Summary
Kombinert optisk og μCT avbildning i en musemodell for ortopedisk implantat-infeksjon, ved å benytte et bioluminescent konstruert stamme av Staphylococcus aureus, forut evnen til ikke-invasivt og langs følge av dynamikken i den bakterieinfeksjon, så vel som den tilsvarende inflammatoriske respons og anatomiske forandringer i ben.
Abstract
Multimodalitet bildebehandling har dukket opp som en felles teknologisk tilnærming som brukes i både preklinisk og klinisk forskning. Avanserte teknikker som kombinerer in vivo optisk og μCT bildebehandling tillater visualisering av biologiske fenomener i en anatomisk sammenheng. Disse bildediagnostikk kan være spesielt nyttige for å studere forholdene som påvirker ben. Spesielt ortopediske implantat infeksjoner er et viktig problem i klinisk ortopedisk kirurgi. Disse infeksjonene er vanskelig å behandle fordi bakterielle biofilmer dannes på de utenlandske kirurgisk implanterte materiale, som fører til vedvarende inflammasjon, osteomyelitt, og eventuelt osteolyse av benet rundt implantatet, som til slutt resulterer i implantatløsning og svikt. Her ble en musemodell av en infisert ortopedisk proteseimplantat som brukes som involverte den kirurgiske plassering av en Kirschner-tråd implantatet inn i en intramedullær kanalen i femur på en slik måte at enden av implantatet eXtended inn i kneleddet. I denne modellen, LysEGFP mus, en mus stamme som har EGFP-fluorescerende nøytrofile, var ansatt i forbindelse med en selvlysende Staphylococcus aureus stamme, som naturlig avgir lys. Bakteriene ble inokulert i kneleddene av musene før lukking av operasjonsstedet. In vivo bioluminescent og fluorescent avbildning ble brukt til å kvantifisere bakteriebelastning og nøytrofile inflammatorisk respons, respektivt. I tillegg ble μCT avbilding utført på samme mus slik at 3D plasseringen av bioluminescent og fluorescerende optiske signaler kan være co-registrert med de anatomiske μCT bilder. For å kvantifisere de endringer i benet over tid, ble den ytre benvolum av de distale lårben målt ved bestemte tidspunkter ved hjelp av en semi-automatisert kontur basert segmenteringsprosess. Til sammen kombinasjonen av in vivo bioluminescent / fluorescerende bildebehandling med μCT bildebehandling kan være spesielt nyttig feller ikke-invasiv overvåkning av infeksjonen, inflammatorisk respons og anatomiske forandringer i benet over tid.
Introduction
Multimodalitet preklinisk bildeteknikker som innebærer en kombinasjon av optisk og anatomisk informasjon tillater visualisering og overvåking av biologiske fenomener i 3D 1-4. Siden μCT bildebehandling tillater utsøkt visualisering av bein anatomi, ved hjelp μCT bildebehandling i forbindelse av med optisk avbildning representerer en unik kombinasjon som kan være spesielt nyttig for å undersøke prosesser som involverer bein biologi 5-7. Et eksempel kan være å bruke disse teknikkene til å studere ortopediske implantatinfeksjoner, som representerer en katastrofal komplikasjon etter ortopediske kirurgiske prosedyrer 8,9. Bakterier biofilm dannes på de implanterte fremmedlegemer som fremmer overlevelse av bakterier ved å fungere som en fysisk barriere som hindrer immunceller fra sensing infeksjonen og blokkerer antibiotika får tilgang til bakterier 10,11. Den kroniske og vedvarende infeksjon av leddet vev (septisk artritt) etd ben (osteomyelitt) induserer benresorpsjon som fører til løsning av protesen og eventuell svikt 8,9. Dette resulterer periprosthetic osteolyse er assosiert med økt sykelighet og dødelighet 12,13.
I vårt tidligere arbeid, ble in vivo bioluminescent og fluoriserende bildebehandling brukes sammen med X-ray og mikro-computertomografi imaging (μCT) i en ortopedisk protese felles smittemodell hos mus 14-19. Denne modellen involverte å plassere en titan Kirschner-tråd (K-wire) på en slik måte at den kappede enden av implantatet utvides i kneleddet fra lårben hos mus 14-19. Et inokulum av Staphylococcus aureus (stamme bioluminescent Xen29 eller Xen36) ble deretter pipettert på overflaten av implantatet i kneleddet før det kirurgiske området ble lukket 14-19. In vivo optisk avbildning ble benyttet for å detektere og kvantifisere bioluminiserende signaler, som samsvarer med number av bakterier i den infiserte ledd og beinvev 14-19. I tillegg in vivo avbildning av fluorescens LysEGFP mus, som besitter fluorescerende nøytrofiler 20 ble brukt til å kvantifisere antallet nøytrofiler som utvandret til de infiserte kneledd som inneholder K-tråds implantater 14,19. Til slutt, anatomiske bildediagnostikk, inkludert høyoppløselig røntgen og μCT bildebehandling, tillates respektive 2D og 3D anatomisk avbildning av de berørte bein over hele varigheten av kronisk infeksjon, som vi vil vilkårlig ende typisk mellom 2 og 6 postoperative uker 16 18. Ved å bruke denne modellen, kan effekten av lokal og systemisk antimikrobiell behandling, beskyttende immunresponser og patologiske anatomiske forandringer i benet bli evaluert 14-18. I dette manuskriptet, ble de detaljerte protokoller for de optiske og μCT bildediagnostikk i denne ortopedisk protese felles smittemodell gitt som en representative system for å studere biologiske prosesser i anatomisk forbindelse av benet. Disse inkluderer de kirurgiske prosedyrer for å modellere en ortopedisk protese felles infeksjon hos mus, 2D og 3D in vivo optisk avbildningsprosedyrer (for å oppdage bakterielle bioluminiserende signaler og fluorescerende nøytrofile signaler), μCT bildebehandling innsamling og analyse og co-registrering av 3D optiske bilder med μCT bilder.
Protocol
Etikk uttalelse: Alle dyrene ble håndtert i henhold til god dyr praksis som definert i de føderale forskrifter som er fastsatt i dyrevernloven (AWA), 1996 Guide for omsorg og bruk av forsøksdyr og PHS Policy for Humane Stell og bruk av forsøksdyr, og alle dyr arbeidet ble godkjent av Johns Hopkins Animal Care og bruk komité (Protokoll #: MO12M465).
1. Forberede Inoculum av Midt-logaritmiske Bioluminescent Bakterier
- Streak bioluminescent S. aureus stamme Xen29 (eller en annen bioluminscent belastning som Xen36) på tryptisk soya agar plater (tryptisk soya buljong i agar [1,5%]).
MERK: S. aureus Xen29 21 er en genmodifisert S. aureus stamme som inneholder et modifisert lux operon avledet fra Photorhabdus luminescens, som er integrert i en stabil opprinnelige plasmid som finnes i denne bakteriestamme. Disse motorEred bakterier konstitutivt avgir lys fra levende og metabolsk aktive celler. - Dyrk kolonier på platene ved å inkubere dem ved 37 ° C i omtrent 16 timer (O / N).
- Velg enkelt bakteriell CFU og kultur i risting flytende TSB (240 rpm) i ca 16 timer (O / N).
- Utfør en sub-kultur med 1/50 fortynning av O / N kultur å skaffe mid-logaritmisk vekstfase bakterier (ca. 2 timers varighet).
- Pellet, resuspender og vaske bakteriene 3x i PBS.
- Estimer bakteriell inokulater (1 x 10 3 CFU i 2 mL PBS) ved å bestemme den optiske tetthet ved 600 nm absorbans.
- Verifisere CFU i pode etter dyrkning av bakterier O / N på tallerkener.
2. Muse kirurgiske prosedyrer
MERK: For disse eksperiment, bruke en tolv uker gamle LysEGFP mus. Disse musene har forbedret grønt fluorescerende protein (EGFP) uttrykker myeloide celler (som består av mostly nøytrofile) 20. Oppretthold sterile betingelser under operasjonen og etter kirurgisk prep med Betadine og 70% alkohol ved å plassere hver mus på en steril drape på toppen av en hard overflate vann sirkulerer varmeputen. Bruk kappe, sterile hansker, maske og sterilisere instrumenter.
- Anesthetize mus ved bruk av en 2% inhalering av isofluran. Bruk dyrlege salve på øynene for å hindre tørrhet mens under anestesi. Vurdere riktig nivå av anestesi ved å observere respirasjonsfrekvens, muskeltonus, toe klype, hornhinne refleks og farge på slimhinner. Dekk til mus med en steril kirurgisk drapering med et hull ved kirurgi området på høyre kne. Musen bør få støttende oppvarming tiltak for å opprettholde kroppstemperaturen mens under anestesi. Varm 37 ° C vann sirkulerer i et varmt vannkappe teppe eller et vann sirkulerer hard plast oppvarmet arbeidsstasjon (ProStation, Patterson, Scientific) er gode måter å forebygge hypotermi.
- Injisere buprenorphine (vedvarende frigivelsesformulering) (2,5 mg / kg) subkutant rett før kirurgi. Ytterligere doser av vedvarende-release buprenorfin kan administreres med tre dagers mellomrom etter behov for smertelindring.
- Barbere operative kne og prep ved hjelp av tre vekslende skrubb som bruker betadine og 70% alkohol.
- Utfør en midtlinje innsnitt i huden liggende den høyre kneleddet. Utvide huden innsnitt slik at extensor mekanismen kan være godt definert.
- Utfør en medial parapatellar artrotomi og sublux quadriceps-patellarsenen strekkemekanismen lateralt med en Adson tang.
MERK: Dette bringer intercondylar hakk av femur i vanlig visning. - Manuelt ream den intramedullære kanal ved hjelp av en 25 G nål etterfulgt av en 23 G nål.
Merk: For å unngå skade på femur, kan en stabiliserende plattform brukes. Dette bør være viktig for teknikken for å minimalisere et utilsiktet brudd av femur. - Sett inn en medisinsk-grade titan Kirschner-leder (mm diameter 0,8) ved hjelp av en trykk-fit teknikk, som innebærer manuelt skyve den ved hjelp av en pin holder, i en retrograd retning inn i intramedullært kanalen.
MERK: Titanium K-ledninger ble brukt som det var færre gjenstander sett på μCT bilder med titan K-ledninger sammenlignet med rustfritt stål K-ledninger 16. - Skjær enden av Kirschner-tråd med pinnekutterne, slik at den kappede enden av K-ledningen strekker seg omtrent 1 mm inn i kneleddet plass.
- Ved hjelp av en mikropipette, pipette med 2 mL av en 3 x 10 CFU av bioluminescent S. aureus Xen29 inn på spissen av implantatet inne i kneleddet plass.
MERK: Mer volum fører til bredere vev forurensning og mindre diskret bildebehandling.
MERK: I kontroll friske mus, tilsett 2 mL sterilt saltvann uten bakterier. - Reduser quadriceps-patellar kompleks tilbake til midtlinjen ved hjelp av pinsett og lukke liggende subcutaneous vev og hud ved hjelp av absorberbaresubkutikulær suturer.
MERK: Ikke la et dyr uten tilsyn før det har gjenvunnet tilstrekkelig bevissthet til å opprettholde sternal recumbency. Ikke returner et dyr som har gjennomgått kirurgi for å selskap med andre dyr før fullt restituert. - På slutten av forsøkene, avlives alle dyr ved hjelp av karbondioksid innånding henhold Johns Hopkins Animal Care og bruk komité retningslinjer. Bekreft død ved å observere dyret ikke gjenopprette innen 10 min etter karbondioksid eksponerings slutter og halshugging.
3. 2D Optical Imaging (In vivo Bioluminescent og Fluorescent Imaging)
- Anesthetize LysEGFP mus (f.eks 2% innånding isofluran) og plassere dem med ventral siden opp i en bildekammeret.
- Utfør in vivo avbildning ved hjelp av bioluminescent IVIS spektrum optiske hele dyr in vivo avbildningssystem. Først, sjekk selvlysende og bekrefte valget av en åpen fIlter utvalg, synsfelt (FOV) C - 13 cm, og bla eksponeringstiden ned til Auto (autoexposure innstilling). Autoexposure vil automatisk justere oppkjøpet tid (lukkerhastighet), binning (digital pixel binning), og f-stop (blender) av instrumentet for å optimalisere signalintensitet og samtidig unngå metning. Klikk deretter Acquire å fange bioluminescent bildet.
MERK: For in vivo bioluminescent bildebehandling, bilde mus mellom 1 - 5 minutter. - Utføre sekvensiell in vivo fluorescerende avbildning ved å krysse av boksen ved siden av Fluorescent. Velg 465 nm eksitasjon filter og 520 nm utslipp filter. Bla eksponeringstiden ned til Auto og velg FOV C (Trinn 3.2.1). Klikk deretter Acquire å fange fluorescens bildet.
MERK: For in vivo fluorescerende bildebehandling, bilde mus mellom 0,5 sek. - Kvantifisere in vivo bioluminiserende signaler som total fluks (fotoner / sek) i en region av interesse (ROI) ved hjelp av levende bilde-programvare ved først å utvideROI-delen i verktøypaletten.
- Velg sirkelikonet og antallet ROI som tilsvarer antallet fag dyr i FOV. Endrer ROI å omfatte regionen av interesse dvs. bioluminescent spredningsmønster samlet.
- Velg Mål ROI i ROI Tools på verktøypaletten og ROI Måling vinduet vil vises. Total Radiance (fotoner / sek) verdier representerer summen av bioluminiserende piksler innenfor den genererte ROI.
- Velg SELECT ALL og kopiere kategoriene i nedre høyre hjørne av dette vinduet vil overføre informasjonen til utklippstavlen og la lime inn i påfølgende programmer for analyse.
- Kvantifisere in vivo fluorescerende signaler som total strålende effektivitet ([fotoner / sek] / [μW / cm 2]) innen en sirkulær region av interesse (ROI) ved hjelp av levende bildeprogramvare.
- Innenfor den levende bilde programvarevindu, utvide ROI Tools på verktøypaletten. Velgsirkelikonet og antallet ROI som tilsvarer antall fag dyr i FOV.
- Endrer ROI å omfatte regionen av interesse tilsvarende tett til bioluminescent signalet fra det forrige bildet oppkjøpet.
- Velg Mål ROI i ROI Tools på verktøypaletten og ROI Måling vinduet vil vises.
MERK: Totale Radiant Effektivitets ([fotoner / s] / [μW / cm 2]) representerer summen av fluorescerende piksler innenfor ROI. - Velg Alle og kopierings faner nederst i høyre hjørne av dette vinduet vil overføre informasjonen til utklippstavlen og la lime inn i påfølgende programmer for analyse.
4. μCT Image Acquisition
- Plasser bedøvet LysEGFP mus inn i en bildekammeret.
MERK: Denne bildekammeret er utformet for å passe både i IVIS Spectrum imaging system og Quantum FX in vivo μCT imaging system for å tillateco-registrering av de optiske og μCT bilder. - Åpne CT programvare og velger Meny forhånds 60 mm FOV std dynamisk fra nedtrekksmenyen.
- Sett stor boring dekselet og adapteren arm for bilde shuttle inn i instrumentet.
- Plasser muse bildebehandling shuttle inn i adapteren armen og skyv armen inn i hullet og lukke døren. Slå på Live Mode (Eye-knappen på kontrollpanelet) og plasser motivet i 0 ° og 90 ° gantry posisjon ved hjelp av X-aksen og Y-aksen kontroller for å sentrere dyret i X-vindu. Deretter slår du av Live-modus ved å klikke på Eye Button.
- Erverve en dynamisk skanning bilde med 60 mm FOV ved å klikke på CT Skann-knappen (ved siden av Live Mode-knappen). Eksportere kjøpte bildet i DICOM-format og oppbevares på et sted som kan nås senere.
Merk: En omtrentlig dose vil være 26 mGy per scan. En 30 mm FOV kan brukes hvis bedre oppløsning er ønsket.
5.3D Optical Image Acquisition, Dannelse og μCT Co-registrering
- Plasser muse bildebehandling shuttle innsatsen i Spectrum ved å plassere bilde shuttle inneholder musen inn i denne innsatsen og sikre musen ikke beveger seg.
- Ved hjelp av levende bildet, velger Wizard Imaging i Acquisition kontrollpanelet for å starte installasjonsveiviseren. For å starte, velger Bioluminescence, deretter DLIT, og velg deretter reporter "bakterier" fra rullegardinmenyen og de aktuelle utslipps filtre for modellen vil bli valgt automatisk, i dette tilfellet 500 - 620 nm.
- Velg Neste, deretter utpeke oppkjøps parametere og emneinformasjon i det siste vinduet. Spesielt vil Imaging Subject være mus, vil Auto-innstillinger velges slik at autoexposure å maksimere signalkvaliteten og samtidig unngå metning, and Field of View vil bli satt til C - 13cm.
- Velg Fullfør i det siste vinduet og sekvensen vinduet med erverv Panel vil være enutomatically befolket med DLIT sekvens. Det vil være ett bilde ervervet per utslipp filter valgt og autoexposure vil velge optimale innstillinger ved hver bølgelengde som per valg Wizard Imaging. Den genererte sekvensen inneholder også en strukturert lys bilde trengs for emneoverflaten generering via overflatetopografien verktøyet detaljert nedenfor.
- Velg Acquire Sequence å erverve DLIT data.
- Etter bildeinnlastingen er fullført, genererer den overflatetopografi. Start med å utvide kategorien overflatetopografi under verktøypaletten.
- Deretter velger du retningen som nøyaktig gjenspeiler den siden av dyret vendt mot kameraet eller toppen av IVIS instrument. Klikk deretter generere Surface. Crop regionen av FOV som inneholder dyret.
- Bruk deretter den lilla maske for å definere grensene for dyret.
MERK: maskeringsverktøy bruker fargekontrast så dyr med mørk pels eller hud ikke vil maskere riktig fra sTage. - Velg Fullfør og overflaten vises automatisk. Lagre resultatet under fanen overflatetopografi lukke deretter kategorien som vi ikke lenger trenger den.
- Rekonstruere 3D optisk kilde posisjonen med diffuse optiske rekonstruksjonsalgoritmer implementert i Leve Bilde 22 ved å utvide kategorien DLIT 3D Rekonstruksjon.
- Bilder anskaffet for DLIT sekvens vises.
MERK: Programvaren kontrollerer automatisk kvaliteten på de innsamlede data og vil fjerne merkingen av bildene anses for svakt eller hvor metning er til stede. Velg Start på høyre side. - Hvis det er nødvendig, kan man justere terskelen for hver bioluminescent bilde ved å dobbeltklikke og bruke ters-skyveknappen nederst til venstre side.
MERK: Dette er i hovedsak å omfatte lavere intensitet signal og forsiktighet bør praktiseres når terskelverdier høyere da dette kan justere intensiteten av den endelige rekonstruert kilde.
- Bilder anskaffet for DLIT sekvens vises.
- Åpne DICOM leseren ved å klikke på 3D-ikonet på verktøylinjen øverst i programvaren (tredje fra venstre) og søk etter Quantum FX image kjøpt tidligere.
- Laste dette bildet inn i den levende Bilde 3D-visning fane ved å dobbeltklikke på filen for import.
MERK: fiducial bør automatisk bli oppdaget og resultere i μCT bildet blir registrert med den optiske 3D-bilde.
- Laste dette bildet inn i den levende Bilde 3D-visning fane ved å dobbeltklikke på filen for import.
- Oppheve valget av overflatetopografi visualisering kartet ved å utvide 3D Optiske Tools på verktøypaletten og fjerne markeringen i avkrysningsboksen merket Skjerm Subject Surface i kategorien Surface.
- Manuelt opprette en oppslagstabell for å visualisere skjelettet og K-leder implantat som er synlige i μCT bildet ved hjelp av histogrammet under kategorien Volum av 3D Multi-Modality delen i verktøypaletten.
- Histogrammet representerer fordelingen av vokselver intensiteter i 3D volumetriske data og deres farge opasitet. For å finne ut hvor den bestemte vev av interesse er i histogrammet Bruk glidebryteren verktøy for å terskel gjengivelsen til vev eller struktur er synlig.
- Deretter høyreklikker du i histogrammet for å generere poeng og danner en kurve for å isolere det området av histogrammet. Dette blir gjentatt for hver struktur - skjelett, etterfulgt av K-ledningen implantat, og kan lagres som en oppslagstabell for senere analyser.
- Komponentene kan være fargekodet hvis ønskelig ved å dobbeltklikke en generert punkt i histogrammet og velge ønsket farge fra pop up vindu.
6. μCT Bilde visualisering og analyse
- Bruke Quantum FX-programvaren, velger du bildet av interesse og lansere Viewer. Velg roteringsverktøyet og reorientere bildet til visualize lengdeaksen av femur. Velg måleverktøyet og måle femur lengde.
- Start 3D Viewer for å generere 3D-gjengivelser. Juster terskelen for å vise de forandringer i benet anatomi forbundet med implant-infeksjon.
- Påfør klippeplan slik at 3D-rendring er begrenset til den ønskede tverrsnitts delen av området av interesse i den distale femur.
- Start Analyser 11,0 programvarepakken. Laste * .VOX filen som ble brukt til å lage 3D-rendering.
- Start Bilde Calculator verktøyet. Bruk 'Region Pad "verktøy for å beskjære bildet (fjern flyene som ikke inneholder femur).
- Start Oblique Seksjoner verktøyet. Bruk 3 poeng mulighet til å finne punkter på midten av femur, trochanter major og den enden av låsepinnen. Gjør disse punktene en skrå flyet og generere et bilde med nye skiver.
- Lansere aktuelle området verktøyet. Vis de transaksialtomografiscanner skiver. Juster min og maks innstillings for å vise det kortikale ben. Lag konturer for sektorene svarende til en rekke skiver (med en omtrentlig intervall på 5 skiver) for de stykker som svarer til den distale 25% av femur. Bruk 'du Overfør Regioner' verktøy til å interpolere mellom disse konturer og skape en 3D-regionen av interesse. Lagre denne regionen av interesse som et objekt kartet.
- Lansere "Sample Options" verktøy. Merk av for objektet kartet som nettopp ble opprettet, og velg radioknappene for de aktuelle alternativene. Klikk på 'Konfigurer Logg Stats' knappen for å bekrefte at "Volume er merket av. Klikk "Sample Images 'knappen for å gjøre de faktiske målingene.
- Eksportere målingene volum til en dataanalyseprogram. Normalisere de ytre bein volumer fra senere tidspunkter til første avbildes tidspunkt ved hjelp av formelen: Δ Volum (%) = ([Volume (dag X) - Volum (dag 2)] / [Volume (dag 2)]) x 100 .
MERK: I denne formelen representerer variabelen "X" tidspunktet av interesse. Den resulterende tall vil representere endringen i størrelsen av ytre ben volumet av den distale femur over tid. - For å visualisere 3D-regionen av interesse på toppen av bein, legger CT bildet i "Volume Render" verktøy. Laste objektet kartet som inneholder 3D-regionen av interesse. Gå til 'View''Objects' og still 'Original' til å være 'On'. Åpne 'Forhåndsvisning' vinduet. Start 'Render Typer' menyen og velg 'Object sammensetting'.
- Klikk på 'Threshold' knappen og verktøyet og justere terskler for å vise kartet beinet og objekt. Bruk samme fast terskelområdet for alle tidspunkter. Klikk på 'Rotation' knappen og angi retning for å være en sann anterolateral utsikt. Klikk "Render" for å generere den endelige rendering. Lagre gjengivelsen fra hoved 'VolumeRender 'vinduet.
Representative Results
In vivo bioluminescent og fluoriserende bildebehandling
I den foreliggende undersøkelse, er den protokoll som er beskrevet i denne tidligere publiserte modell av en ortopedisk protese felles infeksjon i mus 14 til 19, som omfatter den kirurgiske plassering av en titan K-leder implantat som strekker seg fra en intramedullær kanalen i femur inn i leddet plass 14-19. S. aureus bioluminescent belastning Xen29 (1 x 10 3 CFU i 2 mL PBS) ble pipettert direkte på toppen av endetitanimplantat i kneleddet før lukking av operasjonsstedet 16.. For å visualisere og kvantifisere bakteriemengden og nøytrofile tilstrømningen invasivt i bedøvede LysEGFP mus ble in vivo hele dyr optisk avbildning utført for å sekvensielt bilde bioluminescent signaler fra bakterier og EGFP fluorescerende signaler fra infiltrere nøytrofile bruker IVIS Spectrum optisk hele dyret i vivoimaging system på tre postoperative dager (dvs. dager 2, 14 og 28). Bioluminescent signaler av Xen29-infiserte mus holdt seg over bakgrunnssignaler for Sham-infiserte mus for varigheten av eksperimentet (figur 1A, C) 16. Vår tidligere arbeid viste at in vivo bioluminiserende signaler tilnærmes antallet ex vivo CFU isolert fra skjøten / benvev og vedheftende til implantatene 17,18. I tillegg EGFP fluorescerende signaler var høyere enn simulerings-infiserte mus ved begynnelsen av tidspunkter, men nærmet bakgrunnsnivåer i løpet av infeksjon (figur 2B, C) 16.
3D co-registrering av in vivo optiske signaler med μCT bilder
Å visualisere de optiske signaler (dvs. bakteriell bioluminiserende og EGFP fluorescerende signaler) i den anatomiske sammenheng med post-kirurgiske kneledd jegn 3D, de optiske bilder generert ved hjelp av IVIS Spectrum imaging system var co-registrert med μCT bilder generert ved hjelp av Quantum FX μCT imaging system. Denne co-registrering kan oppnås fordi muse avbildning kammeret kan settes inn enten maskinen for å sikre at musene var i den samme orientering. For å bekrefte denne nøyaktighet, ble resultatene sammenlignet med en bildeoverføring utføres ved hjelp av IVIS spektrum-CT in vivo avbildningssystem som integrerer både modaliteter i ett instrument uten å kreve fysisk flytting av dyret. For å kartlegge de optiske data på μCT bilder i 3D, benyttet vi en diffus optisk tomografi rekonstruksjon algoritme 16. Den resulterende 3D rekonstruksjon vises (Movie 1).
I tillegg μCT bildebehandling tillot visualisering og kvantifisering av følge endringer i kvalitet og dimensjoner på bein som skjedde undersmitte (figur 2) 16. Som tidligere rapportert, den ytre ben volumet av den distale femur vesentlig økt over tid (figur 2A) 16. For å kvantifisere disse endringene ble 3D volumbildeanalyse utført på den distale 25% av Mager overflaten av femur og endringer i benvolum over tid ble normalisert til den innledende benvolum. Den ytre beinvolumet betydelig økt i infiserte mus sammenlignet med sham-infiserte mus (figur 2b) 16. Økningen i den distale femur ytre benvolum var sannsynligvis på grunn av skade ben forårsaket av infeksjon av felles vev og ben, som ble observert ved anvendelse av μCT avbildning og histologisk analyse 16.
Figur 1. 2D in vivo bioluminescent og fluorescerende signaler. S. aureus Xen29 eller ingen bakterier (uinfiserte) ble inokulert i kneleddet etter K-leder plassering og LysEGFP mus ble fotografert ved hjelp av IVIS spektrum avbildningssystem 16.. (A) Midlere in vivo bioluminiserende signaler målt ved total fluks (fotoner / sek) ± sem. (B) Mean in vivo EGFP fluorescerende signaler målt ved total strålende effektivitet (fotoner / sek) / (μW / cm 2) ± SEM. (C) Representant in vivo bioluminescent og fluorescerende signaler lagt over en svart og hvit fotografiske bilde av musene. Grensen for påvisning av bakteriebelastning ved hjelp av in vivo bioluminescent avbildning er mellom 1 x 10 2 og 1 x 10 3 CFU. * P <0,05, † p <0.01, ‡ p <0,001 Xen29-infiserte mus versus humbug-infiserte mus (Student t-test [tosidige]). Vennligstoppmerksom på at dette er en representativ figur som inneholder tidligere publiserte data generert ved hjelp Xen29 og avbildes med IVIS Lumina XR imaging system 16. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. 3D μCT bildebehandling. S. aureus Xen29 eller ingen bakterier (uinfiserte) ble inokulert i kneleddet etter K-leder plassering og mus ble fotografert ved hjelp av Quantum FX in vivo μCT system. (A) Representant 3D μCT gjengivelser av Xen29 -infected mus (øvre panel) og sham-infiserte mus (lavere panel). (B) Prosent av ytre ben volumendring (distal 25% av lårben) normalisert til den første timeg punkt (gjennomsnitt ± SEM). * P <0,05, † p <0.01, ‡ p <0,001 Xen29-infiserte mus versus humbug-infiserte mus (Student t-test [tosidige]). Vær oppmerksom på at dette er en representativ figur som inneholder tidligere publiserte data generert ved hjelp av bioluminescent belastning S. aureus Xen29 og avbildes med Quantum FX in vivo μCT imaging system 16. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Movie 1 . Representant 3D anatomisk co-registrering av Xen29 bioluminiserende signaler og EGFP-nøytrofile fluorescerende signaler i kombinasjon med μCT bilder. Bildene blir rotert på den vertikale aksen.
Discussion
Multimodalitet avbildning slik som avbildningsteknikker som benytter in vivo optisk avbildning i forbindelse med μCT avbildning gir en ny teknisk fremgangsmåte som gjør det mulig for 3D-visualisering, kvantifisering og langsgående overvåkning av biologiske prosesser i et anatomisk forbindelse 1-4. Protokollene i denne studien gir detaljert informasjon om hvordan in vivo bioluminescent og fluoriserende bildebehandling kan kombineres med μCT bildebehandling i en ortopedisk protese implantat smittemodell hos mus å overvåke bakteriemengden, nøytrofil inflammasjon og anatomiske forandringer i beinet invasivt og lengde løpet tid. Til sammen informasjonen innhentet ved å kombinere optisk og strukturell avbildning representerer et stort teknologisk fremskritt, noe som kan være spesielt godt egnet til å studere biologiske prosesser og patologiske tilstander som påvirker bevegelsesapparatet.
En interesseing funn som skal påpekes er at vi observert at EGFP-nøytrofil fluorescerende signaler redusert til bakgrunnsnivåer etter 14-21 dager og forble på bakgrunnsnivå for varigheten av eksperimentet tross for tilstedeværelsen av bioluminescent bakterier. Det er usannsynlig at røntgenbestråling påvirket nøytrofile overlevelse som vi har observert lignende kinetikk av nøytrofile signaler i ikke-bestrålte mus 19. I vår forrige arbeid med en modell av S. aureus infiserte sår, nøytrofile infiltrasjon involvert en kombinasjon av robust nøytrofile rekruttering fra sirkulasjonen, langvarig nøytrofile overlevelse på stedet av infeksjon og homing kit + stamceller til abscess, der de lokalt gi opphav til modne nøytrofile 23. Det er sannsynlig at lignende prosesser bidro til nøytrofile infiltrasjon i ortopedisk implantat S. aureus infeksjon modell. Selv om det er ukjent hvorfor de nøytrofile signaler redusert i Orthopaedic infeksjon modell, kan det være at immunresponsen endret seg over tid som denne infeksjonen gått fra en akutt til kronisk infeksjon, og dette er en gjenstand for fremtidig etterforskning.
Det er begrensninger med denne musemodell for ortopedisk proteseledd infeksjon og in vivo avbildning multimodalitet som bør bemerkes. For det første er denne musen modellen en overforenkling av de faktiske prosedyrer og materialer som brukes i ortopedisk kirurgi hos mennesker 24. Likevel har denne modellen rekapitulere kronisk infeksjon og påfølgende betennelse i beinet og felles vev som er sett i menneskelige ortopediske implantatinfeksjoner 8,9. I tillegg, for å oppnå de μCT bilder, ble forholdsvis lave doser av røntgenstråling benyttet for å minimalisere eventuelle uønskede virkninger på helsen til dyrene i løpet av infeksjonen. For bedre oppløsning av bein, høyere doser av røntgenstråling kan brukes for μCT avbildning på en avlivesnimals. Dette ville imidlertid eliminere muligheten til invasivt og lengde overvåke bein endringer over varigheten av forsøkene.
I konklusjonen, har multimodalitet bildebehandling involverer kombinasjonen av in vivo hele dyr optisk bildebehandling med anatomisk μCT bildebehandling tillatt mer omfattende informasjon om infeksjonen og inflammatorisk respons. I tillegg har disse teknikkene tillater evaluering av følgene av infeksjon og inflammasjon på bein og felles vev. Videre arbeid kunne dra nytte av multimodalitet avbildning for å evaluere effekten av antimikrobielle terapier, immunresponser, patogenesen av sykdommen og de reaktive endringer i benet som vi har begynt å undersøke 14-18. I tillegg kunne multimodalitet avbildning evaluere prober og sporstoff for å diagnostisere tilstedeværelsen av en infeksjon som tidligere beskrevet i dyremodeller et lår-infeksjon, endokarditt, pulmonal Infisereioner og biomateriale infeksjoner 25-28. Endelig kunne bruk av multimodalitet bilde bli utvidet utover smittsomme sykdommer og brukes på tvers av fagområder, blant annet ortopedi, revmatologi og onkologi, for å undersøke andre forhold som påvirker bevegelsesapparatet, for eksempel skjelettkreft, metastatisk sykdom, brudd og leddgikt 5-7 .
Disclosures
JAM, BNT, EL, NZ, KPF er betalt ansatte i PerkinElmer, som produserer imaging instrumenter, forutsatt at Xen29 bioluminescent S. aureus belastning, og betalt for publisering kostnadene ved denne video-artikkelen. De øvrige forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av en H & H Lee Kirurgisk Resident stipendiater Program (til JAN), en AO Foundation etablererstipend S-12-03M (til LSM) og en National Institutes of Health stipend R01-AI078910 (til LSM) .
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Xen36 bioluminescent Staphylococcus aureus strain | PerkinElmer | 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 |
References
- Dothager, R. S., et al. Advances in bioluminescence imaging of live animal models. Curr Opin Biotechnol. 20, 45-53 (2009).
- Badr, C. E., Tannous, B. A. Bioluminescence imaging progress and applications. Trends Biotechnol. 29, 624-633 (2011).
- Luker, G. D., Luker, K. E. Optical imaging current applications and future directions. J Nucl Med. 49, 1-4 (2008).
- Ntziachristos, V., Ripoll, J., Wang, L. V., Weissleder, R. Looking and listening to light the evolution of whole-body photonic imaging. Nat Biotechnol. 23, 313-320 (2005).
- Reumann, M. K., Weiser, M. C., Mayer-Kuckuk, P. Musculoskeletal molecular imaging a comprehensive overview. Trends Biotechnol. 28, 93-101 (2010).
- Snoeks, T. J., Khmelinskii, A., Lelieveldt, B. P., Kaijzel, E. L., Lowik, C. W. Optical advances in skeletal imaging applied to bone metastases. Bone. 48, 106-114 (2011).
- Sjollema, J., et al. The potential for bio-optical imaging of biomaterial-associated infection in vivo. Biomaterials. 31, 1984-1995 (2010).
- Del Pozo, J. L., Patel, R. Clinical practice. Infection associated with prosthetic joints. N Engl J Med. 361, 787-794 (2009).
- Parvizi, J., Adeli, B., Zmistowski, B., Restrepo, C., Greenwald, A. S. Management of periprosthetic joint infection the current knowledge AAOS exhibit selection. J Bone Joint Surg Am. 94, e104 (2012).
- Arciola, C. R., Campoccia, D., Speziale, P., Montanaro, L., Costerton, J. W. Biofilm formation in Staphylococcus implant infections. A review of molecular mechanisms and implications for biofilm-resistant materials. Biomaterials. 33, 5967-5982 (2012).
- Zimmerli, W., Moser, C. Pathogenesis and treatment concepts of orthopaedic biofilm infections. FEMS Immunol Med Microbiol. 65, 158-168 (2012).
- Cram, P., et al. Total knee arthroplasty volume utilization and outcomes among Medicare beneficiaries 1991-2010. JAMA. 308, 1227-1236 (2012).
- Wolf, B. R., Lu, X., Li, Y., Callaghan, J. J., Cram, P. Adverse outcomes in hip arthroplasty long-term trends. J Bone Joint Surg Am. 94, (2012).
- Bernthal, N. M., et al. A mouse model of post-arthroplasty Staphylococcus aureus joint infection to evaluate in vivo the efficacy of antimicrobial implant coatings. PLoS ONE. 5, (2010).
- Bernthal, N. M., et al. Protective role of IL-1beta against post-arthroplasty Staphylococcus aureus infection. J Orthop Res. 29, DOI. 1621-1626 (2011).
- Niska, J. A., et al. Monitoring bacterial burden, inflammation and bone damage longitudinally using optical and µCT imaging in an orthopaedic implant infection in mice. PLoS ONE. 7, e47397 (2012).
- Niska, J. A., et al. Daptomycin and tigecycline have broader effective dose ranges than vancomycin as prophylaxis against a Staphylococcus aureus surgical implant infection in mice. Antimicrob Agents Chemother. 56, 2590-2597 (2012).
- Niska, J. A., et al. Vancomycin-Rifampin Combination Therapy has Enhanced Efficacy Against an Experimental Staphylococcus aureus Prosthetic Joint Infection. Antimicrob Agents Chemother. 57, 5080-5086 (2013).
- Pribaz, J. R., et al. Mouse model of chronic post-arthroplasty infection noninvasive in vivo bioluminescence imaging to monitor bacterial burden for long-term study. J Orthop Res. 30, 335-340 (2012).
- Faust, N., Varas, F., Kelly, L. M., Heck, S., Graf, T. Insertion of enhanced green fluorescent protein into the lysozyme gene creates mice with green fluorescent granulocytes and macrophages. Blood. 96, 719-726 (2000).
- Kadurugamuwa, J. L., et al. Direct continuous method for monitoring biofilm infection in a mouse model. Infect Immun. 71, 882-890 (2003).
- Kuo, C., Coquoz, O., Troy, T. L., Xu, H., Rice, B. W. Three-dimensional reconstruction of in vivo bioluminescent sources based on multispectral imaging. J Biomed Opt. 12, 024007 (2007).
- Kim, M. H., et al. Neutrophil survival and c-kit+-progenitor proliferation in Staphylococcus aureus-infected skin wounds promote resolution. Blood. 117, 3343-3352 (2011).
- Deirmengian, C. A., Lonner, J. H. What's new in adult reconstructive knee surgery. J Bone Joint Surg Am. 94, 182-188 (2012).
- Ning, X., et al. Maltodextrin-based imaging probes detect bacteria in vivo with high sensitivity and specificity. Nat Mater. 10, 602-607 (2011).
- Panizzi, P., et al. In vivo detection of Staphylococcus aureus endocarditis by targeting pathogen-specific prothrombin activation. Nat Med. 17, 1142-1146 (2011).
- van Oosten, M., et al. Realtime in vivo imaging of invasive and biomaterial associated bacterial infections using fluorescently labelled vancomycin. Nat Commun. 4, 2584 (2013).
- Kong, Y., et al. Imaging tuberculosis with endogenous beta lactamase reporter enzyme fluorescence in live mice. Proc Natl Acad Sci USA. 107, 12239-12244 (2010).
