Name: 小動物用高分解能心臓陽電子放出断層撮影/コンピュータ断層撮影 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 9 s
Description: 学ぶ小動物用高分解能心臓PET/CT撮影プロトコル。マウスやラットを用いて心機能と形態を定量化し、心筋梗塞や代謝性疾患の病態理解を深める非侵襲的イメージング手法です。

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この研究の一部は、JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM"プロジェクト:子孫の母親の肥満と認知機能障害:GUT微生物の因果関係の役割と早期食予防(プロジェクト番号。 INTIMIC-085、イタリア教育省、大学および研究政令第946/2019号)。

ダニエレ・パネッタは、Inviscan SasからマイクロCT装置の研究開発のための助成金を受け取りました。

この論文で提示されたプロトコルは、高解像度PET / CTイメージングを使用した、心臓損傷の小動物モデルでのトランスレーショナル心血管研究の典型的な実験手順に焦点を当てています。提示された結果は、PETおよびCine-CT画像の高い定量的および定性的価値を示しており、その糖代謝、形状、およびその収縮のダイナミクスに関する心臓全体の機能的および構造的情報の両方を提供します。さらに、得られたすべての画像は3Dであり、時間分解され、存在する等方性ピクセル間隔です。これは、心臓の標準軸に沿った特定のスライス方向を選択するために、スキャン前のオペレーターに依存するタスクを必要としないため、画像処理の観点から有益です。
この論文は、動的PETデータのPatlakグラフィカル分析に基づくプロトコルを含む18。このタイプの分析は、組織からの不可逆的なトレーサーの取り込みを記述するのに有用であり、これは、脱リン酸化または代謝産物の影響が心筋において一般に無視できる[18F]FDGの場合に良好な近似である<sup class="xr...

小動物モデルは、心血管疾患の理解を進める上で極めて重要である1,2.非侵襲的な画像診断ツールは、臨床と前臨床の両方の設定で、過去数十年で心機能の見方に革命をもたらしました。心臓病の小動物モデルに関する限り、非常に高い時空間分解能を持つ特定のイメージングツールが開発されています。したがって、このような機器は、心不全(HF)3や心筋梗塞(MI)4などの特定の疾患モデルにおいて、マウスおよびラットの非常に小さく非常に動きの速い心臓に関する関連する代謝および運動心筋パラメータの正確な定量化の必要性に一致させることができます。この目的のためにいくつかのモダリティが利用可能であり、それぞれに長所と短所があります。超音波(US)イメージングは、その優れた柔軟性、非常に高い時間分解能、および比較的低コストにより、最も広く使用されているモダリティです。小動物における米国の心臓画像の採用は、50μm未満の空間分解能を特徴とする超高周波5,6のプローブを使用するシステムの出現以来、大幅に増加しています。
完全な3D心臓イメージングのための米国の主な欠点の中には、プローブを電動トランスレーションステージに取り付けて心臓全体の動的Bモード画像のフルスタックを作成することにより、心臓軸に沿って線形スキャンする必要があることです7。最終的に、この手順は、(各プローブ位置で取得された画像の正確な空間的および時間的登録後に)面内方向と面外方向の間で異なる空間分解能を持つ4D画像を生み出します。不均一な空間分解能の同じ問題は、心臓MR(CMR)8 でも発生し、心臓の機能イメージングにおけるゴールドスタンダードを表しています。代わりに、コンピューター断層撮影(CT)と陽電子放出断層撮影(PET)の両方を使用して、実際の等方性3Dイメージングを取得できます9。PETは、CT、MR、またはUSと比較して空間分解能が低下しているにもかかわらず、注入されたプローブの量あたりの画像信号(ナノモル範囲)に関して非常に感度の高いツールを提供します。PETの主な利点は、臓器の病態生理の根底にある細胞および分子メカニズムを表示できることです。たとえば、[18F]FDGの注射後のPETスキャンにより、体内のグルコース代謝の3Dマップを再構築できます。これを動的(すなわち、時間分解)データ取得と組み合わせることにより、トレーサー動態モデリングを使用して、グルコース取り込みの代謝率(MRGlu)のパラメトリックマップを計算することができ、これは心筋生存率に関する重要な情報を提供する10。
CTは、関連する組織成分(血液対筋肉など)の測定可能な増強を提供するために、高濃度(mLあたり最大400mgのヨウ素)で大量の外部造影剤(CA)を必要としますが、特に小動物イメージング用に設計された最先端のマイクロCTスキャナーを使用する場合、空間的および時間的分解能に優れています。11心臓PET / CTを適用できる典型的な疾患モデルは、心筋梗塞と心不全の実験的評価、および関連する治療への反応です。小動物でMIを誘導する一般的な方法は、左前下行(LAD)冠状動脈12,13の外科的結紮を行い、その後の数日間の疾患の進行と心臓リモデリングを縦断的に評価することです4。それにもかかわらず、小動物における心臓の定量的形態機能評価は、心機能に対する加齢の影響の評価14または肥満モデルにおける受容体発現の変化の評価など、他の疾患モデルにも大部分適用可能である15。提示されたイメージングプロトコルは、特定の疾患モデルに限定されないため、小さなげっ歯類を用いた前臨床研究のいくつかのコンテキストで最も幅広い関心事になる可能性があります。
本稿では、小動物統合PET/CTを用いた心臓イメージングの開始から終了までの実験プロトコルを提示する。提示されたプロトコルは特定のバイモーダル統合スキャナー用に設計されていますが、説明されている手順のPET部分とCT部分は、異なるメーカーの別々のスキャナーで独立して実行できます。使用中のPET/CTスキャナーでは、一連の操作は事前にプログラムされたワークフローで編成されています。各ワークフローの主なブランチは、1つ以上の取得プロトコルです。各収集プロトコルは、特定の前処理プロトコル用の1つ以上の分岐を持つことができ、次に、各前処理プロトコルは、特定の再構成プロトコル用の1つ以上の分岐を持つことができます。画像化床上での動物の調製および画像化手順の間に注入される外用剤の調製の両方が記載されている。画像取得手順の完了後、一般的に入手可能なソフトウェアツールに基づく定量的画像解析の手順例が提供される。メインプロトコルは、マウスモデル用に特別に設計されています。マウスはこの分野で最も使用されている種であり続けていますが、メインプロトコルの最後にラットイメージングのためのプロトコルの適応も示します。代表的な結果がマウスおよびラットの両方について示され、記載された手順で予想される出力のタイプを示す。この論文の最後には、この技術の長所と短所、重要なポイント、および準備および取得/再構築の手順をほとんど変更せずにさまざまなPET放射性トレーサーを使用する方法を強調するために、徹底的な議論が行われます。

<table><tbody><tr><td>0.9% 滅菌生理食塩水</td><td>フレゼニウス・カビ</td><td></td><td>0.9% 塩化ナトリウム注射用</td></tr><tr><td>1025L 生理学的モニタリング</td><td>小動物用器具 小動物イメージング</td><td></td><td>のための生理学的モニタリングシステム</td></tr><tr><td>5mLシリンジ</td><td>Artsana</td><td></td><td>注射針付き ペットトレーサー</td></tr><tr><td>Atomlab 500</td><td>Else 核</td><td></td><td>PET用量キャリブレーター</td></tr><tr><td>アトリウムソフト</td><td>インビスキャン</td><td>バージョン1.5.5</td><td>PET/CT操作ソフト</td></tr><tr><td>バタフライカテーテル</td><td>デルタメッド</td><td></td><td>27.5G ニードル</td></tr><tr><td>カリマスソフト</td><td>トゥルクPETセンター</td><td>バージョン2.10</td><td>画像解析ソフト</td></tr><tr><td>フェネストラVC</td><td>メディルミネ</td><td></td><td>脂質エマルジョン 小動物用ヨウ素化造影剤</td></tr><tr><td>ヒートランプ</td><td></td><td></td><td>クランプとスイッチ付きヒートランプ</td></tr><tr><td>インスリンシリン</td>ジ <td>CT注射針付き</td><td>Artsana</td><td></td> シリンジ CA</tr><tr><td>イオメロン 400mgI/mL</td><td>ブラッコ</td><td></td><td>イオメロール、血管造影剤</td></tr><tr><td>アイリスPET/CT</td> 小動物用<td>インビスカン</td><td></td><td>PET/CTスキャナー</td></tr><tr><td>イソフルラン</td><td>ゾエティス</td><td></td><td>吸入麻酔薬、250mL</td></tr><tr><td>ワンタッチ血糖値計</td><td>ジョンソン&ジョンソンメディカル</td><td></td><td>グルコースメーターキット</td></tr><tr><td>Osirix MDソフトウェア</td><td>Pixmeo</td><td>バージョン11</td><td>画像解析ソフトウェア</td></tr><tr><td>酸素</td><td>空気液体</td><td></td><td>圧縮ガス</td></tr><tr><td>1025L用直腸プローブ</td> 小<td>動物用器具</td><td></td><td>SAII 1025Lシステム用ケーブル付き直腸プローブ</td></tr><tr><td>1025L</td><td>小動物用器具</td><td></td><td>用呼吸センサーSAII 1025Lシステム用チューブ付き呼吸枕</td></tr><tr><td>TJ-3Aシリンジポンプ</td><td></td><td>CT CA注射用</td>長<td></td>めの電動シリンジポンプ</tr></tbody></table>

小動物用高分解能心臓陽電子放出断層撮影/コンピュータ断層撮影

High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals

陽電子放出断層撮影(PET)とコンピューター断層撮影(CT)は、最も採用されている画像診断技術の一つであり、どちらも心機能と代謝を理解するのに役立ちます。前臨床研究では、マウスやラットの心臓サイズが小さく、心拍数が非常に高いことによる厳しい技術的要件に対応するために、高感度と高時空間分解能を備えた専用スキャナーが採用されています。この論文では、動物の準備と画像の取得と再構成から画像処理と視覚化まで、心臓病の実験マウスおよび/またはラットモデルのためのバイモーダル心臓PET / CTイメージングプロトコルについて説明します。
特に、18 F標識フルオロデオキシグルコース([18F]FDG)-PETスキャンは、左心室(LV)のさまざまなセグメントにおけるグルコース代謝の測定と視覚化を可能にします。極座標地図は、この情報を表示するための便利なツールです。CT部分は、心電図(ECG)リードなしのレトロスペクティブゲーティングを使用した心臓全体の時間分解3D再構成(4D-CT)で構成されており、LVの形態機能評価と、その後の駆出率(EF)や脳卒中量(SV)などの最も重要な心機能パラメータの定量化を可能にします。統合されたPET/CTスキャナーを使用すると、このプロトコルは、異なるスキャナー間で動物を再配置することなく、同じ麻酔誘導内で実行できます。したがって、PET / CTは、心臓病のいくつかの小動物モデルにおける心臓の形態機能および代謝評価のための包括的なツールと見なすことができます。

このセクションでは、これまでに説明した手順に従って、PET分析とCT分析の両方の典型的な結果を示します。 図6 は、対照(健常)CD-1マウスの[18F]FDG PETスキャンの自動心筋およびLV腔セグメンテーションの結果を示す。再構成された画像では右心室が常に見えるとは限りませんが、DICOMヘッダーに基づく方向軸を使用して、米国心臓協会(AHA)の推奨事項に従って標準セクターを確実に識別するために必要なように、心室中隔を他のLV壁から正しく区別できます25.心筋虚血の場合、トレーサー取り込みの局所的な低下は、心筋活力の喪失の典型的な徴候として現れる。これは必ずしも灌流の減少と相関しているわけではなく、PET画像で視覚化するには別のトレーサー([13N]NH3 または[15O]H2Oなど)が必要になります。健康な被験者でも、PETでは頂点付近の低い再構成値が一般的に観察されます( <strong class="xfig"...

ここでは、小動物を対象とした高解像度陽電子放射断層撮影/コンピュータ断層撮影法を用いて心機能と形態を定量化するための実験的イメージングプロトコルを紹介します。マウスとラットの両方を検討し、2つの種に対するコンピューター断層撮影造影剤の異なる要件について議論します。

Positron emission tomography (PET) and computed tomography (CT) are among the most employed diagnostic imaging techniques, and both serve in understanding ...

提示された心臓PET / CTプロトコルは、心臓病のさまざまな小動物モデルで機能的および形態学的情報を取得するのに役立ちます。他の前臨床イメージングモダリティと比較したPET/CTイメージングの利点には、高感度と非常に高い空間時間分解能、およびオペレーターによるプローブの手動位置決めを必要としない堅牢性が含まれますが、これらに限定されません。このプロトコルで研究できる主な疾患モデルの1つは心筋梗塞です。ただし、他の心血管代謝疾患や治療への反応を調べることができます。例えば、私たちのグループは、心臓の代謝と機能に対する肥満と糖尿病の役割に興味を持っています。このプロトコルに含まれる手順は、経験のないユーザーでも簡単に実行できます。ただし、尾静脈カニュレーションや採血などの一部のステップでは、再現性を持って行うためにある程度のトレーニングと経験が必要になる場合があります。手順のデモンストレーションは、私たちの研究室の研究員であるフェデリカ・ラ・ロサ、サンタンナ高等研究学校の博士課程の学生であるフェデリコ・グランツィエラ、およびトスカーナ・ガブリエレ・モナステリオ財団の獣医であるドミツィアナ・テルリッツィです。まず、マウスをPET / CT断層撮影装置のスキャナーベッドの仰臥位の頭に置き、麻酔のために鼻を鼻マスクに入れ、粘着テープでマスクの頭をそっと塞ぎます。上肢と下肢をスキャナーベッドに固定して、モーションアーチファクトにつながる可能性のあるイメージング手順中の不随意運動を防ぎます。直腸プローブを使用して体温を監視し、呼吸枕を使用して呼吸数を監視します。マウスの場合、インスリン注射器を使用して100〜150マイクロリットルの10メガベクレルフッ素-18FDGを引きます。バイアル内のトレーサーの元の濃度が高い場合は、トレーサーを生理食塩水で1ミリリットルあたり50〜100メガベクレルの濃度に希釈します。PET用量校正器を使用して、シリンジ内の実際の活動を測定します。これらの値は、PETスキャナーのグラフィカルユーザーインターフェイスの特定の入力モジュールを使用して後で使用されるため、注入前のアクティビティと測定時間に注釈を付けます。iomeprolを使用する場合は、注入速度を1時間あたり10ミリリットル、容量を0.5ミリリットルに設定します。シリンジをシリンジポンプに接続し、ポンプを実際のシリンジのサイズと直径に設定してから、シリンジをCAチューブとニードルに接続し、チューブにCAを事前に充填します。注入速度を1時間あたり10ミリリットルに設定し、注入量を0.5ミリリットルに制限します。アイオメプロール注射の場合は、シリンジポンプを使用して、毎時10ミリリットルの注入速度をすでに設定して、一定の速度でゆっくりと注入できるようにします。注入量を0.5ミリリットルに制限し、3分後に注射を停止します。チューブと針がCAで事前に充填されていることを確認したら、CAチューブに取り付けられた針を尾静脈のカニューレに接続します。注射を開始します。スキャナーの蓋を閉めて、Cine-CTスキャンの準備をします。注射の開始から60秒後に断層撮影のユーザーインターフェイスの続行ボタンを押して、Cine-CTの取得を開始します。CAの注入は、Cine-CTスキャンの完了とほぼ同時に停止します。ダイナミックPETスキャンのDICOM画像を開きます。ハートプラグインモジュールを選択します。マウスまたはラットの心臓画像を拡大し、最後の時間枠または血液プール活動のほとんどがすでに洗い流されている最後の3〜5つの時間枠の合計を選択します。画面の指示に従って、動物の心臓の主軸に沿って画像の向きを変更します。心臓の基部と頂点に表示されたマーカーを移動して、これをインタラクティブに行います。次に、セグメンテーションツールを選択します。自動セグメンテーションの結果が受け入れられない場合は、手動モードのROI検索を無効にして、セグメント化された心筋または左心室腔の形状を調整します。モデリング ツールで、適切なキネティック モデルまたは動的 PET 解析を選択します。この場合、グラフィカルを選択してからPatlakを選択し、Patlakプロット分析を有効にして、各心臓セクターのグルコース取り込みの代謝率を計算します。次に、極座標マップツールで、表示されている心臓セグメントの正しい数を選択します。この場合、17 個のセグメントを選択します。次に、[フィット]ボタンを押して、Patlak解析のフィット手順を実行します。フィット手順の最後に、表示されたKI値の極座標を観察します。Cine-CTスキャンのDICOM画像をソフトウェアにロードします。次に、ビルトインの4Dビューアで動的データセットを開きます。また、3DマルチプレイヤーリフォーメーションまたはMPRツールを使用して、短軸に沿って画像データの向きを変更します。方向を変えたデータをDICOMにエクスポートし、4Dデータ全体がスライスの厚さと16ビット/ボクセルの画像ビット深度を維持したままエクスポートされるようにします。エクスポートした4D MPR画像を4Dビューアで開き、拡張末期に対応する時間枠を選択し、メインツールバーのタイムスライダーですべての時間枠を参照し、正しい心相が選択されていることを確認します。この時間枠で、閉じたポリゴン注釈ツールを選択し、左心室の心内膜壁を手動で描写します。ベースから頂点までの10〜20スライスに対して同じことを行い、すべてのROIが同じ名前になるようにします。次に、[ROI] メニューで [ROI ボリューム] を選択し、不足している ROI を生成して、手動で描画された ROI の補間によってすべての短軸スライスに ROI を生成します。次に、[ROI ボリューム]、[コンピューティング ボリューム] の順に選択して、同じ ROI 名を持つ ROI グループのボリュームを計算します。次に、時間枠を参照し、収縮末期に対応するフェーズを選択し、実証されたのと同じROI名を持つROIグループのボリュームを計算します。最後に、原稿に記載されている式を使用して、ストローク量と駆出率を計算します。コントロールCD1マウスの自動心筋および左心室腔セグメンテーションの結果をここに示す。健康な被験者でも、PETでは頂点周辺の再構築値の低下が一般的に観察されます。Patlakのグラフ分析では、地域KI、散布図と線形回帰分析の例、および各セグメントで実行された線形適合の傾きと切片の値、および対応する決定係数を示しました。健康なラットでは、拡張末期と収縮末期に異なる形状とサイズの左心室が示されています。セグメント化された左心室容積の3D再構成により、体積の計算により、拡張末期容積は0.361ミリリットル、収縮末期容積は0.038ミリリットルになりました。拡張末期と収縮末期について同じラットの心臓を大量にレンダリングすると、ヨウ素増強チャンバーと血管を描写できるため、それらの値は定量的よりも定性的になります。麻酔のレベルを維持し、研究中に動物の生理学的パラメータを頻繁にチェックします。さらに、注射の失敗を避けるために、カニューレ挿入の開存性の初期チェックを行う必要があります。この研究の非侵襲的な性質により、動物は手順と放射性トレーサーの崩壊後に回収することができ、事実上、他の調査方法を適用することができます。それ以外の場合、動物がPET / CTイメージング後に安楽死させられる場合、興奮した組織に関するすべての標準的なex vivo分析を実行できます。

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