In vivo macrófagos Imagem Usando MR alvejado agente de contraste para avaliação longitudinal de artrite séptica

Summary

Nós demonstramos como realizar macrófagos RM usando ultrasmall agente de contraste superparamagnético (USPIO) na artrite séptica, permitindo uma inicial e longitudinal

Abstract

Os macrófagos são células-chave na iniciação, o desenvolvimento e a regulação da resposta inflamatória a uma infecção bacteriana. Os macrófagos são intensivamente e cada vez mais recrutados nas articulações sépticos desde as primeiras fases da infecção e a infiltração é suposto a regredir vez remoção eficiente dos patógenos é obtido. A capacidade de identificar em atividade dos macrófagos in vivo em uma articulação infectada pode, portanto, fornecer duas aplicações principais: a detecção precoce de sinovite aguda e monitorização da terapêutica.

In vivo, a detecção não invasiva de macrófagos pode ser realizada por meio da ressonância magnética, utilizando nanopartículas de ferro, tais como óxido de ferro superparamagnético ultrasmall (USPIO). Após administração intravenosa ou intra-articular, USPIO são especificamente fagocitadas por macrófagos ativados e, devido às suas propriedades magnéticas, induzir mudanças de sinal em tecidos que apresentam infiltração de macrófagos. A quantitative avaliação do infiltrado é viável, já que a área com a perda de sinal (número de pixels escuros) observado em imagens de eco de gradiente MR após a injecção de partículas está correlacionado com a quantidade de ferro no tecido e, portanto, reflecte o número de células de USPIO-carregados.

Apresentamos aqui um protocolo para realizar imagem macrófagos usando USPIO avançada ressonância magnética em um modelo animal de artrite séptica, permitindo uma inicial e longitudinal na avaliação não invasiva vivo infiltração de macrófagos e uma avaliação das medidas de terapia.

Introduction

A ressonância magnética (MRI) é considerada a modalidade de escolha para a demonstração da sinovite infecciosa, devido à sua alta resolução espacial e de contraste de tecido mole. As alterações dos sinais observados na ressonância magnética na artrite baixo sinal T1 e T2 alta refletindo o aumento da presença de teor de água extracelular, e uma melhoria acentuada após a administração do agente baseado em gadolínio, de acordo com os resultados de histologicamente aumento da vascularização devido a vasodilatação ea angiogênese ^1. No entanto, é muitas vezes incapaz de MRI para demonstrar a resolução da infecção durante a terapia com antibióticos como reforço persistente pode ser observada nas articulações de pacientes com doença sistémica e artrite séptica biologicamente curado devido à persistência do espaço extracelular alargado (tecido de granulação, cicatriz fibrótica) ^2. Além das alterações extracelulares, as células inflamatórias, incluindo o recrutamento de uma intensa infiltração de macrófagos na massivamente atadas sinóvia. Os macrófagos desempenham um papel importante, tanto para a fase aguda e crónica da infecção bacteriana ^3. Eles induzir a reacção inflamatória necessária para erradicar microorganismos patogénicos, e coordenar resolução da inflamação, tal como a inflamação induzida por macrófago persiste enquanto tecidos necróticos não são removidos, evitando reparação para começar ^4. Assim, a redução de infiltração de macrófagos na sinóvia infectado após a terapia eficiente pode ser um indicador fiável da resolução da infecção. Celular de imagem é capaz de demonstrar a infiltração celular específica dentro do tecido patológico. Específica de macrófagos RM usando direcionados agente de contraste tem sido amplamente investigado e demonstrou a sua capacidade para demonstrar inflamação ou infecção ^5-7 conjunta. Depois de injecção intravenosa, tais agentes de contraste específicos, tais como (USPIO ultrasmall óxidos de ferro superparamagnéticos) partículas são tomadas por células fagocíticas, tais como macrófagos e,devido às suas propriedades magnéticas, induzem alterações de sinal nos tecidos que apresentam infiltração de macrófagos ^8. O acompanhamento longitudinal dos MR sinal de mudanças terapia permite uma avaliação não invasiva em vivo de infiltração de macrófagos, e uma redução de USPIO carregados-macrófagos mudanças de sinal relacionados demonstraria o sucesso da terapia. O objetivo deste relatório é apresentar como realizar macrófagos ressonância magnética para monitorar de forma não invasiva a artrite séptica, demonstrando a redução da infiltração de macrófagos dentro da sinóvia.

Protocol

Todos os procedimentos que envolvem seres animais foram aprovados pelo Comitê Institucional Hospital Animal Care University.

1. Inoculação bacteriana intra-articular

1. Antes da injecção, anestesiar coelhos através de uma injecção intramuscular de cetamina (30 mg / kg de peso corporal) misturado com xilazina (4 mg / kg) no músculo eretor espinhal. Certifique-se de animais são totalmente anestesiado, verificando que eles não conseguem responder a pitada pata. Este protocolo proporciona anestesia suficiente para a injecção intra-articular da articulação do joelho. Coloque os animais sob máscara de oxigênio durante a anestesia.
2. Raspar o joelho dos animais. Preparar o joelho por injecção asséptica por três toalhetes alternados de esfrega de povidona-iodo e álcool, seguido pela aplicação de uma solução de iodo-povidona.
3. Identificar manualmente o tendão patelar, uma estrutura elástica, na face anterior do joelho utilizando uma ponta de agulha estéril imediata ou uma sonda estéril.
4. Injectar cada joelho com 1 ml de uma suspensão bacteriana de S. aureus (estirpe Neumann), a uma concentração de 10 ⁶ UFC / ml. Uma injecção sem resistência confirma o local intra-articular da ponta da agulha.
5. Após os procedimentos de injeção, manter o animal sob fonte de convecção, para evitar a perda de calor e monitorar a frequência respiratória, observando o movimento do tórax. Uma vez acordado, manter os animais em gaiolas com livre acesso a água e comida.
6. Controlar a dor através da administração de uma injeção intramuscular de 0,1 mg / kg de buprenorfina a cada 8 horas.
7. Clinicamente observar coelhos cada dia, o controlo quantidades consumidas de água e comida, perda de peso, a temperatura, e o comportamento geral.
8. Para a imagem da fase aguda da infecção realizar a primeira sessão de imagens MR, logocomo um animal apresenta uma perda de peso significativa (10%), em geral isto ocorre após cerca de 2 dias.
9. Se for necessária a administração de drogas intravenosas antes do exame de ressonância magnética, um acesso venoso auricular pode ser instalado (cf. abaixo).

2. Exame de ressonância magnética

Quando os animais vivem de imagem, a instalação de animais cuidado é uma característica fundamental para garantir o conforto dos animais e anestesia ideal. Isto permitirá obter os melhores resultados de imagem e assegurar a aquisição de uma imagem de reprodução para os estudos longitudinais. Devido ao tamanho do animal, a utilização de uma unidade MR clínico de tamanho (1,5 T ou T 3) é o mais adequado. 8 canais bobina clínica do joelho é usada como ela fornece resolução adequada e taxa de contraste-ruído para exploração do joelho de coelho.

1. Antes da instalação do sistema de imagem, instale um acesso venoso periférico através de uma veia auricular. Este acesso vai servir para injectar o agente de contraste.
   1. Raspar e desinfectar a orelha.
   2. Inserir um cateter de 25 G no interior da veia auricular lateral.
   3. Avaliar a permeabilidade pela injeção de 1 ml de soro fisiológico estéril.
   4. Manter o cateter com tapping adesiva.
2. Anestesiar animais por meio de injecção intramuscular de cetamina (30 mg / kg de peso corporal) misturado com xilazina (4 mg / kg). Os animais são totalmente anestesiado, uma vez que não respondem ao aperto da pata. Coloque uma máscara facial, no coelho, dando-lhe oxigénio com uma taxa de fluxo de 200 ml / min.
3. Depois de completamente anestesiado, levar os animais para a unidade de ressonância magnética. Colocar animais de modo que os joelhos estão localizadas no centro da bobina de MR. Coloque as pernas dos animais em extensão completa, de modo que o eixo longitudinal da tíbia é paralela à mesa unidade de imagens MR. Use velcro ou sacos de areia para manter a posição da perna ideal.
4. Monitorização cardio-respiratória dos animais não é necessário que oprotocolo de anestesia permite anestesia profunda em respiração espontânea, mas os animais têm que ser cobertos para evitar a perda de calor anestesia induzida.
5. Protocolo de MR está detalhado na Tabela 1. O tempo médio para a aquisição total, incluindo instalação ideal é de cerca de 20 min.
6. Realizar ressonância magnética em diferentes planos. No entanto, o plano transversal dos joelhos (ortogonal à tíbia) é o plano de referência, uma vez que assegura a reprodutibilidade anatómica da posição da imagem para exames longitudinais sequenciais e permite a correlação óptima com fatias histológicas.
7. Ao término das seqüências não melhorada, injetar o agente de contraste UPSIO através do acesso venoso auricular. Lentamente administrar as partículas de óxido de ferro em uma dose única de 150 mol de Fe / kg. Lavar o cateter por injecção de 1 ml de soro fisiológico estéril.
8. Repetir a sequência reforçada GRE ponderada 24 horas após a injecção. Este atraso permite que as partículas a serem fagocitadas pelosos macrófagos.
9. Para os estudos longitudinais avaliando efeito de drogas (antibióticos, esteróides, anticorpos anti-macrófago, etc.), Repetir os exames de RM seqüenciais usando o protocolo acima descrito.

3. Análise de Imagem

1. Para a avaliação longitudinal realizar medições no mesmo nível anatômico, e definir um marco facilmente identificáveis. Por exemplo, a aquisição através do plano axial que o maior diâmetro da patela é observada é uma forma fiável para se obter a medição reprodutível (Figura 1).
2. Realizar análise de imagem usando um software baseado em DICOM (como Osirix) ou um software de processamento de imagem (ImageJ).
3. Usando o software ImageJ, realizar a segmentação da área sinovial que demonstra a perda de sinal de imagem ponderada em T2 USPIO-enhanced GRE usar a "área irregular" ferramenta de desenho em. Uma vez que a membrana sinovial com sinal escuro é descrito, clique em "Analisar" para obter a área /número de pixels (Figura 2).

Representative Results

Nas imagens não melhorada, a membrana sinovial de joelhos infectados apresenta um inchaço difuso sinal intermediário que não é distinguível de tecido mole circundante, enquanto fémur e da patela aparecer como estruturas de sinal baixo (Figura 1).

Nas imagens USPIO avançada, 24 horas após a administração do agente de contraste, que contém a área sinovial macrófagos USPIO-loaded irá demonstrar a perda de sinal (Figuras 1 e 2).

A infiltração de macrófagos na sinóvia pode ser demonstrada usando a imunocoloração específica (Figura 3). Perls azul da Prússia mancha pode detectar partículas de ferro, que aparecem como pontos azuis (Figura 4).

	GRE T2 ponderado
Tempo de repetição (ms)	450
Tempo de eco (ms)	4	Virar ângulo	30
Turbo fator
Supressão de gordura
Espessura de corte (mm)	1.5
Gap intervalo	0
Campo de visão (mm)	70
Matriz	448 x 360
Bandwidth	80
Os sinais adquiridos	2
Digitalizar comprimento	3'10

Tabela 1. Exemplo de parâmetros da seqüência GRE MR T2 em uma unidade de RM 3T.

Figura 1. Axial GRE T2 de um joelho de coelho no agudofase da infecção, antes (A) e 24 horas após (B) a administração intravascular de USPIO; as imagens são obtidas a nível da rótula (p) e o fémur (F). Na imagem sem contraste (A), a membrana sinovial é engrossado (seta), e apresenta um sinal intermédio homogénea indistinto dos tecidos moles circundantes. Após administração USPIO (B), a membrana sinovial aparece agora como uma área tipo banda de sinal massivamente escuro (ponta de seta), devido à presença de USPIO-loaded macrófagos. (Reproduzido a partir Lefévre S. et al. ^9, com permissão).

Figura 2. Segmentação e determinação da área sinovial que apresenta a perda de sinal utilizando o ImageJ.

Figura 3. Fotomicrografia de imunomarcação específica de macrófagos demonstra a intensa infiltração de macrófagos na sinóvia infectada (seta). RAM (11 imunocoloração, ampliação original 40X).

Figura 4. Fotomicrografia (Perls 'mancha azul da Prússia, aumento original de 40X) mostra várias células azuis manchados correspondendo às macrófagos USPIO-carregados (seta). (Reproduzido de Lefévre S. et al. ^9, com permissão).

Discussion

Enquanto agentes de contraste à base de gadolínio inespecíficos fornecer informações sobre o volume ea perfusão do espaço extracelular, macrófagos imagem por USPIO-enhanced MR permite a localização anatômica precisa e uma avaliação qualitativa da infiltração de macrófagos no synovium infectado, sem a necessidade de amostras de tecido ^9. Devido à sua alta sensibilidade, USPIO pode demonstrar se infiltrar até mesmo sutil celular presente nas fases iniciais da infecção. Sob terapia antibiótica bem sucedida, tal como os agentes patogénicos são progressivamente removidos, esta infiltração foi considerada a diminuir, levando à redução da absorção de USPIO dentro da membrana sinovial. Como a área de sinal escuro está correlacionada com o teor de ferro tecidual, sinal sinovial após administração USPIO pode ser considerado como um biomarcador, uma representação quantitativa da infiltração celular, que pode ser avaliada longitudinal ^10. Além disso, e ao contrário de outros métodos de imagem, como optimagiologia ica ou imagiologia isotópica, celular RM tem a capacidade de gerar imagens anatómicas de alta resolução, que permitem a localização precisa do sinal muda células relacionadas.

Macrófagos imagem permite a estimativa da presença e da distribuição nos tecidos de interesse célula sem a necessidade de amostras de tecido. É, portanto, evita dois inconvenientes principais de amostras de tecido repetido muitas vezes necessário em estudos biológicos in vivo, que são de invasão e modificação da biologia normal de tecido nativo. Além disso, a amostragem sequencial de tecido pode não ser possível em pequenos animais que não toleram os processos repetidos de stress, o que impede a avaliação longitudinal. Em contraste, a imagem in vivo seguimento do conteúdo dentro de um tecido de macrófagos usando sequencial USPIO-Enhanced MR digitalização pode ser facilmente aplicado a pequenos animais para a monitorização longitudinal de antibióticos em doenças infecciosas, da terapia anti-inflamatória em modelos de noninartrite infecciosa ou de tratamento em todas as doenças macrófagos-envolvidos.

Uma vez que o modelo de interesse é escolhido (a artrite, sinovite séptico, etc.), A administração do agente de contraste é facilmente realizado através de injecção intravascular lenta e é, em geral, não é tecnicamente exigente. A principal limitação do MR imaging celular usando USPIO agente de contraste é a necessidade de repetir a digitalização 24 hr injecção, este atraso específico, permitindo a fagocitose por macrófagos ^5-7. Portanto, a fim de ter dados de imagem comparáveis, uma instalação de animais precisos dentro da unidade MR é obrigatório. Em nossa experiência, observamos que a instalação do animal em posição de bruços dentro da bobina MR associada a uma menor extensão completa da perna obtida por gravação adesivo permitiu imagens altamente reprodutíveis e comparáveis.

Apresentamos neste relatório como rotular facilmente em macrófagos in vivo com USPIO, aproveitando-se de seus recursos naturaisatividade fagocitária. Mesmo se um procedimento ex vivo preliminar adicional pode ser necessário (para permitir a penetração do agente de contraste para as células não-natural fagocíticas), marcação celular é altamente sensível com agente de contraste de MR, tais como partículas de óxido de ferro pode ser aplicada a outros tipos de células, tais como linfócitos, polimorfonucleares leucócitos ou células mastro. Celular RM pode, portanto, ser uma ferramenta muito interessante para a investigação não invasiva do recrutamento seqüencial de todos os tipos de células envolvidas na inflamação relacionada à infecção e avaliar o impacto da geral, bem como terapias de células-alvo.

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