Kombinerad optisk och μCT avbildning i en musmodell av ortopediska implantat infektion, som utnyttjar en bioluminescent konstruerad stam av Staphylococcus aureus, förutsatt att förmågan att icke-invasivt och longitudinellt övervaka dynamiken av bakteriell infektion, såväl som den motsvarande inflammatoriska svaret och anatomiska förändringar i ben.
Multimodalitet avbildning har vuxit fram som en gemensam teknisk strategi som används i både preklinisk och klinisk forskning. Avancerade tekniker som kombinerar in vivo optisk och μCT imaging tillåter visualisering av biologiska fenomen i ett anatomiskt sammanhang. Dessa avbildningsmetoder kan vara särskilt användbart för att studera förhållanden som påverkar ben. I synnerhet ortopediska implantatinfektioner är ett stort problem i klinisk ortopedisk kirurgi. Dessa infektioner är svåra att behandla eftersom bakterie biofilmer bildas på de utländska inopererade material, vilket leder till ihållande inflammation, osteomyelit och eventuell osteolys av benet kring implantatet, vilket i slutändan resulterar i implantatlossning och misslyckande. Här gjordes en musmodell av en infekterad ortopedisk protesimplantat används som involverade den kirurgiska placeringen av en Kirschner-tråd implantatet i en intramedullär kanal i lårbenet på ett sådant sätt att änden av implantatet eXtended i knäleden. I denna modell LysEGFP möss, en mus-stam som har EGFP-fluorescerande neutrofiler, var anställda i samband med en självlysande Staphylococcus aureus-stam, vilket naturligtvis sänder ut ljus. Bakterierna ympades i knäleder hos mössen innan stängning operationsområdet. In vivo självlysande och fluorescerande avbildning användes för att kvantifiera bakteriebördan och neutrofila inflammatoriskt svar, respektive. Dessutom var μCT imaging utförs på samma möss så att 3D-läget för den självlysande och fluorescerande optiska signaler kan ges samtidigt registreras hos de anatomiska μCT bilderna. För att kvantifiera förändringar i benet med tiden, var det yttre benet volym de distala lårbenet mäts vid specifika tidpunkter med hjälp av en halvautomatisk kontur baserad segmenteringsprocessen. Sammantaget kombinationen av in vivo självlysande / fluorescerande avbildning med μCT avbildning kan vara särskilt användbart feller icke-invasiv övervakning av infektionen, inflammatoriska svaret och anatomiska förändringar i ben över tid.
Multimodalitet preklinisk avbildningstekniker som innebär en kombination av optisk och anatomisk information gör det möjligt för visualisering och övervakning av biologiska fenomen i 3D 1-4. Eftersom μCT imaging tillåter utsökta visualisering av ben anatomi, använder μCT avbildning i samband med med optisk imaging är en unik kombination som kan vara särskilt användbart för att undersöka processer som involverar ben biologi 5-7. Ett exempel skulle vara att använda dessa tekniker för att studera ortopediska implantatinfektioner, som utgör en förödande komplikation efter ortopediska operationer 8,9. Bakterier biofilmer bildas på implanterade främmande föremål som främjar bakteriernas överlevnad genom att fungera som en fysisk barriär som hindrar immunceller från att känna av infektion och blockerar antibiotika från att komma åt bakterierna 10,11. Den kroniska och ihållande infektion av det gemensamma vävnaden (septisk artrit) end ben (osteomyelit) inducerar benresorption som leder till att lossa av protesen och eventuellt misslyckande 8,9. Detta resulte periprostetisk osteolys är förknippad med ökad morbiditet och mortalitet 12,13.
I vårt tidigare arbete, var in vivo självlysande och fluorescerande avbildning används tillsammans med röntgen och mikro datortomografi imaging (μCT) i en ortopedisk protesleden infektionsmodell hos möss 14-19. Denna modell involverade placera en titan Kirschner-tråd (K-wire) på ett sådant sätt att den avskurna ändan av implantatet utvidgades i knäleden från lårbenet hos möss 14-19. En ymp av Staphylococcus aureus (självlysande stam Xen29 eller Xen36) pipetterades sedan på ytan av implantatet i knäleden innan operationsområdet stängdes 14-19. In vivo optisk avbildning användes för att detektera och kvantifiera de självlysande signaler, vilket motsvarade den nu-mber bakterier i den infekterade leden och benvävnaden 14-19. Dessutom in vivo fluorescens avbildning av LysEGFP möss, vilka har fluorescerande neutrofiler 20, användes för att kvantifiera antalet neutrofiler som emigrerade till de smittade knäleder som innehåller K-tråd implantat 14,19. Slutligen anatomiska avbildningsmetoder, inklusive högupplösta röntgenbilder och μCT bildbehandling, tillåtna respektive 2D och 3D anatomisk avbildning av drabbade benet under hela den tid kronisk infektion, som vi godtyckligt skulle sluta vanligen mellan 2 och 6 postoperativa veckorna 16 , 18. Med hjälp av denna modell, kan effekten av lokal och systemisk antimikrobiell behandling, skyddande immunsvar och patologiska anatomiska förändringar i ben utvärderas 14-18. I detta manuskript var de detaljerade protokoll för optiska och μCT avbildningsmetoder inom detta ortopedisk protesleden infektionsmodell tillhandahålls som en representative system för att studera biologiska processer i den anatomiska sammanhang av benet. Dessa inkluderar kirurgiska ingrepp för att modellera en ortopedisk protesleden infektion hos möss, 2D och 3D in vivo optisk avbildningsförfaranden (för att detektera bakteriella bioluminescenta signaler och fluorescerande neutrofila signaler), μCT avbildning och analys och co-registrering av optiska bilder med 3D μCT bilder.
Multimodalitet avbildning som avbildningstekniker som utnyttjar in vivo optisk avbildning i kombination med μCT bildbehandling ger en ny teknisk strategi som gör att 3D-visualisering, kvantifiering och longitudinell kontroll av biologiska processer i en anatomisk kontext 1-4. Protokollen i föreliggande studie ger detaljerad information om hur in vivo självlysande och fluorescerande avbildning kan kombineras med μCT avbildning i en ortopedisk protesimplantat infektionsmodell hos möss för att övervaka den bakteriella belastningen, neutrofil inflammation och anatomiska förändringar i benet icke-invasivt och i längdled över tid. Sammantaget den information som erhålls genom att kombinera optisk och strukturell avbildning innebär ett stort tekniskt framsteg, vilket kan vara särskilt väl lämpade för att studera biologiska processer och patologiska tillstånd som påverkar rörelseapparaten.
Ett intresseing slutsats som bör påpekas är att vi konstaterade att EGFP-neutrofila fluorescerande signaler minskade till bakgrundsnivåerna med 14-21 dagar och låg kvar på bakgrundsnivåer under hela försöket trots förekomsten av självlysande bakterier. Det är osannolikt att den röntgenstrålning påverkade neutrofil överlevnad som vi observerade liknande kinetik hos neutrofila signalerna i icke-bestrålade möss 19. I vårt tidigare arbete som innebär en modell av S. aureus infekterade sår, involverade neutrofil infiltration en kombination av robust neutrofil rekrytering från cirkulationen, långvarig neutrofil överlevnad på platsen för infektion och den målsökande av KIT + progenitorceller till abscess, där de lokalt ger upphov till mogna neutrofiler 23. Det är troligt att liknande processer bidragit till neutrofil infiltration i den ortopediska implantat S. stafylokocker modell. Även om det är okänt varför neutrofila signalerna minskade i Orthopaedic infektionsmodell, kan det vara att immunsvaret förändrats över tid eftersom denna infektion gått från en akut till kronisk infektion och det är ett ämne för framtida utredning.
Det finns begränsningar med denna musmodell av ortopedisk protesleden infektion och in vivo multimodalitet imaging som bör noteras. För det första är denna musmodell en förenkling av de faktiska förfaranden och material som används i ortopedisk kirurgi i människor 24. Ändå gör denna modell rekapitulera den kroniska infektionen och påföljande inflammation i ben och gemensamma vävnad som ses i humana ortopediska implantatinfektioner 8,9. Dessutom, för att erhålla μCT bilderna, var relativt låga doser av röntgenstrålning används för att minimera eventuella negativa effekter på djurens hälsa under infektionsförloppet. För bättre upplösning av ben, högre doser av röntgenstrålning kan användas för μCT avbildning på euthanized ennimals. Detta skulle emellertid eliminera möjligheten att icke-invasivt och i längdriktningen övervaka ben förändras över varaktigheten av experimenten.
Sammanfattningsvis har multimodalitet imaging involverar kombinationen av in vivo hela djuret optisk avbildning med anatomisk μCT imaging tillåten mer omfattande information om smittan och inflammatoriska svaret. Dessutom har dessa tekniker tillåts att utvärdera konsekvenserna av infektion och inflammation på ben och gemensamma vävnad. Framtida arbete skulle kunna dra nytta av multimodalitet imaging för att utvärdera effekten av antimikrobiella behandlingar, immunsvar, patogenes av sjukdomen och de reaktiva förändringar i benet som vi har börjat undersöka 14-18. Dessutom kunde multimodalitet imaging utvärdera prober och spårämnen för att diagnostisera närvaron av en infektion, såsom tidigare beskrivits i djurmodeller ett lår infektion, endokardit, lung Infectjoner och biomaterial infektioner 25-28. Slutligen kan användningen av multimodalitet imaging utvidgas bortom infektionssjukdomar och används mellan ämnesområden, inbegripet ortopedi, reumatologi och onkologi, att undersöka andra förhållanden som påverkar rörelseapparaten, till exempel skelettcancer, metastatisk sjukdom, frakturer och artrit 5-7 .
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av en H & H Lee Surgical Resident Research Scholars Program (till JAN), en AO Foundation startpeng S-12-03M (till LSM) och ett National Institutes of Health bidrag R01-AI078910 (till 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 |