Комбинированный оптический и μCT изображений в мышиной модели ортопедической инфекции имплантата, используя биолюминесцентное инженерии штамм золотистого стафилококка, при условии, возможность неинвазивного и продольно контролировать динамику бактериальной инфекции, а также соответствующий воспалительную реакцию и анатомические изменения в кости.
Томография Комплексное стала общей технологической подхода, используемого как в доклинических и клинических исследований. Передовые технологии, которые сочетают в естественных условиях оптической и μCT визуализации позволяют визуализировать биологические явления в анатомической контексте. Эти диагностические методы могут быть особенно полезны для изучения условий, оказывающих воздействие кость. В частности, ортопедические инфекции имплантатов являются важной проблемой в клинической ортопедической хирургии. Эти инфекции трудно поддаются лечению, потому что бактериальные биопленки образуются на иностранных имплантируется материалов, что приводит к постоянной воспаления, остеомиелита и возможного остеолиз кости, окружающей имплантат, которого в конечном итоге имплантата рыхления и неудачи. Здесь мышиную модель инфицированного ортопедического протеза имплантата, который был использован участвует хирургического размещение в Kirschner-проводной имплантата в интрамедуллярной канала в бедренной кости таким образом, что конец имплантата еXtended в коленный сустав. В этой модели мышей, LysEGFP, штамм мыши, который имеет EGFP-люминесцентные нейтрофилы, были использованы в сочетании с биолюминесцентного штамма золотистого стафилококка, что, естественно, излучает свет. Бактерии инокулировали в коленных суставах мышей до закрытия места операции. В естественных условиях биолюминесцентного и флуоресцентные изображения был использован для количественной оценки бактериальной нагрузки и воспалительную реакцию нейтрофилов, соответственно. Кроме того, изображения μCT проводили на той же мышей, так что расположение 3D биолюминесцентного и флуоресцентных оптических сигналов могут совместно зарегистрирован анатомических изображений μCT. Для количественной оценки изменений в кости с течением времени, внешний том яблоком дистальных бедренных костей были измерены в определенных временных точках с помощью полуавтоматического контура основе процесс сегментации. Взятые вместе, сочетание в естественных условиях биолюминесцентного / флуоресцентных изображений с изображениями μCT может быть особенно полезно еили неинвазивный мониторинг инфекции, воспалительные реакции и анатомических изменений в костной ткани с течением времени.
Комплексное методы доклинической визуализации, которые включают сочетание оптической и анатомической информации позволяют визуализацию и мониторинг биологических явлений в 3D 1-4. Поскольку изображения μCT позволяет изысканный визуализацию костей анатомии, используя визуализацию μCT в соединении с оптических изображений представляет собой уникальное сочетание, которые могут быть особенно полезны для изучения процессов, которые связаны с костной биологию 5-7. В качестве примера можно использовать эти методы для изучения ортопедические имплантаты инфекций, которые представляют ужасное осложнение ортопедических хирургических процедур 8,9. Бактерии биопленки образуют на имплантированных посторонних предметов, которые способствуют выживанию бактерий, выступая в качестве физического барьера, который предотвращает иммунные клетки от зондирования инфекция и блоки антибиотики доступ бактерии 10,11. Хронический и постоянный инфекция совместное ткани (септический артрит) апд кости (остеомиелит) индуцирует резорбцию кости, что приводит к расшатыванию протеза и последующего 8,9 отказа. Это приводит остеолита околопротезной связано с повышенной заболеваемости и смертности 12,13.
В нашей предыдущей работы, биолюминесцентное в естественных условиях и люминесцентные визуализации используют вместе с рентгеновской и микро-компьютерной томографии томографии (μCT) в ортопедической протеза модели совместной инфекции у мышей 14-19. Эта модель участвует размещения титана Kirschner-провод (К-проволоки) таким образом, что обрезанный конец имплантата расширенной в коленном суставе от бедренных костей мышей 14-19. Посевной материал золотистого стафилококка штамм (биолюминесцентного Xen29 или Xen36) затем пипеткой на поверхность имплантата в коленном суставе до того, как хирургический участок был закрыт 14-19. В естественных оптических изображений был использован для обнаружения и определения биолюминесцентного сигнала, которые соответствует нюMBER бактерий в зараженном совместной и костной ткани 14-19. Кроме того, в естественных условиях флуоресцентного изображения из LysEGFP мышей, которые обладают флуоресцентными нейтрофилы 20, был использован для количественного определения количества нейтрофилов, что эмигрировали в зараженных коленных суставов, содержащих К-проволочные имплантаты 14,19. Наконец, анатомические диагностические методы, в том числе высокого разрешения рентгеновских изображений и изображений μCT, разрешается соответствующее 2D и 3D анатомическую визуализацию пораженной кости по всей продолжительности хронической инфекции, которые мы бы произвольно конца обычно от 2 до 6 послеоперационных недель 16 , 18. Используя эту модель, эффективность местного и системного антимикробной терапии, защитных иммунных реакций и патологических анатомических изменений в кости могут быть оценены 14-18. В этой рукописи, подробные протоколы для оптических и μCT методов визуализации в этой ортопедической протеза модели совместной инфекции были предоставлены как representatiве системы для изучения биологических процессов в анатомической контексте кости. К ним относятся хирургические процедуры для моделирования ортопедический протез совместное инфекции у мышей, 2D и 3D в естественных процедур оптических изображений (для выявления бактериальных сигналов биолюминесцентные и флуоресцентные сигналы нейтрофилов), μCT приобретение визуализации и анализа и со-регистрация 3D оптических изображений с μCT изображения.
Комплексное изображений, такие как методы визуализации, которые используют в естественных оптических изображений в сочетании с изображениями μCT предоставляет новый технологический подход, который позволяет 3D-визуализацию, количественной и продольный мониторинг биологических процессов в анатомической связи 1-4. Протоколы в настоящем исследовании представить подробную информацию о том, как в естественных условиях биолюминесцентное и люминесцентные изображения могут быть объединены с изображениями μCT в ортопедическим протезирования имплантата модели инфекции у мышей контролировать бактериальную нагрузку, нейтрофильный воспаление и анатомических изменений в кости неинвазивным и продольно над Время. Взятые вместе, информация, полученная путем объединения оптических и структурных построений представляет собой крупный технологический прорыв, который может быть особенно хорошо подходит для изучения биологических процессов и патологических состояний, которые влияют на опорно-двигательный аппарат.
Один интересчисле вывод, что следует отметить, это то, что мы наблюдали, что EGFP-нейтрофилов флуоресцентные сигналы снизилась до фонового уровня на 14-21 дней и остался на фоновых уровней в течение всего срока эксперимента, несмотря на присутствие биолюминесцентных бактерий. Маловероятно, что рентгеновское облучение повлияло выживание нейтрофилов, как мы наблюдали подобные кинетики нейтрофилов сигналов в не-облученных мышей 19. В нашей предыдущей работе участием модель S. стафилококк инфицированные раны, инфильтрации нейтрофилов включал сочетание надежной найма нейтрофилов из циркуляции, длительное выживание нейтрофилов в очаге инфекции и хоминге KIT + клеток-предшественников к абсцесса, где они локально привести к зрелых нейтрофилов 23. Вполне вероятно, что аналогичные процессы способствовали инфильтрации нейтрофилов в ортопедической имплантата С. стафилококк инфекция модель. Несмотря на то, что неизвестно, почему сигналы нейтрофилов снизилось в Orthopaedic модель инфекция, это может быть, что иммунный ответ изменились с течением времени, как эта инфекция прогрессировала от острого к хронической инфекции, и это является предметом будущих исследований.
Есть ограничения с этим мыши модели ортопедических протезов совместной инфекции и в естественных условиях комплексном изображений, которые необходимо отметить. Впервые эта модель мыши упрощение реальных процедур и материалов, используемых в ортопедической хирургии в людях 24. Тем не менее, эта модель делает резюмировать хронических инфекций, и последовавшего воспаление в костях и суставах ткани, которая рассматривается в человека ортопедических имплантатов инфекций 8,9. Кроме того, для получения изображения μCT, относительно низкие дозы рентгеновского облучения были использованы для минимизации негативного влияния на здоровье животных в ходе инфекции. Для лучшего разрешения кости, более высокие дозы рентгеновского излучения могут быть использованы для работы с изображениями μCT на эвтаназииnimals. Тем не менее, это устранило бы возможность неинвазивного мониторинга и продольно костные изменения в течение всего срока эксперимента.
В заключение, мультимодальность изображений предполагающей сочетание целого животного оптических изображений в естественных условиях с анатомической визуализации μCT позволило более полную информацию о инфекции и воспалительного ответа. Кроме того, эти методы позволили оценку последствий инфекции и воспаления на костях и суставах ткани. Будущая работа может воспользоваться изображений комплексном чтобы оценить эффективность антимикробной терапии, иммунных реакций, патогенезе болезни и реактивных изменений в кости, как мы начали изучать 14-18. Кроме того, изображения мультимодальность могли оценить зондов и индикаторов, чтобы диагностировать наличие инфекции, как описано ранее в животных моделях бедра инфекция, эндокардит, легочная заразитьионы и биоматериала инфекции 25-28. Наконец, использование изображений комплексном может быть расширена за инфекционными заболеваниями и используется в различных дисциплинах, в том числе ортопедии, ревматологии и онкологии, для расследования других условий, оказывающих воздействие на опорно-двигательный аппарат, таких как скелетные рака, метастазов, переломов и артрита 5-7 .
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Хирургическое Resident исследовательской программы Ученые H & H Lee (до января), АО Фонд Start-Up грант S-12-03M (в LSM) и Национальные институты здравоохранения гранта R01-AI078910 (к 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 |