Kombinierte optische und μCT Bildgebung in einem Mausmodell der orthopädischen Implantatinfektion unter Verwendung eines Biolumineszenz-engineered Stamm von Staphylococcus aureus, sofern die Möglichkeit, die Dynamik der bakteriellen Infektion, sowie die entsprechende Entzündungsreaktion und anatomische Veränderungen in den nichtinvasiven und in Längsrichtung zu überwachen Knochen.
Multimodalität Bildgebung hat als gemeinsamen technologischen Ansatz sowohl in der präklinischen und klinischen Forschung eingesetzt entstanden. Fortgeschrittene Techniken, die in vivo optische und μCT-Bildgebung zu kombinieren ermöglichen die Visualisierung biologischer Phänomene in einem anatomischen Zusammenhang. Diese bildgebenden Verfahren kann besonders nützlich sein, um Bedingungen zu untersuchen, die Auswirkungen Knochen. Insbesondere orthopädische Implantat-Infektionen sind ein wichtiges Problem in der klinischen orthopädischen Chirurgie. Diese Infektionen sind schwer zu behandeln, weil bakterielle Biofilme bilden sich auf den fremden Materialien chirurgisch implantiert, was zu anhaltenden Entzündungen, Osteomyelitis und eventuelle Osteolyse des Knochens das Implantat, was schließlich zu Implantatlockerung und Miss Umgebung. Hier wird ein Mausmodell einer infizierten orthopädischen Prothesenimplantat verwendet wurde, das die chirurgische Platzierung einer Kirschner-Draht-Implantats derart eingebunden in einen Markkanal des Oberschenkelknochens, dass das Ende des Implantats ein das Kniegelenk XTended. In diesem Modell LysEGFP Mäusen, einem Mausstamm, der EGFP-Fluoreszenz Neutrophilen wurden in Verbindung mit einem Biolumineszenz-Staphylococcus aureus-Stamm, der natürlicherweise Licht aussendet, verwendet. Die Bakterien wurden in den Kniegelenken der Mäuse vor dem Schließen der Operationsstelle geimpft. In vivo Biolumineszenz-und Fluoreszenzabbildung verwendet, um die bakterielle Belastung und neutrophile Entzündungsreaktion zu quantifizieren sind. Zusätzlich wurde μCT Bildgebung auf der gleichen Mäusen durchgeführt, so daß die 3D-Position der biolumineszenten und fluoreszierende optische Signale können mit den anatomischen μCT Bilder zusammen registriert werden. Um die Änderungen in den Knochen über die Zeit quantifizieren, wurden die äußeren Knochenvolumen der distalen Oberschenkelknochen zu bestimmten Zeitpunkten unter Verwendung eines halbautomatischen Kontur basierend Segmentierungsprozess gemessen. Zusammengenommen ist die Kombination von in vivo Biolumineszenz / Fluoreszenz-Imaging mit μCT-Bildgebung kann besonders nützlich sein, foder die nicht-invasive Überwachung der Infektion, Entzündungsreaktion und anatomischen Veränderungen der Knochen im Laufe der Zeit.
Multimodalität Präklinische Bildgebung Techniken, die die Kombination von optischen und anatomischen Informationen beinhalten ermöglichen die Visualisierung und Überwachung von biologischen Phänomene in 3D 1-4. Seit μCT-Bildgebung ermöglicht die exquisite Visualisierung von Knochenanatomie, mit μCT Bildgebung in Verbindung mit der optischen Abbildung stellt eine einzigartige Kombination, die besonders nützlich für die Untersuchung von Prozessen, die Knochenbiologie 5-7 einzubeziehen sein könnten. Ein Beispiel wäre, diese Techniken verwenden, um orthopädische Implantatinfektionen, die eine verheerende Komplikation nach orthopädischen chirurgischen Verfahren repräsentieren 8,9 studieren. Bakterien Biofilme auf den implantierten Fremdkörper, die das Überleben der Bakterien zu fördern, indem sie als physikalische Barriere, die Immunzellen aus Erfassen der Infektion und blockiert den Zugriff auf Antibiotika die Bakterien verhindert 10,11 dient. Die chronische und persistierende Infektion der Gelenkgewebe (septische Arthritis) eined Knochen (Osteomyelitis) induziert Knochenresorption, die zur Lockerung der Prothese und letztendlich zum Scheitern 8,9 führt. Diese resultierende periprothetischer Osteolyse mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität 12,13 verbunden.
In unserer früheren Arbeit, in vivo biolumineszenten und Fluoreszenz-Bildgebung wurde mit Röntgen-und Mikro-Computertomographie-Bildgebung (μCT) in einer orthopädischen Gelenkprotheseninfektionsmodell in Mäusen 14-19 verwendet. Dieses Modell beinhaltete, daß eine Titan-Kirschner-Draht (K-Leitung) in der Weise, daß das abgeschnittene Ende des Implantates im Kniegelenk aus den Oberschenkelknochen von Mäusen 14-19 erweitert. Ein Inokulum von Staphylococcus aureus (Stamm Xen29 biolumineszierende oder Xen36) wurde dann auf die Oberfläche des Implantates im Kniegelenk pipettiert, bevor der Operationsstelle wurde 14-19 geschlossen. In vivo Abbildungsoptik verwendet, um zu detektieren und zu quantifizieren, die Biolumineszenz-Signale, die entsprach der nummer von Bakterien im infizierten Gelenk-und Knochengewebe 14-19. Zusätzlich wird in vivo Fluoreszenzmikroskopie der LysEGFP Mäusen, die Fluoreszenz Neutrophile 20 besitzen, verwendet, um die Anzahl von Neutrophilen, die mit den infizierten Kniegelenke mit den K-Draht Implantate 14,19 wandert quantifizieren. Schließlich anatomischen Bildgebungsmodalitäten, einschließlich hochauflösender Röntgenbildgebung und μCT Bildgebung erlaubt jeweiligen 2D und 3D anatomischen Bildgebung des betroffenen Knochens über die gesamte Dauer der chronischen Infektion, die wir willkürlich in der Regel am Ende zwischen 2 und 6 Wochen nach der Operation 16 , 18. Mit diesem Modell könnte die Wirksamkeit von lokalen und systemischen antimikrobiellen Therapie, schützende Immunantworten und pathologischen anatomischen Veränderungen der Knochen ausgewertet 14-18 werden. In diesem Manuskript wurden die detaillierten Protokolle für die optischen und μCT bildgebenden Modalitäten in diesem orthopädischen Gelenkprothese Infektionsmodell als Vertre bereitgestelltve System, um biologische Prozesse in der anatomischen Zusammenhang der Knochen studieren. Diese schließen die chirurgischen Verfahren, die eine orthopädische Gelenkprothesen-Infektion in Mäusen zu modellieren, 2D und 3D in vivo optischen Bildgebungsverfahren (für bakterielle Biolumineszenz-Signale und Fluoreszenzsignale zu detektieren Neutrophilen) μCT Abbildungserfassung und Analyse und Co-Registrierung von optischen 3D-Bilder mit der μCT Bilder.
Multimodalität Bildgebung, wie bildgebende Verfahren, die in vivo optische Bildgebung in Verbindung mit μCT Bildgebung nutzen eine neue technologische Ansatz, der die 3D-Visualisierung, Quantifizierung und Überwachung der Längs biologischen Prozesse in einem anatomischen Zusammenhang 1-4 erlaubt. Die Protokolle in der vorliegenden Studie bieten detaillierte Informationen, wie in vivo Biolumineszenz-und Fluoreszenz-Imaging mit μCT Bildgebung in einer orthopädischen Prothesenimplantat Infektionsmodell in Mäusen kombiniert, um die bakterielle Belastung, neutrophile Entzündung und anatomische Veränderungen im Knochen nicht-invasiv und in Längsrichtung über überwachen Zeit. Zusammen, die durch die Kombination von optischen und strukturellen Bildgebung gewonnenen Informationen stellt einen großen technologischen Fortschritt, die sein können, besonders gut geeignet, um biologische Prozesse und pathologischen Bedingungen, die den Bewegungsapparat beeinflussen zu studieren.
Ein Interesseing Feststellung, dass darauf hingewiesen werden sollte, ist, dass wir beobachtet, dass die EGFP-Neutrophilen Fluoreszenzsignale verringert wird, um Hintergrundwerte von 14-21 Tagen und blieb auf Hintergrundwerte für die Dauer des Experiments, obwohl die Anwesenheit von biolumineszenten Bakterien. Es ist unwahrscheinlich, dass die Röntgenstrahlung beeinflusst Neutrophilen Überleben beobachteten wir ähnliche Kinetik der Neutrophilen-Signale in nicht-bestrahlten Mäusen 19. In unseren früheren Arbeiten, bei denen ein Modell von S. aureus infizierten Wunden, beteiligt neutrophile Infiltration eine Kombination aus robusten Neutrophilenrekrutierung aus dem Kreislauf, verlängert das Überleben von Neutrophilen an den Ort der Infektion und dem Homing von KIT + Vorläuferzellen an der Abszess, wo sie vor Ort führen zu Neutrophilen 23 reifen. Es ist wahrscheinlich, dass ähnliche Prozesse beigetragen Neutrophilen-Infiltration in der orthopädischen Implantat S. aureus-Infektionsmodell. Obwohl es nicht bekannt ist, warum die Neutrophilen Signale im Orthop verringerteaedic Infektionsmodell könnte es sein, dass die Immunantwort über die Zeit verändert, wie dies voran Infektion von einer akuten zu einer chronischen Infektion und dies ist ein Gegenstand zukünftiger Untersuchungen.
Es gibt Einschränkungen mit diesem Mausmodell der orthopädischen Gelenkprothese Infektion und der In-vivo-Bildgebung, die Multimodalität beachtet werden sollte. Erstens ist dies eine zu starke Vereinfachung Maus-Modell der aktuellen Verfahren und Materialien in der orthopädischen Chirurgie bei Menschen 24 verwendet. Dennoch tut dies Modell rekapitulieren die chronische Infektion und die daraus resultierenden Entzündung im Knochen-und Gelenkgewebe, das in der menschlichen orthopädischen Implantatinfektionen 8,9 zu sehen ist. Zusätzlich zu den μCT Bilder zu erhalten, wurden relativ niedrige Dosen von Röntgenstrahlung verwendet, um negative Auswirkungen auf die Gesundheit der Tiere im Verlauf der Infektion zu minimieren. Für eine bessere Auflösung von Knochen, höhere Dosen von Röntgenstrahlung könnte für μCT Bildgebung verwendet werden eingeschläfert auf einnimals. Dies würde jedoch die Möglichkeit zu beseitigen, um die Knochenveränderungen über die Dauer der Experimente nicht-invasiv und in Längsrichtung überwacht.
Im Ergebnis hat die multimodale Bildgebung, die die Kombination von In-vivo-Tier ganze optische Bildgebung mit anatomischen Bildgebung μCT umfassendere Informationen über die Infektion und entzündliche Reaktion erlaubt. Außerdem haben diese Techniken die Auswertung der Folgen der Infektion und Entzündung an der Knochen-und Gelenksgewebe erlaubt. Zukünftige Arbeiten könnten sich die Vorteile der Multimodalität Bildgebung zu ergreifen, um die Wirksamkeit von antimikrobiellen Therapien, Immunreaktionen, Pathogenese der Krankheit und den reaktiven Veränderungen im Knochen zu bewerten, wie wir begonnen haben, 14-18 zu untersuchen. Darüber hinaus könnte die multimodale Bildgebungssonden und Tracer zu evaluieren, das Vorliegen einer Infektion zu diagnostizieren, wie zuvor in Tiermodellen eine Oberschenkel-Infektion, Endocarditis, Lungen InfectIonen und Biomaterial-Infektionen 25-28. Schließlich könnte der Einsatz der multimodalen Bildgebung über Infektionskrankheiten erweitert und zwischen den Disziplinen, einschließlich Orthopädie, Rheumatologie und Onkologie verwendet werden, um andere Bedingungen zu untersuchen, die auf das Muskel-Skelett-System, wie Skelett Krebs, Metastasen, Frakturen und Arthritis 5-7 .
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von einer H & H Lee Surgical Resident Research Scholars Program (JAN), unterstützt ein AO Foundation Gründungszuschuss S-12-03M (LSM) und ein National Institutes of Health Zuschuss R01-AI078910 (LSM) .
Xen36 bioluminescent Staphylococcus aureus strain | PerkinElmer, Hopkinton, MA | Bioluminescent Staphylococcus aureus strain derived from ATCC 49525 (Wright), a clinical isolate from a bacteremia patient | |
Tryptic soy broth | BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ | 211825 | |
Bacto Soy Agar | BD Biosciences, Franklin Lakes, NJ | 214010 | |
LysEGFP knockin mouse strain | Not commercially available. This strain contains a knockin of enhanced green fluorescence protein (EGFP) into the lysozyme M gene | ||
Betadine | Purdue Products, Stamford, CT | ||
Kirschner-wire (titanium, 0.8 mm diameter) | Synthes, West Chester, PA | 492.08 | |
Wire Cutter – Duracut T.C. | H&H Company, Ontario, Canada | 83-7002 | |
Isoflurane | Baxter, Deerfield, IL | 118718 | |
Vicryl 5-0 sutures (P-3 Reverse cutting) | Ethicon, Summerville, NJ. Purchased through VWR International. | 95056-936 | |
Sustained-release Buprenorphine (5 ml – 1 mg/ml) | Zoopharm, Windsor, CO | analgesic | |
IVIS Spectrum Imaging System | PerkinElmer, Hopkinton, MA | optical in vivo imaging system | |
Quantum FX in vivo μCT system | PerkinElmer, Hopkinton, MA | μCT in vivo imaging system | |
IVIS SpectrumCT Imaging System | PerkinElmer, Hopkinton, MA | combined optical and μCT in vivo imaging system | |
Living Image Software | PerkinElmer, Hopkinton, MA | Image analysis software for in vivo optical imaging |