骨再生をさまざまな階層レベルで評価するためのプロトコルを提案します。このマルチモーダル手法により、異なる長さスケールでの構造解析が可能となり、試料準備の課題に効果的に対処できます。また、骨再生促進におけるバイオマテリアルの効果を評価する信頼性の高いワークフローも提供しています。
骨再生をさまざまな階層レベルで評価するためのプロトコルを提案します。このマルチモーダル手法により、異なる長さスケールでの構造解析が可能となり、試料準備の課題に効果的に対処できます。また、骨再生促進におけるバイオマテリアルの効果を評価する信頼性の高いワークフローも提供しています。
インプラントの臨床的成功は、骨修復を促進し、骨統合を促進する能力に大きく依存しています。新しい足場の設計において大きな進歩はありましたが、さまざまな骨長スケールでのインプラント成功率の徹底的な評価はまだ十分に研究されていません。骨は階層的に組織化された組織であり、ナノメートルおよびマイクロメートルスケールでのコラーゲン線維の組織と鉱化から、マクロな緻密で円序骨の配列まで複雑な構造を持っています。この階層的な組織は、骨の機能と機械的な性能を確保するために極めて重要です。この文脈では、複数の長さスケールで生体材料が骨修復に与える影響を包括的に評価することが、埋め込み材料の有効性と安全性を評価するために不可欠です。しかし、統合マルチモーダル解析のための試料準備には技術的な課題があります。本研究では、骨再生をさまざまな階層レベルで評価し、新たに形成された骨と埋め込まれた足場のインターフェースを解析するためのプロトコルを提示します。このアプローチは、骨修復誘導における足場の効果を評価するための堅牢な方法を提供します。選択された3Dおよび2D画像技術の組み合わせは、骨の治癒過程で形成される複雑な石灰化組織を適切に評価するために極めて重要です
骨は複雑で階層的に組織された組織です 1,2。その構造的組織を理解することは、細胞が組織構造にどのように寄与し、構造変化が機械的機能にどのように影響するかという基本的な疑問に取り組むために不可欠です。この文脈において、損傷後の骨の再構築は研究の中心的なテーマとなっています。骨折治癒は複雑な多段階のプロセスであり、初期の炎症反応から始まり、その後血管新生、前駆細胞が軟骨細胞および骨芽細胞へと分化します。生体材料が骨統合を刺激する役割については、特に生体適合性と繊維性被覆を防ぐ能力について多くの議論があります。
生体材料刺激骨統合を評価するために一般的に採用されている方法の一つが光学顕微鏡であり、定量的および定性的組織学的解析を可能にします。このアプローチは骨インプラントの成功を評価する信頼性と効果的な方法であることが示されています7,8。しかしながら、骨の階層的配列に関するいくつかの問題は、特に組織学的アプローチを単一の画像診断手法で探ることはできず、少なくとも部分的には拡大率の制限があるためです。
三次元画像診断の進歩は、骨の階層的組織を理解する上で不可欠であることが証明されています。マイクロコンピュータ断層撮影(microCT;シンクロトロン放射または従来の実験室ベースのX線源)9,10,11、スライス・アンド・ビュー断層撮影(12,13,14)および透過電子断層撮影(15,16)に関連する二重ビーム走査型電子顕微鏡(FIB-SEM)などの技術は、多スケールの骨構造に関する新たな知見をもたらしました。
異なる3Dイメージング手法に基づき、骨の階層的組織モデルが提案され、当初は9つの異なる骨構造組織レベルを特定しました。このスキームは最近、約12の階層レベルを包含するよう改訂・拡大されており、骨組織の構造と機能の関係を探るための貴重な参考資料となっています2,17。重要なのは、この提案された階層モデルが、損傷後の骨修復の成功を評価する基盤を提供していることです。再生骨組織が本来の階層構造を再現しているかどうかを評価することは、特に損傷部位に生体材料が使用される骨治癒の質を評価する重要な基準です。
骨の組織を調査するための複数の画像技術の利用については6、7、18、19、20年に議論されていますが、異なる画像手法を統合して複数の空間スケールにわたる骨の組織を評価するワークフローについてはほとんど探求されていません。前述の通り、骨は有機相(細胞、コラーゲン、高分子)と鉱化マトリックスからなる複雑な複合組織です。試料準備の観点から見ると、この複雑さは試料を通じた溶媒の浸透、硬試料の断片化、同一試料に対する異なるイメージング戦略の統合に関する技術的課題をもたらします。
この研究の重要な革新は、三次元イメージングと補完的技術を用いた再現可能で相関的かつ多スケールのイメージングワークフローの確立です。 図1Aに示すように、ワークフローは同じサンプルを異なる画像手法で順次検査できるように設計されています。これらの技術の中には破壊的なものや断面化が必要なものもあるため、作業の流れは非破壊的な方法から始まり、切断や材料の除去を伴うアプローチへと進んでいきます。
このサンプル準備および分析のワークフローは、皮質骨や小梁骨、移植前の足場、移植後の骨と生体材料の界面評価など、硬質または鉱化された標本に広く適用可能です。異なる視野や解像度範囲にわたるイメージングモダリティを組み合わせることで(図1B)、センチメートルスケールからマイクロメートル、ナノメートルスケールまでのサンプルの分析が可能となります。シーケンスは単一の標本の相関解析をサポートするように最適化されていますが、各技術は実験目標に応じて独立して適用することも可能です。このアプローチにより、生体材料の骨統合の詳細な評価や治癒領域における再生骨成長の評価が可能になります。
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このプロトコルで示された結果は、以前の研究で実施された実験的手法から得られたものです。すべての手続きは、ブラジルのフルミネンセ連邦大学における実験動物利用・ケアに関する倫理委員会(CEUA/UFF: 779)の倫理ガイドラインに従って実施されました。簡単に言えば、体重300〜400gのオスWistarラット20匹を、シャム植床とcHAマイクロスフィア着床の2つのグループにランダムに割り当てました。すべての動物は脛骨幹に2mmの欠損ができる手術を受けました。シャムグループは非重大な欠損の骨再生を評価するための血栓管理を担当し、実験グループは欠損部位にCHA37微小球を移植しました。7日目と21日目に、動物は全身麻酔の過剰投与で安楽死され、各グループおよび時期(7日および21日)から脛骨ブロックが採取されました。骨の質および新たに形成された骨の範囲は光学顕微鏡およびマイクロCTを用いて評価されました。
1. サンプル固定と樹脂埋め込み
2. マイクロコンピュータX線断層撮影(microCT)を用いたサンプル可視化
注:マイクロCTはインプラントの位置と骨再生の評価に使用されます。また、さらなる分析のための関心領域を特定するのにも役立ちます。この工程はサンプルを樹脂に埋め込んで行うべきです。
3. 光学顕微鏡のための試料準備
4. 走査型電子顕微鏡のための試料準備
6. 透過電子顕微鏡のための試料準備
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樹脂埋め込みサンプルの初期解析はマイクロコンピュータ断層撮影(microCT)を用いて行われます。この非破壊技術により、欠陥領域全体の3D可視化が可能となり、試料の定量的および定性的分析の両方が可能になります。microCTイメージングにおけるコントラストは主に試料中の材料の密度差に由来します。図1は、CHA37バイオマテリアルを埋め込みたラット脛骨の非臨界欠損のmicroCT解析を示しています。サンプルは移植後12週間に採取され、前述の樹脂埋め込みプロトコルに従って準備されました。microCT解析により、サンプルの内部構造を明らかにする3Dモデル(図3A-B)が得られ、骨、生体材料、樹脂、新たに形成された骨の区別が可能になりました(図3C-D)。体積、物質...
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重要なのは、microCTで得られる小梁骨のパラメータ、例えば小梁厚や小梁間角度は、機械的検査結果との相関モデルを確立するための貴重なデータである。これまでの研究では、microCT由来の体積情報を有限要素解析と統合し、骨折タコ組織の力学的特性を推定することに成功し、骨折治癒研究における有用性が示されています(27,28,29,30)。さらに、Reznikovらの最近の研究は、小柄間角度の定量化が小柄微構造と正常機関車機能の関係に重要な洞察をもたらすことを示しました。小梁間角に関するパラメータは、後にナノ構造化されたcHA/アルギン酸微小球の有無における骨再生の評価...
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著者らは、本論文で報告された研究に影響を与えた可能性のある競合する財政的利害関係や個人的な関係は既知のものではないと述べています。
この研究は、ブラジルの以下の機関からの助成金によって支援されました:Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico(CNPq/Brazil)およびカルロス・チャガス・フィリョ・デ・アンパロ・ア・ペスキサ・ド・エスタド・ドゥ・リオデジャネイロ(FAPERJ)です。電子顕微鏡施設を提供してくれたLABNANO/CBPFおよびCENABIO/UFRJに感謝いたします。言語の洗練と文法修正はChatGPT(OpenAI, GPT-5.1, 2025)を用いて実施されました。すべての編集は著者によって確認・検証されています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アセトン | メルク | 67-64-1 | |
| アルミニウムシリンダー | 自家製 | 該当なし | |
| Avizo バージョン 2022.1 | サーモフィッシャー | 該当なし | 画像フィルタリング、セグメンテーション、3D可視化のためのソフトウェア |
| カコジル酸、ナトリウムソルト、三水和物 | テッド・ペラ | 18851 | カコジル酸バッファー用の粉末。0.2 Mのストック溶液を準備します |
| ダイヤモンド研磨コンパウンド3&マイクロ;Mサイズ | テッド・ペラ | 895-8 | |
| ダイヤモンド研磨コンパウンド6およびマイクロ;Mサイズ | テッド・ペラ | 895-9 | |
| ダイヤモンドホイール x.006 | サウスベイ・テクノロジー | DWH 3063 | |
| ダイヤモンドホイール x.012 | サウスベイ・テクノロジー | DWH 4122 | |
| フェルトの磨き布 | テッド・ペラ | 816-20 | |
| 平らな埋め込みカプセル | EMS | 70021 | |
| ガラスカバースリップ | ニッテル | 該当なし | |
| ガラススライド | ニッテル | 該当なし | |
| グルターアルデヒド、25%EMグレード | テッド・ペラ | 18426/18427 | |
| ゴールドスパッター K550X | エミテック | 該当なし | |
| イメージJ | 国立衛生研究所(NIH) | 画像処理、フィルタリング、セグメンテーション、3D可視化のためのソフトウェア | |
| IMODバージョン5.1 | コロラド大学 | 画像分割、セグメント化、3D可視化のためのソフトウェア | |
| 研磨機 | サウスベイ・テクノロジー | モデル910 | |
| 低速ダイヤモンドホイールソー; | サウスベイ・テクノロジー | モデル650 | |
| 低粘度埋め込みキット | EMS | 14300 | SPURR樹脂用のキット。データシートの仕様に従って準備してください。 |
| マイクロCTスカイスキャン1273 | ブルーカー | 該当なし | |
| 顕微鏡 Jeol 2100F 200kV | ジェル | 該当なし | |
| 顕微鏡オリンパスBX51 | オリンポス | 該当なし | |
| 顕微鏡テスカンライラ3 | テスキャン | 該当なし | |
| 顕微鏡ツァイス公理図 | ツァイス | 該当なし | 一等ラムダプレートを装備 |
| パラホルムアルデヒド、EMグレード | シグマ | P6148 | ホルムアルデヒド溶液用の粉末。16%のストック溶液を準備してください |
| プラスチックスライド | エクザクト | 41500 | |
| QuickStick 135 マウントワックス | サウスベイ・テクノロジー | 該当なし | |
| サンドペーパー 粒径 1200 | 該当なし | 該当なし | |
| サンドペーパー 粒径 2500 | 該当なし | 該当なし | |
| サンドペーパー 粒径4100 | 該当なし | 該当なし | |
| 瞬間接着剤 | ロックタイト | 該当なし | |
| 水溶性クーラント | サウスベイ・テクノロジー | 該当なし | |
| ワットマングレード1のろ紙 | シグマ | WHA1001150 |
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