心筋の構造、機能の in vivo定量的評価では 、灌流および生存率は、心臓マイクロコンピュータ断層撮影法を使用しました
2016年2月16日
この方法は、実験的に誘発された心筋虚血のマウスにおいて、心臓の形態、機能、灌流、代謝、および生存率を評価するための量子マイクロコンピュータ断層撮影法(MicroCT)の使用を概説しています。この技術は、ヒト心臓病のさまざまな動物モデルの非破壊ハイスループット縦断的in vivoイメージングに適用できます。
この手順の全体的な目標は、マウスの心虚血モデルで全体的および局所的な心筋機能を評価するための内因性心肺ゲーティングのイメージングにおける高速マイクロコンピューター断層撮影の使用を実証することです。この方法は、全身および局所的な心筋機能に対する病理学やマルファ治療への影響など、心臓病態生理学における重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、専門家でなくても簡単に実行できる、最も重要な心臓パラメータの迅速で縦断的な非侵襲的評価を提供することです。
この技術の意味は、心血管疾患の治療にまで及びます。ASは、心疾患の発症に関する高度な洞察を得るための前臨床ツールとして使用できます。手順のデモンストレーションは、技術者のNicole van Vliet氏、ポスドクのElza van Deel氏、および私たちの研究室の別の技術者であるYanto Ridwan
氏です。まず、生後12週齢のマウスの皮膚を2本目と3本目の肋骨の間に小さく切開します。次に、小さなフックを使用して、胸の筋肉を脇に引っ張って肋間筋を露出させます。次に、湾曲した2ミリ刃のスプリングハサミを使用して、肺を傷つけずに3番目の肋間筋を慎重に切り抜きます。
次に、鉗子を使用して心膜を破裂させ、濡れたガーゼを使用して肺を脇に押します。フックを胸部の内側に再配置して、左心室自由壁の大部分と左心房の一部が見えるようにします。次に、心房を使用して左冠状動脈の位置を特定し、左冠状動脈の下にセブンゼロシルク外科用縫合糸を挿入し、左心房の端から2ミリメートル下に縫合糸を結び、梗塞のサイズを標準化します。
左心室自由壁の撁光化による梗塞導入の成功を視覚的に確認した後、慎重に肺を再膨張させ、シックスゼロシルクの外科用縫合糸で胸部をしっかりと閉じます。生理食塩水で傷口をきれいにし、より多くの絹の縫合糸を使用して皮膚を閉じ、続いて創傷スプレーを適用して治癒を刺激し、感染を防ぎます。次に、マウスが完全に回復するまで、マウスを加熱パッドのケージに入れます。
手術後3〜4時間で、マイクロCTスキャナーの電源を入れ、マイクロCT制御ソフトウェアを開き、X線管を温めます。次に、ヨウ素酸造影剤容器のゴム製バイアルストッパーを70%アルコールで処理し、低デッドスペースシリンジを使用して、動物の体重1グラムあたり5〜10マイクロリットルの薬剤を回収します。気泡をパージした後、麻酔をかけたマウスの尾を70%アルコールで綿棒で拭き取り、尾静脈を加熱して拡張します。
造影剤を側尾静脈に注入します。制御ソフトウェアにライブモードボタンが表示されたら、X線管の準備が整います。小口径カバーと小動物用ベッドを挿入します。
データベース・ウィンドウで「新規データベース」ボタンをクリックし、新規データベースの名前を入力します。ダイアログボックスが表示されたら、参照ボタンをクリックし、データベースを保存するドライブに移動します。次に、[OK]をクリックして、データベースウィンドウで新しいデータベースを確認します。
スキャン条件を設定するには、適切なパラメータを選択します。次に、注射した麻酔をかけたマウスをスキャナーの動物用ベッドに置き、機器のドアを右にスライドさせて安全インターロックを作動させます。ライブモードボタンをクリックすると、被写体がリアルタイムで表示され、Xキャプチャウィンドウと動物を観察できます。
ステージのZ軸コントロールの前後のボタンを押すと、マウスの胸が視野内に収まるまで動物用ベッドが移動します。次に、動物用ベッドコントロールの左右の矢印を使用して、動物を青いバウンディングボックス内に配置します。制御ソフトウェアウィンドウの回転制御ドロップダウンリストから90を選択し、設定ボタンをクリックしてガントリーを回転させ、動物がXキャプチャウィンドウの青いバウンディングボックス内に留まることを確認します。
X キャプチャ ウィンドウで、マウスを左クリックして、関心のある心肺領域のサイズを変更します。エッジをドラッグして、心肺トレースが同期ビューにはっきりと見えるようにします。ホームポジションを押して、心肺の関心領域のサイズを変更します。
関心のある領域が、すべてのガントリー位置で横隔膜と心臓の頂端部分をカバーしていることを確認してください。次に、ガントリーを90度回転させて、心肺の痕跡がはっきりと見えることを確認します。動物が所定の位置にあるときに、CTスキャンボタンをクリックして取得を初期化します。
CTスキャンの確認メッセージが表示されます。[はい] をクリックします。赤いX線通電インジケーターが機器をオンにし、スキャンが開始されます。
スキャンの最後に、2Dビューアソフトウェアで再構成の軸方向、冠状体、矢状方向のビューを観察します。最後に、動物をスキャナーから取り外し、完全に回復するまで監視します。ここでは、心筋梗塞を発症したマウスの心臓の代表的な血液プールの短軸拡張末期および収縮期末端の断面を示します。
これらの画像では、心筋梗塞を発症していないマウスの心臓の短軸拡張末期および収縮末期の断面は、バックグラウンドノイズがほとんどない優れた左心室腔の描写を示しています。心筋梗塞に対応する造影希薄の領域が、左前下行冠動脈結紮を受けたマウス心臓の短軸画像でどのように明確に区切られていたかに注目してください。しかし、偽の手術を受けた動物では違います。
17セグメントの米国心臓協会モデルによると、左心室は基底部、中腔、および頂端の短軸部分に細分化できます。これらの代表では、円周極プロットは、偽手術動物と比較して、心筋梗塞マウスの中前部、中下外側、中前外側、頂端前部および頂端側方セグメントで異なる豊富さがはっきりと見えることを示しています。一度習得すれば、心筋梗塞の誘導は45分で完了しますが、その後のマイクロCTイメージングには4時間かかります。
この手順を試みる際には、心臓の機能的パフォーマンスが麻酔の種類と程度に依存することを覚えておくことが重要です。したがって、正確な測定のためには、画像取得中に心拍数をできるだけ生理学的に保つ必要があります。その開発後、この技術は、薬理学の分野の研究者がマウスへの介入戦略を探求し、レベルの治療戦略が疾患の進行に与える影響を分析するための道を開きました。
このビデオを見れば、心筋梗塞手術についてよく理解し、高速マイクロCTシステムとヨウ素ベースの血液プール造影剤の併用方法がわかるはずです。イソフルランでの作業は危険な場合があり、この手順を実行するときは常に換気などの予防措置を講じる必要があることを忘れないでください。
概要
この方法では、実験的に誘発された心筋虚血を持つマウスの心臓形態、機能、灌流、代謝、および生存性をヨウ素造影剤を用いて評価するために、量子マイクロコンピュータ断層撮影（MicroCT）の使用を概説します。この技術は、重要な心臓パラメータの迅速で、経時的な、非侵襲的な評価を提供します。
主要な研究要素
科学の分野
- 心臓病学
- イメージング技術
- 前臨床研究
背景
- 心筋虚血は心臓病を研究するための重要なモデルです。
- 経時的な研究には非侵襲的なイメージング技術が不可欠です。
- MicroCTは心臓機能と構造の詳細な評価を可能にします。
- 心臓病理生理学の理解は治療法の開発に重要です。
研究目的
- 心筋機能を評価するためのMicroCTの使用を示す。
- 治療の心臓病理への影響を評価する。
- 心臓疾患の発症に関する洞察を提供する。
使用された方法
- 外科的技術を用いたマウスにおける心筋梗塞の誘発。
- イメージングのためのヨウ素造影剤の投与。
- 心臓画像の撮影のためのMicroCTの使用。
- イメージングソフトウェアを用いた心臓形態と機能の分析。
主要な結果
- 心筋梗塞の成功的な誘発が視覚的に確認されました。
- MicroCTは左心室腔の明確な描出を提供しました。
- 梗塞に対応する造影減少領域がよく区別されました。
- 梗塞心臓と偽手術心臓の間に灌流の違いが観察されました。
結論
- MicroCTは非侵襲的心臓イメージングの価値あるツールです。
- この技術は心臓疾患の理解を深めることができます。
- 前臨床モデルにおける心臓機能の迅速な評価を可能にします。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This method enables rapid, longitudinal, non-invasive assessment of cardiac structure and function in preclinical models, supporting early target validation and mechanistic de-risking in cardiovascular drug discovery. By providing quantitative 3D anatomical and functional data, it enhances predictive confidence in lead identification and preclinical progression decisions. The technique reduces reliance on terminal endpoints and supports scalable, reproducible workflows for cross-functional R&D teams.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through quantitative assessment of myocardial global and regional function in disease models.
- Operational Value: Supports biological de-risking by providing longitudinal, non-invasive monitoring of cardiac pathology progression.
- Predictive Value: Facilitates portfolio triage by delivering reproducible perfusion and viability readouts that correlate with therapeutic efficacy.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares validated biological systems for downstream compound evaluation by establishing baseline cardiac function and infarct reproducibility.
- Quantitative Outputs: Delivers standardized, high-resolution 3D measurements of ventricular volumes, wall motion, and perfusion defects for assay standardization.
- Screening Scalability: Enables reliable compound evaluation through automated image acquisition and analysis compatible with high-throughput workflows.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models human myocardial infarction via permanent LAD occlusion, ensuring translational continuity from discovery to preclinical validation.
- Mechanistic De-risking: Provides early insight into treatment effects on cardiac metabolism and viability, reducing late-stage biological attrition.
- Risk-Adjusted Advancement: Supports go/no-go decisions by linking functional imaging endpoints to pathophysiological relevance in cardiovascular disease models.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical efficacy testing, enabling iterative assessment of cardiac safety and efficacy signals.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by quantifying regional myocardial dysfunction in ischemic models.
- Screening: Ensures assay readiness through reproducible contrast-enhanced imaging and standardized infarct induction protocols.
- Analytics: Delivers quantitative dependent variables including ejection fraction, wall thickness, and perfusion defect size for cross-group comparisons.
- Translational Research: Connects to preclinical validation via longitudinal monitoring of metabolic and viability changes post-intervention.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable imaging platform across multiple cardiovascular indications and therapeutic modalities.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation by reducing mechanistic ambiguity in cardiac pathophysiology.
- Operational Value: Enhances standardization and reproducibility through automated gating and standardized contrast dosing protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early detection of cardiotoxic or ineffective compounds.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization through objective, quantitative endpoints that support advancement decisions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in small animal surgery, anesthesia management, and microCT operation.
- Dependence on high-speed microCT systems with cardio-respiratory gating and iodinated contrast agent compatibility.
- Necessitates cross-team standardization of infarct induction, contrast administration, and image analysis protocols.
- Adaptation considerations include model-specific adjustments for heart rate, respiratory rate, and contrast kinetics across species.
- Practical limitations include radiation dose constraints for longitudinal studies and the need for specialized contrast agents like eXIA160 for functional assessment.
