Dragonfly三維成像揭開骨骼礦物層狀鑲嵌結構之謎
加拿大Dragonfly軟件如何助力科學家首次捕獲Hyp小鼠骨骼的“礦物鑲嵌藝術”
文獻索引
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顯微技術配合專業的Dragonfly三維圖像處理分析軟件，對比分析正常野生型（WT）與Hyp突變小鼠（X連鎖低磷血癥模型）的骨礦化結構。
發現正常骨的礦物呈有序層狀鑲嵌，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，層狀鑲嵌結構崩解；
此篇文章首次在三維尺度證實礦物鑲嵌度是骨質量的核心生物標志物，為骨質疏松病理機制提供納米級結構證據。
圖為三維鑲嵌礦物橢球體排列
主要結果
正常骨(野生型小鼠，WT)的礦物結構特征
礦物沉積呈現高度有序的層狀鑲嵌模式(crossfibrillar mineral tessellation)，礦化灶以橢球體(tesselles)形式擴展，緊密堆積于膠原纖維束內，形成連續、致密的礦物網絡。
該結構是維持骨骼板層周期性(lamellar periodicity)和生物力學強度的關鍵基礎。
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骨橋蛋白(osteopontin)異常增加的影響，礦化灶的生長軌跡提前中止，無法完成橢球體擴展與堆積。
礦物呈離散孤島狀分布，導致層狀鑲嵌結構崩解，礦化連續性被破壞。
礦化結構破壞的病理與力學后果
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骨骼 生物力學功能衰退最終導致宏觀骨畸形，如骨骼不規則增厚。
骨細胞與礦化模式的關聯
首次揭示 骨細胞及其突起(cell processes)的空間分布與礦物鑲嵌結構存在直接關聯，提示骨細胞在調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
結論
該研究表明，Hyp小鼠骨骼中的礦物質化過程存在缺陷，表現為礦物質聚焦和橢球體生長受阻。這可能解釋了Hyp小鼠骨骼異常的機制，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作為一款先進的三維圖像處理軟件，被用于處理FIB-SEM顯微鏡產生的三維數據。
1. 數據導入與可視化：將FIB-SEM掃描得到的原始圖像數據導入該軟件進行三維重建和可視化。
2. 圖像分割與識別：利用Dragonfly圖像分割工具識別和分離骨骼中的礦物質聚焦和纖維結構。
3. 形態學分析：對識別出的礦物質橢球體進行尺寸、形狀、排列等形態學參數的量化分析，從而比較正常和Hyp小鼠骨骼的差異。
4. 交聯纖維鑲嵌結構分析：用軟件對礦物質與纖維的相對位置和排列方式進行三維分析，以理解“crossfibrillar tessellation”的形成和缺陷。
5. 大數據并行處理：10,000+切片的高效融合與分析，耗時從數周縮短至48小時。
因此，Dragonfly軟件在數據后處理、可視化和量化分析方面發揮了關鍵作用，可從三維圖像中提取有價值的信息，從而得出研究結論。
