本实验方案旨在建立一种与骨质疏松相关的裸鼠椎体压缩性骨折模型，可用于长期纵向评估 体内 采用基于半自动微计算机断层扫描的定量结构分析方法。
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摘要
摘要
骨质疏松相关性椎体压缩性骨折（OVCFs）是一种随着全球人口老龄化而日益普遍的常见临床难题，目前尚缺乏有效的治疗手段。动物OVCF模型对于转化性组织工程策略的临床前研究至关重要。尽管目前已存在多种模型，本实验方案描述了一种在单只裸鼠体内诱导多个高度可重复椎体缺损的优化方法。同时，本文还详细阐述了一种基于纵向半自动微计算机断层扫描（µCT）的定量结构分析新方法，用于评估椎体缺损。简而言之，对大鼠在术后多个时间点进行成像。将术后第1天的扫描图像重定向至标准位置，并定义标准感兴趣体积。随后每只大鼠的µCT扫描图像均自动与第1天的扫描图像配准，从而对同一感兴趣体积进行分析，以评估新骨形成情况。这种多功能方法可适用于多种其他模型，尤其适用于需要通过纵向影像分析实现精确三维半自动对齐的研究。综上所述，本方案建立了一种易于量化且高度可重复的骨质疏松与骨组织研究系统。建议的实验流程包括：在裸鼠去卵巢后约4个月诱导骨质疏松，随后根据组织大小和设备条件，耗时2.7至4小时完成两个椎体缺损的制备、成像及分析。
引言
全球有超过2亿人患有骨质疏松症1。其病理基础是骨矿物质密度（BMD）降低以及骨微结构改变，导致骨脆性增加，从而升高骨折的相对风险2。骨质疏松症的患病率极高，且对健康危害严重，世界卫生组织已将其列为重要的公共卫生问题。此外，随着全球人口老龄化趋势加剧，骨质疏松症预计将进一步增多。
骨质疏松性椎体压缩性骨折是最常见的脆性骨折，据估计在美国每年超过75万例。此类骨折与显著的发病率相关，并且死亡率可高达正常人群的9倍3。在临床试验中，目前可用的外科干预措施（如椎体成形术和椎体后凸成形术）被发现并不比假手术治疗更有效4,5，导致这些患者仅能接受疼痛管理。由于目前对OVCF的治疗手段有限，建立一种能够复制该疾病的动物模型显得尤为迫切6,7,8。此类动物模型有助于深入研究现有治疗方法，并推动可转化为临床实践的新型疗法的开发。已有研究通过低钙饮食（LCD）联合卵巢切除术在实验动物中成功诱导并维持骨质疏松状态1
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方案
所有动物实验均在经西达斯-西奈医学中心机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准的方案下进行（方案编号 #3609）。所有成像和手术操作均在麻醉下进行。所有动物的饲养均遵循经批准的IACUC方案。
注意：本方案的实验设计如图所示 图1购买六周龄、已手术切除卵巢的大鼠，饲喂含0.01%钙和0.77%磷酸盐的低钙饮食（LCD）。在低钙饮食喂养4个月后，在第四和第五腰椎椎体（L4-L5）处钻取临界尺寸的椎体缺损。手术后，在缺损建立后的第1天以及第2、4、8和12周对大鼠进行影像学扫描。在第1天的扫描图像上确定缺损边界，重新调整至标准位置，并定义一个圆柱形感兴趣体积（VOI）。随后自动配准各次µCT扫描即，对每只大鼠第2、4、8和12周的扫描图像，将其配准至对应第1天扫描所定义的标准位置。将第1天预定义的感兴趣体积（VOI）应用于配准后的扫描图像。评估VOI内的骨体积密度和表观密度。
1. 骨质疏松症的诱导
- 将六周龄的无胸腺去卵巢大鼠置于低钙饮食（LCD）中饲养4个月，饮食成分为0.01%钙和0.77%磷酸盐。
- 换回正常饮食。
注：此后这些大鼠将被称为"骨质疏松大鼠"。
2. 椎体缺陷模型
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结果
采用本方案，可对 n = 8 个模拟骨质疏松性椎体缺损在不同时间点进行成像和定量分析。通过配准程序获得的解剖结构匹配，使得在所有时间点均可对同一感兴趣体积（VOI）进行分析。这实现了高度精确的纵向三维组织形态计量分析，即使原始缺损边缘已无法识别亦可完成。我们以五个时间点（第1天、第2周、第4周、第8周和第12周）为例，展示骨再生的纵向评估（图7）。骨再生既可通过二维横截面和三维图像的定性评估（如图7A所示），也可通过骨量（BVD）和骨质（AD）的定量比较进行评估（图7B）。可测定以下新生骨的形态计量指标：（i）总体积（TV），包括骨组织和软组织体积（TV，mm3）；（ii）矿化组织体积（BV，mm3）；（iii）骨体积密度（BV/TV）；以及（iv）骨矿物密度（BMD，mg 羟基磷灰石/cm3）。具体而言，在建立缺损后2周观察到轻.......
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讨论
骨质疏松症是由于脊柱负荷增加导致椎体压缩性骨折的最常见原因，进而引起椎体塌陷。然而，在啮齿类动物中几乎不可能制造出真正模拟类似椎体塌陷的损伤模型。因此，研究人员通常在椎体中心创建一个圆柱形缺损，以模拟骨质疏松性椎体压缩骨折（OVCFs）16,17,18,19,20,21,24,38,39。由于文献中对缺损大小尚无统一标准，本研究将临界尺寸缺损定义为术后3个月内未经干预无法自行完全愈合的缺损16.......
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披露
本研究由加州再生医学研究所（CIRM）资助（项目编号：TR2-01780）。
致谢
本研究获得了加州再生医学研究所（CIRM）（TR2-01780）资助项目的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 异氟烷 | MWI动物健康，帕萨迪纳，加利福尼亚州 | 501017 | |
| 聚维酮碘溶液 | MWI动物健康，帕萨迪纳，加利福尼亚州 | 4677 | |
| 氯己定葡萄糖酸盐 2% 洗剂 | MWI动物健康，帕萨迪纳，加利福尼亚州 | 510083 | |
| 70%异丙醇-夸脱 | MWI动物健康，加利福尼亚州帕萨迪纳 | 501044 | |
| 卡洛芬 | MWI动物健康，帕萨迪纳，加利福尼亚州 | 26357 | |
| 布托啡诺 0.3 mg/mL | MWI动物健康，帕萨迪纳，加利福尼亚州 | 56163 | |
| 卵巢切除的无胸腺裸鼠 | Harlan Laboratories，印第安纳波利斯，印第安纳州 | Hsd:RH-Foxn1 rnu | |
| 低钙食物 | Newco Distributors, Inc., CA | 1814948（5AV8 AIN-93M 含低钙） | |
| 磷酸盐缓冲液 | Life Technologies Corporation | 14190250 | |
| Dermabond | J AND J ETHICON | DHVM12 | |
| 麻醉机 | Patterson Scientific | TEC 3EX | |
| 滑动式顶部诱导室 | Patterson Scientific | 78917833 | |
| ProStation 加热工作站 | Patterson Scientific | 78914731 | |
| 手术巾 | HALYARD HEALTH INC | 89101 | |
| 磁性固定器牵开系统 | Fine Science Tools, Inc.，加利福尼亚州 | 18200-50 | |
| 解剖剪，10 cm，弯型，不锈钢 | 世界精密仪器公司，佛罗里达州 | 14394 | |
| 虹膜剪，11.5 cm，45° °角形，锯齿状，尖端/双面锋利 | 世界精密仪器公司，佛罗里达州 | 503225 | |
| 5号镊子 | 世界精密仪器公司，佛罗里达州 | 555048FT | |
| 微型蚊式止血钳 | 世界精密仪器公司，佛罗里达州 | 503360 | |
| 无菌棉纱布 | 美敦力，明尼阿波利斯，明尼苏达州 | 9024 | |
| 吸收矛——带支架/无菌 | Fine Science Tools，加利福尼亚州 | 18105-01 | |
| 1 mL注射器 | TERUMO TERUMO MED | SS-01T | |
| 25号针头 | BD MED SYS 注射系统 | 305127 | |
| 层流罩 | 贝克 | SterilGARD e3-Class II Type A2 生物安全柜 | |
| 热灼器 | 世界精密仪器公司，佛罗里达州 | 501292 | |
| Micro-Drill OmniDrill115/230V | 世界精密仪器公司，佛罗里达州 | 503598 | |
| 用于微型钻头的环钻，直径2 mm | Fine Science Tools，加利福尼亚州 | 18004-20 | |
| 3-0 未染色Vicryl 27” SH锥度 | J AND J ETHICON | 1663G | |
| 4-0 Ethilon 黑色 18” PC3 传统切割 | J AND J ETHICON | 1954G | |
| 锥束活体微计算机断层扫描（vivaCT 40） | Scanco Medical | vivaCT 40 | |
| SCANCO Medical 微计算机断层扫描系统软件套件 | Scanco Medical | vivaCT 40 | |
| 分析软件 | 生物医学成像，梅奥诊所，明尼苏达州罗切斯特 | 分析 12 | 图像分析软件 |
| 兽医用眼膏 |
参考文献
- Wang, M. L., Massie, J., Perry, A., Garfin, S. R., Kim, C. W. A rat osteoporotic spine model for the evaluation of bioresorbable bone cements. Spine J. 7 (4), 466-474 (2007).
- Consensus development conference: prophylaxis and treatment of osteoporosis. Am J Med
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