In-vivo-Bildgebung mit MR Makrophagen gezielte Kontrastmittel für die Längs-Auswertung der septische Arthritis

Summary

Wir zeigen, wie Sie ausführen Makrophagen MR Bildgebung mit ultrakleine superparamagnetische Kontrastmittel (USPIO) in septische Arthritis, so dass eine erste und Längs-

Abstract

Makrophagen sind Schlüssel-Zellen in der Initiierung, die Entwicklung und die Regulierung der Entzündungsreaktion auf bakterielle Infektion. Makrophagen sind intensiv und zunehmend in septischen Gelenke von den frühen Phasen der Infektion rekrutiert und die Infiltration soll einmal zurückbilden effiziente Beseitigung der Erreger erreicht wird. Die Fähigkeit, in vivo Makrophagenaktivität in einer infizierten gemeinsamen identifizieren können daher zwei Hauptanwendungen: Früherkennung der akuten Synovitis und Überwachung der Therapie.

In vivo-invasive Erfassung von Makrophagen können mit Magnet-Resonanz-Bildgebung mit Eisen-Nanopartikeln wie ultrakleine superparamagnetische Eisenoxid (USPIO) durchgeführt werden. Nach intravaskulären oder intraartikuläre Verabreichung USPIO speziell von aktivierten Makrophagen und aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften phagozytiert, induzieren Signaländerungen in Geweben präsentiert Makrophageninfiltration. Ein quantitative Auswertung des infiltrieren möglich, da der Bereich mit einem Signalverlust (Anzahl dunkler Bildpunkte) auf Gradientenecho MR-Bildern beobachtet Teilchen nach Injektion mit der Menge an Eisen in dem Gewebe korreliert und daher gibt die Anzahl der USPIO-beladenen Zellen.

Wir stellen Ihnen hier ein Protokoll zu Makrophagen Bildgebung mit USPIO-enhanced MR-Bildgebung in einem Tiermodell der septische Arthritis, so führen Sie einen Anfangs-und Längs-invasive in vivo Evaluierung von Makrophagen Infiltration und eine Bewertung der Therapie Aktion.

Introduction

Magnetic Resonance Imaging (MRI) gilt als das bildgebende Verfahren der Wahl für die Demonstration von infektiösen Synovitis aufgrund seiner hohen räumlichen Auflösung und Weichgewebe Gegensatz sein. Signal Veränderungen im MRT bei Arthritis niedrig T1 und T2 hohen Signal spiegelt die verstärkte Präsenz von extrazellulären Wassergehalt und eine deutliche Verbesserung nach Gadolinium-basierte Kontrastmittel Verabreichung beobachtet, im Einklang mit den Ergebnissen der histologisch erhöhte Durchblutung infolge Vasodilatation und Angiogenese ^1. Dennoch ist MRI oft nicht Auflösung der Infektion während einer antibiotischen Therapie zeigen als persistente Verbesserung in den Gelenken von Patienten mit klinisch und biologisch geheilt septische Arthritis durch Persistenz vergrößerten extrazellulären Raum (Granulationsgewebe, fibrotische Narbe) ² beobachtet werden. Neben extrazellulären Veränderungen, Entzündungszellen einschließlich einer intensiven Rekrutierung von Makrophagen massiv in die infiltrierenSynovia betroffen. Makrophagen spielen eine wichtige Rolle sowohl in der akuten und chronischen Phase einer bakteriellen Infektion ^3. Sie induzieren die entzündliche Reaktion erforderlich ist, um pathogene Mikroorganismen zu beseitigen, und koordinieren Entzündung Auflösung, wie Makrophagen-induzierte Entzündung besteht, solange nekrotische Gewebe nicht entfernt werden, Verhindern Reparatur bis ⁴ beginnen. So kann die Reduktion von Makrophageninfiltration in infizierten Synovia nach effizienten Therapie ein zuverlässiger Indikator für die Auflösung der Infektion sein. Cellular Imaging ist in der Lage, spezifische zelluläre Infiltration im pathologischen Gewebe zu demonstrieren. Spezifische Makrophagen MR-Bildgebung durch gezielte Kontrastmittel wurde vielfach untersucht und hat gezeigt, seine Fähigkeit zu gemeinsamen Entzündung oder Infektion ^5-7 demonstrieren. Nach intravenöser Injektion sind solche gezielte Kontrastmittel wie USPIO (ultrakleine superparamagnetische Eisenoxide) Partikel von Phagozyten wie Makrophagen aufgenommen undaufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften zu induzieren Signaländerungen in Geweben präsentiert Makrophageninfiltration ^8. Die Längs-Follow-up von denen MR-Signals ändert Therapie ermöglicht eine nicht-invasive in vivo Evaluierung Makrophageninfiltration, und eine Reduktion der USPIO beladenen Makrophagen-ähnlichen Signal Änderungen würden Therapieerfolg zu demonstrieren. Der Zweck dieses Berichts ist es bis heute, wie Makrophagen MR-Bildgebung durchführen, um nicht-invasiv überwacht septische Arthritis durch den Nachweis der Reduktion von Makrophageninfiltration innerhalb der Synovia.

Protocol

Alle Verfahren, die tierischen Probanden wurden von der Universitätsklinik Institutional Animal Care Ausschuss genehmigt worden.

1. Innenbandriss Bakterieninokulation

1. Vor der Injektion betäuben Kaninchen durch intramuskuläre Injektion von Ketamin (30 mg / kg Körpergewicht) mit Xylazin (4 mg / kg) innerhalb Rückenstrecker Muskel gemischt. Stellen Sie sicher, Tiere sind völlig betäubt, indem sie zu paw Prise nicht ansprechen. Dieses Protokoll sorgt für ausreichende Anästhesie für die intraartikuläre Injektion des Kniegelenks. Legen Sie die Tiere unter Sauerstoffmaske während der Narkose.
2. Shave Tiere Knie. Bereiten Sie das Knie für aseptische Injektion von 3 abwechselnd Tücher Povidonjod Gestrüpp und Alkohol durch die Anwendung von PVP-Jod Lösung.
3. Manuelle Identifizierung der Patellarsehne als elastische Struktur an der vorderen Seite des Knies mit einer sterilen Nadel Kappe wie gezeigt, oder einer sterilen Sonde.
4. Injizieren jedes Knie mit 1 ml einer Bakteriensuspension von Staphylococcus aureus (Stamm Neumann) in einer Konzentration von 10 ⁶ UFC / ml. Injektionsvorrichtung ohne Widerstand bestätigt die intraartikuläre Stelle der Spitze der Nadel.
5. Nach der Injektion Verfahren, halten das Tier unter konvektiven Quelle, um den Wärmeverlust zu vermeiden und zu überwachen Atemfrequenz durch Beobachtung Bewegung der Brust. Einmal wach, halten Tiere in Käfigen mit freiem Zugang zu Futter und Wasser.
6. Verwalten Schmerzen durch Verabreichung eine intramuskuläre Injektion von 0,1 mg / kg alle 8 h Buprenorphin.
7. Klinisch beobachten Kaninchen jeden Tag, Überwachung verbrauchten Mengen an Nahrung und Wasser, Gewichtsverlust, Temperatur, und das allgemeine Verhalten.
8. Um das Bild der akuten Phase der Infektion führen Sie das erste MR-Bildgebung Sitzung sobaldwie ein Tier erheblichen Gewichtsverlust (10%), in der Regel in diesem Fall nach ca. 2 Tagen.
9. Ist eine intravenöse Medikamentengabe vor MRT-Untersuchung erforderlich ist, könnte ein auricular venösen Zugang installiert ist (vgl. unten).

2. MRT-Untersuchung

Bei der Abbildung von lebenden Tieren ist eine sorgfältige Installation Tier ein wesentliches Merkmal von Tieren Komfort und optimale Anästhesie zu gewährleisten. Dies wird für die besten Bildergebnisse zu ermöglichen und gewährleisten eine reproduktive Bildaufnahme für Längsschnittstudien. Aufgrund der Größe des Tieres, ist die Verwendung eines klinischen große MR-Einheit (1,5 T oder T 3) am besten geeignet. 8-Kanal-klinischen Kniespule verwendet wird, wie es richtige Auflösung und Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis für Kaninchen Knie Exploration bietet.

1. Vor der Installation auf dem Imaging-System installieren, ein peripherer venöser Zugang über eine Ohrvene. Dieser Zugriff wird dazu dienen, das Kontrastmittel zu injizieren.
   1. Rasur und desinfizieren Sie das Ohr.
   2. Legen Sie eine 25 G Katheter innerhalb des lateralen Ohrvene.
   3. Bewerten Sie die Durchlässigkeit durch Injektion von 1 ml steriler physiologischer Serum.
   4. Pflegen Sie den Katheter mit Klebstoff Klopfen.
2. Anesthetize Tiere durch intramuskuläre Injektion von Ketamin (30 mg / kg Körpergewicht) mit Xylazin (4 mg / kg) gemischt. Tiere sind völlig betäubt, wenn sie zu paw Prise nicht ansprechen. Legen Sie eine Gesichtsmaske auf das Kaninchen, die ihm Sauerstoff mit einer Flussrate von 200 ml / min.
3. Einmal vollständig betäubt, nehmen Tiere auf die MR-Bildgebung Einheit. Platz Tieren, so dass die Knie in der Mitte des MR-Spule angeordnet. Legen Sie die Tiere die Beine in völliger Ausdehnung, so dass die lange Achse der Tibia parallel zur MR-Bildgebung Einheit Tabelle ist. Mit Klettverschlüssen oder Sandsäcken, um eine optimale Beinstellung zu halten.
4. Cardio-Überwachung der Atmung der Tiere wird nicht als erforderlichAnästhesie-Protokoll ermöglicht tiefe Narkose auf die spontane Atmung, aber Tiere sind abgedeckt, um Narkose-induzierten Wärmeverlust zu vermeiden.
5. MR-Protokoll ist in Tabelle 1 aufgeführt. Die durchschnittliche Zeit für die gesamte Übernahme einschließlich der optimalen Installation ist ca. 20 min.
6. Führen MR-Bildgebung in verschiedenen Ebenen. Dennoch ist die Querebene der Knie (orthogonal zur Tibia) die Referenzebene wie anatomische Reproduzierbarkeit Bild für das sequentielle Längsrichtung Prüfungen gewährleisten und eine optimale Korrelation mit histologischen Schnitten.
7. Nach Beendigung der nativen Sequenzen injizieren UPSIO Kontrastmittels im Vorhof venösen Zugang. Langsam Verwaltung der Eisenoxidteilchen in einer Einzeldosis von 150 mmol Fe / kg. Spülen des Katheters durch Injektion von 1 ml steriler physiologischer Kochsalzlösung.
8. Wiederholen Sie die erweiterte GRE gewichtete Sequenz 24 Stunden nach der Injektion. Diese Verzögerung ermöglicht die Teilchen durch phagozytiert werdendie Makrophagen.
9. Für Längsschnittstudien Auswertung Drogen Wirkung (Antibiotika, Steroide, anti-Makrophagen-Antikörper, etc.), Wiederholen sequentiellen MR-Untersuchungen unter Verwendung der oben beschriebenen Protokoll.

3. Bildanalyse

1. Für Längs-Evaluierung durchzuführen Messungen an der gleichen anatomischen Ebene und definieren eine leicht identifizierbare Wahrzeichen. So ist zum Beispiel durch Erfassung der axialen Ebene, wo der größte Durchmesser der Patella beobachtet wird eine zuverlässige Möglichkeit, reproduzierbare Messung (1) zu erhalten.
2. Führen Bildanalyse mit einem DICOM-basierte Software (wie Osirix) oder eine Bildverarbeitungssoftware (ImageJ).
3. Mit ImageJ Software, führen Sie die Segmentierung der Gelenkflüssigkeit Bereich, der Signalverlust zeigt auf USPIO-enhanced GRE T2-gewichteten Bild mit der "irregulären Bereich" Malwerkzeug. Sobald der Synovialis mit dunklen Signal wird skizziert, auf "Analysieren" klicken, um den Bereich / erhaltenAnzahl der Pixel (Abbildung 2).

Representative Results

Auf nativen Bilder präsentiert der Synovialis von infizierten Knie eine diffuse Schwellung der Zwischen-Signal, nicht unterscheidbar von umgebenden Weichgewebe, während Oberschenkelknochen und Kniescheibe so niedrig Signal Strukturen (Abbildung 1) angezeigt.

Auf den USPIO-enhanced Bilder werden 24 Stunden nach der Kontrastmittelgabe, Gelenkflüssigkeit Bereich mit USPIO-beladenen Makrophagen zeigen Signalverlust (Abbildungen 1 und 2).

Makrophageninfiltration innerhalb Synovialis nachgewiesen werden kann, unter Verwendung spezifischer Immunfärbung (Abbildung 3). Perls 'preußischen Bläue erkennen Eisenpartikel, die als blaue Punkte (Abbildung 4) erscheinen.

	GRE T2 gewichtet
Wiederholung (ms)	450
Echo der Zeit (ms)	4	Flipwinkel	30
Turbo-Faktor
Fettunterdrückung
Schichtdicke (mm)	1.5
Interval Lücke	0
Sehfeld (mm)	70
Matrix	448 x 360
Bandbreite	80
Signale erworben	2
Scanlänge	3'10

Tabelle 1. Beispiel von Parametern GRE T2-gewichteten MRT-Sequenz auf einem 3T MR-Einheit.

Abbildung 1. Axial GRE T2-gewichtete Bilder eines Kaninchens Knie bei der akutenPhase der Infektion, vor (A) und 24 Stunden nach (B) intravaskuläre Verabreichung des USPIO; Bilder werden auf der Ebene der Patella (p) und Oberschenkelknochen (F) erhalten. Auf der nativen Bild (A), ist die Gelenkinnenhaut verdickt (Pfeil) und stellt ein homogenes Zwischenprodukt Signal undeutlich aus den umliegenden Weichteile. Nach USPIO Verwaltung (B), wird der Synovialis nun als bandförmige Bereich massiv Dunkelsignal (Pfeilspitze) aufgrund des Vorhandenseins von USPIO-beladenen Makrophagen. (Nachdruck aus Lefévre S. et al. ⁹ mit Genehmigung).

2. Segmentierung und Bestimmung der synovialen Bereich, Signalverlust mit ImageJ dargestellt.

Abbildung 3. Photomicrograph spezifischer Makrophagen Immunfärbung zeigt die intensive Infiltration von Makrophagen innerhalb der infizierten Synovialis (Pfeil). (RAM 11 Immunfärbung ursprüngliche Vergrößerung 40X).

Abbildung 4. Photomicrograph (Perls 'preußischen Bläue, ursprüngliche Vergrößerung 40X) zeigt mehrere blau-gefärbten Zellen correspondig den USPIO-beladenen Makrophagen (Pfeil). (Nachdruck aus Lefévre S. et al. ⁹ mit Genehmigung).

Discussion

Während unspezifische Gadolinium-basierte Kontrastmittel Informationen über das Volumen und die Durchblutung der extrazellulären Raum zu bieten, ermöglicht Makrophagen Bildgebung durch USPIO-enhanced MR eine genaue anatomische Lokalisation und eine qualitative Beurteilung der Makrophageninfiltration in infizierten synovium ohne die Notwendigkeit der Gewebeentnahme ^9. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit kann USPIO demonstrieren sogar subtile Zellinfiltrat in den frühen Phasen der Infektion. Unter erfolgreiche Antibiotika-Therapie, die Erreger nach beseitigt werden, wird diese Infiltration als verringern, was zu einer Verringerung der USPIO Aufnahme innerhalb der Synovialmembran. Da der Bereich der dunklen Signal an die tissular Eisengehalt korreliert ist, kann synovialen Signal nach USPIO Verabreichung als Biomarker eine quantitative Darstellung der zellulären Infiltration, die Längsachse ¹⁰ ausgewertet werden können berücksichtigt werden. Darüber hinaus und im Gegensatz zu anderen bildgebenden Verfahren wie optschen Bildgebung oder Isotopen Bildgebung, zellulären MR-Bildgebung hat die Fähigkeit, hochauflösende anatomische Bilder, die präzise Lokalisierung von Zellen im Zusammenhang ändert erlauben zu generieren.

Macrophage Bildgebung ermöglicht die Abschätzung der Zelle Vorhandenseins und der Verteilung im Gewebe von Interesse sind, ohne die Notwendigkeit von Gewebeproben. Es vermeidet deshalb zwei wesentliche Nachteile wiederholt Gewebeentnahme in biologischen in vivo Studien, die Invasivität und Modifikation von nativem Gewebe normalen Biologie sind oft erforderlich. Darüber hinaus könnte sequentielle Gewebeentnahme nicht möglich sein bei Kleintieren, die nicht vertragen wiederholt stressig Verfahren entgegensteht Längs-Auswertung. Im Gegensatz dazu, in vivo Follow-up-Bildgebung von Makrophagen-Gehalt in einem Gewebe unter Verwendung von sequentiellen USPIO-verstärkten MR-Scanning leicht an Kleintieren werden für die Längs-Überwachung der Antibiotika-Therapie von Infektionskrankheiten eingesetzt, von entzündungshemmenden Therapie in Modellen von NONINinfektiöser Arthritis, oder der Behandlung in allen beteiligten Makrophagen-Erkrankungen.

Sobald das Modell von Interesse gewählt (Arthritis, septische Synovitis, etc.) Wird Kontrastmittelgabe leicht durch langsame intravaskuläre Injektion durchgeführt und ist im allgemeinen nicht technisch anspruchsvoll. Eine wesentliche Einschränkung der MR Bildgebung unter Verwendung von zellulären USPIO Kontrastmittel ist die Notwendigkeit für eine wiederholte Abtastung 24 Stunden Injektion Diese Verzögerung ermöglicht die spezifische Phagozytose durch Makrophagen ^5-7. Deshalb, um zu vergleichbaren bildgebenden Daten haben, ist eine präzise Tier Installation innerhalb des MR-Einheit Pflichtfelder. In unserer Erfahrung, beobachteten wir, dass tierische Installation in Bauchlage im MR-Spule mit Unterschenkel komplette Verlängerung durch Pflasterzügelung erlaubt reproduzierbare und vergleichbare Bilder erhalten assoziiert.

Wir präsentierten in diesem Bericht, wie man leicht in vivo Makrophagen mit USPIO beschriften, unter Ausnutzung ihrer natürlichenPhagozytenaktivität. Selbst wenn zusätzlich ein vorgelagertes ex vivo Verfahren erforderlich sein (Kontrastmittel Eindringen in nicht-natürlichen Phagozyten zu ermöglichen), kann Zellmarkierung mit hochempfindlicher MR-Kontrastmittels, wie Eisenoxid-Teilchen zu anderen Zelltypen, wie Lymphozyten verwendet werden, polymorphkernigen Leukozyten oder Mastzellen. Cellular MR-Bildgebung kann daher ein sehr interessantes Werkzeug zur nichtinvasiven Untersuchung des sequentiellen Rekrutierung von allen Zelltypen in infektionsbedingte Entzündung beteiligt zu sein, und die Auswirkungen der allgemeinen sowie Zell-gerichtete Therapien zu bewerten.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name of Reagent/Material	Company	Catalog Number	Comments
P904	Guerbet		Dose: 150 μmol Fe/kg
Ketamine (500 mg/ml ketamine)	Virbac		Dose: 30 mg/kg
Rompun (20 mg/ml Xylazine)	Axience		Dose: 4 mg/kg
Buprenorphine	Vetoquinol		Dose: 0.1 mg/kg/8 hr
BD 22 G, 1 inch	BD Biosciences	381423
BD 25 G, 5/8 inch	BD Biosciences	305122