Method Article
מדידת כמותית של פונקצית אב עצם בריפוי שבר דורשת טכנולוגיית הדמיה סידורי ברזולוציה גבוהה. הנה, פרוטוקולים ניתנים לשימוש במיקרוסקופיה intravital ומעקב osteo שושלת ברצף תמונה ולכמת את ההגירה, השגשוג והתמיינות של תאי גזע / אב osteogenic אנדוגני בתהליך של תיקון שברים בעצמות.
עצם מתהפך ברציפות, והוא מאוד משובי בעקבות פציעה. תאי גזע / אב osteogenic כבר מזמן שיערו להתקיים, אבל בהפגנת vivo של תאים כאלה יש רק לאחרונה הושגו. כאן, in vivo בטכניקות הדמיה כדי לחקור את תפקידם של תאי גזע / אב osteogenic אנדוגני (OSPCs) וצאצאיהם בתיקון עצם מסופקות. שימוש בתא osteo שושלת התחקות דגמים והדמיה intravital של microfractures המושרה בעצמות calvarial, OSPCs ניתן לצפות ישירות במהלך הימים הראשונים לאחר פציעה, שבאירועים קריטיים בתהליך התיקון מוקדם להתרחש. אתרי פגיעה יכולים להיות צילמו ברצף חושפים כי OSPCs לעבור לפציעה, עלייה במספר ולהתמיין לosteoblasts עצם טביעה. שיטות אלה מציעים אמצעי חוקר את התפקיד של רגולטורים מולקולריים גזע תאים פנימיים וחיצוניים להתחדשות עצם ותיקון.
מחלות עצם ניווניות ואיבוד מסת עצם הקשור לגיל שמוביל לסיכון גבוה לשברי אוסטיאופורוזיס הפך אתגר גדול בתחום בריאות ציבור 1. תחזוקת עצם נשלטת על ידי אוסטאובלסטים יוצרי עצם וosteoclasts resorbing עצם. פגמים של תאי עצם ויוצרים הם גורם עיקרי לאובדן עצם הקשור לגיל ומחלות עצם ניווניות 2,3. בעוד מחקר מקיף התמקד בשיפור של ריפוי שבר, את הגילוי של תרופות אמינות כדי לרפא מחלות עצם ניווניות ולהפוך את החולשה של שברי אוסטיאופורוזיס נשאר נושא חשוב. כך, לומד את המקור לתאי עצם יוצר ומנגנוני הבקרה שלהם בהתחדשות עצם ותיקון מספק תובנה רומן כדי לשפר את התחדשות שלד ולהפוך מחלות איבוד מסת עצם.
קיומם של תאי mesenchymal multipotent במח עצם הוצע מבוסס על זיהוי של אוכלוסיות clonogenic שיכול שונהiate לosteogenic, שושלות adipogenic וchondrogenic vivo לשעבר 4. לאחרונה, מחקרים רבים דיווחו כי תאי גזע השלד / mesenchymal (SSCs / MSCs) הם מקור טבעי של אוסטאובלסטים והם קריטיים עבור מחזור עצם, שיפוץ ותיקון שבר 5,6 . בנוסף, מחקר התחקות השושלת שלנו גילה שיש לי osteoblasts הבוגר מחצית חיים קצרים באופן בלתי צפוי (~ 60 ימים) ומתחדשים ללא הרף על ידי תאי גזע / אביהם בשני תנאי homeostatic ותיקון שבר רגילים 6. עם זאת, זהות vivo של תאי גזע וכיצד כגון תאים מגיבות לשברי פציעה ולספק תאי יוצרי עצם אינם ברורים. לכן, חשוב לפתח שיטה שהוא מסוגל לנתח את ההגירה, השגשוג והתמיינות של SSCs / MSCs אנדוגני בנסיבות פיסיולוגיות.
תיקון שבר הוא תהליך רב תאי ודינמי מוסדר על ידי מערך של מתחםציטוקינים וצמיחת גורמי 7. הגישה הפופולרית ביותר ללימודי שבר היא להשתמש במודל של בעלי חיים עם שבר ארוך עצם ולנתח את עצמות על ידי חתך עצם וטכניקות immunofluorescent 8-10. תהליך תיקון זה יכול להיות פיקוח על ידי שיטות הדמיה מרובות כולל 11 מיקרו-CT, הקרינה אינפרא אדום קרובה 12, וההדמיה chemiluminescence 13. עם זאת, לכל טכניקה מגבלות מסוימות ולא הייתה שום דרך יעילה כדי לעקוב אחר תפקוד SSCs / MSC ברמה התאית בגוף חי. לאחרונה, confocal / מיקרוסקופיה intravital שני הפוטונים פותחה ומשמשת לאיתור תאים סרטניים מושתלים ותאי גזע hematopoietic בהקשר של microenvironment מח העצם שלהם אפילו ברזולוציה תא בודד חי חיות 14. על ידי שילוב של טכנולוגיה זו עם סדרה של דגמי התחקות שושלת, היינו יכול להגדיר שתאי גזע osteogenic / אב יכולים להיות מסומנים גנטי על ידי ac החולףtivation של התנגדות myxovirus -1 אמרגן (MX1) ואת אבות מושרה MX1 יכול לשמור על הרוב של osteoblasts הבוגר לאורך זמן, אך אינו משתתף בדור של כונדרוציטים בעכבר המבוגר 6. בנוסף, החוקרים הדגימו כי OSPCs כותרת MX1 לספק את רוב osteoblasts החדש בריפוי שבר 6.
כאן, תוך שימוש במודלי מעקב osteo שושלת ומיקרוסקופיה intravital, פרוטוקול מסופק להגדיר in vivo קינטיקה של + בתאי גזע / אב osteogenic MX1 בתיקון שבר. פרוטוקול זה מציע הדמיה רציפה כדי לעקוב אחר המעבר של גזע / אבות osteogenic לאתרי שבר ומדידת כמותית של התרחבות osteoprogenitor בתהליך התיקון מוקדם. גישה זו עשויה להיות שימושית בהקשרים רבים, כולל ההערכה של מועמדים טיפוליים לשיפור תיקון עצם.
1. עכברים ואכשור קד
הערה: כל העכברים נשמרו בתנאי הפתוגן ללא וכל הפרוטוקולים שאושרו על ידי הוועדה המוסדית טיפול בבעלי חיים ושימוש (IACUC) בבית החולים הכללי מסצ'וסטס. כל הניתוח צריך להתבצע בתנאים סטריליים באמצעות ציוד סטרילי autoclaved. 15 MX1-Cre, Rosa26-loxP-stop-loxP-EYFP (Rosa-YFP), וRosa26-loxP-stop-loxP-tdTomato (Rosa-עגבניות), היו נרכש ממעבדות ג'קסון. עכברי osteocalcin-GFP נמסרו על ידי ד"ר הנרי קרוננברג. לניתוח כמותי של הגירת OSPC ושגשוג in vivo, עכברי MX1-Cre + רוזה-YFP + (צבע כתב יחיד) היו בשימוש. למעקב מפורט יותר של הבידול שלהם לתוך osteoblasts osteocalcin בוגר +, השתמשנו trigenic MX1-Cre + רוזה-עגבניות + OCN-GFP +עכברים.
2. מולהשתמש בתכשיר
3. Microfracture פגיעה
4. הדמיה Intravital
נהלי 5. ההודעה מבצע
מודל שבר התייצב ארוך העצם היה פופולרי במחקרים שבר. עם זאת, עצם ארוך או דגמי שבר גדולים לגרום נזק לרקמות רב, ולכן, יש מגבלה במדידת כמותית של תפקוד תא עצם. פיתחנו פגיעה פולשנית (קוטר מ"מ פחות מ 1 עם פלישה מינימאלית או ללא למאטר הדורה) בעצמות קדמיות calvarial עם קידוח מחט (איורים 1 א-1C). בחרנו להציג את דף של העצמות הקדמיות calvarial הדמיה לחיות vivo של microfractures כי יש עצם זה מבנה עצם שטוח ודק עם מח עצם, המאפשר הדמיה ברורה של עצם פגוע, תאי עצם, כלי דם וללא ההתערבות של רקמות אחרות ( איור 1 ג). הבחנו כי microfracture זה משחזר מאפיינים רבים של פציעות שבר גדולות הכוללים השקעה ביבלת רכה אחריו בתצהיר מינרלים והיווצרות עצם חדש (מידע לא מוצג).
"סדרתית> בתחום ההדמיה vivo של תאים + אב גזע osteogenic MX1. בשלב הבא אנו בדקנו אם שיטה זו היא מסוגלת לעקוב אחר אוכלוסיית תא osteogenic בפרט במהלך ריפוי שבר. בעבר, פיתחנו עכברי כתב כפול Mx1/Tomato/Ocn-GFP trigenic ידי חציית עכברי MX1-Cre עם כתב Rosa26-עגבניות ועכברי osteocalcin-GFP (איור 2 א) 6. היתרון של המודל הזה הוא תיוג ההפרש של גזע / אבות osteogenic וosteoblasts הבוגר. ידי ממשל PIPC, MX1 + OSPCs מוגדרים מפורשות על ידי ביטוי העגבניות, ואילו osteoblasts הבוגר מובחן מOSPCs-Induced MX1 להביע את העגבניות וה-GFP. עם זאת, osteoblasts קיים מראש וosteoblasts הבוגר מMX1 אבות שאינם מושרה להביע GFP לבד (איור 2). לאחר החלפת מח העצם וקרינה, אנחנו generated שתי microfractures בעצמות הקדמיות של עכברים אלה. אנו מאשרים כי באזור של כל בר זוהה על ידי שדה בודד של נוף עם אובייקטיבי 30x שלנו. ההדמיה 3D-intravital רציף של microfractures הראתה העתקת העגבניות + OSPCs באתר של שבר ביום 2 ובהרחבתן ביום 5. היו בלתי ניתנת לגילוי ה-GFP + אוסטאובלסטים או לא בשלב זה. ביום 12, קבוצת משנה של osteoprogenitors קרוב לפני שטח שבר יזם את הבידול של osteoblasts (עגבניות + ה-GFP +). בהמשך לכך, ההצטברות של osteoblasts החדש והיווצרות העצם חדשה (נותחה על ידי דור השני הרמוני, כחולה) היו ברורות ביום 21, מצביעה על כך שההגירה והתפשטות של תאי אב osteogenic היא מנגנון עיקרי לאספקת osteoblasts החדש המשתתף בריפוי שבר (איור 2 ג).קינטיקה של גזע / אבות osteogenic בתיקונים שבר. כדי te st אם השיטה שלנו מספקת תפוקה עקבית וכמותי של מספרי osteoprogenitor במהלך ריפוי שבר, השתמשנו בעכבר Mx1/YFP כמודל שושלת מעקב פשוט ומעקב MX1 + OSPCs בתיקון שבר מוקדם. לאחר תאי מח MX1 + הוחלפו במח מהסוג בר, יצר שש microfractures העצמאי (שני / עכבר) על מכסה גולגולת עכבר Mx1/YFP. כאשר Mx1/YFP + OSPCs היו במעקב במשך 14 ימים לאחר פציעה, אנחנו באופן עקבי ציינו כי מספר קטן של אבות התגלו באתר פגיעה על ידי 3 ימים. המספרים עלו ברציפות ביום 7, והגיעו לשיא אוכלוסייה ביום 10 ולשמר ידי 14 ימים (איור 3 א). אנחנו כמתנו את קינטיקה של מספרי osteoprogenitor על ידי מדידת עוצמת אות YFP (עיבוד תמונה וניתוח עם תכנית ImageJ). אנו חוזרים על הניסוי הזה עם תפוקה דומה, מה שמרמז על העקביות של הגישה שלנו (איור 3 ב).
ss = "jove_content" עבור: לשמור-together.within-page = "תמיד">
איור 1. בvivo הדמיה של פגיעת calvarial עכבר. (א) ייצוג סכמטי של microfractures על העצמות הקדמיות עכבר בסמוך לצומת של תפרי העטרה (CS) ועל sagittal (SS) וההדמיה intravital רציפה. (ב) חשיפה כירורגית של עכבר מכסה גולגולת לפני פציעה. (C) פציעות microfracture נציג על מכסה גולגולת עכבר להדמית intravital. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
51289fig2.jpg "/>
איור 2. מעקב vivo של OSPCs באתרי הפציעה. (א) ייצוג סכמטי של trigenic Mx1/Tomato/Ocn-GFP עכבר. (ב) תרשים זה ממחיש אוכלוסיות תאי ניאון אפשריות המופיעות באתרי פציעתם של Mx1/Tomato trigenic / OCN-GFP עכבר. אדום מייצג MX1 + OSPCs להביע עגבניות. צהוב מייצג osteoblasts הבוגר (עגבניות + ה-GFP +) מובחן מMX1 + OSPCs אילו ירוק מייצג osteoblasts החדש מosteoblasts קיים מראש (+ GFP) או MX1 שאינו מושרה (MX1 -). אבות הדמיה intravital סדרתית (C) של MX1 + OSPCs וosteoblasts באתרי הפציעה. עגבניות osteoprogenitors + ו-GFP + osteoblasts ליד הפציעה על מכסה גולגולת עכבר Mx1/Tomato/Ocn-GFP היו צילמו מייד לאחר פציעה (יום 0) ועל tהוא הצביע פעמים לאחר פציעה. חצים מצביעים osteoblasts נגזר מMX1 + OSPCs (צהוב). כחול, עצם. המעגל המקווקו מייצג את האתר כולו שבר (יחיד). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. מדידה עקבית וכמותי של OSPCs-Induced MX1 במהלך ריפוי שבר. () שלוש פציעות עצמאיות על מכסה גולגולת עכבר Mx1/YFP היו צילמו ברצף מייד לאחר פציעה (יום 0) ובמועדים מצויינים לאחר פציעה. (B) כמותי מדידה של תאי גזע / אב osteogenic MX1 +. קינטיקה של MX1 + OSPCהתרחבות באתרי פציעה נמדדה על ידי עוצמת אות YFP באמצעות ImageJ. גרפים מראים שני ניסויים בלתי תלויים עם הממוצע של שש פציעות בכל ניסוי. כחול, עצם; , MX1 + בתאי גזע / אב osteogenic ירוק; אדום, כלי דם (Q-נקודות). ברים סולם הם 100 מיקרומטר (). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
הרגולציה של תאי גזע שלד עשויה להיות בעל חשיבות רבה להגדרת שיטות טובות יותר להשיג התחדשות עצם. הדמיה כמותי ורציפה ברמה התאית הייתה מאתגרת מבחינה טכנית. למרות שמודל שבר ארוך עצם העכבר כבר בשימוש ומתאים למחקרים ביומכנית 17 נרחב, המיקום שלה רקמות עמוקות, גודל שבר לא אחיד, נזק לרקמות רכות, ואת היישום של תופסנים ייצוב מוגבלים הדמיה intravital רציפה. הנה, שיטה כדי להתגבר על מגבלות אלה על ידי השילוב של confocal / מיקרוסקופיה intravital שני פוטונים ומודל שבר calvarial עכבר מסופקת. גישה זו עם מעקב שושלת גזע / אב osteogenic מדגימה את יכולתה בזמן אמת, בתחום ההדמיה vivo של גזע / אבות osteogenic בתיקון שבר.
אתגר טכני עיקרי בשיטה זו הוא להשיג תמונות באיכות עקביות וגבוהות לאורך זמן. im באיכות גבוההגילים עם עומק הדמיה מרבי תלויים בבהירות של כתבי ניאון ומצב הרקמות של אזור ההדמיה. בנוסף, צמצום חשיפת לייזר כדי למנוע נזק וphotobleaching רקמות חשוב להדמיה רציפה לטווח ארוך. סריקה מהירה באמצעות פלטפורמת שיעור וידאו מועילה למטרה זו. אם שדה בודד מבט לא יכול לכסות את כל פציעה, האזור יכול להיות ממופה על ידי לקיחת תמונות מונטאז' כדי לכסות את רוב אתרי שבר. חשוב להתפשר בין איכות Z-המחסנית ואת כמות המידע שנרכש במהלך כל פגישת ההדמיה. לדוגמא, Z-ערימות עם פרוסות רבות (לדוגמא 1-2 מיקרומטר מדרגות) וחדות גבוהה הן קלים יותר לנתח עוד יותר; עם זאת, הם דורשים חשיפת לייזר לטווח ארוך שמוביל לרמה גבוהה יותר של photobleaching מושרה לייזר.
מאז רציף בתחום ההדמיה vivo של פציעת שבר מחייב פתיחה ניתוחית החוזרת ונשנית של עור ומשטח עצם,היווצרות צלקת fibrotic על פני השטח של מכסה גולגולת היא בעיה נפוצה שקוטעת הדמיה רקמות עמוקה ותשואות בתפרחת רקע גבוהה. טכניקות תפר מיומנת ודימום מינימאלי הוא קריטיות כדי להפחית היווצרות צלקת. באופן כללי, שלוש עד חמש הדמיה חוזרת זמן יכולה להיות מושגת ללא אובדן משמעותי של איכות תמונה.
בהתחשב באפשרות של הדמיה חוזרת, שליטה קלה ומדויקת של גודל שבר ואת העקביות של קינטיקה תיקון, שיטה זו יכולה לספק אמצעים סבירים לבדיקת מטרות טיפוליות לריפוי שברים, אוסטאופורוזיס, והתחדשות רקמות אחרת כגון שרירי שלד.
החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
אנו מודים לג פרק לקריאת כתב היד. עבודה זו נתמכה על ידי NIAMS תחת מספר פרס K01AR061434 ואגודת מלגת פרס לוקמיה ולימפומה (5,127-09) לשארית פליטה ובמענקים מהמוסד הלאומי לבריאות לCPL ו-DTS התוכן הוא באחריות בלעדית של הכותבים ולא בהכרח מייצג את הדעות הרשמיות של המכון הלאומי לבריאות.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
C57BL/6J (H-2b) | Jackson Laboratories (Bar Harbor, ME) | 000664 | |
Ketamine Hydrochloride Injection | Bionichepharma | 67457-001-10 | Vial size: 10 ml (50 mg/ml) |
Xylazine Sterile Solution | Lloyd Inc. | NADA# 139-236 | |
Buprenorphine Hl | BEDFORD LAB | NDC 55390-100-10 | Vial: 0.3 mg/ml, Doses: 0.05-0.1 mg/kg |
DPBS, 1X | CORNING cellgro | 21-031-CV | |
Alcohol Prep Pads (70% Isopropyl alcohol) | Kendall WEBCOL | 5110 | |
Fine Surgical Scissor | F.S.T | 14568-09 | |
Extra fine Forceps | F.S.T | 11150-10 | |
VICRYL*Plus Suture | Ethicon | VCP490G | |
Qtracker 705 non-targeted quantum dot | Invitrogen | Q21061 | |
Methocel 2% | OmmiVision | ||
pIpC (Polyinosinic-polycytidylic acid) | Sigma | P0913-50MG | 100 μl (2.5 mg/ml in PBS) for 10 g of mouse |
Mai Tai Tunable Ultrafast Lasers | Spectra Physics | ||
Dual Calypso 491 + 532 nm DPSS laser | Cobolt AB | ||
Radius-635 HeNe laser | Coherent |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved