Micro-CT 在動物(wù)研究中(zhōng)的應用(yòng)

導語：
顯微 CT (Micro-CT) 也稱小(xiǎo)動物(wù) CT，是一種非破壞性的 3D 成像技(jì )術，可(kě)以在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的内部顯微結構 (包括幾何信息和結構信息)，它的分(fēn)辨率極高，可(kě)以達到 (um) 級别，廣泛應用(yòng)于活體(tǐ)小(xiǎo)動物(wù)的研究，包括對小(xiǎo)鼠、大鼠、兔子、犬等的骨骼、牙齒和各種生物(wù)材料進行高分(fēn)辨率 X 射線(xiàn)成像。既可(kě)進行如腫瘤等軟體(tǐ)組織的動态觀察，也可(kě)用(yòng)于骨骼疾病方面的研究，在很(hěn)大程度上取代了破壞性的組織形态學(xué)計量學(xué)方法。今天小(xiǎo)編就帶大家了解一下顯微 CT 在動物(wù)研究中(zhōng)發揮了哪些重要作(zuò)用(yòng)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(hěn)多(duō)鈣質(zhì)，随後軟骨出現鈣化的團塊而導緻的骨質(zhì)變化。鈣化軟骨 (Calcified cartilage, CC) 是一種随着機械負荷、衰老和關節病理(lǐ)而發生變化的動态組織，例如骨關節炎。顯微 CT (Micro-CT) 可(kě)對鈣化組織進行三維成像，後續進行骨和鈣化軟骨之間的分(fēn)割以研究其動态變化。

本實驗取 14 月齡和 12.5 月齡的健康、骨骼成熟的雌性新(xīn)西蘭大白兔膝關節各 8 個，每個膝關節被解剖并分(fēn)為(wèi)六個解剖區(qū)域。每個标本都進行顯微 CT 成像和常規組織學(xué)處理(lǐ)，從圖像中(zhōng)手動分(fēn)割鈣化軟骨用(yòng)于訓練具(jù)有(yǒu)不同編解碼器體(tǐ)系結構的分(fēn)割模型。終，深度學(xué)習方法和組織學(xué)方法都能(néng)區(qū)分(fēn)髌骨、股骨和胫骨區(qū)的 CC 厚度。CC 在膝蓋骨處厚，在胫骨處薄。本文(wén)結果發現借助顯微 CT 拍攝圖像并進行深度學(xué)習分(fēn)割的方法相對簡單，可(kě)以在标準的 Micro-CT 分(fēn)析管道中(zhōng)實現，從而分(fēn)析 CC 的形态。


圖 1.1 神經網絡自動分(fēn)割的兔股骨髁圖像
文(wén)章還指出，在未來的研究中(zhōng)，顯微 CT 成像可(kě)能(néng)比組織學(xué)更可(kě)取，尤其是在分(fēn)析軟骨鈣化的動态變化時。它還可(kě)以進一步了解鈣化軟骨中(zhōng)可(kě)能(néng)發生的 3D 形态變化，例如骨關節炎和其他(tā)關節疾病中(zhōng)軟骨下闆的增厚。

二、Micro-CT 研究兔顱骨缺損

植骨是骨科(kē)手術中(zhōng)常用(yòng)的一種修複骨缺損的方法，自體(tǐ)骨移植一直是骨替代的黃金标準，但因其需兩次手術且并發症嚴重，近年來可(kě)單獨或聯合使用(yòng)的移植物(wù)已開始在臨床實踐中(zhōng)取得進展。特立帕肽 (Teriparatide) 是一種人工(gōng)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(yǒu)合成代謝(xiè)作(zuò)用(yòng)又(yòu)有(yǒu)分(fēn)解代謝(xiè)作(zuò)用(yòng)，常用(yòng)于骨質(zhì)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(wù) (牛骨移植) 修複兔顱骨缺損的影響。實驗在 16 隻兔顱骨上各制造兩個直徑為(wèi) 10 mm 的缺損區(qū)。對照組的缺損區(qū)填充異種移植物(wù)，而實驗組的缺損區(qū)同時填充異種移植物(wù)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

将對照組和實驗組樣本分(fēn)别進行顯微 CT 掃描，選定感興趣區(qū)域并計算骨體(tǐ)積、骨表面積等基本指标的值。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(yòng)特立帕肽可(kě)增加兔雙側顱骨缺損區(qū)的新(xīn)生骨體(tǐ)積和總骨體(tǐ)積，有(yǒu)利于骨缺損的修複。

三、Micro-CT 研究比格犬接骨系統

為(wèi)了保證骨折治療後的解剖複位和穩定，通常需要對骨折部位内固定。傳統的不可(kě)降解固定裝(zhuāng)置通常由不鏽鋼和钛合金制成，不僅可(kě)能(néng)導緻多(duō)種并發症，且需要手術移除。由于鋅是人體(tǐ)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(wù)相容性的同時，有(yǒu)良好的機械性能(néng)。本研究的目的是評估鋅合金内固定系統在治療犬下颌骨骨折 24 周後的有(yǒu)效性、生物(wù)安(ān)全性和生物(wù)降解性。

本實驗選用(yòng) 27 隻骨骼健康的成年 1 歲比格犬，平均分(fēn)為(wèi)三組。完成雙側下颌骨的縱切手術後，實驗組植入 2 塊鋅合金鋼闆和 8 枚鋅合金螺絲釘固定雙側下颌骨骨折。對照組分(fēn)别采用(yòng)聚 L - 乳酸 (Poly-L-lactic Acid, PLLA) 和钛合金内固定系統治療雙側骨折。術後即刻、術後 4 周、12 周、24 周分(fēn)别進行下颌骨的顯微 CT 掃描，監測骨折愈合情況。

圖 3.1  術後 4 周、12 周、24 周的鋅合金組、PLLA 組、钛合金組

比格犬下颌骨愈合情況。箭頭表示骨折部位。

對顯微 CT 圖像三維重建後測量鋅合金種植體(tǐ)的體(tǐ)積 (PLLA 種植體(tǐ)不可(kě)見)，并用(yòng)黃色标示三組中(zhōng)的骨折部位。骨痂是骨折在修複過程中(zhōng)，形成的新(xīn)生骨樣組織，是骨折愈合的重要觀察指标。如圖 2.2 所示，術後 4 周 PLLA 組的骨痂大小(xiǎo)明顯大于鋅合金和钛合金組。術後 12 周，橫斷面圖像顯示各組骨痂面積縮小(xiǎo)。術後 24 周，各組骨痂均消失。

圖 3.2  術後四周的 Micro CT 三維重建圖像 (A 鋅合金、B 聚乳酸、C 钛合金)。黃色高亮顯示的區(qū)域是選定的感興趣區(qū)域 (寬 3 mm，高 7 mm)。術後 4 周的顯微 CT 斷層圖像上，PLLA (E) 形成的外骨痂明顯多(duō)于鋅合金 (D) 和钛合金 (F)。

實驗結果表明可(kě)降解鋅合金能(néng)促進骨折充分(fēn)愈合，具(jù)有(yǒu)良好的生物(wù)安(ān)全性和可(kě)接受的降解率。

與傳統的不可(kě)降解材料和 PLLA 相比，其金屬強度相對中(zhōng)等，特别适合用(yòng)于内固定強度較低的顱颌面部種植體(tǐ)。

四、Micro-CT 研究人、犬的頸動脈發育
頸動脈海綿窦瘘 (Carotid-cavernous fistula，CCF) 一般指頸内動脈海綿窦段的動脈壁或其分(fēn)支發生破裂，以緻與海綿窦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(yǒu)創治療，增加了動脈内栓塞以及并發症産(chǎn)生的可(kě)能(néng)性，例如失明或中(zhōng)風。本研究的目的是分(fēn)析胎兒解剖照片中(zhōng)頸動脈和上颌動脈的存在，并在保存的犬标本中(zhōng)獲得與上述兩條人類動脈同源動脈的高分(fēn)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

人胎兒頸動脈海綿窦的解剖圖片并未顯示出上颌動脈，很(hěn)可(kě)能(néng)是先前被誤認為(wèi)的頸動脈海綿窦下外側幹。犬的顯微 CT 圖像提供了上颌頸動脈和腦膜吻合動脈的高分(fēn)辨率血管解剖，以及它們與頸内動脈、上颌動脈和腦膜中(zhōng)動脈的連接。

本研究有(yǒu)助于了解頸動脈海綿窦段分(fēn)支區(qū)域的系統發育和胚胎學(xué)解剖，給未來的科(kē)研工(gōng)作(zuò)提供了用(yòng)犬研究頸動脈海綿窦瘘治療方法的可(kě)能(néng)性