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micro-CT

Micro-CT 在動物研究中的應用

導語:
顯微 CT (Micro-CT) 也稱小動物 CT,是一種非破壞性的 3D 成像技術,可以在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內部顯微結構 (包括幾何信息和結構信息),它的分辨率極高,可以達到 (um) 級別,廣泛應用于活體小動物的研究,包括對小鼠、大鼠、兔子、犬等的骨骼、牙齒和各種生物材料進行高分辨率 X 射線成像。既可進行如腫瘤等軟體組織的動態觀察,也可用于骨骼疾病方面的研究,在很大程度上取代了破壞性的組織形態學計量學方法。今天小編就帶大家了解一下顯微 CT 在動物研究中發揮了哪些重要作用吧!

一、Micro-CT 研究兔膝蓋軟骨鈣化

軟骨鈣化通常來講是指軟骨部位積累很多鈣質,隨后軟骨出現鈣化的團塊而導致的骨質變化。鈣化軟骨 (Calcified cartilage, CC) 是一種隨著機械負荷、衰老和關節病理而發生變化的動態組織,例如骨關節炎。顯微 CT (Micro-CT) 可對鈣化組織進行三維成像,后續進行骨和鈣化軟骨之間的分割以研究其動態變化。

本實驗取 14 月齡和 12.5 月齡的健康、骨骼成熟的雌性新西蘭大白兔膝關節各 8 個,每個膝關節被解剖并分為六個解剖區域。每個標本都進行顯微 CT 成像和常規組織學處理,從圖像中手動分割鈣化軟骨用于訓練具有不同編解碼器體系結構的分割模型。終,深度學習方法和組織學方法都能區分髕骨、股骨和脛骨區的 CC 厚度。CC 在膝蓋骨處厚,在脛骨處薄。本文結果發現借助顯微 CT 拍攝圖像并進行深度學習分割的方法相對簡單,可以在標準的 Micro-CT 分析管道中實現,從而分析 CC 的形態。


圖 1.1 神經網絡自動分割的兔股骨髁圖像
文章還指出,在未來的研究中,顯微 CT 成像可能比組織學更可取,尤其是在分析軟骨鈣化的動態變化時。它還可以進一步了解鈣化軟骨中可能發生的 3D 形態變化,例如骨關節炎和其他關節疾病中軟骨下板的增厚。


二、Micro-CT 研究兔顱骨缺損

植骨是骨科手術中常用的一種修復骨缺損的方法,自體骨移植一直是骨替代的黃金標準,但因其需兩次手術且并發癥嚴重,近年來可單獨或聯合使用的移植物已開始在臨床實踐中取得進展。特立帕肽 (Teriparatide) 是一種人工合成的重組人蛋白,它包含甲狀旁腺激素的前 34 個氨基酸,對骨骼既有合成代謝作用又有分解代謝作用,常用于骨質疏松的治療。

本實驗的目的是通過顯微 CT (Micro-CT) 評估特立帕肽對局部異種移植物 (牛骨移植) 修復兔顱骨缺損的影響。實驗在 16 只兔顱骨上各制造兩個直徑為 10 mm 的缺損區。對照組的缺損區填充異種移植物,而實驗組的缺損區同時填充異種移植物和 20mcg 的特立帕肽。

圖 2.1  4 周和 8 周對照組 (左)、實驗組 (右) 的顯微 CT 掃描圖像

將對照組和實驗組樣本分別進行顯微 CT 掃描,選定感興趣區域并計算骨體積、骨表面積等基本指標的值。結果顯示,實驗組的總骨量在 4 周和 8 周均顯著高于對照組。本研究表明,局部應用特立帕肽可增加兔雙側顱骨缺損區的新生骨體積和總骨體積,有利于骨缺損的修復。

三、Micro-CT 研究比格犬接骨系統

為了保證骨折治療后的解剖復位和穩定,通常需要對骨折部位內固定。傳統的不可降解固定裝置通常由不銹鋼和鈦合金制成,不僅可能導致多種并發癥,且需要手術移除。由于鋅是人體必需的微量元素,鋅合金相較于純鋅在保持緩慢降解和良好生物相容性的同時,有良好的機械性能。本研究的目的是評估鋅合金內固定系統在治療犬下頜骨骨折 24 周后的有效性、生物安全性和生物降解性。

本實驗選用 27 只骨骼健康的成年 1 歲比格犬,平均分為三組。完成雙側下頜骨的縱切手術后,實驗組植入 2 塊鋅合金鋼板和 8 枚鋅合金螺絲釘固定雙側下頜骨骨折。對照組分別采用聚 L - 乳酸 (Poly-L-lactic Acid, PLLA) 和鈦合金內固定系統治療雙側骨折。術后即刻、術后 4 周、12 周、24 周分別進行下頜骨的顯微 CT 掃描,監測骨折愈合情況。

圖 3.1  術后 4 周、12 周、24 周的鋅合金組、PLLA 組、鈦合金組

比格犬下頜骨愈合情況。箭頭表示骨折部位。


對顯微 CT 圖像三維重建后測量鋅合金種植體的體積 (PLLA 種植體不可見),并用黃色標示三組中的骨折部位。骨痂是骨折在修復過程中,形成的新生骨樣組織,是骨折愈合的重要觀察指標。如圖 2.2 所示,術后 4 周 PLLA 組的骨痂大小明顯大于鋅合金和鈦合金組。術后 12 周,橫斷面圖像顯示各組骨痂面積縮小。術后 24 周,各組骨痂均消失。

圖 3.2  術后四周的 Micro CT 三維重建圖像 (A 鋅合金、B 聚乳酸、C 鈦合金)。黃色高亮顯示的區域是選定的感興趣區域 (寬 3 mm,高 7 mm)。術后 4 周的顯微 CT 斷層圖像上,PLLA (E) 形成的外骨痂明顯多于鋅合金 (D) 和鈦合金 (F)。


實驗結果表明可降解鋅合金能促進骨折充分愈合,具有良好的生物安全性和可接受的降解率。

與傳統的不可降解材料和 PLLA 相比,其金屬強度相對中等,特別適合用于內固定強度較低的顱頜面部種植體。

四、Micro-CT 研究人、犬的頸動脈發育
頸動脈海綿竇瘺 (Carotid-cavernous fistula,CCF) 一般指頸內動脈海綿竇段的動脈壁或其分支發生破裂,以致與海綿竇之間形成異常的動靜脈交通。一般通過血管造影檢查,但血管造影是一種介入性的有創治療,增加了動脈內栓塞以及并發癥產生的可能性,例如失明或中風。本研究的目的是分析胎兒解剖照片中頸動脈和上頜動脈的存在,并在保存的犬標本中獲得與上述兩條人類動脈同源動脈的高分辨率顯微 CT (Micro-CT) 圖像。


圖 4.1  犬頭顱動脈循環的側位顯微 CT 投影


圖 4.2  犬頭顱動脈循環的背腹位顯微 CT 投影


人胎兒頸動脈海綿竇的解剖圖片并未顯示出上頜動脈,很可能是先前被誤認為的頸動脈海綿竇下外側干。犬的顯微 CT 圖像提供了上頜頸動脈和腦膜吻合動脈的高分辨率血管解剖,以及它們與頸內動脈、上頜動脈和腦膜中動脈的連接。


本研究有助于了解頸動脈海綿竇段分支區域的系統發育和胚胎學解剖,給未來的科研工作提供了用犬研究頸動脈海綿竇瘺治療方法的可能性




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