בשילוב הדמיה אופטית וμCT במודל של עכברים של זיהום שתל אורתופדים, ניצול זן מהונדס bioluminescent של Staphylococcus aureus, סיפק את היכולת noninvasively ואורכים כדי לפקח על הדינמיקה של זיהום החיידקים, כמו גם את התגובה הדלקתית המקבילה ושינויים אנטומיים ב עצם.
ההדמיה Multimodality התפתחה כגישה טכנולוגית נפוצה בשימוש הן במחקר קליני ופרה קליני. טכניקות מתקדמות המשלבות בהדמיה אופטית וμCT vivo לאפשר להדמיה של תופעות ביולוגיות בהקשר האנטומי. שיטות הדמיה אלה עשויות להיות שימושיות במיוחד ללחקור את תנאים שעצם ההשפעה. בפרט, זיהומי שתל אורתופדים הם בעיה חשובה בניתוח אורתופדים קליני. זיהומים אלה הם קשים לטיפול, כי biofilms חיידקים להיווצר על החומרים מושתלים בניתוח הזר, שמוביל לדלקת מתמשכת, דלקת עצם וosteolysis סופו של דבר העצם סביב השתל, אשר בסופו גורם להתרופפות שתל וכישלון. כאן, במודל עכבר של השתלה תותבת אורתופדים נגוע שימש שמעורב המיקום כירורגית של שתל קירשנר תיל לתוך תעלת intramedullary בירך בצורה כזו כי בסופו של דואר השתלxtended לתוך מפרק הברך. במודל זה, עכברי LysEGFP, זן עכבר שיש לו נויטרופילים EGFP-ניאון, הועסקו בשיתוף עם זן Staphylococcus aureus bioluminescent, אשר באופן טבעי פולט אור. החיידקים היו מחוסן למפרקי הברך של העכברים לפני סגירת האתר כירורגית. Bioluminescent בחי ודימות פלואורסצנטי שימשה לכמת את נטל החיידקים ותגובה דלקתית נויטרופילים, בהתאמה. בנוסף, ההדמיה μCT בוצעה באותו עכברים, כך שמיקום 3D של bioluminescent ואותות אופטיים ניאון יכול להיות שותף רשום עם תמונות μCT אנטומיים. כדי לכמת את השינויים בעצמות לאורך זמן, החיצוני עצם הנפח של עצמות הירך הדיסטלי נמדדו בנקודות זמן ספציפיות באמצעות תהליך פילוח גובה מבוסס חצי אוטומטי. יחדיו, השילוב של in vivo bioluminescent הדמיה ניאון / עם ההדמיה μCT עשוי להיות שימושי במיוחד fאו הניטור בלתי פולשני של הזיהום, תגובה דלקתית ושינויים אנטומיים בעצמות לאורך זמן.
טכניקות הדמיה פרה קלינית Multimodality שכרוכה בשילוב של מידע אופטי ואנטומיים מאפשרות הדמיה וניטור של תופעות ביולוגיות ב3D 1-4. מאז ההדמיה μCT מאפשרת הדמיה המעולה של האנטומיה עצם, תוך שימוש בהדמית μCT בשיתוף של עם הדמיה אופטית מייצגת שילוב ייחודי שעשויה להיות שימושי במיוחד לחקירת תהליכים הכרוכים בביולוגית עצם 5-7. דוגמא תהיה להשתמש בטכניקות אלה כדי ללמוד זיהומי שתל אורתופדים, המייצגים סיבוך הרסני הבאים ניתוחים אורתופדיים 8,9. biofilms חיידקים להיווצר על העצמים הזרים מושתלים שמקדמים הישרדות של החיידקים על ידי המשרת כמחסום פיזי המונע מתאי מערכת חיסון חישת האנטיביוטיקה הזיהום וחוסם את הגישה לחיידקים 10,11. הזיהום הכרוני ומתמשך של רקמת מפרקים (דלקת מפרקים ספיגה)עצם ד (אוסטאומיאליטיס) גורם ספיגת עצם שמובילה להתרופפות של התותבת ו8,9 כישלון סופו של דבר. osteolysis periprosthetic וכתוצאה מכך זה קשור לתחלואה מוגברת ו12,13 תמותה.
בעבודה הקודמת שלנו, bioluminescent in vivo ודימות פלואורסצנטי שימש יחד עם X-ray והדמיה טומוגרפיה-מחושב מיקרו (μCT) במודל משותף זיהום תותב אורתופדים בעכברי 14-19. מודל זה מעורב הצבת טיטניום קירשנר תיל (K-wire) באופן כזה שסופו של דבר הקיצוץ של השתל הורחב במפרק הברך מעצמות הירך של עכברי 14-19. הבידוד של Staphylococcus aureus (זן bioluminescent Xen29 או Xen36) היה אז pipetted על פני השטח של השתל במפרק הברך לפני האתר כירורגית נסגר 14-19. בvivo הדמיה אופטית שימשה לזהות ולכמת את אותות bioluminescent, ש תואם את נוmber של חיידקים ברקמה משותפת ועצם הנגוע 14-19. בנוסף, in vivo הקרינה הדמיה של עכברי LysEGFP, אשר מחזיקים נויטרופילים ניאון 20, שימש לכמת את המספרים של נויטרופילים שהגרו למפרקי הברך הנגועים המכילים את שתלי K-תיל 14,19. לבסוף, שיטות הדמיה אנטומיים, כולל ההדמיה רנטגן ברזולוציה גבוהה והדמיה μCT, מותר 2D המתאים והדמיה אנטומית 3D של העצם המושפע על פני כל משך הזיהום כרוני, שבו אנו באופן שרירותי יסתיימו בדרך כלל בין 2 ל 6 שבועות לאחר ניתוח 16 , 18. באמצעות מודל זה, את היעילות של טיפול מקומי ומערכתי נגד חיידקים, תגובות חיסוניות הגנתיות ושינויים אנטומיים פתולוגיים בעצמות יכולה להיות מוערכת 14-18. בכתב היד הזה, פרוטוקולים מפורטים לשיטות הדמיה אופטיות וμCT במודל תותב אורתופדים זו משותף זיהום נמסרו כrepresentative מערכת ללמוד תהליכים ביולוגיים בהקשר האנטומי של העצם. אלה כוללים ניתוחים למודל זיהום משותף תותב אורתופדים בעכברים, 2D and 3D בהליכי הדמיה אופטית vivo (כדי לזהות אותות bioluminescent חיידקים ואותות נויטרופילים ניאון), רכישת μCT הדמיה וניתוח ושיתוף רישום של תמונות אופטיות 3D עם תמונות μCT.
הדמיה Multimodality כגון טכניקות הדמיה לנצל בהדמיה אופטית vivo בשיתוף עם ההדמיה μCT מספקת גישה טכנולוגית חדשה המאפשרת הדמיית 3D, הכימות וניטור אורך של תהליכים ביולוגיים בהקשר האנטומי 1-4. הפרוטוקולים במחקר הנוכחי מספקים מידע מפורט כיצד in vivo bioluminescent ודימות פלואורסצנטי יכול להיות משולב עם ההדמיה μCT במודל אורתופדים תותב שתל זיהום בעכברים כדי לפקח על נטל החיידקים, דלקת neutrophilic ושינויים אנטומיים בעצמות noninvasively ואורכים מעל זמן. יחדיו, המידע שהושג על ידי שילוב של הדמיה אופטית ומבנית מייצג התקדמות טכנולוגית גדולה, אשר עשוי להיות טוב במיוחד מתאים ללמוד תהליכים ביולוגיים ומצבים פתולוגיים המשפיעים על מערכת השרירים והשלד.
עניין אחדממצא ing שיש לציין הוא ששמו לב שאותות ניאון EGFP-נויטרופילים ירדו לרמות רקע על ידי 14-21 ימים ונשארו ברמות רקע לתקופת הניסוי למרות נוכחותם של חיידקי bioluminescent. אין זה סביר כי קרינת רנטגן השפיעה הישרדות נויטרופילים כפי שאנו נצפו קינטיקה דומה של אותות נויטרופילים בעכברים שאינם מוקרן 19. בעבודה הקודמת שלנו היה מעורב מודל של ס ' פצעי aureus נגועים, חדירת נויטרופילים מעורבים שילוב של גיוס חזק נויטרופילים מהמחזור, הישרדות נויטרופילים ממושכות באתר של זיהום והביות של תאי KIT + אב למורסה, שבו הם נותנים באופן מקומי עלייה להבשיל נויטרופילים 23. סביר להניח כי תהליכים דומים תרמו לחדירת נויטרופילים בשתלו אורתופדי ס מודל זיהום aureus. למרות שלא ידוע מדוע אותות נויטרופילים ירד בorthopמודל זיהום aedic, יכול להיות שהתגובה החיסונית השתנתה לאורך זמן כמו זיהום זה התקדם מאקוטי לדלקת כרונית וזה נושא של חקירה בעתיד.
יש מגבלות במודל זה עכבר של זיהום משותף תותב אורתופדים וin vivo ההדמיה multimodality שיש לציין. ראשית, מודל עכבר זה הוא פשטני של הנהלים בפועל וחומרים המשמשים בניתוחים אורטופדיים בבני אדם 24. עם זאת, מודל זה עושה לשחזר את הזיהום הכרוני ודלקת שהתפתחה בעצמות ובמפרקי הרקמה כי הוא ראה בזיהומי שתל אורתופדים אנושיים 8,9. בנוסף, כדי לקבל את תמונות μCT, מינונים נמוכים יחסית של קרינת רנטגן שמשו כדי למזער את השפעות שליליות על בריאותם של בעלי החיים במהלך הזיהום. לרזולוציה טובה יותר של עצם, במינונים גבוהים יותר של קרינת X-ray יוכל לשמש עבור ההדמיה μCT על מורדמיםnimals. עם זאת, זה היה מונע את היכולת noninvasively ואורכים כדי לפקח על עצם השינויים לאורך משך הניסויים.
לסיכום, ההדמיה multimodality מעורבת שילוב של in vivo הדמיה האופטית של בעלי החיים שלמה עם ההדמיה μCT אנטומיים התירה מידע מקיף יותר על הזיהום והתגובה דלקתית. בנוסף, טכניקות אלה התירו להערכת ההשלכות של הזיהום והדלקת בעצמות ובמפרקי רקמות. עבודה בעתיד יכולה לנצל את היתרון של ההדמיה multimodality להעריך את יעילותם של טיפולים נוגדים חיידקים, תגובות חיסוניות, הפתוגנזה של מחלה והשינויים תגובתי בעצמות כפי שהחלנו לחקור 14-18. בנוסף, הדמיה multimodality יכולה להעריך בדיקות וקליעים נותבים כדי לאבחן הנוכחות של זיהום כפי שתוארה לעיל במודלים של בעלי חיים זיהום ירך, דלקת פן לב, להדביק ריאתייונים וזיהומים ביולוגי 25-28. לבסוף, השימוש בהדמית multimodality יכול להיות מורחבת מעבר למחלות זיהומיות ומשמש על פני תחומים, ובכלל זה אורתופדיה, ראומטולוגיה ואונקולוגיה, לחקור מצבים אחרים המשפיעים על מערכת השלד, כגון סרטן שלד, מחלה גרורתית, שברים ודלקת פרקים 5-7 .
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי תכנית H & H לי מחקר Resident כירורגי חוקרים (ליאן), AO Foundation Start-Up S-12-03M מענק (לLSM) ומכונים לאומיים לבריאות מענק R01-AI078910 (לLSM) .
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 |