Dragonfly三維成像揭開骨骼礦物層狀鑲嵌結(jié)構(gòu)之謎

加拿大Dragonfly軟件如何助力科學(xué)家首次捕獲Hyp小鼠骨骼的“礦物鑲嵌藝術(shù)”

文獻(xiàn)索引
Buss, D. J., Reznikov, N., & McKee, M. D. (2020). Crossfibrillar mineral tessellation in normal and Hyp mouse bone as revealed by 3D FIB-SEM microscopy. Journal of structural biology, 212(2), 107603.

https://doi.org/10.1016/j.jsb.2020.107603

研究者利用3D FIB-SEM顯微技術(shù)配合專業(yè)的Dragonfly三維圖像處理分析軟件，對(duì)比分析正常野生型（WT）與Hyp突變小鼠（X連鎖低磷血癥模型）的骨礦化結(jié)構(gòu)。

發(fā)現(xiàn)正常骨的礦物呈有序?qū)訝铊偳�，緊密填充膠原纖維間隙；而Hyp病變骨因低磷酸鹽血癥及骨橋蛋白異常堆積，層狀鑲嵌結(jié)構(gòu)崩解；

此篇文章首次在三維尺度證實(shí)礦物鑲嵌度是骨質(zhì)量的核心生物標(biāo)志物，為骨質(zhì)疏松病理機(jī)制提供納米級(jí)結(jié)構(gòu)證據(jù)。
 

圖為三維鑲嵌礦物橢球體排列

主要結(jié)果
正常骨(野生型小鼠，WT)的礦物結(jié)構(gòu)特征
礦物沉積呈現(xiàn)高度有序的層狀鑲嵌模式(crossfibrillar mineral tessellation)，礦化灶以橢球體(tesselles)形式擴(kuò)展，緊密堆積于膠原纖維束內(nèi)，形成連續(xù)、致密的礦物網(wǎng)絡(luò)。

該結(jié)構(gòu)是維持骨骼板層周期性(lamellar periodicity)和生物力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

Hyp突變小鼠(低磷血癥模型)的礦化缺陷
受低血清磷酸鹽和基質(zhì)骨橋蛋白(osteopontin)異常增加的影響，礦化灶的生長(zhǎng)軌跡提前中止，無法完成橢球體擴(kuò)展與堆積。

礦物呈離散孤島狀分布，導(dǎo)致層狀鑲嵌結(jié)構(gòu)崩解，礦化連續(xù)性被破壞。

礦化結(jié)構(gòu)破壞的病理與力學(xué)后果
剛性降低(abnormal compliance)，韌性下降(reduced toughness)，骨重塑異常(altered remodeling)。

異常的礦物分布直接引發(fā)骨骼 生物力學(xué)功能衰退最終導(dǎo)致宏觀骨畸形，如骨骼不規(guī)則增厚。

骨細(xì)胞與礦化模式的關(guān)聯(lián)
首次揭示 骨細(xì)胞及其突起(cell processes)的空間分布與礦物鑲嵌結(jié)構(gòu)存在直接關(guān)聯(lián)，提示骨細(xì)胞在調(diào)控礦化空間秩序中的潛在作用。
 

圖為Dragonfly三維圖像軟件處理頭骨

結(jié)論
該研究表明，Hyp小鼠骨骼中的礦物質(zhì)化過程存在缺陷，表現(xiàn)為礦物質(zhì)聚焦和橢球體生長(zhǎng)受阻。這可能解釋了Hyp小鼠骨骼異常的機(jī)制，并為理解骨骼礦化疾病提供了新的見解，為靶向治療開辟新路徑。

Dragonfly軟件的作用
Dragonfly作為一款先進(jìn)的三維圖像處理軟件，被用于處理FIB-SEM顯微鏡產(chǎn)生的三維數(shù)據(jù)。
1. 數(shù)據(jù)導(dǎo)入與可視化：將FIB-SEM掃描得到的原始圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入該軟件進(jìn)行三維重建和可視化。
2. 圖像分割與識(shí)別：利用Dragonfly圖像分割工具識(shí)別和分離骨骼中的礦物質(zhì)聚焦和纖維結(jié)構(gòu)。
3. 形態(tài)學(xué)分析：對(duì)識(shí)別出的礦物質(zhì)橢球體進(jìn)行尺寸、形狀、排列等形態(tài)學(xué)參數(shù)的量化分析，從而比較正常和Hyp小鼠骨骼的差異。
4. 交聯(lián)纖維鑲嵌結(jié)構(gòu)分析：用軟件對(duì)礦物質(zhì)與纖維的相對(duì)位置和排列方式進(jìn)行三維分析，以理解“crossfibrillar tessellation”的形成和缺陷。
5. 大數(shù)據(jù)并行處理：10,000+切片的高效融合與分析，耗時(shí)從數(shù)周縮短至48小時(shí)。

因此，Dragonfly軟件在數(shù)據(jù)后處理、可視化和量化分析方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，可從三維圖像中提取有價(jià)值的信息，從而得出研究結(jié)論。