Avaliação da consolidação de fraturas ósseas por microtomografia computadorizada
Summary
A microtomografia computadorizada (μCT) é uma ferramenta de imagem não destrutiva que é fundamental na avaliação da estrutura óssea em estudos pré-clínicos, porém não há consenso sobre os procedimentos de μCT para análise do calo de consolidação óssea. Este estudo fornece um protocolo passo a passo de μCT que permite o monitoramento da consolidação da fratura.
Abstract
A microtomografia computadorizada (μCT) é a modalidade de imagem mais comum para caracterizar a morfologia tridimensional (3D) do osso e do osso neoformado durante a consolidação de fraturas em investigações científicas translacionais. Os estudos da consolidação de fraturas de ossos longos em roedores tipicamente envolvem a cicatrização secundária e a formação de um calo mineralizado. A forma do calo formado e a densidade do osso neoformado podem variar substancialmente entre os momentos e tratamentos. Considerando que metodologias padrão para quantificação de parâmetros de osso cortical e trabecular intacto são amplamente utilizadas e incorporadas em softwares disponíveis comercialmente, há uma falta de consenso sobre os procedimentos de análise do calo cicatricial. O objetivo deste trabalho é descrever um protocolo padronizado que quantifica a fração de volume ósseo e a densidade mineral do calo no calo cicatricial. O protocolo descreve diferentes parâmetros que devem ser considerados durante a imagem e análise, incluindo o alinhamento da amostra durante a imagem, o tamanho do volume de interesse e o número de cortes que são contornados para definir o calo.
Introduction
A microtomografia computadorizada (μCT) tem sido amplamente utilizada na pesquisa óssea pré-clínica, fornecendo imagens não invasivas de alta resolução para avaliar a microestrutura dos ossos 1,2,3,4,5. A μTC envolve um grande número de imagens de raios-X, obtidas a partir de uma amostra rotatória ou usando uma fonte de raios X rotativa e um detector. Os algoritmos são usados para reconstruir dados volumétricos 3D na forma de uma pilha de fatias de imagem. A TC clínica é o padrão-ouro para imagens 3D de ossos humanos, e a μCT é uma técnica comumente utilizada para avaliar a eficiência da consolidação óssea em animais de experimentação1,2,3,4,6,7. O osso mineralizado tem excelente contraste com a radiografia, enquanto os tecidos moles têm contraste relativamente pobre, a menos que um agente de contraste seja usado. Na avaliação da consolidação da fratura, o μCT gera imagens que fornecem informações detalhadas sobre a estrutura 3D e densidade do calo mineralizado. A μCT in vivo também pode ser usada para avaliação longitudinal e ao longo do tempo da consolidação da fratura.
A quantificação da cortical e do trabecular íntegros utilizando a μCT é geralmente bem estabelecida epadronizada8. Embora os estudos pré-clínicos utilizem uma variedade de metodologias de quantificação para analisar a consolidação da fratura 9,10,11, um protocolo detalhado de análise de imagens de μCT para quantificação de calos ainda não foi publicado. Portanto, o objetivo deste estudo é fornecer um protocolo passo a passo detalhado para imagens de μCT e análise do calo de consolidação óssea.
Protocol
Representative Results
Discussion
O objetivo deste estudo é descrever um protocolo detalhado para análise de μCT com o objetivo de quantificar com precisão a estrutura do calo mineralizado 3D, que muitas vezes é fundamental em estudos de consolidação óssea e de fraturas. O protocolo utiliza uma plataforma de software de análise de imagens 3D de uso geral que facilita a visualização, segmentação/etiquetagem e medições que variam de simples a complexas.
A tarefa mais demorada do protocolo é a segmentação semi-a…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelo National Institutes of Health (NIH) R01 DK121327 para R.A.E e R01 AR071968 para 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 |
Referências
- 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).
