Gating cardiaco retrospettivo con un prototipo di tomografo computerizzato a raggi X per piccoli animali
21 febbraio 2025
Forniamo una descrizione completa del metodo di gating cardiaco retrospettivo intrinseco del CrumpCAT, un prototipo di scanner per tomografia computerizzata (TC) a raggi X per piccoli animali progettato e costruito presso il nostro istituto di ricerca.
Abbiamo sviluppato tecnologie di imaging che consentono ai ricercatori di rispondere a domande biologiche. Ora, c'è bisogno di tecniche di gating per congelare il movimento nella TC di piccoli animali. Volevamo dimostrare che è possibile eseguire scansioni gated con componenti TC standard. Tutto si realizza nel software, senza bisogno di hardware speciale.
La comprensione dei limiti e delle capacità dei rivelatori preclinici comunemente disponibili per l'imaging TC a raggi X porta ad abilitare la tecnologia con risultati sperimentali significativi. Il movimento cardiaco fisiologico negli studi sui roditori è spesso considerato una sfida insormontabile che ha portato alla mancanza di rapporti scientifici. Speriamo che con il lavoro qui descritto, riusciremo a convincere il settore che è possibile superare questa difficoltà con l'hardware comunemente disponibile.
Il nostro approccio non richiede il collegamento fisico degli elettrodi e può essere ottenuto senza intervento chirurgico. La TC a raggi X con gating cardiaco retrospettivo consente la quantificazione accurata di piccole strutture all'interno e intorno al cuore e le misurazioni a rotazione delle camere cardiache in diversi punti temporali durante un ciclo cardiaco. Questa tecnologia migliora sostanzialmente la nostra capacità di studiare le malattie cardiovascolari e sviluppare terapie efficaci.
Per iniziare, posizionare un mouse anestetizzato sull'area di lavoro. Pizzica la fettuccia tra le dita dei piedi per testare la profondità dell'anestesia. Iniettare per via endovenosa 100 microlitri di mezzo di contrasto CT attraverso la vena caudale appena prima dell'imaging.
Trasferire il topo anestetizzato all'interno della camera di imaging TC. Avvia il software CrumpCAT. Per eseguire l'imaging TC non gated ad alta risoluzione, inserire prima un ID studio sull'interfaccia utente.
Selezionare Mouse Hi-Res nel menu a discesa Protocollo. Quindi, fare clic sul pulsante Scansione nell'interfaccia utente per acquisire 720 proiezioni con un tempo di esposizione di 80 millisecondi per proiezione. Per eseguire l'imaging TC non gated con risoluzione media, inserire un ID studio sull'interfaccia utente.
Selezionare Mouse Standard nel menu a discesa Protocollo. Fare clic sul pulsante Scansione nell'interfaccia utente per acquisire 720 proiezioni con un tempo di esposizione di 100 millisecondi per proiezione. Per eseguire l'imaging TC gated, inserire un ID studio nell'interfaccia utente.
Selezionare Gating cardiaco nel menu a discesa Protocollo. Fare clic sul pulsante Scansione nell'interfaccia utente e acquisire 21.600 proiezioni con un tempo di esposizione di 20 millisecondi per proiezione. Per l'estrazione del segnale respiratorio, designare una regione rettangolare di interesse, o ROI1, per rappresentare il diaframma.
Somma le intensità dei pixel all'interno della ROI1 per ogni proiezione per generare il segnale respiratorio. Per l'estrazione del segnale cardiaco, designare una seconda regione rettangolare di interesse, o ROI2, nel modello vicino al cuore. Somma le intensità dei pixel all'interno della ROI2 per ogni proiezione per generare il segnale cardiaco.
Quindi, avvia l'immagine CT in un visualizzatore DICOM, come AMIDE. Impostare il valore CT su meno 500, 500 per migliorare il contrasto visibile. Per quantificare il volume del ventricolo sinistro, disegnare una regione 3D a mano libera di interesse per identificare il ventricolo sinistro in ogni fase.
Calcola i voxel con un valore CT di soglia di 730 unità Hounsfield. L'imaging TC non gated ha rivelato un'identificazione più chiara delle calcificazioni cardiache su immagini ad alta risoluzione rispetto alle immagini a media risoluzione, con valori del rapporto contrasto/rumore rispettivamente di circa quattro e 3,2. L'imaging TC gated ha dimostrato un miglioramento del rapporto contrasto/rumore da circa 4,2 nei soli respiratori-gated a circa 5,2 nei respiratory-gated.
Il ventricolo sinistro ha raggiunto un valore CT di 730 unità di Hounsfield. Un loop come breve video rivela meglio la variazione del volume del ventricolo sinistro durante un ciclo cardiaco.
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Panoramica
Questo studio affronta la sfida del movimento cardiaco fisiologico nell'imaging di tomografia computerizzata (CT) a raggi X negli animali di piccola taglia, introducendo un metodo software di gating cardiaco retrospettivo. Utilizzando lo scanner prototipo CrumpCAT, dimostriamo che è possibile ottenere un imaging quantitativo significativo del cuore senza l'ausilio di hardware specializzato.
Componenti Chiave dello Studio
Area di Ricerca
- Imaging cardiovascolare
- Tecnologia di tomografia computerizzata per piccoli animali
- Tecniche di imaging senza movimento
Sfondo
- Sfide legate al movimento cardiaco negli studi su roditori
- Mancanza di tecniche di imaging efficaci per strutture di piccole dimensioni
- Necessità di tecnologie di imaging accessibili nella ricerca biologica
Metodi Utilizzati
- Tecniche software di gating cardiaco retrospettivo
- Modello rodentistico per l'imaging cardiaco
- Imaging TC con componenti standard, inclusi agenti di contrasto
Risultati principali
- Identificazione più chiara delle strutture cardiache e delle calcificazioni
- Rapporti contrasto-rumore migliorati con l'imaging sincronizzato
- Quantificazione riuscita del volume del ventricolo sinistro durante tutto il ciclo cardiaco
Conclusioni
- Lo studio dimostra che la sincronizzazione cardiaca può superare le sfide tradizionali nell'immagine TC nei roditori.
- Questo approccio è rilevante per far progredire la ricerca sulle malattie e le terapie cardiovascolari.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La gatting cardiaca retrospettiva con il prototipo CrumpCAT consente acquisizioni cardiache ad alta risoluzione e prive di movimento in modelli di piccoli animali, utilizzando apparecchiature TC standard. Questa capacità risolve un collo di bottiglia critico nella ricerca cardiovascolare preclinica, permettendo una valutazione accurata e quantitativa della funzione e della struttura cardiaca. L'approccio migliora la fiducia predittiva negli studi traslazionali e supporta decisioni di portafoglio basate sulla valutazione del rischio nella fase iniziale della scoperta di farmaci.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette un'analisi precisa della funzione e della struttura cardiaca in vivo per la validazione degli obiettivi terapeutici.
- Riduce l'ambiguità biologica eliminando gli artefatti di movimento nell'imaging cardiaco di piccoli animali.
- Consente una maggiore affidabilità predittiva nella selezione degli obiettivi cardiovascolari e nella riduzione del rischio meccanicistico.
Sviluppo di screening e saggi
- Fornisce set di dati di imaging standardizzati e riproducibili per la fenotipizzazione cardiaca quantitativa.
- Facilita lo sviluppo di saggi per endpoint di funzione cardiaca in modelli preclinici.
- Permette una valutazione affidabile degli effetti dei composti sulla struttura e funzione cardiaca.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i risultati delle immagini precliniche con le strategie traslazionali dei biomarcatori per le malattie cardiovascolari.
- Supporta la continuità dalla scoperta alla validazione preclinica abilitando set di dati cardiaci 4D.
- Migliora le decisioni di avanzamento con adeguamento del rischio per i candidati terapeutici cardiovascolari.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo di selezione retrospettiva si integra nel flusso di lavoro di imaging preclinico, collegando la fase iniziale della scoperta e la ricerca traslazionale nei programmi cardiovascolari.
- Biologia della Scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi biologici consentendo l’imaging cardiaco senza movimento in piccoli animali.
- Screening: Fornisce output quantitativi e riproducibili per saggi della funzione cardiaca.
- Analisi: Offre set di dati volumetrici con risoluzione di fase e metriche del rapporto contrasto-rumore per confronti affidabili tra condizioni diverse.
- Ricerca Translazionale: Facilita l’allineamento con biomarcatori di imaging clinico e modelli di malattia.
- Riutilizzo Aziendale: Dimostra una capacità basata su software che può essere implementata su piattaforme precliniche di tomografia computerizzata standard.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella ricerca cardiovascolare.
- Valore operativo: Consente standardizzazione e scalabilità senza l'uso di hardware specializzato o interventi chirurgici.
- Valore strategico: Permette decisioni più accurate sul proseguimento o meno dei progetti e una maggiore efficienza nell'uso del capitale nei portafogli cardiovascolari.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e lo sviluppo degli asset cardiovascolari con adeguamento al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella manipolazione di piccoli animali e nelle procedure di imaging TC.
- Necessita dell'accesso a strumentazione TC preclinica standard e a software di analisi DICOM.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per i parametri di imaging e le soglie di analisi.
- Adattabile a diversi modelli di piccoli animali utilizzando apparecchiature comunemente disponibili.
- Limitato dalla frequenza di acquisizione del rivelatore e dai tempi di esposizione tipici dei sistemi TC standard.
