自体和同种异体骨移植是治疗严重颅面骨缺损的公认方法。然而,移植物成分对血管新生、细胞分化与骨形成之间相互作用的影响尚不明确。本文介绍一种多模态成像方案,旨在阐明移植物邻近区域血管生成与成骨作用之间的相互依赖关系。
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自体和同种异体骨移植是治疗严重颅面骨缺损的公认方法。然而,移植物成分对血管新生、细胞分化与骨形成之间相互作用的影响尚不明确。本文介绍一种多模态成像方案,旨在阐明移植物邻近区域血管生成与成骨作用之间的相互依赖关系。
决定骨移植手术成功与否的一个关键参数是移植物周围区域的血管化。我们假设,自体骨移植的植入可通过促进大量新生血管形成,从而诱导更强的骨再生。为了研究移植物对缺损部位新生血管形成的影响,我们建立了一种微型计算机断层扫描(µCT)方法,用于表征新生血管,该方法包括通过系统灌注使动物体内灌注一种可聚合的对比剂。该技术能够对整个器官进行详细的血管结构分析。此外,通过荧光成像(FLI)检测血液中荧光示踪剂的分布来评估血流灌注情况。骨形成则通过使用靶向羟基磷灰石的荧光探针进行FLI检测以及µCT分析进行定量。干细胞募集情况通过生物发光成像(BLI)在转基因小鼠中进行监测,这些小鼠在骨钙素启动子调控下表达荧光素酶。本文中,我们描述并演示了同种异体移植物的制备、颅骨缺损手术操作、用于新生血管研究和骨形成分析的µCT扫描方案(包括 体内 造影剂灌注)以及数据分析方案。
三维高分辨率血管分析显示,植入自体移植物的动物血管生成显著增加,尤其在小动脉形成方面更为明显。因此,术后第7天,自体移植物组的血液灌注量显著高于对照组。th 术后第1天。我们观察到接受自体骨移植的动物骨矿化效果更佳,并检测到更高的骨形成水平。自体骨移植可诱导局部干细胞向移植物与宿主骨缝合处募集,这些细胞在第7天至第th 和 10th 术后第。这一发现表明,增强的骨形成可能归因于自体移植所特有的血管化供血增加。所述方法可作为研究骨再生的理想工具,尤其适用于紧密关联的骨形成与新生血管化过程的研究。
由于创伤、肿瘤切除、减压性开颅术和先天性缺陷导致的颅面部骨缺损极少能自行愈合,存在明确而尚未满足的临床需求。自体骨移植和同种异体骨移植被广泛用于治疗这些情况1。
人们普遍认为,成骨过程与血管生成密切相关2,3。因此,对骨再生治疗策略的完整研究应包括对整个缺损区域新生血管网络的全面分析。目前已有多种方法可用于研究模型中的血管化情况。血管网络可通过组织学分析进行观察,但由于组织学依赖于组织切片,所得图像很可能发生形变。为解决这一问题,可采用活体显微成像技术对完整的血管结构进行成像4;然而,该方法仅限于单平面成像。通过对经对比剂灌注动物获取的样本进行µCT扫描,可实现对滋养再生区域的血管网络进行三维成像5。该方法能够高度精细地展示器官整体的血管系统,并对血管分布进行细致分析。此外,µCT还能区分不同直径的血管,从而识别不同类型血管的特征。
我们假设,与植入同种异体移植物相比,植入颅骨自体移植物将诱导更强的新生血管形成,而这种增强的血管生成继而导致骨形成增加。为验证这一假设,我们采用了多种技术:通过基于µCT的分析研究新生血管网络的形成模式;利用血池荧光探针测量血液灌注;通过针对羟基磷灰石探针的荧光成像(FLI)及µCT分析评估骨组织矿化;最后,在转基因小鼠中监测干细胞的募集与分化,这些小鼠的骨钙素阳性细胞表达荧光素酶,可通过生物发光成像(BLI)进行检测。
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本方案遵循以色列耶路撒冷希伯来大学机构动物照护与使用委员会(IACUC)(申请编号:MD-12-13524-4,该机构为AAALAC认证设施)以及Cedars-Sinai医学中心IACUC(申请编号:3770)的指导原则。动物实验严格遵守美国国立卫生研究院(NIH)的指导方针。
1. 异体骨移植物的制备
2. 颅骨缺损手术

图1. 颅骨同种异体移植物制备与颅骨缺损手术。 从颅骨区域分离出骨片段(A)。清除软组织、骨髓和血液(B),移植物依次用70%乙醇冲洗,再用磷酸盐缓冲液洗涤两次(C,AG = 同种异体移植物)。对受体小鼠进行手术准备,剃除颅骨区域的毛发并消毒皮肤(D)。在头皮上做一椭圆形切口,并去除骨膜(E)。接着使用直径为5 mm的环钻钻出颅骨缺损(F)。用勺形刮匙将骨片段剥离,保留上矢状窦完整(G)。然后将同种异体移植物置入缺损处,并用纤维蛋白凝胶固定(H)。最后缝合皮肤(I)。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 血管树表征的微计算机断层扫描

图 2. 通过心脏途径使用放射性造影剂进行灌注。 将小鼠固定在固定板上(A),沿腹部至颈部切开皮肤(B)。沿中线切开腹壁至剑突(C),并横向剪开肋骨(D)。将蝶形针插入左心室,避免插入颜色明显较深的右心室(E,白色虚线指示右心室),并将针固定于心脏和胸壁(F)。将肝素化生理盐水(2–3 ml)泵入心脏,同时解剖下腔静脉(G,白色箭头指示下腔静脉)。灌注并冲洗4%甲醛;随后灌注黄色染色的放射性造影剂。成功灌注的标志是血管内血液被清除,颜色变为黄色(H)。聚合完成后,分离颅骨区域(I,AG = 异体移植物),并使用µCT扫描仪成像以确认灌注效果(J,感兴趣区域以橙色标记)。样本经脱钙处理后重新扫描(K),随后生成彩色厚度图(L)。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 骨矿化和血液灌注的荧光成像
5. 骨再生的显微计算机断层扫描
6. 干细胞募集与分化的生物发光成像
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通过血管新生评估 µCT 体积分析法及使用荧光血液示踪剂进行荧光成像(FLI)以定量血流灌注。术后7天, µCT 扫描结果显示,接受自体移植的小鼠中小至中等直径血管的体积显著高于接受来自C57BL/6的同种异体移植小鼠图3A)。有趣的是,在自体移植组中,新形成的血管网络似乎延伸至整个缺损区域,而在同种异体移植组中,血管似乎仅从缺损区域的外缘向内渗透,且延伸范围有限。荧光灌注成像(FLI)支持了这一观察结果,显示自体移植处理动物的血流灌注显著更高(图3B)。到第14天th 在移植后当天,同种异体移植组的血管网络已延伸至移植物周围区域,但在我们检测的大多数血管直径范围内,其血管体积显著低于自体移植组(图3C)。注意:当比较直径为0.08至0.1 mm的血管时,血管体积的差异最为显著。术后28天,血管体积恢复至基线水平(图3D).
术后7天,使用羟基磷灰石靶向探针进行FLI检测,结果显示自体移植组的骨矿化程度显著更高(
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此处所述的多模态成像方法旨在实现对颅骨移植背景下血管生成-成骨作用轴的精细研究。采用一种微计算机断层扫描(µCT)方案对新生血管化进行成像,可精确地以高分辨率三维形式展示为整个颅骨缺损区域供血的血管网络。µCT 数据可方便地使用 IPL 等高级软件工具进行分析。例如,图中所示的厚度分析 图3C 结果显示,颅骨自体移植与异体移植的主要差异在于直径为0.1至0.08 mm的血管,这些血管特征性地属于微动脉10该结果与在长骨模型中进行的研究一致11需要注意的是,由于造影剂的黏稠度,直径为0.02 mm的最细小血管无法被完全灌注。该方法的主要缺点在于需要对动物实施安乐死,因此无法进行纵向成像。目前有多种可用于此目的的造影剂可供选择。 体内 血管µCT成像;然而,它们的放射不透性不如致密的聚合探针,且图像分辨率也未达到后者所提供的水平 离体 此处所示方法12µCT 的分辨率有限,因此不适合用于研究毛细血管等结构。除此之外,在熟练操作者的辅助下,该方法可提供一种可重复的技术,用于详细研究骨组织中的血管系统。
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢美国国家牙科与颅面研究所(资助号:DE019902)和以色列科学基金会(资助号:382/13)提供的经费支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| C57BL/C 小鼠 | Harlan 实验室 | 57 | |
| FVB/n 小鼠 | Harlan 实验室 | 862 | |
| 苯巴比妥 | West waro | NDC 0641-0477-25 | |
| 啮齿类动物毛发剪 | Wahl Animal | 8786-451A | |
| 11号手术刀 | Miltex | 27111504 | |
| 牙科微型马达 | Marathon III | ||
| 5 mm 骨钻 | 精细科学工具 | 18004-50 | |
| 脱毛膏 | Veet | ||
| KetaVed(氯胺酮) | Vedco | NDC 50989-996-06 | |
| Domitor | Zoetis | NADA 141-267 | |
| 卡洛芬 | Norbrook | 02000/4229 | |
| 眼膏 | Puralube | NDC 17033-211-38 | |
| 手术双目显微镜 | Kent Scientific | KSCXTS-1121 | |
| 精细剪刀 | 精细科学工具 | 14060-11 | |
| 弯头镊子 | 精细科学工具 | 11274-20 | |
| 匙形刮勺 | 精细科学工具 | 10090-13 | |
| Tisseel 纤维蛋白凝胶试剂盒 | Baxter | 718971 | |
| 持针器 | 精细科学工具 | 12060-01 | |
| Vicryl 4-0 缝合线 | Ethicon | J392H | |
| Antisedan | Zoetis | NADA#141033 | |
| 肝素 | Sigma | H3393 | |
| 20 ml 鲁尔锁注射器 | BD | 302830 | |
| 23G 头皮静脉穿刺套件(蝶形针) | BD | 367342 | |
| 止血钳 | 精细科学工具 | 13008-12 | |
| 注射泵 | Harvard Apparatus | PHD 2000 | |
| 3秒速干胶 | Scotch | ||
| 啮齿类动物解剖板 | Leica | 38DI02313 | |
| Microfil MV-122 | Flow-Tech | MV-122 | |
| μCT40 扫描仪 | Scanco | μCT40 | |
| 6% 三氯乙酸(TCA) | Sigma | T6399 | |
| Osteosense 680 | PerkinElmer | NEV10020EX | |
| Angiosense 750 | PerkinElmer | NEV10011 | |
| 医用级 100% 氧气 | |||
| 异氟烷(氟烷) | Baxter | 1001936040 | |
| IVIS 动力学成像系统 | Xenogen | ||
| 甲虫荧光素 | Promega | E160A |
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