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新型扫描表征途径口腔颌面部病变的精准把握和成功的治疗

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研究论文|开放存取

体积 2020 |文章编号 9371516 | 9 | https://doi.org/10.1155/2020/9371516

通过胆脂瘤归咎于影响破骨细胞的骨侵蚀和VpSEM dEDX分析人类砧骨骨的SEM BSE三维图像分析表明,新骨形成

学术编辑:拉维尼亚C. Ardelean
收到 2019年7月29日
公认 2020年1月22日
发布时间 2020年2月17日

抽象

骨侵蚀被认为是晚期或复杂性胆脂瘤(CHO)的典型特征,但关于骨侵蚀是否由破骨细胞作用引起仍存在争议,具体文献存在争议。本研究的目的是应用一种新的扫描表征方法,即BSE 3D图像分析,来研究CHO参与的人类incus骨表面的病理性侵蚀,以明确评估最终的破骨吸收作用。为此,我们对骨质疏松的人类股骨颈(无疑为破骨细胞来源)的骨吸收腔(吸收坑)与incus的BSE三维图像进行了比较。表面参数(面积、平均深度和体积)由日立山地地图©BSE三维重建图像软件计算;采用SPSS统计软件对结果进行统计分析。我们的研究结果表明,两组之间不存在显著差异。这种定量的方法实现了形态学特征,允许我们声明,incus的表面侵蚀是由于破骨细胞的作用。此外,我们的观察和处理图像工作流程是文献中首次显示不仅存在骨侵蚀,还存在基质小泡释放其内容的胶原束和自免疫骨细胞,所有的新骨形成的标记在incus骨表面。在近期文献的基础上,推测CHO诱导的炎症环境可能触发破骨细胞活性,引起骨侵蚀。观察到的新骨形成的速度可能比正常骨转换的速度要慢,并且这个过程是不耦合的(最近在一些促进骨丢失的炎症性疾病中得到了证明),从而导致整体骨丢失。 Novel scanning characterization approaches used in this study allowed for the first time the 3D imaging of incus bone erosion and its quantitative measurement, opening a new era of quantitative SEM morphology.

1.简介

对于晚期或并发胆脂瘤(CHO)的定义达成共识的建议[1]状态,这是角化鳞状上皮,皮下结缔组织,一种生长与/角蛋白碎片的渐进累积而不周围炎症反应的团块。关于其微观CHO由矩阵(角化鳞状上皮),perimatrix(可变厚度的上皮下结缔组织),和角蛋白碎片。骨侵蚀被认为胆脂瘤的典型特征;然而,它仍然是有争议的问题,如果骨侵蚀是由于破骨细胞作用,存在于文献冲突的结果[2-7]。扫描电子显微镜是用于骨超微结构研究选修成像技术[8-12],因此我们观察到由具有革新SEM BSE 3D成像和VpSEM EDX分析装置,其胆脂瘤影响砧骨的骨表面,以便准确地描述其表面改性,最后如果评估破骨细胞是骨吸收的直接原因。为了完成这个任务,我们比较,使用日立MountainsMap软件,砧骨上的骨表面观察到与来自骨质疏松股骨颈的骨吸收陷窝坑骨吸收的精细结构,无疑的破骨细胞来源分析SEM BSE 3D成像。砧骨的骨表面的超微形貌也通过VpSEM EDX分析研究。

2。材料和方法

2.1。样品

我们观察到,在与患者的知情同意,并从尸体1个不受影响砧骨(对照)获得的CHO去除手术过程18分砧骨的骨头恢复。

我们研究了绝经后妇女的髋关节病及骨质疏松谁接受手术臀取代,从女子1个股骨颈活检没有骨质疏松症18个股骨颈活检。BMD和T-得分手术前评估骨质疏松条件通过DEXA(Hologic公司的Delphi)进行了评价。与患者的知情同意,获得样品。

该研究是通过制度伦理委员会和遵守赫尔辛基宣言的原则。

2.2条。扫描电镜协议
2.2.1条。股骨颈活检

样品were fixed immediately upon recovery in 2.5% glutaraldehyde in PBS at 4°C for 48 h, then immersed in a 3% hydrogen peroxide solution for 48 h at room temperature (for bone marrow removal), and then rinsed with distilled water. Samples were then sonicated in a sonic device [13]在室温下蒸馏水中,用蒸馏水漂洗,并在丙酮系列脱水。使用临界点干燥器(EMITECH K850,EMITECH,科拉托,意大利)样品最后干燥,安装在铝存根,铂使用EMITECH K(550)溅射镀膜机(EMITECH,科拉托,意大利)涂覆的,并且由日立FE SEM S测定值4000operating at 7 kV. SEM micrographs were acquired with a DISS5 Digital Image Scanning System (point electronic, Germany).

2.2.2条。用于扫描电镜的砧木制备方案

样品在4°C下用2.5%戊二醛在PBS中回收48小时后立即固定;然后在超声波装置中轻轻超声处理(以去除多余的角化鳞状上皮细胞,从而阻止表面观察)。使用Emitech K 550溅射镀膜机(Emitech,Corato,意大利)制备了15个样品,用于扫描电镜(如前所述,用于股骨颈)和镀铂。观测由日立FE扫描电镜S 4000在7千伏电压下运行,日立SU 3500(日立欧洲高科技股份有限公司,德国曼海姆)在10千伏电压下在SE模式下运行。

2.2.3条。用于VpSEM和EDX微分析的Incus制备方案

三个样品在4℃下用2.5%戊二醛在PBS中固定48小时后,仅在声波装置中轻轻地进行声波处理[13] and then directly observed by a Hitachi SU 3500 (Hitachi High-Technologies Europe GmbH, Mannheim, Germany), operating at 5 kV and 60 Pa, in BSE COMPO mode without metal coating.

2.3。BSE 3D图像分析

日立SU 3500配有一个四象限检测器BSE允许获得同时四个图像只用一次扫描。然后,四个画面被集成到3D图像和处理,提取定量信息(所有这些步骤都通过软件日立地图3D 7.4数字冲浪,贝桑松,法国执行)。为了获得这种数据是执行通常用来表征再吸收和骨形成表面的形态分类参数极为有用。事实上,采集的定量吸收凹坑信息如面积,平均深度和体积允许比较来自不同源(股骨和砧骨)凹坑和最后评估,如果它们具有相同的原点。含有吸收托架区域在两个砧骨和股骨颈部样品进行分析。以及分隔骨吸收凹坑的BSE 3D图像被收购,4个图像通过软件相结合,并且获得三维重建。骨吸收坑区,平均深度和体积是由3D图像重建后MountainsMap软件萃取。更详细地说,我们进行的3D图像重建单个凹坑选择,随后区域的自动测量,平均深度和体积。数据收集,并通过SPSS统计软件进行统计分析。进行了以下测试:摘要统计评估凹坑区,平均深度和体积值的分布的正常性; independent sample -试验(假定不等和相等的方差)来凹坑面积,平均深度和体积值进行比较砧骨和股骨样本之间。

2.4。EDX微量分析

本研究中使用的变压扫描电子显微镜(VP-SEM,日立SU3500)配有双能色散X射线光谱仪(dEDS,Bruker XFlash®6 | 60)探测器。该仪器能够同时进行多模成像和空间分布化学制图,这是一种真正强大的分析方法,用于研究生物表面的原生状态。XFlash®6 | 60特别适用于X射线产率相对较低的应用,这在纳米分析领域很常见。

2.5。形态分类参数骨面评估

根据文献中广泛接受的形态学标准,砧骨区可分为吸收和形成骨表面[8-1214-17]. 简单地说,骨表面的再吸收特征是存在大的再吸收湾或分散的再吸收坑(Howship's陷窝)。扫描电镜观察到的这些结构显示明亮的圆形边缘,地板由部分脱钙的胶原纤维束构成,中间有狭窄的排水沟,在BSE成像模式下显得更暗。成骨表面以不规则表面为特征,胶原束发生矿化,矿化基质囊泡和成骨细胞/骨细胞自身免疫的浅坑(骨细胞腔隙)。它们有一个不规则的椭球形状,变化范围很大[18]。

三。结果和讨论

在下面的精确的扫描通路低倍率用SEM观察每个CHO砧骨样品,以评估一般骨形态和定义适用于高倍率的观察区域。养分椎间孔开口到该表面上(49椎间孔18成骨)和与标记的骨侵蚀区域的识别和该方法允许计数,有趣的是,与新骨形成区。它仍然是一个有争议的问题,如果骨侵蚀是由于破骨细胞的作用;此外,新骨形成是从未在受CHO砧骨描述。要获得这些发现的洞察力,我们在放大倍率从400X到600X,三维图像重建和EDS分析来进行观察。

3.1。普通样品表面的观察

示出具有吸收区域的样品的图像之前,正常表面的两个图像被呈现(图1):正常incus骨表面(图图1(a))和正常骨小梁(图图1(b)). 两块骨头的表面都没有吸收槽。

3.2。再吸收区的意见

CHO砧骨骨表面的图像显示营养椎间孔由大吸收托架包围的67%,似乎辐射从营养孔开口(图图2(a)图2(b))。

在较高的放大倍数CHO砧骨骨吸收托架和凹坑(图观察图3(a)在所有方面,这些股骨颈的表面与骨质疏松上)类似(图图3(b))。

明确地评估是否砧骨骨吸收托架是破骨细胞的作用的产品,我们使用了日立MountainsMap©软件来执行从4 BSE模式图像的3D重建(图4)。

从三维重建图像中提取一个小区域,通过软件分析小区域内的每个单一凹坑,计算出:面积、平均深度、体积(图)5(甲)5(b))。

我们分析了79个坑,每一个被考虑的参数值被记录和统计评价的SPSS统计软件。首先,对每个参数收集的数据进行汇总统计,以评估分布的正态性(表1). 对于所有值,数据分布都是正态的,所以 -(关于砧骨测量和股骨评估值之间的差值的每个参数的值之间进行的测试表2,图6)。两个系列的独立样本的 -测试,假设,分别,不等和相等的方差,分别传导至砧骨和股骨之间比较区域,平均深度和体积的值。这两个系列的证明,这两个群体之间不存在差别( 对于每个考虑的参数。


分配 区域μ2
算术
平均深度μ
算术
体积μ3
算术

砧木 正常
股骨颈 正常


区域 平均深度 体积
砧木 股骨 砧木 股骨 砧木 股骨

样本量 79个 79个 79个 79个 79个 79个
算术平均值 120.48 121.34 0.799 0.784 96.48分 94.99
95%CI为平均 118.57至122.39 116.15至126.54 0.77至0.82 0.74至0.82 93.51 99.45 89.69至100.28
方差 72.95 538.45分 0.011 0.025 173.31 559.32
St偏差 8.54 23.20 0.10 0.16 13.16 23.65
圣误差均值 0.96分 2.61 0.011 0.018 1.49条 2.66
-检验等方差
-检验等方差


-检验不等方差



3.3。新的观测骨形成区

详细的砧骨表面观察允许另一个有趣的发现,砧骨表面新的骨形成区的观察。我们的扫描电镜图像是第一个在砧骨上显示这一过程的。矿化囊泡释放在胶原束上的含量如图所示图7(a)图7(b). SE模式可以详细显示胶原纤维网,而BSE模式清楚地指出基质囊泡充满高分子量,胶原束具有不同的矿化程度(较浅或较深的区域)。

通过变压扫描电子显微镜(SEM)和差示扫描电子显微镜(dEDS)对未包覆样品的这些区域进行了分析。可变压力扫描电镜可以观察无涂层样品,避免了元素分析过程中金属涂层的干扰。含有钙化基质小泡的区域(图8(甲))通过分析DEDS。元素映射(图8(b))清楚地表明在基质囊泡钙的存在,而硫,包含在基质蛋白聚糖,仅在周围的细胞外基质的存在。钙和磷的bioapatite [特征元素19-21]. 元素图谱清楚地表明基质囊泡含有磷酸钙。

在新骨形成的后级由骨细胞自immuring在形成骨区域表示。在图9首次提出了骨细胞在砧骨表面自我免疫的骨细胞腔隙的详细图像。在这里,它们与股骨颈样本上的骨细胞腔隙完全重叠。骨细胞陷窝被完全矿化的胶原束包围。高倍放大(图8(b)),在骨细胞腔隙的底部,可见尚未完全矿化的胶原纤维和骨细胞突起所处的深孔。

在CHO骨吸收突出理论是破骨细胞活化;压迫性坏死;和酸裂解,酶调解和炎性中介[22]。在中耳胆脂瘤骨侵蚀机理仍然还不清楚,但其病理组织学已被广泛研究。

在一些研究[23],破骨细胞中未再吸收与CHO砧骨的骨区域观察到在别人[4-7],他们的报道。这可能是由于破骨细胞的短暂性;它们具有相对短的寿命,并且,是炎症控制之后进行外科手术时,它们可以不存在于样品回收率和固定的时间。

我们的研究结果表明,区域,平均深度和体积值之间不存在差别砧骨和股骨吸收坑之间,使我们国家,关于砧骨表面糜烂是由于受破骨细胞的作用。

破骨细胞是多核细胞,它们从单核细胞谱系的造血前体细胞分化[23]。核因子巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)和受体激活剂κ乙配体(RANKL)双向调节分化和破骨细胞的活化[24]。在几种炎症疾病,如类风湿性关节炎,病理性骨损失观察到,与RANKL生产过剩一起[2526]. 浸润到受损区域的免疫细胞如T淋巴细胞和巨噬细胞是RANKL的主要来源[27]胆脂瘤周基质成纤维细胞表达RANKL[28]。焦骨溶解的效应细胞是破骨细胞,但细胞因子是炎性骨质溶解的关键调节剂[29]。IL-1,IL-6,TNF-αα前列腺素E2 (PGE2)被认为是胆脂瘤进展的炎症介质。它们被认为通过激活破骨细胞来促进骨吸收[三十-32],炎症已被证实对胆脂瘤的形成、生长和扩张,包括骨吸收过程至关重要[223334]。我们的样品中观察到的炎性细胞;在图10,巨噬细胞(蓝色),淋巴细胞(红色),和破骨细胞的罕见共存呈现[35-37]。

骨稳态维持平衡骨再吸收的破骨细胞和骨形成的成骨细胞的活性,这种平衡的改变会导致骨丧失,其不被新骨形成恢复。事实上,在炎症,疾病状从过度骨吸收RA骨侵蚀结果,显着地限制骨形成[38]. 我们观察到CHO在砧骨上形成新骨的典型形态学标志物,但这种现象发生的速度可能慢于骨吸收,因此骨丢失是不可弥补的。

4。结论

在本文中所使用工具的创新定量方法的经典面形态特征,使我们国家的砧骨的表面糜烂是由于受破骨细胞的作用。此外,我们的观察和处理图像工作流程是文献中首次显示不仅存在骨侵蚀,还存在基质小泡释放其内容的胶原束和自免疫骨细胞,所有的新骨形成的标记在incus骨表面。在最近的文献的基础上[22-34]中,已经假设,由CHO诱导的炎性环境可以触发破骨细胞活性,诱发骨侵蚀;我们可以提供这个假设在图的形态学证据9;事实上,一个T淋巴细胞,巨噬细胞,和破骨细胞进行拍照一个靠近另一个;该照片给出目睹这些细胞[之间的旁分泌分子对话的印象22-34]. 观察到的新骨形成可能以较正常骨转换慢的速率发生,并且这个过程是不耦合的(最近在一些促进骨丢失的炎症性疾病中证明了这一点),从而导致整体骨丢失。本研究采用新的扫描表征方法,首次实现了砧骨骨侵蚀的三维成像及其定量测量,开创了生物定量扫描电镜形态学的新纪元。总之,我们的形态学结果让我们假设胆脂瘤造成了一个慢性感染的环境,具有特殊的生化特性,改变砧骨的正常骨转换。以炎症微环境(产生刺激破骨细胞活性的分子)的细胞群为靶点将开辟新的治疗选择,特别是在非侵入性治疗领域,允许抑制获得性中耳胆脂瘤的骨侵蚀发展。

数据可用性

数据存储在我们机构的计算机,并根据要求提供。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项研究由罗马萨皮恩扎大学研究项目资助。

参考文献

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