Nichtinvasive In Vivo Small Animal MRI und MRS: Basic Experimentelle Verfahren

Zur Durchführung dieses Experiments wird eine anästhetisierte Maus auf einen Tierhalter platziert, der anschließend in eine Hochfrequenz- oder RF-Spule eingesetzt wird. Vor einem MRT- oder MRS-Experiment wird die RF-Spule dann auf die Resonanzfrequenz abgestimmt und an die charakteristische Impedanz von 50 Ohm angepasst. Danach erfolgt die MRT- oder MRS-Aufnahme nach Optimierung der Pulssequenz, und abschließend werden die Bilder oder Spektren mithilfe von Analyseprogrammen ausgewertet.

Hallo, ich bin Dawn Lee vom R-Forschungslabor der Abteilung für Radiologie an der University of Washington. Und ich bin David Senek, ebenfalls vom R-Forschungslabor sowie von den Abteilungen für Radiologie und Bioingenieurwesen an der University of Washington. Heute zeigen wir Ihnen ein Verfahren zur magnetischen Resonanzbildgebung und zur magnetischen Resonanzspektroskopie bei Mäusen.

In unserem Labor verwenden wir diese Verfahren, um Maus-Tumormodelle, Muskeldystrophie und Muskelstoffwechsel zu untersuchen. Beginnen wir also. Dieses Protokoll soll nicht jeden Aspekt der MRT-MRS an kleinen Tieren abdecken, sondern vielmehr die grundlegenden Verfahren von MRT-MRS-Experimenten an Mäusen einführen.

Das Ziel besteht darin, ein besseres Verständnis grundlegender Verfahren für in-vivo-MR-Experimente an kleinen Tieren zu vermitteln, sodass Forscher, die neu im MR-Bereich sind, die nicht zu MR gehörenden Komponenten ihrer Studien besser planen können. Am Ende könnten sowohl MR- als auch nicht-MR-Verfahren nahtlos integriert werden. Um die Vorbereitungen für das Magnetresonanztomographie- oder MRT-Experiment zu beginnen, platzieren Sie eine mit Isofluran anästhesierte Maus auf einem Tierhalter, wobei ihre Nase in eine Nasenkappe eingeführt wird.

Ein Kopfhalter kann für die Bildgebung des Kopfes verwendet werden und ein Körperhalter kann für die Bildgebung des Körpers verwendet werden. Halten Sie die Augen des Tieres feucht. Mit steriler Augenschmiercreme.

Das Tier sollte während des Experiments in einem Warmwasserkreislaufsystem bei 35 bis 37 Grad Celsius gehalten werden. Ein Tierüberwachungssystem dient sowohl der Überwachung von Körpertemperatur, Atmung und Herzzyklus als auch der Synchronisierung von Atem- und Herzzyklus-Gating mit den Bildaufnahmen. Als Nächstes platzieren Sie eine Standard-Agro-Probe neben dem Tier, um plötzliche Signaländerungen zu überwachen.

Diese Standard-Agrarprobe ist besonders nützlich für die Bildgebung mit mehreren Schnitten und Zeitpunkten. Wenn eine unerwartete Signaländerung in einem Schnitt der aufgenommenen Bilder erkannt wird, kann der Schnitt ausgeschlossen werden. Sobald das Tier sicher fixiert ist und alle Überwachungskomponenten angebracht sind, positionieren Sie den Tierhalter in der Mitte einer Hochfrequenz- oder RF-Spule.

Bewegen Sie die HF-Spule in den Magnetraum und schieben Sie sie in das im Magnet installierte Warmwasserkreislaufsystem. Beginnen Sie nun mit der MRT-Datenaufnahme. Während der Bildgebungsphase stellen Sie den Durchflussmesser auf 0,4 bis 0,8 Milliliter pro Minute ein und reduzieren Sie den Isofluranverdampfer auf 1,2 bis 1,5 %. Das abgeatmete Gas aus der Nasenkappe der Maus wird über eine eigene Vakuumleitung abgesaugt.

Um die Signalempfindlichkeit zu optimieren, stimmen Sie die HF-Spule auf die Resonanzfrequenz des Protons H-1 ab und passen Sie die charakteristische Impedanz der Spule an 50 Ohm an. Bei Verwendung des Abstimmfelds im MR-Scanner erfordern die meisten MRT-Geräte für Menschen keinen separaten Abgleichvorgang, mit Ausnahme von MRS-Verfahren. Beginnen Sie das Shimmen mit einer einzelnen Pulsssequenz.

Der Shimming-Prozess optimiert die Homogenität des Magnetfelds im interessierenden Bereich. Jeder Scanner verfügt über eine eigene Methode zur Durchführung des Shimming-Prozesses, einschließlich automatischer schneller Shimming-Verfahren wie Fast-Map- und Gradienten-Shimming. Sobald das Shimming abgeschlossen ist, optimieren Sie den HF-Impuls.

Durch Maximierung des eindimensionalen Bildprofils können die Leistungen der HF-Pulse variiert werden, während die Pulslänge konstant bleibt und eine ausreichend lange Warte- oder Wiederanregungsverzögerung beibehalten wird. Die TR sollte ungefähr das Dreifache bis Fünffache der T1-Relaxationszeit des Gewebes betragen; zur Erstellung axialer, koronarer und sagittaler Bilder sollten Abtastbilder entlang dreier orthogonaler Orientierungen aufgenommen werden.

Eine schnelle Bildakquisitionsequenz kann zur Aufnahme der Scout-Bilder verwendet werden. Die aufgenommenen Bilder dienen zur Planung der eigentlichen Bildgebung und zur Bestimmung der Bildgebungsebenen. Während der eigentlichen Bildgebung wird eine Spin-Echo-Sequenz verwendet.

Die zwei Messungen können entweder mithilfe der Multi-Echo-Bildgebung oder der Einzel-Echo-Bildgebung mit mehreren T-Werten durchgeführt werden. Nach Abschluss des MRT-Experiments betrachten wir nun die in-vivo-Magnetresonanzspektroskopie oder MRS am Skelettmuskel der Hintergliedmaße der Maus, insbesondere die ruhende und maximale mitochondriale ATP-Produktion. Diese kann bestimmt werden, indem mit Hilfe der MRS die Änderungen des Phosphokreatins während und unmittelbar nach einer Ischämie gemessen werden.

Beginnen Sie mit dem Bau einer Manschette zur Induktion einer reversiblen Ischämie. Verwenden Sie ein Stück PVC-Rohr, das etwa fünf bis sieben Millimeter breit ist und einen Innendurchmesser von 12 bis 15 Millimetern aufweist. Bohren Sie ein kleines Loch durch die Wand und schneiden Sie ein Stück eines Ballons so zu, dass es an beiden Enden offen ist.

Helium-Qualitätsballons funktionieren am besten. Führen Sie dieses Teil durch das PVC-Stück und wickeln Sie es zurück. Kleben Sie die Enden an der Außenwand des PVC-Stücks zusammen.

Als Nächstes verwenden Sie Schrumpffolie, um die Ballonenden um die Röhre herum abzudichten. Sie sollten eine Manschette mit einer festen Außenwand und einer aufblasbaren Innenwand erhalten. Schneiden Sie einen Bereich der Schrumpffolie und des Ballons um das Gewindebohrloch herum aus.

Stellen Sie sicher, dass ausreichend Material zwischen dem Loch und der Kante des PVC-Stücks verbleibt, und führen Sie ein 1,5 Zentimeter langes Stück aus nichtmagnetischem Metall in das Loch im PVC ein. Dadurch können Sie die Manschette aufpumpen. Versiegeln Sie die Stelle mit 5-Minuten-Epoxidharz.

Befestigen Sie nun die Manschette neben der HF-Spule in der MRS-Sonde und verbinden Sie sie mit einem externen Signalmanschettenmanometer. Positionieren Sie nun eine anästhesierte Maus in der MRS-Sonde, indem Sie sie mit dem Gesicht nach oben auf die Mausunterlage legen.

Platzieren Sie den mit Flüssigkeit gefüllten Ballon auf der Bauchseite der Maus und sichern Sie ihn mit den Mausstützgurten. Setzen Sie die Maus mit der Körperstütze in die MRT-Sonde ein. Führen Sie ein Hintergliedmaß durch die ischämische Manschette und die MRT-Spule.

Das Bein sollte so gut wie möglich in der Spule zentriert werden. Diese Anordnung ermöglicht es, den Körper des Tieres horizontal auszurichten. Im Inneren eines Vertikalmagneten mit Bohrung wird der Probenträger in den Magneten eingebracht, abgestimmt, angepasst und shimmiert, um das MRS-Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu optimieren, wie bereits für die MRT beschrieben; bei der MRS wird jedoch der HF-Impuls optimiert, indem die Spektralamplitude maximiert wird.

Verwenden Sie nun P 31 MRS, um Spektren mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis und vollständiger Relaxation oder FRS zu sammeln, um die Verhältnisse von anorganischem Phosphat und Phosphokreatin zu einem TP unter vollständig relaxierten Bedingungen zu bestimmen. Um ein ischämisches Experiment durchzuführen, sammeln Sie zunächst etwa fünf Minuten lang die Ruhe-Spektren. Induzieren Sie nun eine Ischämie, indem Sie den Manschettendruck auf 270 bis 300 Millimeter Quecksilber für 10 bis 12 Minuten erhöhen.

Lösen Sie die Manschette und sammeln Sie die Erholungsspektren fünf Minuten lang. Die Experimente können an darauf folgenden Tagen wiederholt werden. Nun zeigen wir einige repräsentative Ergebnisse der in-vivo-MRT und MRS.

Die Nacktmaus weist ein Xenotransplantat eines D 2 82 Gehirntumors auf dem Rücken auf und wurde mithilfe einer konventionellen Spin-Echo-Sequenz mit unterschiedlichen Relaxationseffekten abgebildet. Auf dem T1-gewichteten Bild erscheint der Tumor mit einer ähnlichen Intensität wie das angrenzende Gewebe. Auf dem entsprechenden T2-Bild hingegen wird der Tumor als hyperintense Region deutlich sichtbar.

Mithilfe der Multi-Echo-Aufnahme kann eine T2-Karte berechnet werden, die quantitative Informationen über die T2-Variation im Körper des Tieres enthält. Regionale T2-Veränderungen im Tumorbereich können longitudinal auf dem überlagerten Bild verfolgt werden. Hier ist ein vollständig relaxiertes 31P-MR-Spektrum einer hinteren Extremität einer Maus dargestellt.

Dieses Spektrum stellt 16 summierte FIS dar. Die Reihenfolge der Peaks von links nach rechts repräsentiert die folgenden Muskelmetaboliten: anorganisches Phosphat Pi, Phospho, Kreatin, PCR und die Phosphate von ATP Gamma, Alpha und Beta. P-31-MRS-Spektren, die während des dynamischen Ischämie-Reperfusionsexperiments aufgezeichnet wurden, sind dargestellt. Während der Ischämie nimmt PCR ab und PI zu. Die Abnahmerate von PCR während der Ischämie entspricht der ruhenden mitochondrialen ATP-Produktion.

Die PCR-Erholung nach Ischämie kann zur Berechnung der maximalen mitochondrialen ATP-Produktion verwendet werden. Wir haben Ihnen soeben gezeigt, wie man In-vivo-Mausbilder aufnimmt und den In-vivo-Muskelstoffwechsel der Maus mittels Magnetresonanzspektroskopie und Magnetresonanztomographie misst. Für die MRS haben wir eine spezielle HF-Sonde konstruiert, die es ermöglicht, den Mauskörper in einer horizontalen Position innerhalb eines Vertikalmagneten zu halten.

Daher können diese Experimente an jedem Vertikalsystem mit großem Durchmesser durchgeführt werden. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, die optimale Bedingungen zu beachten, wie beispielsweise eine bessere Abstimmung und Anpassung der HF-Spule sowie eine Verbesserung der Magnetfeldhomogenität. Außerdem ist es wichtig, den Zustand des Tieres mit einem Tierüberwachungssystem zu überwachen, um einen stabilen physiologischen Zustand des Tieres aufrechtzuerhalten und mögliche artefaktbehaftete Messungen zu vermeiden.

Das war's. Vielen Dank fürs Zuschauen und viel Erfolg bei Ihren Experimenten.