In vivo des macrophages imagerie utilisant MR ciblée agent de contraste pour l'évaluation longitudinale d'arthrite septique

Summary

Nous démontrons comment effectuer l'IRM macrophages en utilisant ultrapetites agent de contraste superparamagnétique (USPIO) dans l'arthrite septique, ce qui permet une première et longitudinale

Abstract

Les macrophages sont des cellules clés dans l'initiation, le développement et la régulation de la réponse inflammatoire à une infection bactérienne. Les macrophages sont de plus en plus intensive et recrutés dans les articulations septiques dès les premières phases de l'infection et l'infiltration est censé régresser une fois l'élimination efficace des agents pathogènes est obtenue. La capacité d'identifier l'activité des macrophages in vivo dans une articulation infectée peut donc fournir deux applications principales: la détection précoce de la synovite aiguë et le suivi du traitement.

In vivo, la détection non invasive des macrophages peut être réalisée avec l'imagerie par résonance magnétique en utilisant des nanoparticules de fer tels que ultrapetites oxyde de fer superparamagnétique (USPIO). Après administration intravasculaire ou intra-articulaire, USPIO sont spécifiquement phagocytées par des macrophages activés, et, en raison de leurs propriétés magnétiques, induire des changements de signaux dans les tissus présentant une infiltration macrophagique. A quantitativl'évaluation de l'e de l'infiltrat est possible, que la zone de perte de signal (nombre de pixels noirs) observée sur gradient echo images par résonance magnétique après que les particules d'injection est en corrélation avec la quantité de fer dans le tissu et reflète donc le nombre de cellules USPIO-chargés.

Nous présentons ici un protocole pour réaliser une imagerie de macrophages en utilisant USPIO-l'IRM dans un modèle animal d'arthrite septique, ce qui permet une première et longitudinales dans l'évaluation non invasive in vivo des macrophages infiltration et une évaluation des mesures de thérapie.

Introduction

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est considéré comme la modalité d'imagerie de choix pour la manifestation de la synovite infectieuse due à sa haute résolution spatiale et le contraste des tissus mous. changements de signaux observés à l'IRM dans l'arthrite faible T1 et un signal élevé T2 reflète la présence accrue de la teneur en eau extracellulaire et une amélioration marquée après l'administration de l'agent à base de gadolinium, en conformité avec les histologiquement conclusions d'augmentation de la vascularisation en raison de la vasodilatation et l'angiogenèse ^1. Néanmoins, l'IRM est souvent incapable de démontrer la résolution de l'infection pendant le traitement antibiotique que l'amélioration persistante peut être observé dans les articulations des patients atteints d'arthrite septique cliniquement et biologiquement guéri en raison de la persistance de l'espace extracellulaire agrandie (tissu de granulation, cicatrice fibreuse) ^2. Outre les changements extracellulaires, les cellules inflammatoires, notamment un recrutement intense de macrophages infiltrent massivement dans l'infectés synovie. Les macrophages jouent un rôle majeur à la fois dans la phase aiguë et chronique de l'infection bactérienne ^3. Ils induisent la réaction inflammatoire nécessaire pour éliminer les micro-organismes pathogènes, et de coordonner la résolution de l'inflammation, comme l'inflammation des macrophages induite persiste aussi longtemps que les tissus nécrotiques ne sont pas supprimés, ce qui empêche la réparation de commencer ^4. Ainsi, la réduction de l'infiltration macrophagique au sein de synovie infecté après un traitement efficace peut être un indicateur fiable de la résolution de l'infection. L'imagerie cellulaire est capable de démontrer infiltration cellulaire spécifique à l'intérieur de tissu pathologique. Spécifique IRM macrophage aide ciblée agent de contraste a été largement étudié et a démontré sa capacité à démontrer l'inflammation des articulations ou d'infection ^5-7. Après injection intraveineuse, ces agents de contraste ciblées comme USPIO particules (ultrapetites oxydes de fer superparamagnétiques) sont absorbés par les cellules phagocytaires telles que les macrophages et,en raison de leurs propriétés magnétiques, induire des changements de signaux dans les tissus présentant infiltration macrophagique ^8. Le suivi longitudinal de ceux MR signal de modifications traitement permet une évaluation non invasive in vivo à l'infiltration des macrophages, et une réduction des USPIO-macrophages chargés changements de signal liées démontrerait le succès de la thérapie. Le but de ce rapport est de présenter comment effectuer l'IRM macrophage de surveiller de manière non invasive arthrite septique en démontrant la réduction de l'infiltration des macrophages dans le liquide synovial.

Protocol

Toutes les procédures impliquant des sujets animaux ont été approuvés par le comité d'Institutional Animal Care Centre Hospitalier Universitaire.

1. L'inoculation bactérienne intra-articulaire

1. Avant l'injection, anesthésier lapins par injection intramusculaire de kétamine (30 mg / kg de poids corporel) mélangé avec de la xylazine (4 mg / kg) dans les muscles spinaux. S'assurer que les animaux sont complètement anesthésiés en vérifiant qu'ils ne parviennent pas à répondre aux pincée de patte. Ce protocole permet l'anesthésie suffisante pour l'injection intra-articulaire de l'articulation du genou. Placez les animaux sous masque à oxygène pendant l'anesthésie.
2. Raser le genou animaux. Préparation du genou pour une injection aseptique par trois lingettes alternées de gommage povidone-iode et de l'alcool suivie de l'application d'une solution de povidone-iode.
3. Identifier manuellement le tendon rotulien comme une structure élastique à la face antérieure du genou à l'aide d'un capuchon d'aiguille stérile comme indiqué ou une sonde stérile.
4. Injecter chaque genou avec 1 ml d'une suspension bactérienne de Staphylococcus aureus (souche Neumann) à une concentration de 10 ⁶ UFC / ml. Une injection sans résistance confirme la localisation intra-articulaire de la pointe de l'aiguille.
5. Après les procédures d'injection, garder l'animal en vertu source de convection pour éviter les pertes de chaleur et de suivre le rythme respiratoire en observant le mouvement de la poitrine. Une fois réveillé, garder les animaux dans des cages avec un accès libre à la nourriture et à l'eau.
6. Gérer la douleur par administration d'une injection intramusculaire de 0,1 mg / kg toutes les 8 heures buprénorphine.
7. Cliniquement observer les lapins chaque jour, contrôle des quantités consommées de nourriture et d'eau, perte de poids, la température et le comportement général.
8. Pour l'image de la phase aiguë de l'infection à effectuer la première séance d'imagerie RM dèscomme un animal présente une perte de poids importante (10%), généralement cela se produit après environ 2 jours.
9. Si l'administration de drogues par voie intraveineuse est nécessaire avant l'examen IRM, un accès veineux auriculaire peut être installé (cf. ci-dessous).

2. L'examen IRM

Quand l'imagerie des animaux vivants, une installation animal attention est un élément clé pour assurer le confort des animaux et de l'anesthésie optimale. Cela permettra d'obtenir de meilleurs résultats d'imagerie et d'assurer une acquisition d'image de reproduction pour les études longitudinales. En raison de la taille de l'animal, l'utilisation d'une unité MR clinique taille (1,5 T ou 3 T) est le plus approprié. Bobine de genou clinique 8 canaux est utilisée car elle offre la résolution appropriée et le rapport contraste sur bruit pour le lapin exploration du genou.

1. Avant l'installation du système d'imagerie, installer un accès veineux périphérique à travers une veine auriculaire. Cet accès permettra d'injecter l'agent de contraste.
   1. Rasage et désinfecter l'oreille.
   2. Insérer un cathéter 25 G à l'intérieur de la veine auriculaire latérale.
   3. Évaluer la perméabilité par injection de 1 ml de sérum physiologique stérile.
   4. Maintenir le cathéter avec taraudage adhésif.
2. Anesthésier des animaux au moyen d'une injection intramusculaire de kétamine (30 mg / kg de poids corporel) mélangé avec la xylazine (4 mg / kg). Les animaux sont entièrement anesthésié une fois qu'ils ne parviennent pas à répondre aux pincée de patte. Placer un masque facial sur le lapin, en lui donnant l'oxygène avec un débit de 200 ml / min.
3. Une fois complètement anesthésié, prendre l'animal à l'unité IRM. Placer les animaux de manière que les genoux sont situés dans le centre de la bobine MR. Placer les pattes de l'animal en extension complète, de sorte que le grand axe du tibia est parallèle à la table d'unités d'imagerie MR. Utilisez des attaches velcro ou des sacs de sable pour maintenir la position optimale de la jambe.
4. Surveillance cardio-respiratoire des animaux n'est pas nécessaire que l'protocole d'anesthésie permet une anesthésie profonde sur la respiration spontanée, mais les animaux doivent être couverts pour éviter la perte de chaleur induite par l'anesthésie.
5. M. protocole est détaillé dans le tableau 1. Le délai moyen d'acquisition total, y compris une installation optimale est d'environ 20 min.
6. Effectuez l'IRM dans des plans différents. Néanmoins, le plan transversal des genoux (orthogonal au tibia) est le plan de référence car elle garantit la reproductibilité anatomique de la position de l'image pour des examens longitudinaux successifs et permet corrélation optimale avec des tranches histologiques.
7. À la fin de séquences non améliorées, injecter le produit de contraste UPSIO grâce à l'accès veineux auriculaire. Lentement administrer des particules d'oxyde de fer en une seule dose de 150 pmol de Fe / kg. Rincer le cathéter par injection de 1 ml de sérum physiologique stérile.
8. Répétez la séquence pondérée améliorée GRE 24 heures après l'injection. Ce délai permet aux particules d'être phagocytées parles macrophages.
9. Pour les études longitudinales évaluant l'effet de médicaments (antibiotiques, des stéroïdes, des anticorps anti-macrophages, etc.), Répéter les examens IRM séquentielles selon le protocole décrit ci-dessus.

3. Analyse d'Image

1. Pour l'évaluation longitudinale effectuer des mesures au même niveau anatomique, et de définir un point de repère facilement identifiable. Par exemple, l'acquisition par le plan axial où l'on observe le plus grand diamètre de la rotule est un moyen fiable pour obtenir des mesures reproductibles (figure 1).
2. Procéder à l'analyse d'image en utilisant un logiciel DICOM basée (comme Osirix) ou un logiciel de traitement d'image (ImageJ).
3. En utilisant le logiciel ImageJ, effectuer la segmentation de l'espace synovial qui démontre la perte de signal sur USPIO-image améliorée GRE pondérée en T2 en utilisant l'outil de dessin «irrégulière de la zone". Une fois la membrane synoviale avec signal d'obscurité est décrit, cliquez sur "Analyser" pour obtenir la région /nombre de pixels (figure 2).

Representative Results

Sur les images non améliorés, la synoviale des genoux infectés présente un gonflement diffus du signal intermédiaire qui est non distinguée de tissu mou environnant, tandis que le fémur et la rotule apparaissent comme des structures de signal bas (figure 1).

Sur les images USPIO-améliorées, 24 heures après l'administration de l'agent de contraste, la zone synovial contenant macrophages USPIO chargés fera la démonstration de la perte de signal (figures 1 et 2).

infiltration des macrophages dans les synoviale peut être démontrée à l'aide immunomarquage spécifique (figure 3). Bleu de Prusse de Perls tache peut détecter des particules de fer, qui apparaissent comme des points bleus (Figure 4).

	GRE T2 pondéré
temps de répétition (ms)	450
Echo temps (ms)	4	Angle de bascule	30
Facteur Turbo
Fat suppression
L'épaisseur des tranches (mm)	1.5
écart de l'intervalle	0
Champ de vision (mm)	70
Matrice	448 x 360
Bande passante	80
Signaux acquis	2
Numérisation longueur	3'10

Tableau 1. Exemple de paramètres de séquence pondérée en T2 MR GRE sur une unité MR 3T.

Figure 1. Axial GRE images pondérées en T2 d'un genou de lapin à l'aigula phase de l'infection, avant (A) et 24 h après (B) l'administration intravasculaire de la USPIO; images sont obtenues au niveau de la rotule (p) et le fémur (F). Sur l'image unenhanced (A), la membrane synoviale est épaissie (flèche) et présente un signal intermédiaire homogène indistinct des tissus mous environnants. Après administration USPIO (B), la membrane synoviale apparaît désormais comme une zone en forme de bande d'un signal massivement sombre (flèche) en raison de la présence de macrophages USPIO-chargés. (Tiré à part de Lefèvre S. et al. ⁹ avec permission).

Figure 2. Segmentation et la détermination de la zone synovial qui a présenté une perte de signal en utilisant ImageJ.

Figure 3. Photomicrograph de immunohistochimique des macrophages spécifique démontre l'infiltration intense de macrophages dans le tissu synovial infecté (flèche). (RAM 11 immunomarquage, grossissement 40X).

Figure 4. Photomicrograph (bleu de Prusse de Perls tache, grossissement 40X) montre plusieurs cellules colorées en bleu correspondig les macrophages USPIO-chargés (flèche). (Tiré de Lefèvre S. et ⁹ al. Avec permission).

Discussion

Alors que les agents de contraste à base de gadolinium non spécifiques fournissent des informations sur le volume et la perfusion de l'espace extracellulaire, l'imagerie macrophage par USPIO-enhanced MR permet une localisation anatomique précise et une évaluation qualitative de l'infiltration macrophagique au sein de la synoviale infecté sans avoir besoin de prélèvement de tissu ^9. En raison de leur grande sensibilité, USPIO peut démontrer, même subtile infiltrat cellulaire présent dans les phases précoces de l'infection. En vertu de l'antibiothérapie, de l'que les agents pathogènes sont progressivement éliminées, cette infiltration est considéré pour diminuer, ce qui conduit à la réduction des USPIO absorption à l'intérieur de la membrane synoviale. Comme la zone de signal d'obscurité est corrélée à la teneur en fer tissulaire, le signal synovial après administration USPIO peut être considéré comme un biomarqueur, une représentation quantitative de l'infiltration cellulaire qui peut être évalué longitudinale ^10. En outre, et contrairement à d'autres modalités d'imagerie telles que optImagerie iCal ou l'imagerie isotopique, imagerie par résonance magnétique mobile a la capacité de générer des images anatomiques haute résolution qui permettent une localisation précise des variations du signal des cellules liées.

Macrophage imagerie permet d'estimer la présence et la distribution dans les tissus d'intérêt cellule sans qu'il soit nécessaire de prélever des tissus. Elle évite donc les deux principaux inconvénients de l'échantillonnage des tissus répété souvent nécessaire dans les études biologiques in vivo qui sont envahissant et la modification de la biologie normale du tissu natif. En outre, les prélèvements de tissus séquentielle pourrait ne pas être possible dans de petits animaux qui ne tolèrent pas les procédures de stress répétés, ce qui empêche l'évaluation longitudinale. En revanche, l'imagerie in vivo de suivi du contenu des macrophages dans un tissu en utilisant séquentielle USPIO-enhanced MR scanner peut être facilement appliqué à de petits animaux pour le suivi longitudinal de l'antibiothérapie dans les maladies infectieuses, de la thérapie anti-inflammatoire dans des modèles de Noninl'arthrite infectieuse, ou de traitement dans les maladies macrophages-impliqués.

Une fois le modèle d'intérêt est choisi (arthrite septique synovite, etc.), L'administration de l'agent de contraste est réalisée facilement grâce à l'injection intravasculaire lente et n'est en général pas difficile techniquement. La principale limitation de l'imagerie cellulaire MR en utilisant un agent de contraste USPIO est la nécessité de répéter balayage 24 injection de ressources humaines, ce délai permettant la phagocytose par les macrophages spécifique ^5-7. Par conséquent, afin de disposer de données d'imagerie comparables, une installation animal précis au sein de l'unité MR est obligatoire. Dans notre expérience, nous avons constaté que l'installation des animaux en position couchée dans la bobine MR associée avec inférieure de la jambe extension complète obtenue en collant adhésif permis images hautement reproductibles et comparables.

Nous avons présenté dans ce rapport comment étiqueter facilement dans les macrophages in vivo avec USPIO, profitant de leur naturelactivité phagocytaire. Même si une procédure ex vivo préliminaire supplémentaire pourrait être nécessaire (pour permettre contraste pénétration de l'agent en cellules non naturelle phagocytaires), marquage des cellules avec un agent de contraste MR hautement sensibles telles que les particules d'oxyde de fer peut être appliquée à d'autres types cellulaires comme les lymphocytes, polynucléaires leucocytes, ou les mastocytes. IRM cellulaire peut donc être un outil très intéressant pour l'enquête de manière non invasive du recrutement séquentiel de tous les types de cellules impliquées dans l'inflammation liée à l'infection, et d'évaluer l'impact du général ainsi que des thérapies cellulaires ciblées.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name of Reagent/Material	Company	Catalog Number	Comments
P904	Guerbet		Dose: 150 μmol Fe/kg
Ketamine (500 mg/ml ketamine)	Virbac		Dose: 30 mg/kg
Rompun (20 mg/ml Xylazine)	Axience		Dose: 4 mg/kg
Buprenorphine	Vetoquinol		Dose: 0.1 mg/kg/8 hr
BD 22 G, 1 inch	BD Biosciences	381423
BD 25 G, 5/8 inch	BD Biosciences	305122