非侵襲的インビボでの小動物MRIとMRS：基本的な実験手順

本実験を開始するには、麻酔をかけたマウスを動物ホルダーに固定し、その後、無線周波数（RF）コイルに挿入します。MRIまたはMRS実験の前に、RFコイルを共鳴周波数に調律し、特性インピーダンス50 ohmに整合させます。次に、パルスシーケンスを最適化した後、MRIまたはMRSのデータ収集を行い、最後に解析プログラムを用いて画像またはスペクトルの解析を行います。

こんにちは。ワシントン大学放射線科のRリサーチラボのドーン・リーです。そして、同じくワシントン大学のRリサーチラボ、および放射線科とバイオエンジニアリング科のデイビッド・セネクです。本日は、マウスにおける磁気共鳴画像法（MRI）および磁気共鳴スペクトロスコピー（MRS）の手順について解説します。

当研究室では、これらの手順を用いてマウス腫瘍モデル、筋ジストロフィー、および筋肉代謝の研究を行っています。それでは、始めていきましょう。このプロトコルは、小動物MRIのあらゆる側面を網羅することを目的とするのではなく、マウスMRI実験の基本的な手順を紹介するものです。

本動画の目的は、小動物を用いたin vivo MR実験の基本手順についての理解を深めることで、MR分野に不慣れな研究者が、研究におけるMR以外の構成要素をより適切に計画できるようにすることです。これにより、最終的にMRの手順と非MRの手順をシームレスに統合することが可能になります。磁気共鳴画像法（MRI）実験の準備を開始するために、イソフルランで麻酔をかけたマウスをアニマルホルダーに置き、鼻をノーズコーンに挿入させます。

頭部のイメージングには頭部固定具を、全身のイメージングにはボディホルダーを使用できます。滅菌済みの眼用潤滑剤を用いて、動物の眼を湿らせた状態に保ってください。

動物は、温水循環システムを用い、実験中は35〜37°Cに維持してください。動物モニタリングシステムを使用して、体温、呼吸、心周期の監視を行うとともに、呼吸および心拍ゲーティングと画像収集を同期させます。次に、急激な信号変化を監視するため、標準的なアガロサンプルを動物の隣に配置します。

この標準的な農業サンプルは、マルチスライスおよびマルチタイムポイントイメージングに特に有用です。取得した画像のいずれかのスライスで予期しない信号変化が検出された場合、そのスライスを除外することができます。動物を固定し、すべてのモニタリングコンポーネントを配置した後、動物ホルダーを高周波（RF）コイルの中心に配置します。

RFコイルをマグネット室に移動させ、マグネット内部に設置された温水循環システムに挿入します。ここで、MRIデータの収集を開始します。撮像中、流量計を0.4～0.8 milliliters per minuteに調整し、isof fluorine蒸発器を1.2～1.5%に下げます。マウスのノーズコーンから排出される呼気は、自作の真空システムで除去します。

信号受信を最適化するために、RFコイルをプロトンH 1共鳴周波数に同調させ、コイルの特性インピーダンスを50 ohmに整合させます。MRスキャナーのチューニングパネルを使用する場合、ほとんどのヒト用MRIスキャナーでは、MRSの手順を除いて個別の整合プロセスは必要ありません。シングルパルスシーケンスを用いてシミングを開始してください。

シミング処理により、関心領域における磁場の均一性を最適化します。各スキャナーには、ファストマップやグラジエントシミングなどの自動高速シミング処理を含む、独自のシミング手法が備わっています。シミングが完了したら、RFパルスを最適化してください。

1次元の画像プロファイルを最大化することにより、パルス長を一定に保ち、かつ十分なリサイクル遅延時間を維持しながら、RFパルスの電力を配列させることができます。TRは組織のT1の約3〜5倍とするべきであり、3つの直交方向でスカウト画像を取得して、軸位断、冠状断、矢状断の画像を作成します。

スカウト画像の取得には、高速画像収集シーケンスを使用できます。取得した画像は、撮像面の決定を含む実際の手法を計画するために使用されます。実際の撮像では、スピンエコーシーケンスを使用します。

T2測定は、マルチエコーイメージングまたは複数のT値を用いたシングルエコーイメージングのいずれかで行うことができます。MRI実験を完了させるために、マウス後肢骨格筋の静止時および最大ミトコンドリア機能に関する生体内磁気共鳴分光法（MRS）について見ていきましょう。MRSを用いて虚血中および虚血直後のホスホクレアチンの変化を測定することで、ATP産生量を決定できます。

まず、可逆的虚血を誘発するためのカフを作製します。幅約5〜7 mm、内径12〜15 mmのPVCパイプを用意します。壁面に小さな穴を開け、両端が開いた状態になるようにバルーンの一部を切り取って用意します。

ヘリウム用高品質バルーンが最適です。このパーツをPVC製パーツに通し、後ろ側に巻き付けます。PVC製パーツの外壁で両端をテープで固定します。

次に、シュリンクラップを使用して、チューブ周囲のバルーン端を密封します。これにより、外壁が固定され、内壁が膨張可能なカフが形成されます。ネジ穴周囲のシュリンクラップとバルーンを切除します。

穴とPVCピースの端との間に十分な間隔を空けるように注意しながら、1.5 centimeterの非磁性金属片をPVCの穴に通します。これにより、カフを膨らませることが可能になります。5分速硬化エポキシ樹脂でこの領域を密封してください。

次に、カフをMRSプローブ内のRFコイルの隣に固定し、外部の信号変換マノメーターに接続します。その後、麻酔をかけたマウスを仰向けにしてマウスサポートに置き、MRSプローブ内に配置します。

液体で満たしたバルーンをマウスの腹側に配置し、マウス固定ストラップで固定します。マウスとボディサポートをMRSプローブに入れます。後肢の一方を虚血カフとMRSコイルに通します。

脚は可能な限りコイルの中心に配置してください。この配置により、動物の体を水平に保つことができます。垂直ボア磁石の内部で、プローブ本体を磁石に挿入し、MRIの説明に従って調律（tune）、整合（match）、およびシミングを行い、MRSの信号対雑音比を最適化します。ただし、MRSでは、スペクトルの振幅を最大化させることでRFパルスを最適化します。

次に、P 31 MRSを用いて、十分な緩和後の高S/N比スペクトルを収集するか、またはFRSを用いて、完全緩和条件下における無機リン酸およびホスホクレアチンのTPに対する比を決定します。虚血実験を行うには、まず、安静時のスペクトルを約5分間収集します。その後、カフを270から300 mmHgまで膨らませ、10分から12分間虚血を誘発します。

カフを緩め、5分間回復スペクトルを収集します。実験は後日、繰り返し行うことができます。ここで、in vivo MRIおよびMRSの代表的な結果を示します。

ヌードマウスの背部にD 2 82脳腫瘍を異種移植し、異なる緩和効果を持つ従来のスピンエコーシーケンスを用いて撮像しました。T1強調画像では、腫瘍は隣接組織と同程度の強度で表示されています。一方、対応するT2強調画像では、腫瘍が高信号領域として明確に可視化されています。

マルチエコー収集により、動物体内のT2変動の定量的な情報を含むT2マップの算出が可能になります。腫瘍領域における領域的なT2の変化を、オーバーレイ画像上で経時的にモニタリングすることができます。ここでは、マウス後肢から得られた完全緩和P 31 MRSスペクトルを示します。

このスペクトルは、16回の加算平均したFIDを表しています。左から右へのピークの順序は、以下の筋肉代謝物を表しています：無機リン酸 pi、ホスホクレアチン PCR、およびATPのガンマ、アルファ、ベータリン酸です。動的な虚血再灌流実験を通じて収集された 31P MRS スペクトルにおいて、虚血中には PCR が減少し、PI が増加します。虚血中の PCR の減少速度は、安静時のミトコンドリア ATP 生成量に等しくなります。

虚血後のPCR（リン酸創造能）回復を用いることで、最大ミトコンドリアATP産生量を算出できます。ここでは、磁気共鳴分光法（MRS）および磁気共鳴像（MRI）を用いて、マウスのin vivo画像を収集し、マウスの筋肉代謝をin vivoで測定する方法について説明しました。MRSに関しては、垂直ボアマグネット内でマウスの体を水平に保持できるカスタムRFプローブを製作しました。

したがって、これらの実験はあらゆるワイドボア垂直型システムで実施可能です。この手順を行う際は、RFコイルのチューニングとマッチングの最適化や、磁場均一性の向上など、最適な条件下で操作を行うことが重要です。また、動物の生理学的状態を安定に維持し、潜在的なアーチファクトによる測定を防ぐため、動物モニタリングシステムを用いて動物の状態を監視することが重要です。

以上です。ご視聴ありがとうございました。皆様の実験の成功をお祈りいたします。