Guida all'elaborazione di sezioni, coring e immagini per l'approvvigionamento e l'analisi di campioni ossei corticali ad alta produttività per synchrotron Micro-CT
Summary
Abbiamo utilizzato un protocollo di campionamento geologico (coring) per procurare campioni ossei corticali di dimensioni uniformi per esperimenti SRμCT dall’aspetto anteriore della femora umana. Questo metodo è minimamente distruttivo, efficiente, si traduce in campioni cilindrici che riducono al minimo gli artefatti di imaging da forme campione irregolari e migliorano la visualizzazione e l’analisi microarchitettonica.
Abstract
L’osso è un tessuto dinamico e meccanicamente attivo che cambia struttura nel corso della vita umana. I prodotti del processo di rimodellamento osseo sono stati studiati sostanzialmente utilizzando tecniche bidimensionali tradizionali. I recenti progressi nella tecnologia di imaging a raggi X attraverso la tomografia micro-computerizzata desktop (μCT) e la tomografia micro-computerizzata a radiazione di sincrotrone (SRμCT) hanno permesso l’acquisizione di scansioni tridimensionali (3D) ad alta risoluzione di un campo visivo più ampio (FOV) rispetto ad altre tecniche di imaging 3D (ad esempio, SEM) fornendo un quadro più completo delle strutture microscopiche all’interno dell’osso corticale umano. Il campione deve essere centrato accuratamente all’interno del FOV, tuttavia, per limitare la comparsa di artefatti striati noti per influire sull’analisi dei dati. Studi precedenti hanno riportato l’approvvigionamento di blocchi ossei rettilinei di forma irregolare che si traducono in artefatti di imaging dovuti a bordi irregolari o troncamento dell’immagine. Abbiamo applicato un protocollo di campionamento geologico (coring) per procurare campioni di nucleo osseo corticale di dimensioni costanti per esperimenti SRμCT dall’aspetto anteriore della femora umana. Questo metodo di coring è efficiente e minimamente distruttivo per i tessuti. Crea campioni cilindrici uniformi che riducono gli artefatti di imaging per natura di essere isometrici durante la rotazione e forniscono una lunghezza uniforme del percorso per i raggi X durante la scansione. L’elaborazione delle immagini dei dati tomografici a raggi X di campioni cored e di forma irregolare conferma il potenziale della tecnica per migliorare la visualizzazione e l’analisi della microarchitettura ossea corticale. Un obiettivo di questo protocollo è fornire un metodo affidabile e ripetibile per l’estrazione di nuclei ossei corticali adattabili per vari tipi di esperimenti di imaging osseo ad alta risoluzione. Un obiettivo generale del lavoro è quello di creare un approvvigionamento osseo corticale standardizzato per SRμCT che sia conveniente, coerente e diretto. Questa procedura può essere ulteriormente adattata dai ricercatori in campi correlati che comunemente valutano materiali compositi duri come in antropologia biologica, geoscienze o scienze dei materiali.
Introduction
Con i recenti progressi nella tecnologia di imaging, è ora possibile acquisire dati di imaging a raggi X con una risoluzione molto elevata. I sistemi micro-CT desktop (μCT) sono lo standard attuale per l’imaging dell’osso cancello a causa della loro natura non distruttiva1. Quando si imagingno caratteristiche microstrutturali dell’osso corticale, tuttavia, l’uso di μCT è stato più limitato. A causa di vincoli di risoluzione, i sistemi desktop non possono raggiungere la risoluzione richiesta per l’immagine di caratteristiche microstrutturali più piccole dei pori corticali, come le lacune osteocite. Per questa applicazione, SRμCT è ideale grazie alla maggiore risoluzione di questi sistemi1. Ad esempio, esperimenti presso la Canadian Light Source (CLS) sulle linee di fascio BMIT (BioMedical Imaging and Therapy)2 hanno prodotto immagini con voxel di dimensioni fino a 0,9 μm. Studi precedenti1,3,4,5 hanno utilizzato questa risoluzione per acquisire proiezioni e successivi rendering tridimensionali (3D) da campioni ossei corticali da ossa lunghe umane ( Figura1) per quantificare la densità lacunare degli osteociti4,6,7,8,9 e la variazione della forma lacunare e della dimensione3 nella durata della vita umana e tra i sessi. Ulteriori studi hanno dimostrato la presenza di bande osteoniche nell’uomo10, un fenomeno precedentemente riconosciuto come associato solo a mammiferi non umani nella letteratura antropologica forense.
Per ottenere una risoluzione eccezionale, il fascio di raggi X deve essere finemente focalizzato all’interno del campo visivo (FOV), che spesso limita la dimensione massima del campione a pochi millimetri di diametro. Attualmente, non ci sono state procedure complete e standardizzate descritte nella letteratura che delineano l’approvvigionamento di campioni ossei che soddisfano queste restrizioni. Centrare i campioni all’interno del FOV è fondamentale per garantire che 1) il campione rimanga centrato mentre ruota di 180 ° durante l’imaging e 2) gli artefatti di scansione siano limitati poiché non vi è troncamento dell’immagine. In altre parole, nessuna porzione del campione al di fuori del FOV interferisce con il fascio che entra nel suo punto focale all’interno del FOV. In questo caso, l’algoritmo di ricostruzione viene privato di alcuni dei dati di attenuazione necessari per una ricostruzione completamente corretta. Vale inoltre la pena notare che le scansioni a 360° (rotazione completa) riducono al minimo gli effetti dell’indurimento del fascio ma aumentano gli artefatti causati dal disallineamento e dal movimento del campione durante l’imaging. Pertanto, mentre una scansione a 360 ° genererà in genere dati più puliti, il tempo di imaging viene raddoppiato e quindi è necessario affrontare un compromesso tra costi sperimentali e qualità dei dati.
Un aspetto importante e spesso trascurato degli esperimenti di imaging osseo è la tecnica accurata e replicabile di preparazione dei campioni eseguita prima della scansione. Gli studi che incorporano metodi SRμCT nei loro esperimenti menzionano brevemente il loro protocollo di campionamento, ma gli autori forniscono pochi o nessun dettaglio riguardo alla particolare metodologia utilizzata per raccogliere i loro campioni. Molti di questi studi menzionano il taglio di blocchi ossei rettilinei di dimensioni arbitrarie, ma generalmente non forniscono ulteriori informazioni sugli utensili o sui materiali di incorporamentoutilizzati 3,4,10,11,12,13,14. Alcuni ricercatori usano comunemente strumenti rotativi portatili (ad esempio, Dremel) per rimuovere blocchi rettilinei di osso da una regione di interesse (ROI)3,4,10,11,12,13,14. Questo metodo si traduce in campioni di dimensioni non uniforme che possono essere più grandi del FOV, aumentando la probabilità di artefatti di scansione e troncamento delle immagini. Tali campioni spesso richiedono un’ulteriore raffinazione utilizzando una sega a wafer di diamante di precisione (ad esempio, Buehler Isomet). L’approvvigionamento di campioni con dimensioni coerenti (fino ai due centesimi/mm) è fondamentale per garantire che i set di dati acquisiti siano della massima qualità e che i risultati successivi siano replicabili.
La segnalazione limitata della metodologia di approvvigionamento del campione aggiunge un ulteriore livello di difficoltà quando si tenta di utilizzare e/o convalidare metodi eseguiti in uno studio precedente. Attualmente, i ricercatori devono contattare direttamente gli autori per ulteriori dettagli sulle loro procedure di campionamento. Il protocollo qui dettagliato fornisce ai ricercatori biomedici una tecnica di campionamento accuratamente documentata, replicabile ed economica. L’obiettivo principale di questo articolo è quello di fornire un tutorial completo su come procurarsi campioni di nucleo osseo corticale di dimensioni costanti utilizzando una pressa per fresatura e una punta di coring a diamante per la visualizzazione accurata e l’estrazione di dati microarchitettotechi. Questo metodo viene modificato dalle procedure utilizzate per raccogliere regolarmente cilindri uniformi di piccolo diametro (1-5 mm) da blocchi di materiali duri in meccanica delle rocce adalta pressione 15,16,17,18,19.
Protocol
Representative Results
Discussion
Non esiste un protocollo completo e standardizzato per l’acquisto di campioni di nucleo osseo corticale uniforme e cilindrico per l’imaging SRμCT ad alta risoluzione con configurazioni FOV limitate. Il protocollo qui dettagliato riempie quel vuoto fornendo un tutorial completo su come procurarsi campioni di nucleo osseo corticale di dimensioni costanti per l’imaging SRμCT e la successiva visualizzazione accurata e l’estrazione di dati microarchitettotechi. Abbiamo dimostrato che il nostro protocollo fornisce un metodo …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La ricerca descritta in questo documento è stata eseguita presso la struttura BMIT presso la Canadian Light Source, che è supportata dal Canada Foundation for Innovation, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, dall’Università del Saskatchewan, dal Governo del Saskatchewan, dalla Western Economic Diversification Canada, dal National Research Council Canada e dal Canadian Institutes of Health Research. Gli autori ringraziano gli scienziati beamline presso la Canadian Light Source, in particolare Adam Webb, Denise Miller, Sergey Gasilov e Ning Zu per l’assistenza nella configurazione e risoluzione dei problemi dei sistemi di microscopio SkyScan SRμCT e white beam. Desideriamo anche ringraziare Beth Dalzell dell’University of Toledo College of Medicine and Life Sciences e il Dr. Jeffrey Wenstrup della Northeast Ohio Medical University per l’accesso a campioni cadaverici per questo studio. JM Andronowski è supportato attraverso fondi di ricerca di start-up forniti dall’Università di Akron e da una sovvenzione del National Institute of Justice Research and Development in Forensic Science for Criminal Justice Purposes (2018-DU-BX-0188). RA Davis è supportato da un assistente di laurea fornito dall’Università di Akron. Le attrezzature e le forniture utilizzate per il coring e la segatura sono state acquistate con fondi di start-up forniti dall’Università di Akron e la sovvenzione NSF EAR-1624242 a CW Holyoke.
Materials
| 1-1/8" plunge cutting carbide for composites | Warrior | 61812 | 28.6mm plunge |
| 70% Ethanol | Fisher Scientific | BP8201500 | 3.8 Liters |
| Blunt-tipped forceps | Fisher Scientific | 10-300 | |
| Centrifuge tubes | ThermoFisher | 55398 | |
| Crystalbond 509-3 Epoxy | Ted Pella | 821-3 | |
| CTAnalyser | Bruker microCT | v.1.15.4.0 | Download and install at https://www.bruker.com/products/microtomography/micro-ct-software/3dsuite.html |
| Dental Tool Kit | Amazon | 787269885110 | |
| Diamond wafering saw blade for composite material | Buehler | #11-4247 | |
| Drill Press | Jet Mill/Drill | 350017 | Model: JMD-15, benchtop drill presses are suitable substites, but typically lack a translatable machine table for positioning samples beneath the drill stem |
| Fine-tipped forceps | Fisher Scientific | 22-327379 | |
| Fixturing clamps for XY machine table for mill/drill | MSC Industrial Supply | #04804571 | |
| Glass microscope slides | Ted Pella | 26005 | 75x50mm slides, 1mm thick |
| Glass slide chuck | Buehler | #112488 | Large enough to hold 75x50mm glass slides |
| Hot plate capable of reaching 140 °C | ThermoScientific | HP88850105 | |
| Incubator | NAPCO | Model 4200 | |
| Isocut Fluid | Buehler | 111193032 | Lubricant; 30mL |
| Jeweler's diamond coring drill bit | Otto Frei | #119.050 | 2mm inner diameter hollow stem coring bit |
| NRecon | Bruker microCT | v.1.6.10.2 | Download and install at https://www.bruker.com/products/microtomography.html |
| Oscillating saw | Harbor Freight | 62866 | |
| Oven-safe glass dishes | Pyrex | 1117715 | Glass food storage container |
| Precision slow-speed saw (Isomet 1000) | Buehler | 111280160 | |
| Razor blades | Amazon | 25181 | |
| Shallow aluminum tins | Amazon | B01MRWLD0R | ~8cm diameter |
| Specimen cups | Amazon | 616784425436 885334344729 | |
| Tergazyme detergent | Alconox | 1304-1 | 1.8kg box |
| Ultrasonic cleaner | MTI Corporation | KJ201508006 |
References
- Andronowski, J. M., Crowder, C., Soto Martinez, M. Recent advancements in the analysis of bone microstructure: New dimensions in forensic anthropology. Forensic Sciences Research. 3 (4), 278-293 (2018).
- Wysokinski, T. W., et al. Beamlines of the biomedical imaging and therapy facility at the Canadian light source – part 3. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 775, 1-4 (2015).
- Carter, Y., Suchorab, J. L., Thomas, C. D. L., Clement, J. G., Cooper, D. M. L. Normal variation in cortical osteocyte lacunar parameters in healthy young males. Journal of Anatomy. 225 (3), 328-336 (2014).
- Carter, Y., Thomas, C. D. L., Clement, J. G., Cooper, D. M. L. Femoral osteocyte lacunar density, volume and morphology in women across the lifespan. Journal of Structural Biology. 183 (3), 519-526 (2013).
- Langer, M., et al. X-Ray Phase Nanotomography Resolves the 3D Human Bone Ultrastructure. PLoS ONE. 7 (8), 35691 (2012).
- Peyrin, F., Dong, P., Pacureanu, A., Langer, M. Micro- and Nano-CT for the Study of Bone Ultrastructure. Current Osteoporosis Reports. 12 (4), 465-474 (2014).
- Dong, P., et al. 3D osteocyte lacunar morphometric properties and distributions in human femoral cortical bone using synchrotron radiation micro-CT images. Bone. 60, 172-185 (2014).
- Gauthier, R., et al. 3D micro structural analysis of human cortical bone in paired femoral diaphysis, femoral neck and radial diaphysis. Journal of Structural Biology. 204 (2), 182-190 (2018).
- Giuliani, A., et al. Bisphosphonate-related osteonecrosis of the human jaw: A combined 3D assessment of bone descriptors by histology and synchrotron radiation-based microtomography. Oral Oncology. 82, 200-202 (2018).
- Andronowski, J. M., Pratt, I. V., Cooper, D. M. L. Occurrence of osteon banding in adult human cortical bone. American Journal of Physical Anthropology. 164 (3), 635-642 (2017).
- Andronowski, J. M., Mundorff, A. Z., Pratt, I. V., Davoren, J. M., Cooper, D. M. L. Evaluating differential nuclear DNA yield rates and osteocyte numbers among human bone tissue types: A synchrotron radiation micro-CT approach. Forensic Science International: Genetics. 28, 211-218 (2017).
- Britz, H. M., et al. Prolonged unloading in growing rats reduces cortical osteocyte lacunar density and volume in the distal tibia. Bone. 51 (5), 913-919 (2012).
- Maggiano, I. S., et al. Three-dimensional reconstruction of Haversian systems in human cortical bone using synchrotron radiation-based micro-CT: morphology and quantification of branching and transverse connections across age. Journal of Anatomy. 228 (5), 719-732 (2016).
- Cooper, D. M. L., Thomas, C. D. L., Clement, J. G., Hallgrímsson, B. Three-dimensional microcomputed tomography imaging of basic multicellular unit-related resorption spaces in human cortical bone. The Anatomical Record Part A: Discoveries in Molecular, Cellular, and Evolutionary Biology. 228 (7), 806-816 (2006).
- Holyoke, C. W., Kronenberg, A. K., Newman, J., Ulrich, C. Rheology of magnesite: Rheology of Magnesite. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 119 (8), 6534-6557 (2014).
- Holyoke, C. W., Kronenberg, A. K. Reversible water weakening of quartz. Earth and Planetary Science Letters. 374, 185-190 (2013).
- Holyoke, C. W., Kronenberg, A. K., Newman, J. Dislocation creep of polycrystalline dolomite. Tectonophysics. 590, 72-82 (2013).
- Raterron, P., Fraysse, G., Girard, J., Holyoke, C. W. Strength of orthoenstatite single crystals at mantle pressure and temperature and comparison with olivine. Earth and Planetary Science Letters. 450, 326-336 (2016).
- Millard, J. W., et al. Pressure Dependence of Magnesite Creep. Geosciences. 9 (10), 420 (2019).
- Thomas, C. D. L., Feik, S. A., Clement, J. G. Regional variation of intracortical porosity in the midshaft of the human femur: age and sex differences. Journal of Anatomy. 206 (2), 115-125 (2005).
- Jowsey, J. Age Changes in Human Bone. Clinical Orthopaedics and Related Research. 17, 210 (1960).
- Martin, R. B., Pickett, J. C., Zinaich, S. Studies of skeletal remodeling in aging men. Clinical Orthopaedics and Related Research. (149), 268-282 (1980).
- Martin, R. B., Burr, D. B. Mechanical implications of porosity distribution in bone of the appendicular skeleton. Orthopedic Transactions. 8, 342-343 (1984).
- Bousson, V., et al. Distribution of Intracortical Porosity in Human Midfemoral Cortex by Age and Gender. Journal of Bone and Mineral Research. 16 (7), 1308-1317 (2001).
- Goldman, H. M., Thomas, C. D. L., Clement, J. G., Bromage, T. G. Relationships among microstructural properties of bone at the human midshaft femur. Journal of Anatomy. 206 (2), 127-139 (2005).
- De Micheli, P. O., Witzel, U. Microstructural mechanical study of a transverse osteon under compressive loading: The role of fiber reinforcement and explanation of some geometrical and mechanical microscopic properties. Journal of Biomechanics. 44 (8), 1588-1592 (2011).
- Martin, R. B., Boardman, D. L. The effects of collagen fiber orientation, porosity, density, and mineralization on bovine cortical bone bending properties. Journal of Biomechanics. 26 (9), 1047-1054 (1993).
- Cooper, D. M. L., Turinsky, A. L., Sensen, C. W., Hallgrímsson, B. Quantitative 3D analysis of the canal network in cortical bone by micro-computed tomography. The Anatomical Record Part B: The New Anatomist. 274 (1), 169-179 (2003).
- Crowder, C., Heinrich, J., Stout, S. D. Rib histomorphometry for adult age estimation. Forensic Microscopy for Skeletal Tissues: Methods and Protocols. , 109-127 (2012).
- Pfeiffer, S. Paleohistology: Health and disease. Biological Anthropology of the Human Skeleton. , 287-302 (2000).
- Bone Hedges, R. E. M. diagenesis: an overview of processes. Archaeometry. 44 (3), 319-328 (2002).
- . The use of formaldehyde imbedded human remains in experimental procedures Available from: https://capa-acap.net/sites/default/files/basic-page/capa_2017_program_final_no_cover.pdf (2017)
- Currey, J. D., Brear, K., Zioupos, P., Reilly, G. C. Effect of formaldehyde fixation on some mechanical properties of bovine bone. Biomaterials. 16 (16), 1267-1271 (1995).
- Asaka, T., Kikugawa, H. Effect of formaldehyde solution on fracture characteristics of bovine femoral compact bone. Journal of the Japan Institute of Metals. 69 (8), 711-714 (2005).
