En Vivo evaluación cuantitativa de la estructura miocárdica, la función, perfusión y viabilidad Usando computarizada micro-tomografía cardiaca
16 de febrero de 2016
Este método describe el uso de la tomografía microcomputarizada cuántica (MicroCT) para evaluar la morfología cardíaca, la función, la perfusión, el metabolismo y la viabilidad con el agente de contraste yodado en ratones con isquemia miocárdica inducida experimentalmente. La técnica se puede aplicar para la obtención de imágenes longitudinales in vivo no destructivas de alto rendimiento de varios modelos animales de enfermedades cardíacas humanas.
El objetivo general de este procedimiento es demostrar el uso de la microtomografía computarizada de alta velocidad en la obtención de imágenes de la activación cardiorrespiratoria intrínseca para evaluar las funciones miocárdicas globales y regionales en un modelo de isquemia cardíaca en ratón. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en fisiopatología cardíaca, como ¿cuáles son los efectos sobre la patología o los tratamientos con malfa sobre la función miocárdica global y regional? La principal ventaja de esta técnica es que proporciona una evaluación rápida, longitudinal y no invasiva de los parámetros cardíacos más importantes que es fácilmente realizada por personas no expertas.
Las implicaciones de esta técnica se extienden hacia la terapia de las enfermedades cardiovasculares. Se puede utilizar como herramienta preclínica para obtener información avanzada sobre el desarrollo de enfermedades cardíacas. La demostración del procedimiento estará a cargo de Nicole van Vliet, técnica, así como de Elza van Deel, postdoctorada, y Yanto Ridwan, otro técnico de nuestro laboratorio.
Comience haciendo una pequeña incisión en la piel de un ratón de 12 semanas entre la segunda y la tercera costilla. Luego, con pequeños ganchos, separe los músculos del pecho para exponer los músculos intercostales. A continuación, use unas tijeras de resorte de hoja curva de dos milímetros para cortar con cuidado el tercer músculo intercostal sin dañar los pulmones.
Luego, con fórceps, rompa el pericardio y use un trozo de gasa húmeda para apartar los pulmones. Vuelva a colocar los ganchos en el interior del tórax para que una gran parte de la pared libre del ventrículo izquierdo y parte de la aurícula izquierda sean visibles. Luego, usando la aurícula para ubicar la arteria coronaria izquierda, inserte una sutura quirúrgica de seda siete cero debajo de la arteria coronaria izquierda y anude la sutura dos milímetros por debajo del borde de la aurícula izquierda para estandarizar el tamaño del infarto.
Después de confirmar visualmente el éxito de la inducción del infarto por la palidez de la pared libre del ventrículo izquierdo, vuelva a inflar cuidadosamente el pulmón y cierre herméticamente el tórax con una sutura quirúrgica de seda a seis ceros. Limpie la herida con solución salina y use más suturas de seda para cerrar la piel, seguido de la aplicación de spray para heridas para estimular la cicatrización y prevenir infecciones. Luego coloque el mouse en una jaula sobre una almohadilla térmica hasta que esté completamente recuperado.
Tres o cuatro horas después de la cirugía, encienda el escáner de microCT, abra el software de control de microCT y caliente el tubo de rayos X. A continuación, trate el tapón de goma del vial de un recipiente de agente de contraste yodado con un 70% de alcohol y utilice una jeringa de bajo espacio muerto para extraer de cinco a 10 microlitros del agente por gramo del peso corporal del animal. Después de purgar las burbujas de aire, frote la cola del ratón anestesiado con alcohol al 70% y dilate con calor las venas de la cola.
Inyecte el agente de contraste en una vena lateral de la cola. Cuando aparece el botón de modo en vivo en el software de control, el tubo de rayos X está listo. Inserte la tapa del orificio pequeño y la cama para animales pequeños.
Haga clic en el botón nueva base de datos en la ventana de la base de datos y escriba un nombre para la nueva base de datos. Cuando aparezca el cuadro de diálogo, haga clic en el botón Examinar y navegue hasta la unidad donde se guardará la base de datos. A continuación, haga clic en Aceptar y observe la nueva base de datos en la ventana de la base de datos.
Para establecer las condiciones de escaneo, seleccione los parámetros adecuados. Ahora coloque el ratón inyectado y anestesiado en la cama del animal en el escáner y deslice la puerta del instrumento hacia la derecha para activar el enclavamiento de seguridad. Haga clic en el botón de modo en vivo para ver el sujeto en tiempo real y observar la ventana de captura X y el animal.
Al presionar los botones de avance y retroceso del control del eje Z de la etapa, se mueve la cama del animal hasta que el cofre del mouse esté dentro del campo de visión. A continuación, utilice las flechas izquierda y derecha del control de la cama del animal para colocar al animal dentro del cuadro delimitador azul. Seleccione 90 de la lista desplegable de control de rotación en la ventana del software de control y haga clic en el botón establecer para rotar el pórtico asegurándose de que el animal permanezca dentro del cuadro delimitador azul de la ventana de captura X.
En la ventana de captura X, haga clic con el botón izquierdo del ratón para cambiar el tamaño de la región cardiorrespiratoria de interés. Arrastrar los bordes para que las trazas cardiorrespiratorias sean claramente visibles en la vista de sincronización. Presione la posición de inicio y cambie el tamaño de la región de interés para cardiorrespiratorio.
Asegúrese de que la región de interés cubra el diafragma y la porción apical del corazón en todas las posiciones del pórtico. A continuación, gire el pórtico 90 grados para asegurarse de que las trazas cardiorrespiratorias siguen siendo claramente visibles. Cuando el animal esté en posición, haga clic en el botón de tomografía computarizada para iniciar la adquisición.
Aparecerá el mensaje de confirmación de la tomografía computarizada. Haga clic en Sí. El indicador rojo de energía de rayos X encenderá el instrumento y comenzará el escaneo.
Al final de la exploración, observe las vistas transaxial, coronal y sagital de las reconstrucciones en el software de visualización 2D. Por último, retira al animal del escáner y vigílalo hasta que se recupere por completo. Aquí, se muestran secciones transversales representativas de la reserva de sangre axial corta, telediastólica y telesistólica de un corazón de ratón con un infarto de miocardio.
En estas imágenes, las secciones transversales axiales cortas, telediastólicas y telesistólicas de un corazón de ratón sin infarto de miocardio exhiben una excelente delineación de la cavidad ventricular izquierda con poco ruido de fondo. Obsérvese cómo las áreas de rarefacción del contraste, correspondientes al infarto de miocardio, estaban bien delimitadas en las imágenes axiales cortas del corazón del ratón sometido a la ligadura de la arteria coronaria descendente anterior izquierda. Pero no en el animal simulado.
De acuerdo con el modelo de 17 segmentos de la Asociación Americana del Corazón, el ventrículo izquierdo se puede subdividir en porciones basal, media de la cavidad y apical de eje corto. En estos gráficos polares circunferenciales representativos se observa claramente una profusión disímil en los segmentos anterolateral medio, inferolateral medio, anterolateral medio, anterior apical y lateral apical en el ratón con infarto de miocardio en comparación con el animal operado simuladamente. Una vez dominada, la inducción del infarto de miocardio puede completarse en 45 minutos, mientras que la microtomografía computarizada posterior requiere cuatro horas.
Al intentar este procedimiento, es importante recordar que el rendimiento funcional cardíaco depende del tipo y grado de anestesia. Por lo tanto, para obtener mediciones precisas, la frecuencia cardíaca debe mantenerse lo más fisiológica posible durante la adquisición de la imagen. Tras su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la farmacología exploraran estrategias de intervención en ratones y analizaran el impacto de las estrategias de tratamiento de nivel en la progresión de la enfermedad.
Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de la cirugía de infarto de miocardio y saber cómo usar el sistema microCT de alta velocidad junto con el agente de contraste de reserva de sangre a base de yodo. No olvide que trabajar con isoflurano puede ser peligroso y que siempre se deben tomar precauciones como una buena ventilación al realizar este procedimiento.
Visión general
Este método describe el uso de la Tomografía Computarizada Micro-Cuántica (MicroCT) para evaluar la morfología cardíaca, función, perfusión, metabolismo y viabilidad con agente de contraste yodado en ratones con isquemia miocárdica inducida experimentalmente. La técnica proporciona una evaluación rápida, longitudinal, no invasiva de parámetros cardíacos críticos.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Cardiología
- Técnicas de imagen
- Investigación preclínica
Antecedentes
- La isquemia miocárdica es un modelo significativo para estudiar enfermedades cardíacas.
- Las técnicas de imagen no invasivas son esenciales para estudios longitudinales.
- MicroCT permite una evaluación detallada de la función y estructura cardíaca.
- Entender la fisiopatología cardíaca es crucial para desarrollar terapias.
Propósito del estudio
- Demostrar el uso de MicroCT en la evaluación de la función miocárdica.
- Evaluar los efectos de los tratamientos en la patología cardíaca.
- Proporcionar información sobre el desarrollo de enfermedades cardíacas.
Métodos utilizados
- Inducción de infarto de miocardio en ratones mediante técnicas quirúrgicas.
- Administración de agente de contraste yodado para la imagen.
- Uso de MicroCT para capturar imágenes cardíacas.
- Análisis de la morfología y función cardíaca mediante software de imagen.
Principales resultados
- La inducción exitosa de infarto de miocardio se confirmó visualmente.
- MicroCT proporcionó una clara delimitación de las cavidades del ventrículo izquierdo.
- Las áreas de rarefacción del contraste correspondientes al infarto estaban bien demarcadas.
- Se observaron diferencias en la perfusión entre corazones infartados y sometidos a cirugía simulada.
Conclusiones
- MicroCT es una herramienta valiosa para la imagen cardíaca no invasiva.
- Esta técnica puede mejorar la comprensión de las enfermedades cardíacas.
- Permite la evaluación rápida de la función cardíaca en modelos preclínicos.
Preguntas frecuentes
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.
