如何选择合适的影像学手段来评估组织修复与再生效果？
在组织工程和再生医学的研究中，影像学技术常用来评估生物材料/支架植入动物体内后组织修复再生的效果，比如骨/软骨修复与再生。那么，不同影像学检查分别适用于哪些动物模型呢？我们又该如何正确解读、分析那些黑灰白堆积的影像学图像？
接下来EFL带大家一同了解常见的X线、CT（计算机体层成像）和MRI（核磁共振成像）的成像原理以及部分应用。
01
X线
1. 成像原理：
X线具有穿透性。当X线穿过不同密度和不同厚度的组织时，会被这些组织不同程度的吸收，从而使得到达荧屏、胶片或其他接收装置的X线量出现差异，因此形成不同黑白对比的X线影像。
高密度组织（X线被吸收量多，无法穿透）呈白色影像，如骨或钙化
低密度组织（X线被吸收量少，易穿透）呈灰/深黑色影像，如脂肪和含气组织
2. 动物模型中的应用：
X线检查适用于自然对比（基于组织结构固有的密度和厚度差异所形成的灰度对比）较为明显的器官或组织。例如观测密度高的骨性结构与含钙相关材料。
图1 在桡骨节段性缺损的兔模型中，X线片展示了桡骨完整性与连续性的破坏。同时，研究中所植入的磷酸钙支架（b）与负载过氧化钙颗粒的磷酸钙支架（c）因材料本身密度较高，其与桡骨缺损的空间相对位置在X线片上均清晰可见[1]
图2 利用X线片监测大鼠尾椎穿刺模型的建立（A）。并利用X线片定量不同时间/组别的大鼠尾椎损伤节段的椎间高度监测大鼠尾椎椎间盘退变的发生与进展[2]
但值得注意的是，关节中除骨性结构外的其他结构，如关节囊、关节软骨、椎间盘等均属于软组织，包括周围的肌肉、血管、神经等组织间密度差别不大，缺乏天然对比，因此X线因分辨力有限并不适用于观察这些结构。
02
CT（计算机体层成像）
1. 成像原理：
CT的原理是以普通X线为基础，使多个层次的X线穿过组织，通过对得到的数据进行二次处理，最后得到断面的图像。X线呈现的是某一角度该组织的前后叠加影像,CT则呈现的是该组织不同断面的影像。以吐司打比方，X线是将其压扁，而CT则是将其切片来观察内部的结构。
2. 动物模型中的应用：
CT突出的优点为较高的密度分辨力（相当于常规X线图像的10-20倍），因此CT能清楚显示由软组织构成的器官，如脑、肝、胰腺、脾、肾、心脏及盆腔器官等，这是常规X线图像难以达到的。
CT图像不但能从形态学上显示组织器官和病变的密度高低，而且还可以应用X线吸收系数的数值（常改用CT值）来量化评估密度高低程度，并可通过数据分析重新进行指定部位的3D建模，这赋予了CT卓越的硬组织解析能力。
图3 在大鼠内侧半月板失稳诱导骨关节炎模型中，利用Micro-CT代表性截面图像（2D红色箭头所示）与重新建模（3D红色阴影区域）分别展示各组模型骨赘的形成，监测各组大鼠骨关节炎的发生与进展[3]
图4 在小鼠股骨远端骨缺损模型中，利用Micro-CT代表性截面图像与3D建模展示不同治疗措施的骨再生情况。同时对缺损部位骨体积分数（BV/TV）、骨矿物质密度（BMD）、骨小梁厚度（Tb.Th）以及骨小梁分离度（Tb.Sp）定量分析评估生物材料促进骨修复再生效果[4]
03
MRI（磁共振成像）
1. 成像原理：
用较大的磁场，使组织内原本随意排列的氢质子磁场的磁力线方向统一，再突然把磁场的作用去掉，身体内所有的氢质子的磁力线方向又恢复到之前的状态。也就是利用不同组织里氢质子的震动差异形成影像，从而区分不同组织。
简单说，就像是把一颗鸡蛋用力摇一摇，里面的蛋清随着摇动的方向振动起来，再突然停止摇动，检测鸡蛋里面的震动情况。
2. 动物模型中的应用：
MRI的成像与水密切相关。因此，在表征包括半月板、椎间盘在内的关节软骨相关组织结构病变时，MRI相较于CT是更优的选择。
与以轴位断层图像为主的CT相比，MRI可以直接获取任意方位断层图像，有利于显示组织结构间的解剖关系，也有利于明确病变的起源部位及范围。
图5 在大鼠尾椎椎间盘针刺损伤模型中，T2加权MRI清晰展示髓核组织，对髓核组织含水量（亮度）及MRI评分定量评估大鼠椎间盘退变的发生与进展[5]
图6 在兔的股骨软骨缺损模型中，通过向水凝胶中引入超顺磁性氧化铁（USPIO）实现体内水凝胶降解与软骨修复的无创性监测[6]
根据以上的描述，我们或许可以归纳出一些有用的线索——对骨性组织结构完整性、连续性以及植入材料与组织空间相对位置的观察，首选X线；评估因疾病造成的骨丢失（如骨质疏松、失用性萎缩等）或干预后的骨修复再生效果（如生物材料的植入）时，应选择CT进行定量解析；而对于半月板、关节软骨和髓核等在内的软骨组织的监测，MRI是最优的选择。
事实上，影像检查的正确选择是一门十分复杂的学科。我们在各色的影像学检查中，应根据表征部位、组织类型，结合各种检查手段的成像原理、操作难度和经济成本等妥善选择，以期达到利用影像学结果更好地对论点进行论证的目的。此外各种对比剂、示踪剂与核医学技术与影像学的联合应用，相信在科学研究的各种动物实验中会发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1] M. Touri, F. Moztarzadeh, N. A. Abu Osman, M. M. Dehghan, P. Brouki Milan, S. Farzad-Mohajeri, M. Mozafari, ACS Biomater Sci Eng 2020, 6, 2985.
[2] J. Bian, F. Cai, H. Chen, Z. Tang, K. Xi, J. Tang, L. Wu, Y. Xu, L. Deng, Y. Gu, W. Cui, L. Chen, Nano Lett 2021, 21, 2690.
[3] J. Yang, Y. Han, J. Lin, Y. Zhu, F. Wang, L. Deng, H. Zhang, X. Xu, W. Cui, Small 2020, 16, e2006356.
[4] J. Wu, G. Li, T. Ye, G. Lu, R. Li, L. Deng, L. Wang, M. Cai, W. Cui, Chemical Engineering Journal 2020, 393, 124715.
[5] Q. Wei, D. Liu, G. Chu, Q. Yu, Z. Liu, J. Li, Q. Meng, W. Wang, F. Han, B. Li, Bioact Mater 2023, 19, 581.
[6] W. Yang, P. Zhu, H. Huang, Y. Zheng, J. Liu, L. Feng, H. Guo, S. Tang, R. Guo, ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 34744.
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