In Vivo quantitative Bewertung der myokardialen Struktur, Funktion, Perfusion und Lebensfähigkeit Mit Herz Micro-Computertomographie
16. Februar 2016
Diese Methode beschreibt die Verwendung der Quanten-Mikro-Computertomographie (MicroCT) zur Beurteilung der kardialen Morphologie, Funktion, Durchblutung, des Stoffwechsels und der Lebensfähigkeit mit jodiertem Kontrastmittel bei Mäusen mit experimentell induzierter myokardialer Ischämie. Die Technik kann für die zerstörungsfreie longitudinale Hochdurchsatz-Bildgebung in vivo verschiedener Tiermodelle menschlicher Herzerkrankungen eingesetzt werden.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, den Einsatz der Hochgeschwindigkeits-Mikro-Computertomographie in der Bildgebung des intrinsischen kardiorespiratorischen Gating zu demonstrieren, um globale und regionale Myokardfunktionen in einem kardialen Ischämiemodell der Maus zu bewerten. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen der kardialen Pathophysiologie zu beantworten, wie z.B. welche Auswirkungen die Auswirkungen auf die Pathologie oder die Behandlung mit Malalfa auf die globale und regionale Myokardfunktion haben. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie eine schnelle, längsschnittliche, nicht-invasive Bewertung der wichtigsten kardialen Parameter ermöglicht, die auch von Laien leicht durchgeführt werden kann.
Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auch auf die Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Es kann als präklinisches Instrument verwendet werden, um fortgeschrittene Einblicke in die Entwicklung von Herzerkrankungen zu erhalten. Das Verfahren wird von Nicole van Vliet, einer Technikerin, sowie Elza van Deel, einer Postdoktorandin, und Yanto Ridwan, einem weiteren Techniker aus unserem Labor, demonstriert.
Beginnen Sie damit, einen kleinen Schnitt in die Haut einer 12 Wochen alten Maus zwischen der zweiten und dritten Rippe zu machen. Ziehen Sie dann mit kleinen Haken die Brustmuskulatur zur Seite, um die Interkostalmuskulatur freizulegen. Verwenden Sie als Nächstes eine gebogene Federschere mit zwei Millimetern Klinge, um den dritten Interkostalmuskel vorsichtig zu durchtrennen, ohne die Lunge zu beschädigen.
Reißen Sie dann mit einer Pinzette das Perikard auf und schieben Sie die Lunge mit einem Stück feuchter Gaze zur Seite. Positionieren Sie die Haken wieder an der Innenseite des Brustkorbs, so dass ein großer Teil der linksventrikulären freien Wand und ein Teil des linken Vorhofs sichtbar sind. Verwenden Sie dann den Vorhof, um die linke Koronararterie zu lokalisieren, führen Sie eine chirurgische Seidennaht mit sieben Nullen unter die linke Koronararterie ein und verknoten Sie die Naht zwei Millimeter unterhalb des Randes des linken Vorhofs, um die Infarktgröße zu standardisieren.
Nachdem Sie den Erfolg der Infarkt-Induktion durch das Pales der linken ventrikulären freien Wand visuell bestätigt haben, blasen Sie die Lunge vorsichtig wieder auf und verschließen Sie den Brustkorb fest mit einer chirurgischen Sechs-Null-Seidennaht. Reinigen Sie die Wunde mit Kochsalzlösung und verwenden Sie weitere Seidennähte, um die Haut zu schließen, gefolgt von der Anwendung von Wundspray, um die Heilung zu stimulieren und Infektionen zu verhindern. Legen Sie die Maus dann in einen Käfig auf einem Heizkissen, bis sie vollständig wiederhergestellt ist.
Schalten Sie drei bis vier Stunden nach der Operation den microCT-Scanner ein, öffnen Sie die microCT-Steuerungssoftware und wärmen Sie die Röntgenröhre auf. Behandeln Sie dann den Gummistopfen eines Jodkontrastmittelbehälters mit 70 % Alkohol und entnehmen Sie mit einer totraumarmen Spritze fünf bis 10 Mikroliter des Mittels pro Gramm Körpergewicht des Tieres. Nach dem Spülen der Luftblasen den Schwanz der betäubten Maus mit 70%igem Alkohol abtupfen und die Schwanzvenen bei Hitze erweitern.
Injizieren Sie das Kontrastmittel in eine seitliche Schwanzvene. Wenn die Schaltfläche für den Live-Modus in der Steuerungssoftware erscheint, ist die Röntgenröhre bereit. Setzen Sie die Abdeckung mit kleinem Durchmesser und das Kleintierbett ein.
Klicken Sie im Datenbankfenster auf die Schaltfläche Neue Datenbank und geben Sie einen Namen für die neue Datenbank ein. Wenn das Dialogfeld angezeigt wird, klicken Sie auf die Schaltfläche "Durchsuchen" und navigieren Sie zu dem Laufwerk, auf dem die Datenbank gespeichert wird. Klicken Sie dann auf OK und beobachten Sie die neue Datenbank im Datenbankfenster.
Um die Scanbedingungen festzulegen, wählen Sie die entsprechenden Parameter aus. Platzieren Sie nun die injizierte, betäubte Maus auf dem Tierbett im Scanner und schieben Sie die Instrumententür nach rechts, um die Sicherheitsverriegelung einzurasten. Klicken Sie auf die Schaltfläche für den Live-Modus, um das Motiv in Echtzeit anzuzeigen und das X-Aufnahmefenster und das Tier zu beobachten.
Durch Hin- und Herdrücken der Z-Achsen-Steuerung des Tisches wird das Tierbett bewegt, bis sich die Maustruhe im Sichtfeld befindet. Verwenden Sie dann die Pfeile nach links und rechts mit dem Tierbett-Steuerelement, um das Tier innerhalb des blauen Begrenzungsrahmens zu positionieren. Wählen Sie 90 aus der Dropdown-Liste für die Rotationssteuerung im Fenster der Steuerungssoftware aus und klicken Sie auf die Schaltfläche Einstellen, um das Portal zu drehen, wobei sichergestellt wird, dass das Tier innerhalb des blauen Begrenzungsrahmens des X-Erfassungsfensters bleibt.
Klicken Sie im X-Aufnahmefenster mit der linken Maustaste auf die Maus, um die Größe des gewünschten kardiorespiratorischen Bereichs zu ändern. Ziehen Sie die Kanten so, dass die kardiorespiratorischen Ablaufverfolgungen in der Synchronisationsansicht deutlich sichtbar sind. Drücken Sie auf die Ausgangsposition und ändern Sie die Größe des interessierenden Bereichs für die Herz-Kreislauf-Atmung.
Stellen Sie sicher, dass der interessierende Bereich das Zwerchfell und den apikalen Teil des Herzens in allen Gantry-Positionen abdeckt. Drehen Sie dann die Gantry um 90 Grad, um sicherzustellen, dass die kardiorespiratorischen Spuren noch deutlich sichtbar sind. Wenn sich das Tier in Position befindet, klicken Sie auf die Schaltfläche CT-Scan, um die Erfassung zu initialisieren.
Die Bestätigungsmeldung für den CT-Scan wird angezeigt. Klicken Sie auf Ja. Die rote Röntgenanzeige schaltet das Gerät ein und der Scanvorgang beginnt.
Am Ende des Scans beobachten Sie die transaxialen, koronalen und sagittalen Ansichten der Rekonstruktionen in einer 2D-Viewer-Software. Nehmen Sie abschließend das Tier aus dem Scanner und überwachen Sie es, bis es vollständig geborgen ist. Hier sind repräsentative kurzaxiale enddiastolische und endsystolische Blutpoolquerschnitte eines Mausherzens mit einem Myokardinfarkt dargestellt.
In diesen Bildern zeigen kurzaxiale enddiastolische und endsystolische Querschnitte eines Mausherzens ohne Myokardinfarkt eine hervorragende Abgrenzung der linksventrikulären Höhle mit geringem Hintergrundrauschen. Es ist zu beachten, dass die Bereiche der Kontrastmittelverdünnung, die dem Myokardinfarkt entsprechen, auf den kurzaxialen Bildern des Mausherzens, das der linken anterioren absteigenden Koronararterienligatur ausgesetzt war, gut abgegrenzt waren. Nicht aber bei dem scheinoperierten Tier.
Gemäß dem 17-Segment-Modell der American Heart Association kann der linke Ventrikel in basale, mittlere und apikale kurzaxiale Abschnitte unterteilt werden. In diesen repräsentativen, zirkumferentiellen Polardiagrammen ist bei der Myokardinfarkt-Maus im Vergleich zum scheinoperierten Tier deutlich eine ungleiche Fülle in den mittleren anterioren, mittleren inferolateralen, mittleren anterolateralen, apikalen anterioren und apikalen lateralen Segmenten sichtbar. Einmal gemeistert, kann die Induktion eines Myokardinfarkts in 45 Minuten abgeschlossen werden, während die anschließende mikroCT-Bildgebung vier Stunden dauert.
Bei diesem Eingriff ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die kardiale Funktionsfähigkeit von der Art und dem Grad der Anästhesie abhängt. Für genaue Messungen sollte die Herzfrequenz daher während der Bildaufnahme so physiologisch wie möglich gehalten werden. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Pharmakologie, um Interventionsstrategien bei Mäusen zu erforschen und den Einfluss von Level-Behandlungsstrategien auf das Fortschreiten der Krankheit zu analysieren.
Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis für die Herzinfarkt-Operation haben und wissen, wie Sie das Hochgeschwindigkeits-microCT-System in Verbindung mit dem jodbasierten Blutpool-Kontrastmittel anwenden können. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Isofluran gefährlich sein kann und dass bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie eine gute Belüftung getroffen werden sollten.
Übersicht
Diese Methode beschreibt die Verwendung von Quantum Micro-Computed Tomography (MicroCT) zur Beurteilung der kardialen Morphologie, Funktion, Perfusion, des Stoffwechsels und der Lebensfähigkeit mit jodiertem Kontrastmittel bei Mäusen mit experimentell induzierter myokardialer Ischämie. Die Technik ermöglicht eine schnelle, longitudinale, nicht-invasive Bewertung kritischer kardialer Parameter.
Wichtige Studienkomponenten
Wissenschaftsbereich
- Kardiologie
- Bildgebungstechniken
- Präklinische Forschung
Hintergrund
- Myokardiale Ischämie ist ein bedeutendes Modell zur Untersuchung von Herzerkrankungen.
- Nicht-invasive Bildgebungstechniken sind für Langzeitstudien unerlässlich.
- MicroCT ermöglicht eine detaillierte Beurteilung der kardialen Funktion und Struktur.
- Das Verständnis der kardialen Pathophysiologie ist entscheidend für die Entwicklung von Therapien.
Zweck der Studie
- Um den Einsatz von MicroCT zur Bewertung der myokardialen Funktion zu demonstrieren.
- Um die Auswirkungen von Behandlungen auf die kardiale Pathologie zu beurteilen.
- Um Einblicke in die Entwicklung kardialer Erkrankungen zu gewinnen.
Verwendete Methoden
- Induktion eines Myokardinfarkts bei Mäusen durch chirurgische Techniken.
- Verabreichung von jodiertem Kontrastmittel für die Bildgebung.
- Verwendung von MicroCT zur Erfassung kardialer Bilder.
- Analyse der kardialen Morphologie und Funktion durch Bildgebungssoftware.
Hauptergebnisse
- Die erfolgreiche Induktion eines Myokardinfarkts wurde visuell bestätigt.
- MicroCT ermöglichte eine klare Abgrenzung der linken Ventrikelhöhlen.
- Kontrastverarmungsareale, die dem Infarkt entsprechen, waren gut abgegrenzt.
- Es wurden Unterschiede in der Perfusion zwischen infarktierten und sham-operierten Herzen beobachtet.
Schlussfolgerungen
- MicroCT ist ein wertvolles Werkzeug für die nicht-invasive kardiale Bildgebung.
- Diese Technik kann das Verständnis kardialer Erkrankungen verbessern.
- Sie ermöglicht eine schnelle Bewertung der kardialen Funktion in präklinischen Modellen.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
This method enables rapid, longitudinal, non-invasive assessment of cardiac structure and function in preclinical models, supporting early target validation and mechanistic de-risking in cardiovascular drug discovery. By providing quantitative 3D anatomical and functional data, it enhances predictive confidence in lead identification and preclinical progression decisions. The technique reduces reliance on terminal endpoints and supports scalable, reproducible workflows for cross-functional R&D teams.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantitative assessment of myocardial global and regional function in disease models.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing longitudinal, non-invasive monitoring of cardiac pathology progression.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by delivering reproducible perfusion and viability readouts that correlate with therapeutic efficacy.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream compound evaluation by establishing baseline cardiac function and infarct reproducibility.
- Quantitative Outputs: Delivers standardized, high-resolution 3D measurements of ventricular volumes, wall motion, and perfusion defects for assay standardization.
- Screening Scalability: Enables reliable compound evaluation through automated image acquisition and analysis compatible with high-throughput workflows.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models human myocardial infarction via permanent LAD occlusion, ensuring translational continuity from discovery to preclinical validation.
- Mechanistic De-risking: Provides early insight into treatment effects on cardiac metabolism and viability, reducing late-stage biological attrition.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by linking functional imaging endpoints to pathophysiological relevance in cardiovascular disease models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical efficacy testing, enabling iterative assessment of cardiac safety and efficacy signals.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by quantifying regional myocardial dysfunction in ischemic models.
- Screening: Ensures assay readiness through reproducible contrast-enhanced imaging and standardized infarct induction protocols.
- Analytics: Delivers quantitative dependent variables including ejection fraction, wall thickness, and perfusion defect size for cross-group comparisons.
- Translational Research: Connects to preclinical validation via longitudinal monitoring of metabolic and viability changes post-intervention.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable imaging platform across multiple cardiovascular indications and therapeutic modalities.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in cardiac pathophysiology.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through automated gating and standardized contrast dosing protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of cardiotoxic or ineffective compounds.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization through objective, quantitative endpoints that support advancement decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in small animal surgery, anesthesia management, and microCT operation.
- Dependence on high-speed microCT systems with cardio-respiratory gating and iodinated contrast agent compatibility.
- Necessitates cross-team standardization of infarct induction, contrast administration, and image analysis protocols.
- Adaptation considerations include model-specific adjustments for heart rate, respiratory rate, and contrast kinetics across species.
- Practical limitations include radiation dose constraints for longitudinal studies and the need for specialized contrast agents like eXIA160 for functional assessment.
