Complementary use of preclinical imaging in minipig model studies

Improvements in bone-implant integration are crucial in modern dental surgery. The processes of osseointegration involve an initial mechanical interlocking between alveolar bone and the implant body (primary implant stability) and, later, a biological fixation through continuous bone apposition (contact osteogenesis) and remodeling toward the implant (secondary implant stability). The introduction of newly developed implant materials for patients care often requires the use of preclinical models to test biocompatibility, mechanical stability and safety. Among other possible species, minipigs are a recommended animal model for translational research of new dental materials before clinical trials in humans, since their bone structure and physiology are similar to that of humans. Based on the above considerations, minipig has been selected as a large animal model for the pivotal preclinical testing of innovative biomaterials and implants. This model would benefit from a non-destructive imaging modality so that mechanical and morphological endpoints can more readily be examined in the same specimens. Currently, microcomputed tomography (?CT) is a potential candidate tool as an adjunct for biomechanical testing and for standard histology. ?CT is fast, precise and, unlike conventional microscopic methods, does not need long time for specimen preparation and is not limited to assessment of a restricted number of sections. High-resolution ?CT allows measurements of trabecular and cortical bone and a three-dimensional (3D) representation of bone formation at the peri-implant region. In this way, ?CT allows less use of samples necessary for both biomechanical and morphometric studies, in accordance with the principles of the "refinement" and "reduction" declared by Russell and Burch in 1954. In our pilot study we examined the utility of ?CT for evaluating bone-implant integration in a minipig model, as an adjunct to conventional histomorphometry and biomechanical testing. The performance of an innovative hybrid nanocomposite, as a biomimetic scaffold in improving implant primary stability in post-surgical sites, were tested. ?CT increases evaluation throughput and offers the possibility for qualitative three-dimensional recording of the bone-implant system as well as for non-destructive evaluation of bone architecture and mineral density, in combination with conventional analysis methods. The proposed multimodal approach allows to improve accuracy and reproducibility for peri-implant bone measurements and could support future investigations.

Uso complementare dell'imaging preclinico nella ricerca sul modello animale minipig I miglioramenti nella valutazione dell'osseointegrazione degli impianti protesici sono cruciali in odontoiatria moderna. I processi di osteointegrazione comprendono una fase iniziale di connessione meccanicatra l'osso alveolare ed il corpo dell'impianto (stabilità primaria dell'impianto) e, successivamente, una fase di fissazione biologica attraverso l'apposizione continua di tessuto osseo (osteogenesi da contatto) ed il rimodellamento dell'osso che circonda l'impianto (stabilità dell'impianto secondario). L'introduzione di materiali protesici di nuova concezione per i pazienti spesso richiede l'utilizzo di modelli preclinici per testarne la biocompatibilità, la stabilità e la sicurezza meccanica. I minipig rappresentano attualmente il modello animale di prima scelta per la ricerca traslazionale per la sperimentazione preclinica di biomateriali e impianti dentali innovativi propedeutici ai trials clinici, poiché la loro struttura e fisiologia ossea sono simili a quelle umane. La valutazione di questo modello potrebbe beneficiare dell'utilizzo di una modalità di imaging non distruttiva in modo da esaminare più facilmente gli endpoint meccanici e morfologici negli stessi campioni. Attualmente, la tomografia computerizzata ad alta risoluzione (?CT) è un potenziale strumento complementare ai test biomeccanici ed all'esame istologico quali gold standard. La tecnica ?CT è veloce, precisa e, a differenza dei metodi microscopici convenzionali, non comporta eccessivo dispendio di tempo per la preparazione dei campioni e non si limita alla valutazione di un numero limitato di sezioni. La ?CT ad alta risoluzione consente misurazioni sia sull'osso trabecolare che corticale e una rappresentazione tridimensionale (3D) della formazione ossea in corrispondenza della zona peri-impianto. In questo modo, la ?CT consente l'utilizzo di un minore numero di campioni necessari per gli studi biomeccanici e morfometrici, in conformità con i principi del "perfezionamento" e della "riduzione" enunciati da Russell e Burch nel 1954. Nel nostro studio pilota abbiamo esaminato l'utilità della ?CT per valutare l'integrazione osso-impianto in un modello di minipig, in modo complementare alla istomorfometria convenzionale ed ai test biomeccanici. Sono state testate le prestazioni di un materiale innovativo nanocomposito ibrido, usato come impalcatura biomimetica per migliorare la stabilità primaria post-chirurgica dell'impianto. La ?CT consente di incrementare il rendimento di valutazione e offre la possibilità di elaborare immagini qualitative tridimensionali del sistema osso-impianto, nonché la valutazione quantitativa e non distruttiva dell'architettura e la densità minerale ossee, in combinazione con metodi di analisi convenzionali. L'approccio multimodale proposto permette di migliorare la precisione e riproducibilità per le misurazioni sul tessuto osseo peri-impianto e risulta estremamente utile per indagini future.