הערכת ריפוי שברים בעצם באמצעות טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת
Summary
טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (μCT) היא כלי הדמיה לא הרסני המסייע בהערכת מבנה העצם במחקרים פרה-קליניים, אולם קיים חוסר הסכמה על הליכי μCT לניתוח יבלת ריפוי העצם. מחקר זה מספק פרוטוקול μCT שלב אחר שלב המאפשר מעקב אחר ריפוי שברים.
Abstract
טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (μCT) היא שיטת ההדמיה הנפוצה ביותר המאפיינת את המורפולוגיה התלת-ממדית (3D) של עצם ועצם חדשה שנוצרה במהלך ריפוי שברים בחקירות מדעיות תרגומיות. מחקרים על ריפוי שברים ארוכים במכרסמים כוללים בדרך כלל ריפוי משני והיווצרות של יבלת מינרלית. צורת היבלת שנוצרה וצפיפות העצם החדשה שנוצרה עשויות להשתנות באופן משמעותי בין נקודות זמן וטיפולים. בעוד שמתודולוגיות סטנדרטיות לכימות פרמטרים של עצם קליפת המוח והטרבקולר שלמות נמצאות בשימוש נרחב ומוטמעות בתוכנות זמינות מסחרית, קיים חוסר הסכמה על נהלים לניתוח יבלת הריפוי. מטרת עבודה זו היא לתאר פרוטוקול סטנדרטי המכמת את נפח העצם, את צפיפות המינרלים ואת צפיפות המינרלים של יבלת הריפוי. הפרוטוקול מתאר פרמטרים שונים שיש לקחת בחשבון במהלך ההדמיה והניתוח, כולל יישור הדגימה במהלך ההדמיה, גודל נפח העניין ומספר הפרוסות המעוצבות כדי להגדיר את היבלת.
Introduction
הדמיית טומוגרפיה מיקרו-ממוחשבת (μCT) נמצאת בשימוש נרחב במחקר עצמות פרה-קליני, ומספקת תמונות לא פולשניות ברזולוציה גבוהה להערכת המיקרו-מבנה של עצמות 1,2,3,4,5. μCT כולל מספר רב של תמונות רנטגן, המתקבלות ממדגם מסתובב או באמצעות מקור וגלאי רנטגן מסתובב. אלגוריתמים משמשים לשחזור נתונים נפחיים תלת-ממדיים בצורת ערימה של פרוסות תמונה. CT קליני הוא תקן הזהב להדמיית תלת-ממד של עצמות אדם, ו-μCT היא טכניקה נפוצה להערכת יעילות ריפוי העצם בחיות ניסוי 1,2,3,4,6,7. לעצם מינרלית יש ניגודיות מצוינת לצילום רנטגן, בעוד שלרקמות רכות יש ניגודיות גרועה יחסית, אלא אם כן נעשה שימוש בחומר ניגוד. בהערכה של ריפוי שברים, μCT מייצר תמונות המספקות מידע מפורט על המבנה התלת-ממדי והצפיפות של היבלת המינרלית. סריקת μCT In vivo יכולה לשמש גם להערכת אורך, מהלך זמן של ריפוי שברים.
הכימות של עצם קליפת המוח והטרבקולר השלמות באמצעות μCT הוא בדרך כלל מבוסס היטב וסטנדרטי8. למרות שמחקרים פרה-קליניים משתמשים במגוון מתודולוגיות כימות כדי לנתח ריפוי שברים 9,10,11, פרוטוקול מפורט של ניתוח תמונת μCT לכימות יבלות טרם פורסם. לכן, מטרת מחקר זה היא לספק פרוטוקול מפורט שלב אחר שלב להדמיית μCT וניתוח של יבלות ריפוי עצם.
Protocol
Representative Results
Discussion
מטרת מחקר זה היא לתאר פרוטוקול מפורט לניתוח μCT במטרה לכמת במדויק את מבנה היבלות המינרלי התלת-ממדי, שהוא לעתים קרובות בסיסי במחקרי ריפוי עצמות ושברים. הפרוטוקול משתמש בפלטפורמת תוכנה מתקדמת לניתוח תמונות תלת-ממד לשימוש כללי המאפשרת הדמיית תמונות, סגמנטציה/תיוג ומדידות הנעות בין פשוט למור?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) R01 DK121327 ל- R.A.E ו- R01 AR071968 ל- F.K.
Materials
| 10% neutral buffered formalin | Fisher chemical | SF100-20 | Used for bone tissue fixation |
| Avizo | Thermo Scientific | Image processing and analysis software | |
| Hydroxyapatite phantom | Micro-CT HA D4.5, QRM | QRM-70128 | |
| Image Processing Language | Scanco | Used to convert raw images to DICOM images | |
| Micro-Mosquito Straight Hemostatic Forceps | Medline | Used to remove the intramedullary pin | |
| Microsoft Excel | Microsoft | Spreadsheet software | |
| Scanco mCT system (vivaCT 40) | Scanco | Used for µCT imaging |
References
- Rüegsegger, P., Koller, B., Müller, R. A microtomographic system for the nondestructive evaluation of bone architecture. Calcified Tissue International. 58 (1), 24-29 (1996).
- Müller, R., et al. Morphometric analysis of human bone biopsies: a quantitative structural comparison of histological sections and micro-computed tomography. Bone. 23 (1), 59-66 (1998).
- Waarsing, J. H., et al. Detecting and tracking local changes in the tibiae of individual rats: a novel method to analyse longitudinal in vivo micro-CT data. Bone. 34 (1), 163-169 (2004).
- Boyd, S. K., Davison, P., Müller, R., Gasser, J. A. Monitoring individual morphological changes over time in ovariectomized rats by in vivo micro-computed tomography. Bone. 39 (4), 854-862 (2006).
- Christiansen, B. A. Effect of micro-computed tomography voxel size and segmentation method on trabecular bone microstructure measures in mice. Bone Reports. 5, 136-140 (2016).
- Holdsworth, D. W., Thornton, M. M. Micro-CT in small animal and specimen imaging. Trends in Biotechnology. 20 (8), 34-39 (2002).
- Schambach, S. J., Bag, S., Schilling, L., Groden, C., Brockmann, M. A. Application of micro-CT in small animal imaging. Methods. 50 (1), 2-13 (2010).
- Bouxsein, M. L., et al. Guidelines for assessment of bone microstructure in rodents using micro-computed tomography. Journal of Bone and Mineral Research. 25 (7), 1468-1486 (2010).
- Morgan, E. F., et al. Micro-computed tomography assessment of fracture healing: Relationships among callus structure, composition, and mechanical function. Bone. 44 (2), 335-344 (2009).
- O’Neill, K. R., et al. Micro-computed tomography assessment of the progression of fracture healing in mice. Bone. 50 (6), 1357-1367 (2012).
- Bissinger, O., et al. Fully automated segmentation of callus by micro-CT compared to biomechanics. Journal of Orthopaedic Surgery and Research. 12 (1), 108 (2017).
- Brown, M. L., et al. Delayed fracture healing and increased callus adiposity in a C57BL/6J murine model of obesity-associated type 2 diabetes mellitus. PLOS One. 9 (6), 99656 (2014).
- Khajuria, D. K., et al. Aberrant structure of fibrillar collagen and elevated levels of advanced glycation end products typify delayed fracture healing in the diet-induced obesity mouse model. Bone. 137, 115436 (2020).
- Sigurdsen, U., Reikeras, O., Hoiseth, A., Utvag, S. E. Correlations between strength and quantitative computed tomography measurement of callus mineralization in experimental tibial fractures. Clinical Biomechanics. 26 (1), 95-100 (2011).
- Duvall, C. L., Taylor, W. R., Weiss, D., Wojtowicz, A. M., Guldberg, R. E. Impaired angiogenesis, early callus formation, and late stage remodeling in fracture healing of osteopontin-deficient mice. Journal of Bone and Mineral Research. 22 (2), 286-297 (2007).
- Gerstenfeld, L. C., et al. Comparison of effects of the bisphosphonate alendronate versus the RANKL inhibitor denosumab on murine fracture healing. Journal of Bone and Mineral Research. 24 (2), 196-208 (2009).
- Alentado, V. J., et al. Validation of the modified radiographic union score for tibia fractures (mRUST) in murine femoral fractures. Frontiers in Endocrinology. 13, 911058 (2022).
- Yu, K. E., et al. Enhancement of impaired MRSA-infected fracture healing by combinatorial antibiotics and modulation of sustained inflammation. Journal of Bone and Mineral Research. 37 (1), 1352-1365 (2022).
- Nyman, J. S., et al. Quantitative measures of femoral fracture repair in rats derived by micro-computed tomography. Journal of Biomechanics. 42 (7), 891-897 (2009).
- Fiset, S., et al. Experimental validation of the radiographic union score for tibial fractures (RUST) using micro-computed tomography scanning and biomechanical testing in an in-vivo rat model. The Journal of Bone and Joint Surgery. 100 (21), 1871-1878 (2018).
- Shefelbine, S. J., et al. Prediction of fracture callus mechanical properties using micro-CT images and voxel-based finite element analysis. Bone. 36 (3), 480-488 (2005).
- Liu, Y., et al. Glucocorticoid-induced delayed fracture healing and impaired bone biomechanical properties in mice. Clinical Interventions in Aging. 13, 1465-1474 (2018).
- Watson, P. J., Fitton, L. C., Meloro, C., Fagan, M. J., Gröning, F. Mechanical adaptation of trabecular bone morphology in the mammalian mandible. Scientific Reports. 8 (1), 7277 (2018).
- Nie, C., Wang, Z., Liu, X. The effect of depression on fracture healing and osteoblast differentiation in rats. Neuropsychiatric Disease and Treatment. 14, 1705-1713 (2018).
