Method Article

Een sectie-, coring- en beeldverwerkingshandleiding voor aanschaf en analyse van corticale botmonsters met hoge doorvoer voor Synchrotron Micro-CT

DOI:

10.3791/61081

⸱

June 12th, 2020

 ,  , 
1Department of Biology, The University of Akron, 2Department of Geosciences, The University of Akron

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We gebruikten een geologisch (coring) bemonsteringsprotocol om corticale botmonsters van uniforme grootte aan te schaffen voor SRμCT-experimenten vanuit het voorste aspect van menselijke femora. Deze methode is minimaal destructief, efficiënt, resulteert in cilindrische specimens die beeldvormingsartefacten uit onregelmatige monstervormen minimaliseren en microarchitecturale visualisatie en analyse verbeteren.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bot is een dynamisch en mechanisch actief weefsel dat in structuur verandert gedurende de menselijke levensduur. De producten van het botremodelleringsproces zijn aanzienlijk bestudeerd met behulp van traditionele tweedimensionale technieken. Recente vooruitgang in röntgenbeeldvormingstechnologie via desktop micro-computed tomografie (μCT) en synchrotronstraling micro-computertomografie (SRμCT) hebben de aanschaf mogelijk gemaakt van driedimensionale (3D) scans met hoge resolutie van een groter gezichtsveld (FOV) dan andere 3D-beeldvormingstechnieken (bijv. SEM) die een vollediger beeld geven van microscopische structuren in menselijk corticale bot. Het monster moet echter nauwkeurig worden gecentreerd binnen de FOV om het uiterlijk te beperken van streepartefacten waarvan bekend is dat ze van invloed zijn op gegevensanalyse. Eerdere studies hebben gemeld inkoop van onregelmatig gevormde rechtlijnige botblokken die resulteren in beeldvorming artefacten als gevolg van ongelijke randen of beeldverloop. We hebben een geologisch bemonsteringsprotocol (coring) toegepast om corticale botkernmonsters van consistente grootte aan te schaffen voor SRμCT-experimenten vanuit het voorste aspect van menselijke femora. Deze coring methode is efficiënt en minimaal destructief voor weefsel. Het creëert uniforme cilindrische monsters die beeldvormingsartefacten verminderen door isometrisch te zijn tijdens rotatie en een uniforme padlengte bieden voor röntgenstralen tijdens het scannen. Beeldverwerking van röntgentomografische gegevens van cored en onregelmatig gevormde monsters bevestigt het potentieel van de techniek om visualisatie en analyse van corticale botmicroarchitectuur te verbeteren. Een doel van dit protocol is om een betrouwbare en herhaalbare methode te leveren voor de extractie van corticale botkernen die kan worden aangepast voor verschillende soorten botbeeldvormingsexperimenten met hoge resolutie. Een overkoepelend doel van het werk is om een gestandaardiseerde corticale botaankoop voor SRμCT te creëren die betaalbaar, consistent en eenvoudig is. Deze procedure kan verder worden aangepast door onderzoekers op verwante gebieden die vaak harde composietmaterialen evalueren, zoals in de biologische antropologie, geowetenschappen of materiaalwetenschappen.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met recente vooruitgang in beeldvormingstechnologie is het nu haalbaar om röntgenbeeldgegevens met een zeer hoge resolutie te verkrijgen. Desktop micro-CT (μCT) systemen zijn de huidige standaard voor imaging cancellous bot vanwege hun niet-destructieve aard1. Bij het in beeld brengen van microstructurele kenmerken van corticale bot is het gebruik van μCT echter beperkter geweest. Vanwege resolutiebeperkingen kunnen desktopsystemen niet de resolutie bereiken die nodig is om microstructurele functies kleiner te maken dan corticale poriën, zoals osteocytenlacunee. Voor deze toepassing is SRμCT ideaal vanwege de grotere resolutie van deze systemen....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle exemplaren zijn afkomstig van gebalsemde kadaverdonoren aan de Universiteit van Toledo, het College of Medicine and Life Sciences en de Northeast Ohio Medical University (NEOMED), met de geïnformeerde toestemming van de donor zelf of de nabestaanden van de donor. De Institutional Review Board for the Protection of Human Subjects (IRB) van de Universiteit van Akron achtte deze specimens vrijgesteld van volledige IRB-beoordeling omdat ze niet werden verkregen van levende personen. Demografische informatie, waaronder leeftijd, geslacht en doodsoorzaak, was beschikbaar voor alle donoren. De geselecteerde personen hadden geen botbelichte aandoeningen gedocumenteerd, n....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De beschreven methode van kernbemonstering bleek zeer doeltreffend en efficiënt te zijn. Coring monsters met behulp van dit protocol toegestaan voor de aankoop van >300 consistent formaat monsters voor experimenten op de CLS BMIT-BM beamline2,met een FOV van ~ 2 mm bij 1,49 μm voxel grootte. Om de consistentie van de kerndiameter te valideren, werden drie metingen uitgevoerd over de lengte (boven, midden, onder) van een deelverzameling van menselijke voorste femurkernen (n=69). De gemidde.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Er is geen uitgebreid, gestandaardiseerd protocol voor de aanschaf van uniforme en cilindrische corticale botkernmonsters voor SRμCT-beeldvorming met hoge resolutie met beperkte FOV-opstellingen. Het protocol dat hier wordt beschreven, vult die leegte op door een uitgebreide zelfstudie te geven over het verkrijgen van consistent formaat corticale botkernmonsters voor SRμCT-beeldvorming en de daaropvolgende nauwkeurige visualisatie en extractie van microarchitectuurgegevens. We hebben aangetoond dat ons protocol een meer .......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het in dit artikel beschreven onderzoek werd uitgevoerd in de BMIT-faciliteit van de Canadian Light Source, die wordt ondersteund door de Canada Foundation for Innovation, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, de University of Saskatchewan, de regering van Saskatchewan, Western Economic Diversification Canada, de National Research Council Canada en de Canadian Institutes of Health Research. De auteurs willen de beamline-wetenschappers van de Canadese lichtbron, met name Adam Webb, Denise Miller, Sergey Gasilov en Ning Zu, bedanken voor de hulp bij het opzetten en oplossen van problemen met de SkyScan SRμCT- en witstraalmicroscoopsystemen. We wil....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1-1/8" plunge cutting carbide for compositesWarrior6181228.6mm plunge
70% EthanolFisher ScientificBP82015003.8 Liters
Blunt-tipped forcepsFisher Scientific10-300
Centrifuge tubesThermoFisher55398
Crystalbond 509-3 EpoxyTed Pella821-3
CTAnalyserBruker microCTv.1.15.4.0Download and install at https://www.bruker.com/products/microtomography/micro-ct-software/3dsuite.html
Dental Tool KitAmazon787269885110
Diamond wafering saw blade for composite materialBuehler#11-4247
Drill PressJet Mill/Drill350017Model: JMD-15, benchtop drill presses are suitable substites, but typically lack a translatable machine table for positioning samples beneath the drill stem
Fine-tipped forcepsFisher Scientific22-327379
Fixturing clamps for XY machine table for mill/drillMSC Industrial Supply#04804571
Glass microscope slidesTed Pella2600575x50mm slides, 1mm thick
Glass slide chuckBuehler#112488Large enough to hold 75x50mm glass slides
Hot plate capable of reaching 140 °CThermoScientificHP88850105
IncubatorNAPCOModel 4200
Isocut FluidBuehler111193032Lubricant; 30mL
Jeweler's diamond coring drill bitOtto Frei#119.0502mm inner diameter hollow stem coring bit
NReconBruker microCTv.1.6.10.2Download and install at https://www.bruker.com/products/microtomography.html
Oscillating sawHarbor Freight62866
Oven-safe glass dishesPyrex1117715Glass food storage container
Precision slow-speed saw (Isomet 1000)Buehler111280160
Razor bladesAmazon25181
Shallow aluminum tinsAmazonB01MRWLD0R~8cm diameter
Specimen cupsAmazon616784425436 885334344729
Tergazyme detergentAlconox1304-11.8kg box
Ultrasonic cleanerMTI CorporationKJ201508006

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Andronowski, J. M., Crowder, C., Soto Martinez, M. Recent advancements in the analysis of bone microstructure: New dimensions in forensic anthropology. Forensic Sciences Research. 3 (4), 278-293 (2018).
  2. Wysokinski, T. W., et al.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Cortical Bone ProcurementSynchrotron Micro CTBone Core SamplingImage Processing GuideSectioning and CoringHigh Throughput AnalysisBone Specimen PreparationMicro CT Artifact ReductionCylindrical Bone SamplesBone Microarchitecture Analysis

Related Articles