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三维全心心肌组织分析

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DOI：

10.3791/54974

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2017年4月12日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Cardiology, Division Heart and Lungs, University Medical Center Utrecht, 2MIRA Institute, University Twente

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本方案描述了一种将完整心脏心肌组织与磁共振成像（MRI）进行三维比对的新方法。该方法旨在对慢性猪心肌梗死模型中梗死边缘区的心肌内注射进行精确定量评估。

摘要

心脏再生治疗旨在保护和修复缺血性心脏病患者受损的心脏。通过将干细胞或其他促进血管生成或血管形成的生物制剂注射到梗死边缘区（IBZ），可改善组织灌注，从而保护心肌免受进一步损伤。为了达到最佳治疗效果，人们认为将再生物质精准递送至IBZ最为理想。这需要精确的注射技术，也推动了新型注射技术的发展。为了验证这些新技术，我们设计了一种基于心肌组织分析的验证方案。该方案包括全心脏心肌组织处理，能够对心脏解剖结构和心肌内注射进行详细的二维（2D）和三维（3D）分析。在猪模型中，通过阻断左前降支冠状动脉90分钟以诱导心肌梗死。四周后，采用微创经心内膜途径将含有超顺磁性氧化铁颗粒（SPIOs）和荧光微珠的水凝胶混合物注射至IBZ。注射后1小时，处死动物并取出心脏，将其包埋于琼脂糖（agar）中。琼脂凝固后，进行磁共振成像（MRI）、心脏切片及荧光成像。经过图像后处理，开展三维分析以评估注射对IBZ的靶向准确性。本方案为评估心肌内注射至IBZ的靶向准确性提供了一种系统化且可重复的方法。当需要处理瘢痕组织和/或验证全心脏注射准确性时，该方案可被便捷地应用。

引言

过去几十年中，缺血性心脏病一直是全球首要死因1急性心肌梗死后治疗的目标是恢复心肌的血流灌注 通过 经皮冠状动脉介入治疗或冠状动脉旁路移植术。在严重的心肌梗死中，心肌的大片区域发生瘢痕化，这些病例常导致缺血性心力衰竭（HF）。2目前针对心力衰竭的治疗方案主要侧重于预防以及维持心力衰竭患者的心脏功能，而非心脏再生。

近十年来，心脏再生疗法已被作为心力衰竭（HF）3的一种治疗选择进行研究。该疗法旨在将生物制剂（如干细胞或生长因子）直接递送至受损心肌，以促进血管再生、心肌细胞保护、分化和生长4。为了达到最佳治疗效果，人们推测生物制剂必须注射到梗死边缘区（IBZ），以促进靶区域良好的组织灌注，从而提高生物制剂的存活率及其对靶区的治疗效果5,6。目前已开发出多种技术用于识别和可视化IBZ，以指导心肌内注射7,8,9,10,11。除了IBZ的识别与可视化外，递送效果还依赖于所使用的生物材料和注射导管。为了验证递送技术的注射准确性，需要一种精确且可重复的定量方法。

我们开发了一种全心肌组织处理方案，可实现二维（2D）和三维（3D）成像，适用于定性和定量研究。该方案涵盖了包埋过程及数字图像分析。本文中，我们展示了一种在大型猪慢性心肌梗死模型中评估心肌内注射在梗死周边区（IBZ）靶向准确性的实验方案。

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方案

的 体内 实验按照由实验动物研究学会编制的《实验动物护理与使用指南》进行。本实验已获得当地动物实验委员会的批准。

1. 注射用溶液和包埋溶液的制备

  1. 制备注射用凝胶。
    1. 按照先前描述的方案12,13制备1 mL脲基-嘧啶酮（UPy）凝胶。
    2. 向溶液中加入超顺磁性氧化铁颗粒（SPIOs），使其终浓度为15 µg/mL，并搅拌5分钟以确保均匀分布。
    3. 向溶液中加入荧光微珠，使其终浓度为10,000个微珠/mL，并搅拌5分钟以确保均匀分布。
    4. 将所得混合物在室温避光条件下储存。注射前短暂加热并涡旋或搅拌溶液。
  2. 制备包埋溶液。
    1. 以室温自来水为起始，加入琼脂糖（agar），使其终浓度为4 wt%。
    2. 使用微波炉缓慢加热溶液至沸点，加热过程中频繁搅拌。达到沸点后，将琼脂溶液保持在70 °C以上并静置2小时，以使截留的气泡逸出。
    3. 让琼脂在室温下冷却至50至60 °C，并在此温度范围内保存直至包埋时使用。

2. 注射操作步骤

  1. 按照先前所述方法进行术前用药（抗心律失常药物、抗血小板治疗和镇痛药物）、麻醉、静脉通路建立和气管插管14.
  2. 使用心肌内注射导管进行注射（材料表）。每次注射使用注射装置以约0.3 mL/min的恒定速率将0.2 mL混合物一次性注入。沿缺血边界区（IBZ）在不同位置进行注射12.
  3. 在处死动物前15分钟，按0.2 mL/kg（1.0 mmol/mL）剂量给予基于钆的对比剂。
  4. 通过静脉注射20 mL 7.5%氯化钾溶液以处死动物。
  5. 按照 Koudstaal 所述的第 8.2 - 8.3 步操作流程，建立纵隔通路 等14从右心房起始处5 cm处剪断下腔静脉，并用吸引装置吸除流出的血液。切除心脏，并用室温0.9%生理盐水冲洗。

3. 包埋步骤

  1. 准备心脏。
    1. 去除心脏的心包膜，同时保持心房和心室完整。使用Klinkenberg剪刀在主动脉瓣上方约1 cm处剪断升主动脉，从心房处约1 cm位置剪断下腔静脉，并对肺静脉进行相同操作。
    2. 使用2-0缝线将心脏心尖缝合至塑料包埋盒（17 x 15 x 15 cm，长×宽×高）底部，以防止包埋过程中心脏漂浮（图1A）。
    3. 使用2-0缝线将剩余的主动脉部分缝合至包埋盒边缘，确保心脏居中且不接触盒壁（图1B）。

心脏定位分析；A：心脏在腔室中的三维示意图。B：实验装置中的心脏。
图 1：包埋容器的示意图与实物照片。（A）包埋过程的示意图。心脏（红色）通过缝线固定在容器（蓝色）内。向心脏内注入琼脂溶液后，再填充心脏周围的空隙。最后，在容器内放置两根刚性塑料管（黄色），位于心脏旁边但不接触心脏，用于图像配准时作为参考标记。（B）心脏固定于包埋容器中的实物照片。缝线使用蚊式钳夹紧在容器边缘。请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 将心脏嵌入类似舒张末期的几何形态中。
    注意：必须防止气泡产生。如果琼脂溶液中存在较大气泡，请将琼脂保持在 40 °C，使气泡上浮至表面。
    1. 使用蚊式钳夹闭下腔静脉。通过上腔静脉，用 50 mL 注射器缓慢向右心房注入液态琼脂，直至右心房和右心室完全充满。
    2. 使用蚊式钳夹闭肺静脉。将装有琼脂的 50 mL 注射器经主动脉瓣逆行轻柔插入。缓慢向左心室（LV）注入溶液，直至左心室和左心房完全充满。填充左心室后，夹闭主动脉以使琼脂保留在左心室内。
    3. 将剩余的琼脂倒入容器中，直至完全覆盖心脏。在包埋容器内放置两根刚性塑料管，作为后续图像配准的参考结构（图 1A）。确保塑料管不接触容器壁或心脏。
    4. 在 2 - 7 °C 下使琼脂凝固。

4. 图像采集

  1. 进行横向操作 离体 容器中包裹的心脏的 MRI 扫描图像
    1. 将装有包埋心脏的容器放入头部线圈内（材料表).
    2. 将切片调整为与容器底部平行。每次操作均采用相同的方位和角度 离体 磁共振成像序列
    3. 为了可视化心肌，采用以下参数执行液体衰减反转恢复（FLAIR）序列：重复时间（TR）/回波时间（TE）= 10 s/140 ms，翻转角 = 90°，像素大小 = 0.5 × 0.5 mm，视野（FOV）= 169 × 169 mm，矩阵尺寸 320 × 320，层厚 3 mm。
    4. 为了显示心肌梗死，采用以下参数进行延迟钆增强（LGE）序列扫描：[TR]/[TE] = 5.53 ms/1.69 ms，翻转角 = 25°像素大小 = 1.0 × 1.0 mm，[视野] = 169 × 169 mm，176 × 176 矩阵，层厚 3 mm。
    5. 为可视化SPIOs，执行T2*加权梯度回波序列，参数如下：[TR]/[TE] = 88.7 ms/15个等间距TE（范围为1.9–24.6 ms），翻转角 = 15°，像素大小 = 0.5 × 0.5 mm，[视野] = 169 × 169 mm，矩阵尺寸 320 × 320，层厚 3 mm。
  2. 组织处理
    1. 将容器倒置，使空气进入琼脂与容器壁之间，从而将固体琼脂溶液（包括其中的心脏组织）从容器中取出。移除固体琼脂中的塑料棒。
    2. 使用切肉机将含有心脏的琼脂块从心尖到心底切成5毫米厚的切片。切割时应与琼脂块底部平行，以保持切片角度与所获取的MR图像一致。
    3. 将琼脂切片（包括心脏）置于含有1 wt% 2,3,5-三苯基氯化四氮唑（TTC）的0.9%生理盐水中染色15分钟 37 °C，并从垂直角度拍摄切片两面的照片（图2A随后，用0.9%生理盐水小心冲洗切片。
      注意：在本研究中，我们使用了配备合适镜头/物镜、三脚架和均匀照明的数码单反相机装置。然而，这些照片仅用于瘢痕区域评估的对照，因此也可采用其他装置。
  3. 荧光成像
    注意：根据荧光微球的激发和发射波长，选择合适的滤光片组和激发激光器（例如， 此处使用的红色微珠的激发和发射波长分别为580 nm和605 nm；因此，所选的激发激光器和带通滤光片分别设置为532 nm、580/30 nm和610/30 nm。
    1. 在多功能扫描仪上选择荧光模式成像。将光电倍增管设为 430 V 或等效值，像素大小设为 100 x 100 µm选择最接近荧光微球激发波长的激发激光（532 nm）。
    2. 对于第一个滤光块，选择一个带通滤光片（580/30 nm），使其与注入的荧光微球的发射波长重叠（通道1）。为第二个滤光块选择一个位于发射波长范围之外的带通滤光片（610/30）（通道2）。
      注意：第二个滤光片组用作阴性对照，用于去除自发荧光，同时保持注射位点完整。
    3. 使用多功能激光扫描仪的荧光模式，通过两个通道扫描琼脂切片的两面。确保每个切片均被完整扫描，包括参考孔。

5. 后处理

注意：图像后期处理的第一步是使用实验室自主开发的脚本对心肌进行手动分割，以勾画心内膜和心外膜边界以及注射位点。此步骤在 MRI 和荧光扫描中均相同。

  1. 在 MRI 扫描图像中对心肌进行分割。
    1. 在 FLAIR MRI 序列图像上分割左心室的内膜和外膜边界。
    2. 将步骤 5.1.1 中的左心室分割结果复制到 LGE-MRI 数据集，并在 LGE MRI 序列上分割瘢痕组织。
    3. 将步骤 5.1.1 中的心肌分割结果复制到 T2* 加权数据集，并在左心室心肌中分割 SPIO 沉积区域。
  2. 处理荧光图像并进行分割。
    1. 加载从多模式扫描仪获得的文件，并为每个心脏横断面切片生成单独的图像。
    2. 翻转以从基底部到心尖方向扫描的切片，并将两个通道的荧光图像按从心尖到基底部的方向排列成图像堆栈。
    3. 在荧光图像上分割左心室的内膜和外膜边界。
    4. 在荧光图像上手动分割瘢痕组织，并利用 LGE-MRI 扫描图像和照片确认瘢痕形态。
    5. 将通道 2 的图像堆栈从通道 1 的图像堆栈中减去，以消除自发荧光。手动分割荧光微珠沉积区域，并使用 T2* 图像进行验证。
  3. 为构建解剖结构准确的三维几何模型，基于参考结构（刚性管产生的孔洞）对图像堆栈中的切片进行刚性配准。计算并保存每幅图像所应用的平移和旋转参数。
  4. 将保存的变换参数应用于图像堆栈和分割结果。对切片两侧的分割结果进行线性插值，以重建原始切片厚度，并生成数据的三维模型。

6. 分析

  1. 通过测量注射部位中心与 IBZ 之间的距离的二维和/或三维数据，评估注射的准确性。沿左心室分割的内心膜边界进行测量。在图 2C和2F中，红色线条标示了二维和三维测量的示例。

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结果

组织包埋

通过包埋过程，建立了类似舒张末期的几何形态。琼脂成功黏附于心脏组织，使组织能够以理想的倾斜角度进行切片，并保证各切片厚度均匀（图 2A 和 2C）。

瘢痕及注射部位评估

对于每种成像方式，梗死区域和注射部位的评估均成功完成。在二维荧光成像和磁共振成像中，瘢痕组织与注射位点均清晰可辨。图2C, 二维，以及 2E, 分别）。TTC染色组织的照片和LGE-MRI图像为荧光成像中的瘢痕评估提供了对照（图 2...

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讨论

完整心脏三维心肌组织处理按照本方案提供了一种结构化方法，可实现相对于心脏解剖结构对梗死区、梗死周边区（IBZ）以及注射位点进行三维分析。心脏灌注体积取决于所需的分析内容。在本研究中，为评估注射准确性，我们力求将心脏填充至尽可能接近舒张末期几何形态。为实现这一目标，将左心室心尖部固定于容器底部，在夹闭肺静脉的同时向左心室注入琼脂。当左心室充满后，再夹闭主动脉，以防止琼脂流出，从而尽可能模拟舒张末期的心脏几何形态。对包埋后的心脏进行切片，可确保切片厚度均匀，并使各切片保持与原始心脏相同的切面角度 离体 成像。切片后，包埋材料可防止在图像采集过程中因操作切片而导致的组织变形。理想情况下，组织离体后应尽快进行TTC染色，因为该染色依赖于酶活性来区分代谢活跃与非活跃的组织。然而，在本方案中，TTC染色前必须完成多个关键步骤，包括包埋过程，即包埋后的心脏需冷却以使琼脂凝固。由于我们在所有切片中均观察到梗死组织清晰的染色结果，因此认为这一延迟对染色效果的影响极小。

此处使用的成像设备可替换为具有相同功能的其他设备。为了对组织进行有效且准确的处理，必须使用具备可变模式激光扫描仪的...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢 Marlijn Jansen、Joyce Visser 和 Martijn van Nieuwburg 在动物实验方面提供的帮助。我们非常感谢 Martijn Froeling 和 Anke Wassink 在 MRI 成像方面提供的协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
0.9% 生理盐水Braun
琼脂糖Roche Diagnostics科学级多用途琼脂
Biomolecular fluorescence scanner Typhoon 9410 GE Healthcare
包埋盒塑料材质，尺寸为 17 x 14.5 x 14 cm
FluoSpheres 聚苯乙烯微球InvitrogenF8834红色，10 µm
钆Gadovist1.0 mmol/mL
dS 32 通道头部线圈Philips或类似产品
MatlabMathworks为确保兼容性，需使用 2015a 或更高版本
切肉机Berkel
Myostar 注射导管Biosense Webster
超顺磁性氧化铁颗粒Sinerem
氯化三苯基四氮唑Merck
UPy-PEG10k
Vicryl 2-0Ethicon

参考文献

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