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Method Article
* 이 저자들은 동등하게 기여했습니다
미세 컴퓨터 단층 촬영(μCT)은 전임상 연구에서 뼈 구조를 평가하는 데 중요한 비파괴 이미징 도구이지만 뼈 치유 캘러스를 분석하기 위한 μCT 절차에 대한 합의가 부족합니다. 이 연구는 골절 치유를 모니터링할 수 있는 단계별 μCT 프로토콜을 제공합니다.
마이크로 컴퓨터 단층 촬영(μCT)은 중개 과학 조사에서 골절 치유 중 뼈와 새로 형성된 뼈의 3차원(3D) 형태를 특성화하는 가장 일반적인 이미징 방식입니다. 설치류의 장골 골절 치유에 대한 연구는 일반적으로 2차 치유와 광물화된 캘러스 형성을 포함합니다. 형성된 굳은살의 모양과 새로 형성된 뼈의 밀도는 시점과 치료에 따라 크게 다를 수 있습니다. 온전한 피질골 및 섬유주골의 매개변수를 정량화하기 위한 표준 방법론이 널리 사용되고 상업적으로 이용 가능한 소프트웨어에 내장되어 있는 반면, 치유 캘러스를 분석하는 절차에 대한 합의가 부족합니다. 이 작업의 목적은 치유 캘러스에서 골 부피 분율과 캘러스 미네랄 밀도를 정량화하는 표준화된 프로토콜을 설명하는 것입니다. 이 프로토콜은 이미징 중 샘플 정렬, 관심 부피의 크기, 캘러스를 정의하기 위해 윤곽이 그려진 슬라이스 수를 포함하여 이미징 및 분석 중에 고려해야 하는 다양한 매개변수를 설명합니다.
미세 컴퓨터 단층 촬영(μCT) 이미징은 전임상 뼈 연구에 널리 사용되어 뼈 1,2,3,4,5의 미세 구조를 평가하기 위해 비침습적 고해상도 이미지를 제공합니다. μCT는 회전하는 샘플에서 또는 회전하는 X선 소스 및 검출기를 사용하여 얻은 많은 수의 X선 이미지를 포함합니다. 알고리즘은 이미지 슬라이스 스택 형태로 3D 체적 데이터를 재구성하는 데 사용됩니다. 임상 CT는 인간 뼈의 3D 이미징을 위한 황금 표준이며, μCT는 실험 동물 1,2,3,4,6,7에서 뼈 치유 효율을 평가하기 위해 일반적으로 사용되는 기술입니다. 광물화된 뼈는 X선에 대한 대비가 우수한 반면, 연조직은 조영제를 사용하지 않는 한 상대적으로 대비가 낮습니다. 골절 치유 평가에서 μCT는 광물화된 캘러스의 3D 구조 및 밀도에 대한 자세한 정보를 제공하는 이미지를 생성합니다. 생체 내 μCT 스캐닝은 골절 치유의 종단적, 시간 경과 평가에도 사용할 수 있습니다.
μCT를 이용한 온전한 피질골 및 섬유주골의 정량화는 일반적으로 잘 확립되어 있고 표준화되어 있다8. 전임상 연구에서는 골절 치유를 분석하기 위해 다양한 정량화 방법론을 사용하지만(9,10,11), 캘러스 정량화를 위한 μCT 이미지 분석의 자세한 프로토콜은 아직 발표되지 않았습니다. 따라서 본 연구의 목적은 μCT 영상 및 뼈 치유 캘러스 분석을 위한 상세한 단계별 프로토콜을 제공하는 것이다.
다음 프로토콜은 안락사된 마우스에서 채취한 장골 치유 캘러스를 특성화하기 위해 개발되었습니다. 그러나 대부분의 단계는 쥐에게 적용 할 수 있으며 골절 된 뼈의 생체 내 스캐닝에도 사용할 수 있습니다. 이 프로토콜은 특정 μCT 시스템과 특정 이미지 처리, 분석 및 시각화 소프트웨어( 재료 표 참조)를 설명하지만 방법론은 일반적으로 다른 스캐너 및 소프트웨어에 적용할 수 있습니다. 이 프로토콜은 펜실베니아 주립 대학 의과 대학의 기관 동물 관리 및 사용위원회의 승인을 받았습니다. 본 연구에 사용된 마우스는 16주령의 수컷 C57BL/6J 마우스(평균 체중 31.45 ± 3.2 g)였다.
1. 조직 채취 및 보존
알림: 적절한 쥐 골절 모델을 사용하십시오. 본 연구를 위해,12,13에 기술된 표준 프로토콜에 따라 중간 골격 개방 경골 골절 모델을 사용하였다.
2. μCT 스캐닝
그림 1: 맞춤형 스캐닝 고정 장치의 구조. (A) 스캐닝 픽스처의 이미지(위), 6개의 샘플 슬롯 및 HA 팬텀(아래). (B) 전용 슬롯에 배치된 장골 샘플(위)과 HA 팬텀(아래)을 보여주는 이미지. (C) 20mm 주사기에 넣은 스캐닝 고정 장치를 보여주는 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 이미지 분할
참고: Raw 이미지는 이미지 시퀀스 데이터에 맞게 자동으로 재구성됩니다.
그림 2: 이미지 분할 . (A) 한 번의 스캔으로 6개의 샘플을 보여주는 이미지. (B) 개별 샘플을 분리하기 위한 이미지 자르기. (C) 잘못 정렬된 세로축을 수정하기 위한 디지털 정렬(노란색 점선). (D) VOI 및 캘러스 중심 평면의 정의. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
4. 이미지 분석
그림 3: 캘러스 바깥쪽 경계의 분할. (A) 캘러스 바깥쪽 경계의 윤곽선(빨간색 선). (B) VOI에서 샘플링된 슬라이스의 윤곽선(빨간색 슬라이스). (C) 보간(빨간색 볼륨)으로 생성된 3D 캘러스 레이블입니다. (D) C에 표시된 캘러스 라벨의 단면(피질골 포함). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 피질 뼈의 분할. (A) 피질의 골막 표면의 윤곽 (녹색 선). (B) VOI에서 샘플링된 슬라이스의 윤곽선(녹색 슬라이스). (C) 골막 피질과 굳은살의 보간된 레이블로 생성된 피질골(수질 구멍 포함, 녹색)과 캘러스(빨간색)의 3D 레이블. (D) 굳은살(빨간색)과 피질골(골수내강 포함, 녹색)의 단면. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 그레이스케일 단위를 BMD로 변환 . (A) 첫 번째 슬라이스와 마지막 슬라이스(빨간색 원)에서 HA 실린더의 윤곽선. (B) 3D 보간된 HA 실린더(왼쪽)와 단면(오른쪽). 갈색: 가장 높은 HA 밀도; 파란색: 두 번째로 높은 HA 밀도; 보라색: 세 번째로 높은 HA 밀도; 녹색: 네 번째로 높은 HA 밀도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 광물화된 캘러스의 분할. (A) 광물화된 캘러스(≥250 mgHA/ccm)는 파란색으로, 나머지 캘러스(<250 mgHA/ccm)는 빨간색으로, 원래 뼈에 해당하는 공간은 녹색으로 표시됩니다. (B) 분리된 각 레이블의 3D 보기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
골절 치유 동안 뼈 형성을 모니터링하기 위해 성인 수컷 C75BL/6J 마우스에서 중간 골격 개방 경골 골절을 유도했습니다. 골절은 골수내 손발톱을 사용하여 안정화시켰는데, 이는 2차 치유의 확립된 모델이다13. 캘러스 조직은 골절 후 14일, 21일 및 28일에 수확되었습니다12. 이 시점은 치유의 여러 단계를 나타냅니다. 2차 뼈 치유 동안 연골내골 형성은 섬유연골(연?...
이 연구의 목적은 종종 뼈 및 골절 치유 연구의 기본이 되는 3D 광물화된 캘러스 구조의 정확한 정량화를 목표로 μCT 분석을 위한 자세한 프로토콜을 설명하는 것입니다. 이 프로토콜은 이미지 시각화, 분할/라벨링 및 간단한 것부터 복잡한 것까지 다양한 측정을 용이하게 하는 범용 최첨단 3D 이미지 분석 소프트웨어 플랫폼을 활용합니다.
프로토콜에서 가장 시간이 많이 걸리...
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 작업은 미국 국립보건원(NIH) R01 DK121327에서 R.A.E로, R01 AR071968에서 F.K.로 지원되었습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
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