多只小鼠神经解剖磁共振成像

摘要

磁共振成像（MRI）已成为研究基因改造小鼠表型的日益流行的工具。本文阐述了利用多只小鼠同时进行MRI扫描，以实现对基因改造小鼠高通量表型分析所必需的方法。

摘要

利用磁共振成像（MRI）对小鼠进行表型分析的研究领域正在迅速发展，其推动力来自于对改进人类疾病小鼠模型表征与评估工具的迫切需求。MRI 是研究基因修饰动物的理想手段，能够实现全脑覆盖，可用于活体（in vivo）检测，并提供多种对比机制，以探究神经解剖学和生理学的不同方面。随着高场强扫描仪的出现以及可同时扫描多只小鼠的技术进步，新型突变的快速表型分析已成为可能。

有效的小鼠 MRI 研究需要关注实验设计的诸多方面。本文将介绍利用在同一磁体中共用屏蔽式发射/接收射频（RF）线圈同时成像小鼠的系统，获取用于小鼠表型分析的高质量图像的一般方法（Bock 等，2003）。我们特别关注解剖表型分析，这是本影像中心在多种小鼠模型中已展现出高影响力潜力的重要且易于实施的应用。在详细介绍图像采集步骤之前，需首先考虑以下重要的实际问题，涉及 体内 脑成像（Dazai 等，2004）和 离体 脑成像（Spring 等，2007）中应予以注意。以下将对此进行讨论。

方案

1. 多只小鼠 在体 脑成像：

对活体动物进行成像时，整个成像过程中必须具备以下几个关键要素：1）安全的麻醉方法，2）环境控制，以及3）生理监测。此外，在同时对多个受试动物进行成像时，还涉及样本准备的便捷性与速度，以及动物体位可重复性等额外复杂因素，以利于图像配准。因此，我们设计并制作了三个主要的定制组件：用于将小鼠插入磁共振成像仪中射频线圈的装载系统、便于准备操作的诱导麻醉室，以及集成监测导联的平台，以标准化动物体位。

加载系统：

小鼠装载系统由两个主要部分组成：“小鼠蜂巢”和“装载阵列”。“小鼠蜂巢”的主要功能是将七个Millipede射频线圈（Varian NMR Systems，Palo Alto，CA）在磁体孔道内排列成六边形阵列。装载阵列用于容纳并运输安置在50毫升离心管中的多只小鼠，这些离心管的管尖钻有小孔，以便麻醉气体进入。在磁体附近的准备区域将小鼠麻醉并连接至监测设备后，将其插入经改造的离心管中，并安装到装载阵列上。所有小鼠安装完毕后，将装载阵列运送并插入磁体中，并置于导轨系统上。该导轨系统允许阵列在推入磁体孔道时与小鼠蜂巢对接。当完全插入磁体后，离心管会与射频线圈内的麻醉输送系统对接。由小鼠蜂巢端通过沿每个线圈轴向布置的管道，向样本输送由异氟烷与氧气混合的麻醉气体。该混合麻醉气体流入离心管，流经小鼠后，由连接在装载阵列后端的主动废气清除装置收集（图1）。

诱导室：

由于成像时间可能长达三小时，最大限度缩短动物准备时间对于减少小鼠暴露于麻醉剂的时间至关重要。因此，我们设计了一种定制的诱导舱以简化准备流程（图2）。该定制诱导舱为多只小鼠的麻醉诱导和操作提供了一个统一的环境。诱导舱由透明丙烯酸材料制成，配备可自动闭合的硅胶虹膜端口，以减少麻醉气体泄漏，并允许操作者在无需使用特殊手套的情况下进入舱内环境。与传统用于单只小鼠的面罩和回路系统相比，该诱导舱体积更大，最多可容纳二十只小鼠，并可在无需连接笨重导管和面罩的情况下自由操作小鼠。该装置通过持续供应麻醉气体运行，并采用被动废气收集系统回收废气。舱体底部装有电阻加热元件，用于在准备过程中维持动物的体温。

载物台：

在为小鼠进行磁共振成像（MRI）准备的过程中，最繁琐且耗时的步骤之一是安装心电图（ECG）电极和直肠温度探头。此外，许多传统电极（如套管电极和针状电极）会改变动物的正常体位，导致体位标准化困难。因此，我们设计了一种定制的、贴合体形的定位平台，内置心电图、呼吸和温度探头，称为“滑板”（'sled'，美国专利 7,146,936）（图3）。使用尼龙搭扣制成的固定装置限制头部运动。

多只小鼠 在体 脑成像步骤：

1. 所有小鼠研究均需获得当地动物护理委员会（ACC）、机构动物护理与使用委员会（IACUC）或同等机构的批准，方可进行小鼠操作。
2. 动物的识别与称重等所有操作均应在生物安全柜（BSC）内及MRI单元中进行。将动物转移至可高压灭菌的塑料容器中，并运送至MRI麻醉诱导舱。
3. 在预加热的诱导舱中使用4%异氟烷和4 L/min的氧气对小鼠进行麻醉。当小鼠对足部夹捏无反应时，表明已完全麻醉。如有必要，使用脱毛剂（NAIR）去除胸部毛发，以确保与定制滑橇上集成的心电图（ECG）和体温监测设备良好接触。眼部涂抹Eve软膏（Tears Naturale P.M.）以防止干燥，并皮下注射约0.3 mL生理盐水以维持水合状态。
4. 若需增强对比度，可使用Gd-DTPA-BMA（Omniscan）。如使用Gd-DTPA，应将其溶于生理盐水（最终体积300 μL），并在MR扫描前通过腹腔注射给予单次剂量1 mmol/kg。
5. 随后将小鼠装入各自的滑橇中，用头部固定带固定，并滑入开口式50 mL锥形管中（图3）。每次最多可同时扫描7只活体小鼠。所有动物装载完毕并连接生理监测设备后，将磁体孔内的异氟烷浓度设为2%，氧气流量设为8 L/min。
6. 将锥形管安装至对接系统（图1）中，该系统可将每只小鼠均匀地定位至磁体孔中心的射频（RF）线圈内。装载完成后，可将异氟烷浓度降低至0.9–2%。在整个扫描过程中持续监测每只动物的心电图和体温，并通过温热空气保持动物体温。
7. 每次三维扫描的持续时间约为3小时。具体参数如下：快速自旋回波序列，TR为2300 ms，有效TE（TEeff）为36 ms，回波链长度为8，信号平均次数为1次。最终图像分辨率为125 μm（图4）。
8. 扫描完成后，将动物从磁体中取出，并在充满100%氧气的温热诱导舱中卸载。将动物转移至密封塑料容器中，并在生物安全柜下运送。将其置于温暖无风的笼具中，使其从麻醉中恢复。

2. 多只小鼠 离体 脑成像：

由于不受运动伪影影响，固定样本的磁共振成像可实现比活体成像更高的分辨率。高分辨率的三维数据集在提取定量信息方面提供了最大的灵活性，并支持自动化的图像分析。我们开发了一种定制的射频线圈阵列，可在过夜扫描过程中并行采集16个固定在颅骨内的小鼠脑组织样本的高分辨率磁共振数据集。

16通道离体脑成像线圈阵列：

为同时成像16个样本，专门设计构建了一个16通道螺线管线圈阵列。该设计改进自早期用于在60 mm插入式梯度系统中同时成像三个样本的原型。该8匝螺线管线圈在两端过绕，以在26 mm长度范围内提供10%以内的均匀灵敏度，并分别屏蔽于模块化腔室中（Idziak和Haeberlen，1982）。这16个线圈腔室被组装到一个支架上（图5），该支架将线圈定位在梯度系统内，并通过气动气囊夹紧固定，以最大限度减少移动。

多只小鼠 离体 脑成像步骤：

1. 打开麻醉小鼠（通过腹腔注射氯胺酮（150 mg/kg）和赛拉嗪（10 mg/kg））的胸腔，将针头（或安全型带翼输液套管，25G × 3⁄4）插入左心室，剪开右心耳。
2. 以约100 mL/hr的流速，用30 mL室温1×PBS + 1 μL/mL肝素（1000 USP单位/mL） + 2 mM ProHance进行经心灌注冲洗。
3. 以100 mL/hr的流速，用30 mL 4%多聚甲醛（室温） + 2 mM ProHance进行固定灌注。
4. 断头并去除皮肤、下颌、耳朵及软骨性鼻尖。
5. 将剩余颅骨结构置于4%多聚甲醛 + 2 mM ProHance中，4°C下过夜。
6. 转移至1×PBS + 0.02%叠氮化钠 + 2 mM ProHance溶液中保存。
7. 灌注后4天至不超过2.5个月内，在7特斯拉下进行高分辨率三维MRI扫描。将脑组织置于16通道螺线管线圈阵列中（图5）。
8. 成像参数如下：快速自旋回波序列，TR为325 ms，有效TE为30 ms，回波链长度为6，信号平均次数为4。最终图像具有32 μm的各向同性分辨率（图6），扫描时间约为12小时。
9. 扫描完成后，将颅骨置于10%福尔马林 + 2 mM ProHance中以长期保存。

3. 代表性结果：

图1. 小鼠装载系统。通过共用的玻璃纤维导轨系统连接的“装载阵列”和“小鼠蜂巢”。

图2. 麻醉室。

图3. a) 载具，显示嵌入的监测传感器和头部固定装置。b) 一只麻醉后的小鼠置于载具上，头部固定装置已安装。该载具组件可轻松滑入离心管中。

图4. 一次持续3小时的三维扫描所获得的代表性体内多脑部图像。

图5. 用于扫描16个固定脑标本的16通道螺线管线圈阵列。

图6. 代表性 离体 脑部图像

讨论

两者 体内 和 离体 小鼠成像系统可同时对多个受试对象进行成像，从而在不增加成像时间的情况下显著提高成像研究的通量。来自两者的脑部图像 体内 和 离体 多只小鼠成像技术具有高质量，分别适用于小鼠大脑主要结构和次要结构的表型分析。

为尽量减少多个样本的动物准备时间，流程的并行化至关重要。例如，诱导室的开发使得多个样本可同时进行诱导，而载物滑板则实现了心电图和温度探针的同步应用，同时标准化了动物体位。此外，我们的 离体 成像系统使我们能够一次性获取16个固定全脑的高分辨率三维图像，非常适合高通量表型研究。

我们研究的可能局限性 体内 成像系统的局限性包括无法对每只小鼠单独控制麻醉和温度。如有需要，可通过为每只小鼠配备独立的麻醉蒸发器来实现个体化的麻醉控制。该系统的另一局限性在于 体内 成像系统的限制在于扫描对象仅限于体重小于约32克的小鼠。然而，目前已有计划通过增大线圈尺寸以适应更大的动物。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
异氟烷，USP（AErrane）	Baxter Internationl Inc.	CA2L9108
NAIR	教堂 & Dwight Co.
Tears Naturale P.M.	爱尔康	DIN 02082519
Omniscan（钆喷酸葡胺注射液 USP）	GE Healthcare	J-110A
定制雪橇	Dazai 研究仪器
不含钙和镁的 PBS	Wisent 公司	311-010-CL
肝素 10000USP/10ml	加拿大制药合作伙伴	DIN 02264315
ProHance（钆特醇注射液 USP）	Bracco 诊断	11181
多聚甲醛（粉末）	Sigma-Aldrich	P-6148-500g
叠氮化钠	Fisher Scientific	S227-100
10% 甲醛	Fisher Scientific	SF100-4