Valutazione della guarigione delle fratture ossee mediante tomografia microcomputerizzata
Summary
La microtomografia computerizzata (μCT) è uno strumento di imaging non distruttivo che è fondamentale per valutare la struttura ossea negli studi preclinici, tuttavia c’è una mancanza di consenso sulle procedure μCT per l’analisi del callo di guarigione ossea. Questo studio fornisce un protocollo μCT passo-passo che consente il monitoraggio della guarigione delle fratture.
Abstract
La tomografia microcomputerizzata (μCT) è la modalità di imaging più comune per caratterizzare la morfologia tridimensionale (3D) dell’osso e dell’osso di nuova formazione durante la guarigione delle fratture nelle indagini di scienza traslazionale. Gli studi sulla guarigione delle fratture delle ossa lunghe nei roditori comportano in genere una guarigione secondaria e la formazione di un callo mineralizzato. La forma del callo formato e la densità dell’osso appena formato possono variare sostanzialmente tra i punti temporali e i trattamenti. Mentre le metodologie standard per quantificare i parametri dell’osso corticale e trabecolare intatto sono ampiamente utilizzate e incorporate nei software disponibili in commercio, c’è una mancanza di consenso sulle procedure per l’analisi del callo in via di guarigione. Lo scopo di questo lavoro è quello di descrivere un protocollo standardizzato che quantifica la frazione di volume osseo e la densità minerale del callo nel callo in via di guarigione. Il protocollo descrive diversi parametri che devono essere considerati durante l’imaging e l’analisi, tra cui l’allineamento del campione durante l’imaging, la dimensione del volume di interesse e il numero di fette che vengono sagomate per definire il callo.
Introduction
L’imaging con tomografia microcomputerizzata (μCT) è stato ampiamente utilizzato nella ricerca ossea preclinica, fornendo immagini non invasive e ad alta risoluzione per valutare la microstruttura delle ossa 1,2,3,4,5. La μCT coinvolge un gran numero di immagini a raggi X, ottenute da un campione rotante o utilizzando una sorgente di raggi X rotante e un rivelatore. Gli algoritmi vengono utilizzati per ricostruire i dati volumetrici 3D sotto forma di una pila di sezioni di immagine. La TC clinica è il gold standard per l’imaging 3D delle ossa umane e la μCT è una tecnica comunemente usata per valutare l’efficienza della guarigione ossea negli animali da esperimento 1,2,3,4,6,7. L’osso mineralizzato ha un eccellente contrasto ai raggi X, mentre i tessuti molli hanno un contrasto relativamente scarso a meno che non venga utilizzato un mezzo di contrasto. Nella valutazione della guarigione delle fratture, μCT genera immagini che forniscono informazioni dettagliate sulla struttura 3D e sulla densità del callo mineralizzato. La scansione μCT in vivo può essere utilizzata anche per la valutazione longitudinale e temporale della guarigione delle fratture.
La quantificazione dell’osso corticale e trabecolare intatto mediante μCT è generalmente ben consolidata e standardizzata8. Sebbene gli studi preclinici utilizzino una varietà di metodologie di quantificazione per analizzare la guarigione delle fratture 9,10,11, non è stato ancora pubblicato un protocollo dettagliato di analisi delle immagini μCT per la quantificazione del callo. Pertanto, lo scopo di questo studio è quello di fornire un protocollo dettagliato passo dopo passo per l’imaging μCT e l’analisi del callo in guarigione ossea.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo scopo di questo studio è quello di descrivere un protocollo dettagliato per l’analisi μCT con l’obiettivo di quantificare accuratamente la struttura del callo mineralizzato 3D, che è spesso fondamentale negli studi di guarigione delle ossa e delle fratture. Il protocollo utilizza una piattaforma software di analisi delle immagini 3D all’avanguardia che facilita la visualizzazione delle immagini, la segmentazione/etichettatura e le misurazioni che vanno dal semplice al complesso.
L’attivi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dal National Institutes of Health (NIH) R01 DK121327 a R.A.E e R01 AR071968 a 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).
