk met een model van S. aureus geïnfecteerde wonden, neutrofiele infiltratie bevatten een combinatie van krachtige neutrofiel rekrutering vanuit de circulatie verlengd neutrofiele overleving op de plaats van infectie en de homing van KIT + voorlopercellen naar het abces, waar zij lokaal leiden tot neutrofielen 23 rijpen. Het is waarschijnlijk dat soortgelijke processen bijgedragen aan neutrofielen infiltratie in de orthopedische implantaten S. aureus infectie model. Hoewel het niet bekend waarom de neutrofielen signalen daalde in het Orthopaedic infectie model, kan het zijn dat de immuunrespons veranderd in de tijd als deze infectie gevorderd van een acute naar chronische infectie en dit is een onderwerp van toekomstig onderzoek.
Er zijn beperkingen met dit muismodel orthopedische gewrichtsprothese infectie en in vivo multimodale beeldvorming die opgemerkt. Ten eerste, dit muismodel is een oversimplificatie van de werkelijke procedures en materialen die worden gebruikt in de orthopedische chirurgie bij de mens 24. Toch, dit model doet recapituleren de chronische infectie en daaropvolgende ontsteking in het bot-en gewrichtsziekten weefsel dat wordt gezien in de menselijke orthopedische implantaten infecties 8,9. Ook de μCT beelden verkrijgen, werden relatief lage doses röntgenstraling gebruikt om nadelige effecten op de gezondheid van de dieren gedurende het verloop van de infectie te beperken. Voor betere resolutie been hogere dosis röntgenstraling kan worden gebruikt voor beeldvorming op μCT geëuthanaseerd eennimals. Dit zou echter de mogelijkheid elimineren om het bot veranderingen tijdens de duur van de experimenten noninvasively longitudinaal volgen.
De conclusie is dat multimodale beeldvorming met betrekking tot de combinatie van in vivo hele dier optische beeldvorming met anatomische μCT beeldvorming meer uitgebreide informatie over de infectie en inflammatoire respons toegestaan. Bovendien hebben deze technieken de evaluatie van de gevolgen van de infectie en ontsteking van het bot en gewrichtsweefsel toegestaan. Toekomstige werkzaamheden kunnen profiteren van multimodale beeldvorming om de werkzaamheid van antimicrobiële therapieën, immuunreacties pathogenese van de ziekte en de reactieve veranderingen in het bot evalueren we begonnen te onderzoeken 14-18. Daarnaast kunnen multimodale beeldvorming probes en tracers evalueren om de aanwezigheid van een infectie diagnose zoals eerder beschreven in diermodellen een dij infectie, endocarditis, pulmonaire Infectionen en biomateriaal infecties 25-28. Tot slot kan het gebruik van de multimodale beeldvorming voorbij besmettelijke ziekten worden uitgebreid en toegepast in alle disciplines, waaronder orthopedie, reumatologie en oncologie, aan andere voorwaarden te onderzoeken die de impact van het bewegingsapparaat, zoals het skelet kanker, metastasen, fracturen en artritis 5-7 .
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door een H & H Lee Surgical Resident Research Scholars Program (JAN), een AO Foundation startsubsidie S-12-03M (LSM) en de National Institutes of Health subsidie R01-AI078910 (LSM) .
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 |