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Methodenartikel

MRT und PET in Mausmodellen des Myokardinfarkts

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DOI:

10.3791/50806

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19. Dezember 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Wolfson Brain Imaging Centre, Department of Clinical Neurosciences, Unversity of Cambridge, 2Department of Medicine, University of Cambridge, 3Behavioural and Clinical Neurosciences Institute, University of Cambridge

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Wir beschreiben, wie man MRT- und PET-Bildgebung des Mausherzens durchführt. Das Protokoll ist auf die Beurteilung der Behandlungswirksamkeit in Modellen für Myokardinfarkt und Herzinsuffizienz zugeschnitten.

Zusammenfassung

Myokardinfarkt ist eine der häufigsten Todesursachen in der westlichen Welt. Die Ähnlichkeit des Mausherzens mit dem menschlichen Herzen hat es zu einem idealen Modell für die Erprobung neuartiger Therapiestrategien gemacht.

Die In-vivo-Magnetresonanztomographie (MRT) liefert nicht-invasiv hervorragende Ansichten des Herzens mit klaren anatomischen Details, die für eine genaue funktionelle Beurteilung verwendet werden können. Kontrastmittel können grundlegende Messungen der Lebensfähigkeit des Gewebes liefern, aber diese sind unspezifisch. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist eine komplementäre Technik, die sehr spezifisch für die molekulare Bildgebung ist, aber nicht die anatomischen Details der MRT aufweist. Zusammen bieten diese Techniken ein sensitives, spezifisches und quantitatives Instrument für die Beurteilung des Herzens bei Krankheit und Genesung nach der Behandlung.

In diesem Artikel erklären wir, wie diese Methoden in Mausmodellen für akuten Myokardinfarkt durchgeführt werden. Die hier beschriebenen Verfahren wurden für die Beurteilung von mutmaßlich protektiven medikamentösen Behandlungen konzipiert. Wir verwendeten MRT, um die systolische Funktion und die Infarktgröße mit später Gadoliniumverstärkung zu messen, und PET mit Fluordesoxyglucose (FDG), um die metabolische Funktion in der Infarktregion zu beurteilen. Das Papier konzentriert sich auf praktische Aspekte wie Slice-Planung, genaues Gating, Wirkstoffabgabe, Segmentierung von Bildern und multimodale Koregistrierung. Die hier vorgestellten Verfahren erreichen eine gute Wiederholgenauigkeit und Genauigkeit bei gleichzeitig hohem Durchsatz.

Einleitung

Um die Wirksamkeit neuer Behandlungsstrategien für Myokardinfarkt (MI) in präklinischen Studien zu messen, ist die Beurteilung des akuten Stadiums sowie des Langzeitergebnisses erforderlich1. Methoden wie Histopathologie, intrakardiale Katheter2 und ex vivo Herzmodelle3 werden häufig für präklinische Studien an Mäusen verwendet. Eine Nachbehandlung mit ex vivo oder hochinvasiven Methoden ist jedoch nicht möglich. Nicht-invasive Messtechniken wie die in vivo Magnetresonanztomographie (MRT) und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ermöglichen longitudinale Versuchsdesigns für das Krankheitsstaging bei einzelnen Probanden. Die Cine-MRT wird verwendet, um globale funktionelle Parameter wie die linksventrikuläre Masse (LVM), die Ejektionsfraktion (EF) und das Herzzeitvolumen (CO) abzuleiten. Darüber hinaus kann nach der Injektion eines Gadolinium-Kontrastmittels aufgrund einer gestörten Durchblutung und Auswaschung im Infarkt die Lebensfähigkeit des Gewebes mit einer späten Gadolinium-Enhancement-MRT (LGE) beurteilt werden. Ergänzend dazu bietet PET eine empfindliche Messung von radioaktiv markierten Molekülen, um den Gewebestoffwechsel zu beurteilen. Die hohe Genauigkeit dieser Techniken ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Anzahl der Tiere, die für die Erprobung neuer Medikamente gegen MI benötigt werden.

Die PET- und MRT-Verfahren sind involviert, und ohne ein sorgfältig entworfenes Protokoll ist die Reproduzierbarkeit schwer aufrechtzuerhalten. Verfahren, die in der Klinik für Patienten etabliert sind, erfordern für den Einsatz bei Mäusen aufgrund ihrer erheblich schnelleren Herzfrequenz und der geringeren Abmessungen des Herzens eine wesentliche Modifikation4. Es gibt große Unterschiede zwischen den einzelnen Probanden, sowohl zu Studienbeginn als auch als Reaktion auf induzierte Verletzungen, so dass eine beträchtliche Anzahl von Mäusen erforderlich ist, um die Wirksamkeit der Behandlung zu etablieren.

In diesem Bericht beschreiben wir unsere Methode zur sequentiellen PET/MRT-Bildgebung des Mausherzens. Bei beiden Modalitäten werden intravenöse Kontrastmittel verwendet, die über die Schwanzvene verabreicht werden. Die MRT besteht aus einer Standardbeurteilung mit Cine-MRI5 mit einem optimalen Protokoll für LGE, wie in unserer vorherigen Arbeitbeschrieben 6. Der gesamte MRT-Eingriff dauert 30 Minuten. Wir haben eine einheitliche Ausstattung für die Betten unserer Instrumente erhalten, so dass es möglich ist, das Tier auf einer Plattform mit dem gleichen Überwachungs- und Narkosegerät zwischen den Maschinen zu transportieren. Der PET-Scan dauert 45 Minuten mit In-situ-Injektion, sobald der Scan gestartet wird. Der letzte Schritt besteht darin, die Parameter sowohl aus MRT- als auch aus PET-Bildern nach der Koregistrierung zu messen.

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Protokoll

Alle Komponenten dieser Studie wurden in Übereinstimmung mit dem UK Animals (Scientific Procedures) Act von 1986 und mit Genehmigung des Ethikprüfungsgremiums der Universität Cambridge durchgeführt.

1. Zubereitung von Tieren

  1. Induktion von Infarkten durch einen chirurgischen Eingriff7,8. Für die Messung im akuten Stadium führen Sie 24 Stunden nach dem Eingriff eine Bildgebung durch.
  2. Bereiten Sie einen dünnen Spritzenschlauch für die Verabreichung des Arzneimittels mit einer 25-G-Nadel an einem Ende und einer Spritze mit einer 25-G-Nadel am anderen Ende vor. Die Länge der Leitung sollte ausreichend sein, um die Injektion von außerhalb der Bohrung des Magneten (ca. 1,5 m) zu ermöglichen.
  3. Bereiten Sie eine Lösung vor, die Gadovist in Kochsalzlösung verdünnt. Laden Sie eine Spritze mit der richtigen Menge der Lösung, um 3 mmol/kg zu erreichen, angepasst an das Körpergewicht der Maus. Halten Sie das Injektionsvolumen zwischen 50-100 μl.
  4. Füllen Sie die Zeile mit der Gadovist-Lösung aus. Um Blutgerinnsel zu vermeiden, füllen Sie das Ende der Leitung in der Nähe der Kanüle mit Heparinkochsalzlösung.
  5. Legen Sie die Maus zur Anästhesie mit 3% Isofluran in Ø2 1 L/min für 3-5 min nach Bedarf in die Induktionsbox. Die richtige Anästhesietiefe lässt sich an der Verlangsamung der Atemfrequenz erkennen, die auf weniger als 70 Schläge pro Minute sinken sollte.
  6. Kanülieren Sie die Schwanzvene mit der zuvor vorbereiteten Leitung und verwenden Sie chirurgisches Klebeband, um die Nadel während des Eingriffs an Ort und Stelle zu halten.

2. Positionierung und Überwachung von Tieren

  1. Platzieren Sie die Maus auf dem MRT-Bett und geben Sie 1-2 % Isofluran in 1 L/min O2 für die Anästhesieerhaltung nach Bedarf. Halten Sie die Atemfrequenz zwischen 20 und 70 Schlägen pro Minute.
  2. Stellen Sie sicher, dass sich die Mitte der MRT-Spule über der Herzposition der Maus befindet.
  3. Überwachen Sie die Atmung, indem Sie einen Atemkissensensor etwas unterhalb des Zwerchfells platzieren. Verwenden Sie ein Rektalthermometer mit einem vorgeschmierten Deckglas, um die Kerntemperatur zu überwachen. Stellen Sie sicher, dass die Temperatur während der Scans konstant bei 37±2 °C gehalten wird.
  4. Für die EKG-Überwachung platzieren Sie drei Elektroden an den vorderen Pfoten und an der linken hinteren Pfote und achten dabei darauf, dass die Zeheninnenfläche vollständig geöffnet ist. Wählen Sie das Elektrodenpaar mit der besten Signalqualität, um das EKG abzuleiten. Verdrillen Sie die EKG-Kabel miteinander, um sicherzustellen, dass sie bei der MRT-Resonanzfrequenz keine Resonanzkreise bilden, die das EKG-Signal beim Ausführen von Impulssequenzen stark beschädigen würden.
  5. Stellen Sie sicher, dass die Elektroden mit Klebeband fest mit dem Bett verbunden sind. Die Elektroden und der Nasenkonus halten das Tier während des gesamten Eingriffs an Ort und Stelle.
  6. Positionieren Sie eine wasserbeheizte Decke über der Maus und kapseln Sie die Überwachungs- und Spulenleitungen, um die Körpertemperatur zu halten.
  7. Richten Sie den Laser des Bettes auf die Herzposition aus; verwenden Sie die vordere Zehenlinie als Orientierungspunkt. Positionieren Sie diesen mit Hilfe eines automatischen Bettes im Magnetisozentrum.
  8. Führen Sie die Standardanpassungen für das MRT-System durch.
  9. Stellen Sie das Überwachungsgerät so ein, dass die R-Welle im EKG erkannt wird. Passen Sie die Schwellenwerte für jede Maus und innerhalb von Imaging-Sitzungen an, damit eine zuverlässige Auslösung erfolgt.

3. MRT

  1. Erfassen Sie ein Pilotbild, um die multiplanaren Pilotenbilder zu planen.
  2. Identifizieren Sie das Herz im Bild, am einfachsten anhand seiner Flussartefakte. Wenn die Bilder zeigen, dass die Maus nicht gut in der Spule oder im Isozentrum zentriert ist, ziehen Sie das Bett ein und wiederholen Sie die Positionierung.
  3. Erfassen Sie ein schnelles Gradientenecho-Bild (GE) mit fünf Schichten pro Ausrichtung und einem Sichtfeld (FOV) von 3 cm bei aktiviertem EKG-Gating.
  4. Führen Sie einen ungatisierten 3D-Scan durch, der auf dem Herzen zentriert ist, um die PET-Koregistrierung zu erhalten (siehe Tabelle 1 für die Scan-Parameter). Planen Sie während dieser Überprüfung die aufeinanderfolgenden Scans.
  5. Planen Sie einen Ansichtsscan mit vier Kammern (4 Kanälen) (siehe Tabelle 1 für Scan-Parameter). Dies sollte die Spitze sowie die Trikuspidal- und Mitralklappe durchschneiden und alle 4 Kammern zeigen.
  6. Planen Sie eine Ansicht mit zwei Kammern (2 Kanälen) (siehe Tabelle 1 für Scan-Parameter). Sie sollte die Spitze und die Trikuspidalklappe durchschneiden und den linken Vorhof und Ventrikel zeigen.
  7. Überprüfen Sie die Geometrie der beiden Ansichten mit der langen Achse. Wenn die Schichtplanung nicht optimal ist, wiederholen Sie den Scan.
  8. Planen Sie einen Stapel von kurzen Achsen-Slices (siehe Tabelle 1 für Scan-Parameter), die orthogonal sowohl zur 4-Kanal- als auch zur 2-Kanal-Ansicht sind. Bedecken Sie das gesamte Herz, beginnend mit der ersten apikalen Scheibe ohne Blutlache bis zur ersten basalen Scheibe ohne RV. Die Scheiben sollten gleichmäßig und lückenlos verteilt sein.

4. Späte Gadolinium-Verbesserung

  1. Erhöhen Sie die Leerzeit für das Gating, um jeden zweiten Herzschlag zu erfassen (TR = 550-750 ms). Es muss eine Verzögerung eingelegt werden, so dass die Akquisition in der enddiastolischen Phase des EKGs durchgeführt wird.
  2. Führen Sie vor der Injektion eine niedrig aufgelöste Version der LGE-Sequenz durch (siehe Tabelle 1 für Scan-Parameter), um zu überprüfen, ob das Gating korrekt ist und keine Strömungsartefakte vorhanden sind. Wenn Flussartefakte in der diastolischen Phase vorhanden sind, werden sie durch eine leichte Erhöhung der Verzögerung (d. h. Bildgebung in einem sehr frühen Stadium der Systole) beseitigt.
  3. Führen Sie die Injektion der Gadovist-Lösung langsam und gleichmäßig über 15 Sekunden durch.
  4. Starten Sie die LGE-Bildgebung (siehe Tabelle 1 für Scan-Parameter) nach der Injektion. Ein guter Kontrast wird erreicht, wenn innerhalb der ersten 15 Minuten abgebildet wird.

5. PET-Bildgebung

  1. Übertragen Sie das MRT-Bett auf den PET-Scanner, lassen Sie den Empfänger an Ort und Stelle und verankern Sie ihn fest an der PET-Bettstütze. Schließen Sie das Anästhesie- und Überwachungsgerät an.
  2. Positionieren Sie das Herz in der Mitte des PET-Sichtfeldes und bewegen Sie das Bett nur axial.
  3. Erfassen Sie einen Single-Pass-Übertragungsscan mit einer Germaniumquelle.
  4. 10-30 Mbq radioaktiv markiertes FDG werden mit einer Spritze aus dem Behälter extrahiert. Gehen Sie mit radioaktivem Material vorsichtig um. Messen Sie die Aktivität mit einem Vertiefungszähler. Ein gutes Injektionsvolumen für Mäuse liegt zwischen 50-100 μl, wenn das Volumen zu klein ist, verdünnen Sie die Lösung mit Kochsalzlösung.
  5. Starten Sie den Emissionsscan und stellen Sie ihn so ein, dass er 45 Minuten lang im List-Modus gated PET aufnimmt. Gleichzeitig, injizieren Sie den Tracer langsam und gleichmäßig über einen Zeitraum von 15 Sekunden. Spülen Sie die Leitung mit genügend Kochsalzlösung, um den gesamten radioaktiven Tracer abzugeben.
  6. Für die Tiergesundheit darf die Dosis 300 μl bei den drei Injektionen (d. h. Gadovist, FDG, Spülung) nicht überschreiten.
  7. Setzen Sie die Spritze wieder in die Vertiefungstheke ein, um die Restaktivität zu messen.
  8. Befolgen Sie die örtlichen Vorschriften für den Umgang mit radioaktivem Material.

6. MRT-Segmentierung

  1. Laden Sie die Cine-MRT-Bilder in Segment v1.9 9.
  2. Führen Sie die automatischen Tools für die Segmentierung aus. Ausgehend von einem Punkt im Inneren des Ventrikels blähen diese die geschätzten Ventrikelwände auf, bis die beste Übereinstimmung gefunden ist.
  3. Die LV und die RV sind manuell an der Endsystole (ES) und der Enddiastole (ED) abzugrenzen, die jeweils als die Rahmen mit dem maximalen und dem minimalen globalen LV-Volumen definiert sind. Schließen Sie die Papillenmuskulatur und die Trabekulationen durchgehend aus. Passen Sie den Bildkontrast nicht an, da eine Inkonsistenz des Kontrasts zu einer anderen Interpretation von partiellen Volumeneffekten führt.
  4. Manuelle Abgrenzung des Epikards bei ES und ED für die Berechnung der LV-Massen, wie in Abbildung 6 dargestellt. Der Herzmuskel ist inkompressibel, daher muss die LV-Masse in ES und ED konsistent sein. Wenn die Differenz mehr als 5 % beträgt, ist ein Bedienungsfehler wahrscheinlich, und diese sollten überprüft werden.
  5. An der Basis der Ventrikel wird eine gerade Linie verwendet, um Ventrikel von Vorhöfen zu unterscheiden, wie in Abbildung 6 gezeigt, wobei der Winkel des Schnitts mit Hilfe der Längsachsenansichten identifiziert wird.
  6. Überprüfen Sie die Segmentierung in den Ansichten mit der langen Achse.
  7. Markieren Sie den Narbenbereich auf den LGE-Bildern. Teilen Sie das Narbenvolumen durch die LV-Masse, die in der Cine-Bildgebung abgeleitet wurde, um den Infarkt als Prozentsatz der LV zu erhalten.

7. PET-Analyse und Koregistrierung mit MRT

  1. Rekonstruieren Sie die PET-Bilder mit einem 3D-gefilterten Rückprojektionsalgorithmus und exportieren Sie die Daten in das Nifti-Format (http://nifti.nimh.nih.gov/) mit Standardaufnahmewerten.
  2. Transformieren Sie alle PET-Bilder mit der festen Transformationsmatrix zwischen dem PET- und dem MRT-System. Wenn die Matrix nicht bekannt ist, füllen Sie ein geometrisches Phantom mit radioaktivem Material und führen Sie eine MRT durch, dann bewegen Sie das Bett zum PET und führen Sie einen Emissionsscan durch. Die Matrix, die zur Umwandlung des PET in das MRT-Bild erhalten wird, ist die Standardmatrix, um vom PET in das MRT-System zu gelangen.
  3. Registrieren Sie das durchschnittliche PET-Bild im 3D-MRT mit dem SPM-Maus-Massen-Coregistrierungstool10.
  4. Stapeln Sie die Schichten aus Cine-MRT, um eine 3D-Rekonstruktion zu erhalten, und interpolieren Sie, um eine isotrope Auflösung von 0,3 mm zu erhalten. Registrieren Sie das enddiastolische PET-Volumen mit Hilfe der SPM-Maus-Koregistrierungstools auf das enddiastolische MRT-Volumen. Verwenden Sie die gleiche Matrix für alle anderen Herzphasen.
  5. Um die Größe des PET-Infarkts zu bestimmen, wählen Sie 50 % der maximalen Intensität im Herzen, um zwischen infarzierten und nicht infarzierten Voxeln zu unterscheiden. Exprimieren Sie infarzierte Voxel als Prozentsatz der LV.

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Ergebnisse

Einer der Vorteile der Verwendung von MRT besteht darin, dass ein Längsschnittdesign verwendet werden kann, um den Krankheitsverlauf zu erfassen. Dies ist besonders wichtig bei der Bewertung neuartiger Wirkstoffe, da der zeitliche Verlauf der Wirkung möglicherweise nicht bekannt ist. In Abbildung 4 sind die Veränderungen der Herzvolumina aufgrund des Krankheitsverlaufs beim selben Tier dargestellt. Die Abbildung zeigt deutlich die Auswirkungen der Umbauprozesse nach einem Myokardinfarkt.

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Diskussion

Die PET/MRT ist eine umfassende Messmethode zur nicht-invasiven und longitudinalen Beurteilung der systolischen Funktion, der Gewebeviabilität und spezifischer metabolischer Marker in Mausmodellen des Myokardinfarkts. Hier haben wir ein Protokoll für die sequentielle Durchführung von MRT und PET beschrieben, bei dem die Koregistrierung durch den Transfer desselben Bettes zwischen den Systemen vereinfacht wird. Diese Strategie, die auch von Herstellern klinischer Systeme11 übernommen wird, erfordert keinen komb...

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Offenlegungen

Es gibt nichts offenzulegen.

Danksagungen

Wir sind dankbar für die Finanzierung durch die British Heart Foundation an TK und an den UK Medical Research Council für ein Postgraduierten-Forschungsstipendium in GB.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
GadovistBayer Schering PharmaPL 00010/0535
FDGIBA Molecular
Bruker BioSpec 47/40Bruker
Bruker MausbettBrukerDieses Bett enthält Schläuche für die Anästhesieverabreichung und das Scavenging.
Vogelkäfig-Sender mit 12 cm DurchmesserBrukerT5346
Oberflächenspulenempfänger mit 2 cm DurchmesserBrukerT7027
Red Dot Überwachungselektroden für Neugeborene3MP/N: 2330
ÜberwachungsgeräteSA SystemsDas Überwachungskit enthält ein Atemkissen und eine Rektalsonde für Temperaturmessungen.
AnästhesiegeräteAllgemeine Anästhesiedienstleistungen
InduktionsboxVet Tech Solutions LTD
Cambridge PET/MRT-Scanner mit geteiltem MagnetUniversität Cambridgedie PET-Durchführung wurde ein speziell angefertigter PET/MRT-Scanner 22 verwendet, dessen PET-Leistung der eines F120 Mikropet-Scanners ähnelte23
Segment-SoftwareMedviso, Lund UniversityFrei verfügbar
SPM-MausUniversity of CambridgeFrei verfügbar
Equipment Für

Referenzen

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