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Research Article
Felix Gremse*1, Dennis Doleschel*1, Sara Zafarnia1, Anne Babler2, Willi Jahnen-Dechent2, Twan Lammers1,3, Wiltrud Lederle1, Fabian Kiessling1
1Experimental Molecular Imaging,RWTH Aachen University, 2Institute for Biomedical Engineering - Biointerface Laboratory,RWTH Aachen University, 3Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences,Utrecht University
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
蛍光媒介断層撮影法(FMT)とマイクロコンピュータ断層撮影法(μCT)を組み合わせたハイブリッドイメージングのプロトコルについて説明します。融合・再建後、相互作用による臓器セグメンテーションを行い、蛍光分布の定量的測定値を抽出します。
蛍光媒介トモグラフィー(FMT)は、インビボでの蛍光分布の縦及び定量決意を可能にし、新たなプローブの体内分布を評価するために、確立された分子プローブまたはレポーター遺伝子を用いて、疾患の進行を評価することができます。解剖学的モダリティ、 例えば 、マイクロコンピュータ断層撮影(μCT)との組み合わせは、画像解析のための蛍光再構成のために有益です。我々は、定量的な測定値を抽出するために必要な画像処理ステップを含むマルチモーダルμCT-FMTイメージングのためのプロトコルを説明します。マウスを調製し、画像化を行った後に、マルチモーダルデータセットが登録されています。続いて、改善された蛍光の再構成を考慮にマウスの形状をとる、行われます。定量分析のために、臓器セグメンテーションをインタラクティブセグメンテーションツールを使用して、解剖学的データに基づいて生成されます。最後に、生体内分布のCurvesは、バッチ処理機能を使用して生成されます。我々は、骨や関節に結合するよく知られているプローブの生体内分布を評価することによって方法の適用可能性を示しています。
蛍光媒介トモグラフィーは、とも呼ばれる蛍光分子トモグラフィー(FMT)は、定量的にそのような麻酔したマウス、さらには人間の身体組織、 例えば 、乳房や指の関節などのびまん性組織における蛍光分布を評価するための有望な技術です。細胞下解像度1の表面的な標的のイメージングを可能にする非侵襲的な顕微鏡技術とは対照的に、FMTは、低解像度2であるが、数センチメートルの深さで蛍光源の三次元再構成を可能にします。 5 -多くのターゲットに蛍光プローブは、画像、血管新生、アポトーシス、炎症、その他2にご利用いただけます。いくつかのプローブは、 例えば 、活性化可能である。、蛍光色素のunquenchingにつながる特定の酵素切断によって。また、蛍光タンパク質を発現するレポーター遺伝子は、腫瘍細胞遊走6を追跡するため、 例えば 、画像化することができます。
FMTは強く解剖学的モダリティ、 例えば 、μCT2,7またはMRI 8と組み合わせから利益を得ます。スタンドアロンFMT装置9市販されているが、蛍光画像は、解剖学的な参照情報なしに解釈するのは困難です。最近では、融合された解剖学的画像データは、より堅牢な分析10を可能にすること、を示すことができました。解剖学的データはまた、正確な光造形および蛍光再構成11のために重要であるマウスの外形として予備知識を提供するために使用することができます。また、光散乱および吸収マップは、組織タイプのセグメント化を用いて推定し、クラス固有の係数12,13を割り当てることにより得ることができます。近赤外光は、ヘモグロビンはメラニンや毛皮14以外にも、マウスでは、吸収性本体です。相対血液量が桁違いに地域変化するので、吸収マップは、泉のために特に重要ですtitative蛍光再建13。
非侵襲性の撮像素子を使用することの一つの利点は、マウスを複数の時点で、すなわち 、縦方向に画像化することができるということです。これは、プローブの動的挙動、 即ち、それらの標的の蓄積、生体分布および排泄10,15を評価するため、または疾患の進行16を評価することが重要です。複数の時点で、いくつかのマウスを画像化する場合、画像データが大量に発生します。比較可能性を有効にするには、これらは明確に定義され、文書化プロトコルを使用して、 すなわち 、体系的な方法で取得する必要があります。スキャン多数の画像データから定量的な測定を抽出するために必要とされる画像解析のための課題を提起します。
私たちの研究の目的は、我々はいくつかの研究10,13,15,17,18全体で使用され、最適化μCT-FMT撮像プロトコルの詳細な説明を提供することにあります。我々は説明しデータセットが生成されるか、処理して可視化し、分析しました。これは、ヒドロキシアパタイト19に結合確立分子プローブ、OsteoSenseを用いて実証され、画像の骨疾患に使用され、2を改造することができます。動物に関わるすべての手順は、動物のケアに関する政府の審査委員会によって承認されました。
プロトコルは、以下の手順の詳細な説明が含まれています。最初は、ファントムまたはマウスおよびマルチモーダルマウスのベッドは、撮像のために用意されています。そして、全身スキャンをμCTで取得されます。その後、マウスのベッドは2つのスキャンが(アップと逆さま)を取得するFMTに転送されます。これは、複数の時点で複数のマウスについて繰り返すことができます。データ取得が完了した後、データがエクスポートされ、自動セグメンテーション(定義するもののソフトウェアライセンスを必要とする)、ならびに画像融合および(Imalytics前臨床ソフトウェアライセンスを必要とする)蛍光再構成を可能にするためにソートされる必要があります。最後に、臓器が対話的蛍光プローブの生体内分布を定量化するためにセグメント化された方法をマルチモーダルデータセットが可視化され、どのように示されています。
1.ファントムの準備
注:ファントムは、撮像システムをテストするのに有用であるが、事実上のキャリブレーションを決定します新しいプローブのR。
2.マウスの準備
注:μCT-FMTイメージングは、麻酔や脱毛などの特別な準備が必要です。
3.マウスのベッドの準備
注:μCT-FMTスキャンの場合、マルチモーダルを使用μCTとFMTに両方にフィットするマウスのベッド、。
4.μCTImaging
NOTE:全身スキャンがμCTを用いて行われます。生成された解剖学的データは、画像融合のために、改良された蛍光の再構成のための画像解析のために必要とされます。
5. FMTイメージング
注:直接μCTスキャンした後、マウスが改善された蛍光の再構築のために一緒に使用される2つの構成(アップと逆さま)にFMTに走査されます。
6.画像の融合と再構築
注:後μCT-FMTスキャンが完了すると、 例えば 、試験の最後に、取得したデータは、自動化された画像融合および蛍光再構成を可能にするためにソートされる必要があります。
7.画像解析
注:画像データから定量的な測定を抽出するために、病変および臓器のセグメント化が必要です。
8.プローブ校正
私たちは、ヒドロキシアパタイトに結合する標的化プローブ、OsteoSenseの生体内分布を評価するために記載されたプロトコールを適用しました。 3匹のマウス(C57BL / 6アポ - / - AHSG - / - 二重ノックアウトマウス、10週齢)は撮像された前、15分、2時間、4時間、6時間、2ナノモルのOsteoSenseの静脈内注射の24時間後。当社のソフトウェアは自動的にFMT( 図2C、D)で行わ蛍光復興解剖学的μCTデータの融合を可能にしたマルチモーダルマウスのベッドに組み込まれたマーカー( 図1、図2A、B)を 、検出されました。 OsteoSenseは、低分子量を有するプローブであることから、膀胱における高速腎排泄ので、高信号が期待されます。 FMTの蛍光再建の融合は、膀胱( 図2C、D)の外に、このような見当違いの信号などの問題を明らかにしました。 FMTはマウスの真の形状を知っていて、ブロック状を呈していないため、これらの問題が発生します。オウRの再構築は、μCTデータから正確な形状を決定し、散乱と吸収が膀胱( 図2E、F)のために特に顕著である良好な信号の局在化、とのより正確な蛍光再構成を可能にするために、13にマッピングが生成されます。
適切な領域に再構成された蛍光を割り当てるには、我々は対話的に当社のソフトウェア( 図3)を使用して、いくつかの器官をセグメント化。 18のスキャンのそれぞれについて、7領域はμCTデータ、 すなわち 、心臓、肺、肝臓、腎臓、脊椎、腸および膀胱に基づいてセグメント化されました。次いで、ソフトウェア126の各領域の平均蛍光濃度を計算するために使用されました。幸いなことに、ソフトウェアは、すべての値を計算し、単一のスプレッドシートに保存しますバッチモードを提供します。
蛍光分布を可視化するために、3Dレンダリングは、各時点で生成されました、同等のウィンドウ設定( 図4A-F)を使用して。定量化された臓器の値を使用して、生体内分布は、3匹のマウス( 図4G)で臓器値を平均することにより算出しました。注射の前に取得事前スキャンは、無視できるバックグラウンドシグナルを示しました。 15分注射後、最も強い信号があるため、高速腎排泄のため、膀胱に登場しました。その後の時点で、残りのプローブは、骨および関節に蓄積していました。

図1.マルチモーダルマウスベッド。(A)マルチモーダルマウスベッドはしっかりとマウスを保持している2つのアクリルガラスプレートが含まれています。締め付けは、2本のネジを使用して調整されます。マウスのベッドは、画像融合のためのマーカー(空孔)が含まれています。麻酔ガスをtで固定されるフレキシブルチューブを使用して供給されます。猿。 (B)マウスの床は、金属ホルダに取り付けられた回転μCTガントリの中心に保持されます。そうしないと、マーカーが誤って間違ったの融合につながる割り当てることができるため、(C)は 、マウスのベッドと金属ホルダとの間のギャップを避けてください。麻酔ガス管はチューブコネクタに接続する必要があります。 (D)は、マウスのベッドは正しい自動融合を可能にするために、フロント最初にFMTに挿入する必要があります。 (E)マーカーは、自動化されたマーカーの検出および融合のために使用されるFMTカメラ、に表示されます。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図2.画像の融合と再構成。(A、B)マーカーとMOUの外形SEは、自動セグメンテーションアルゴリズムによって決定されます。 (C、D)OsteoSenseの注射後15分、プローブのかなりの量は、すでに膀胱中に排泄されています。 μCTデータとベンダー提供の再建を融合した後、問題が見えてきます。信号の大部分は、膀胱の周りではなく、膀胱の内側に表示され、いくつかの信号があっても、空気に表示されます。 FMTは、ブロック状のマウスを想定しているために発生します。 (E、F)私たちの改善された蛍光の再構築、μCTデータから派生したマウスの形状を使用して、膀胱内の蛍光のより良いローカライズをもたらす。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図3.インタラクティブオルガンSegmentat蛍光分布を定量化するために、イオン(A)、いくつかの器官がセグメント化されています。心(赤)、肺(ピンク)、肝臓(茶色)、胃(ベージュ)、脊椎(紫)、腎臓(黄色)、腸(緑) 、および膀胱(金)。 (B)に強く、周囲の組織と比較して対比される肺は、しきい値および領域の充填を使用してセグメント化されます。膀胱、腎臓、および心臓などの(C)ラウンド器官は、「落書き」を使用してセグメント化されます。 (D)より複雑な形状の器官は、 例えば 、肝臓と胃を走り書きを使用してインクリメンタルにセグメント化されます。セグメントに背骨、高しきい値は、すべての骨のセグメントに適用されます。そしていくつかの骨、 例えば脊椎が残るまで、リブは、切り取られている。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
フェリックスGremseはGremse-IT、フィリップスとアーヘン工科大学の実験的分子イメージングのための部門との協力における医用画像解析のためのソフトウェアとサービスを提供しています新興企業の創設者であり、所有者です。
蛍光媒介断層撮影法(FMT)とマイクロコンピュータ断層撮影法(μCT)を組み合わせたハイブリッドイメージングのプロトコルについて説明します。融合・再建後、相互作用による臓器セグメンテーションを行い、蛍光分布の定量的測定値を抽出します。
私たちは、ファントム実験を行うためのマレクワイラーに感謝します。この作品は、欧州研究会議(ERC開始グラント309495:NeoNaNo)によってサポートされていました、ノルトラインヴェストファーレン、ドイツ連邦州(NRW; High-Tech.NRW/EU-Ziel 2 - のprogramm(EFRE); ForSaTum)、ドイツ語教育研究省(BMBF)(資金調達プログラム仮想肝臓(0315743)、LungSys(0315415C)、LungSys2(0316042F)、Photonik Forschungドイツ(13N13355))、アーヘン工科大学(I 3 TMのシード基金)、フィリップスリサーチ(アーヘン、ドイツ)。
| FMT(蛍光分子断層撮影)FMT2500 LX | PerkinElmer | FMT2000 | 蛍光分子断層撮影用デバイス |
| µCT(マイクロコンピュータ断層撮影) トモスコープデュオ | CTイメージングGmbH | マイクロコンピュータ断層撮影用ト | モスコープデュオ | 装置
| マルチモーダルマウスベッド | CTイメージングGmbH | 実験ビルダー | 部分的に透明なアニマルホルダー |
| IsoFlo (イソフルラン、USP) | アボット | 05260-05 | イソフルラン吸入麻酔 |
| 小動物麻酔システム | ハーバード大学製装置 | 726419 | 完全なイソフルラン卓上システム |
| クロロフィルフリーマウス食品 | Ssniff | E15051 | 低クロロフィル/低蛍光食品 |
| OsteoSense 750EX | PerkinElmer | NEV10053EX | 動物FMT造影剤 |
| Portex ファインボア ポリエチレン チューブ | スミスメディカル | 800/100/120 | 注射カテーテル用チューブ |
| ステリカン 30g | BBraun | 4656300 | カテーテル用皮下注射針 |
| イメロン | ・アルタナ・ファーマ | INLA F.1/0203/3.5337.69 | ファントム・インクルージョン用CT造影剤 |
| アガロース | ・シグマ | 90-12-36-6 | ファントム製造用アガロース |
| TiO2 | Applichem | A1900,1000 | ファントム散乱剤としての酸化チタン |
| トリパンブルー | フルーカ | 93595 | ファントムライトを調整するトリパンブルー伝播 |
| Cy7 | Lumiprobe | 15020 | ファントムインクルージョン用蛍光色素 |
| リポベノエス 20% | フレゼニウス・カビ | 3094740 | 脂質エマルジョン、FMT造影剤用散乱剤 |
| Definiens Developer XDサーバー Definiens | AG | サーバー XD | 自動セグメンテーション用ソフトウェアプラットフォーム |
| Imalytics Preclinical | ExMI/Gremse-IT | バージョン2.0.1 | 画像融合、再構成、分析用ソフトウェア |
| NVIDIA Geforce Titan | Asus | GTXTITAN6GD5 | ハイエンド コンピューター グラフィックス カード、6GB メモリ |