Name: 소형 동물을 위한 고해상도 심장 양전자 방출 단층 촬영/컴퓨터 단층 촬영 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-12-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 9 s
Description: 배우세요 소형 동물 심장 기능 및 형태를 정량화하는 고해상도 PET/CT 영상 프로토콜을 쥐와 쥐 모델에 적용하는 방법을. 심근경색 및 대사성 심장질환 연구에 활용할 수 있는 비침습적 기술입니다.

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이 연구는 JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM"프로젝트 : 자손의 모성 비만 및인지 기능 장애 : GUT MicrobiOMe의 인과 관계 역할 및 조기식이 예방 (프로젝트 번호. INTIMIC-085, 이탈리아 교육부, 대학 및 연구 법령 번호 946/2019).

Daniele Panetta는 Inviscan Sas로부터 마이크로 CT 기기의 R&D에 대한 보조금을 받았습니다.

이 논문에 제시된 프로토콜은 고해상도 PET/CT 영상을 사용하여 심장 손상의 작은 동물 모델에 대한 중개 심혈관 연구를 위한 일반적인 실험 절차에 중점을 둡니다. 제시된 결과는 PET 및 Cine-CT 이미지의 높은 양적 및 질적 가치를 나타내며 포도당 대사, 모양 및 수축 역학에 관한 전체 심장의 기능적 및 구조적 정보를 제공합니다. 또한 얻은 모든 이미지는 3D, 시간 해상도 및 현재 등방성 픽셀 간격입니다. 이는 심장의 표준 축을 따라 특정 슬라이스 방향을 선택하기 위해 사전 스캔 연산자 종속 작업이 필요하지 않기 때문에 이미지 처리 관점에서 유용합니다.
이 논문은 동적 PET 데이터(18)의 Patlak 그래픽 분석에 기초한 프로토콜을 포함한다. 이러한 유형의 분석은 조직으로부터의 비가역적 추적자 흡수를 설명하는데 유용하며, 이는 탈인산화 또는 대사산물의 효과가 일반적으로 심근(19)에...

작은 동물 모델은 심혈관 질환 1,2에 대한 이해를 높이는 데 매우 중요합니다. 비침습적 진단 영상 도구는 지난 수십 년 동안 임상 및 전임상 환경 모두에서 심장 기능을 보는 방식에 혁명을 일으켰습니다. 심장 질환의 작은 동물 모델에 관한 한, 매우 높은 시공간 해상도로 특정 이미징 도구가 개발되었습니다. 따라서, 이러한 기기는 심부전 (HF)3 또는 심근 경색 (MI)4와 같은 특정 질병 모델에서 마우스 및 래트의 매우 작고 매우 빠르게 움직이는 심장에 대한 관련 대사 및 운동 심근 파라미터의 정확한 정량화의 필요성과 일치 할 수있다. 이 목적을 위해 각각 고유한 강점과 약점이 있는 여러 양식을 사용할 수 있습니다. 초음파(미국) 이미징은 뛰어난 유연성, 매우 높은 시간 해상도 및 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 가장 널리 사용되는 방식입니다. 작은 동물에서 미국 심장 영상의 채택은 공간 해상도가 50μm 미만인 초고주파 5,6의 프로브를 사용하는 시스템의 출현 이후 상당히 증가했습니다.
완전 3D 심장 영상에 대한 미국의 주요 단점 중 하나는 전체 심장의 동적 B 모드 이미지의 전체 스택을 생성하기 위해 전동 변환 스테이지에 프로브를 장착하여 심장 축을 따라 선형 스캔이 필요하다는것입니다 7. 결국, 이 절차는 (각 프로브 위치에서 획득한 이미지의 정확한 공간 및 시간 등록 후) 평면 내 방향과 평면 외부 방향 사이에 서로 다른 공간 해상도를 갖는 4D 이미지를 발생시킵니다. 동일한 불균일 공간 해상도 문제가 심장 MR(CMR)에서도 발생하며,8 이는 여전히 심장의 기능적 영상에서 황금 표준을 나타냅니다. 실제 등방성 3D 이미징은 대신 컴퓨터 단층 촬영 (CT)과 양전자 방출 단층 촬영 (PET)을 모두 사용하여 얻을 수 있습니다 9. PET는 CT, MR 또는 US에 비해 공간 분해능이 감소하더라도 주입된 프로브의 양(나노몰 범위)당 이미지 신호 측면에서 매우 민감한 도구를 제공합니다. PET의 주요 장점은 장기의 병태생리학의 기초가 되는 세포 및 분자 메커니즘을 표시하는 능력입니다. 예를 들어, [18F]FDG 주입 후 PET 스캔을 통해 신체의 포도당 대사에 대한 3D 지도를 재구성할 수 있습니다. 이를 동적(즉, 시간 분해) 데이터 획득과 결합함으로써, 추적자 키네틱 모델링은 포도당 흡수의 대사율(MRGlu)의 파라메트릭 맵을 계산하는데 사용될 수 있으며, 이는 심근 생존력에 대한 중요한 정보를 제공할 것이다(10).
CT는 관련 조직 구성 요소(예: 혈액 대 근육)의 측정 가능한 향상을 제공하기 위해 고농도(mL당 최대 400mg의 요오드)에서 상당한 양의 외부 조영제(CA)가 필요하지만 특히 소형 동물 이미징용으로 설계된 최첨단 마이크로 CT 스캐너를 사용할 때 공간 및 시간 해상도가 뛰어납니다. 11 심장 PET/CT가 적용될 수 있는 전형적인 질병 모델은 심근경색 및 심부전 및 치료에 대한 관련 반응의 실험적 평가이다. 작은 동물에서 MI를 유도하는 일반적인 방법은 좌측 전방 하행 (LAD) 관상 동맥(12,13)의 외과 적 결찰에 의한 다음 질병의 진행 및 후속 날의 심장 리모델링을 종단 적으로 평가하는 것입니다4. 그럼에도 불구하고, 작은 동물에서 심장의 정량적 형태기능적 평가는 심장 기능14에 대한 노화의 영향의 평가 또는 비만 모델에서의 변경된 수용체 발현(15)과 같은 다른 질병 모델에도 대체로 적용될 수 있다. 제시된 이미징 프로토콜은 주어진 질병 모델에 국한되지 않으므로 작은 설치류를 사용한 전임상 연구의 여러 맥락에서 가장 광범위한 관심을 가질 수 있습니다.
이 논문에서는 작은 동물 통합 PET/CT를 사용한 심장 영상의 시작부터 끝까지 실험 프로토콜을 제시합니다. 제시된 프로토콜이 특정 바이모달 통합 스캐너용으로 설계되었음에도 불구하고 설명된 절차의 PET 및 CT 부분은 다른 제조업체의 개별 스캐너에서 독립적으로 수행될 수 있습니다. 사용 중인 PET/CT 스캐너에서 작업 순서는 사전 프로그래밍된 워크플로로 구성됩니다. 각 워크플로의 주요 분기는 하나 이상의 획득 프로토콜입니다. 각각의 획득 프로토콜은 특정 전처리 프로토콜에 대해 하나 이상의 브랜치를 가질 수 있고, 이어서 각각의 전처리 프로토콜은 특정 재구성 프로토콜에 대해 하나 이상의 브랜치를 가질 수 있다. 영상화 베드 상의 동물의 준비 및 영상화 절차 동안 주입될 외부 작용제의 제제 둘 모두가 기재되어 있다. 이미지 획득 절차가 완료된 후, 일반적으로 사용 가능한 소프트웨어 툴을 기반으로 한 정량적 이미지 분석을 위한 예제 절차가 제공됩니다. 기본 프로토콜은 마우스 모델을 위해 특별히 설계되었습니다. 마우스가이 분야에서 가장 많이 사용되는 종으로 남아 있지만, 우리는 또한 주 프로토콜의 끝에서 쥐 이미징을위한 프로토콜의 적응을 보여줍니다. 마우스와 래트 모두에 대한 대표적인 결과가 표시되며, 설명된 절차에서 예상할 수 있는 출력 유형을 보여줍니다. 이 논문의 끝 부분에서는 기술의 장단점, 임계점, 준비 및 획득 / 재구성 단계를 거의 수정하지 않고 다양한 PET 방사성 추적자를 사용할 수있는 방법을 강조하기 위해 철저한 논의가 이루어집니다.

<table><tbody><tr><td>0.9% 멸균 식염수</td><td>Fresenius Kabi</td><td></td><td>주입용 0.9% 염화나트륨</td></tr><tr><td>1025L 생리학적 모니터링</td><td>소형 동물 기구</td><td></td><td>소동물 이미징을 위한 생리학적 모니터링 시스템</td></tr><tr><td>5mL 주사기</td> Pet <td>추적자 주입용 바늘이 있는</td><td>Artsana</td><td></td> 주사기</tr><tr><td>Atomlab 500</td><td>Else 핵</td><td></td><td>PET 투여 교정기</td></tr><tr><td>아트리움 소프트웨어</td>, <td>Inviscan</td><td>, 버전 1.5.5</td>, <td>PET/CT 운영 소프트웨어</td></tr><tr><td>, 버터플라이 카테터,</td><td>Delta Med</td><td></td><td>27.5G 바늘</td></tr>, <tr><td>Carimas 소프트웨어</td><td>, Turku, PET Center</td><td>, 버전 2.10</td>, <td>이미지 분석 소프트웨어</td></tr>, <tr><td>Fenestra VC</td>, <td>Medilumine</td><td></td>, <td>지질 에멀젼, 요오드화 조영제, 작은 동물용</td></tr><tr><td>히트 램프</td><td></td><td></td><td>클램프 및 스위치가 있는 열 램프</td></tr>, <tr><td>인슐린 주사기,</td><td>Artsana</td><td></td><td>CT 주입용 바늘이 있는 주사기, CA</td></tr><tr><td>Iomeron 400 mgI/mL</td>, <td>Bracco</td><td></td>, <td>Iomeprol, 혈관 조영제,</td></tr><tr><td>IRIS PET/CT</td><td>, 작은 동물용 Inviscan</td><td></td><td>PET/CT 스캐너</td></tr>, <tr><td>Isoflurane</td><td>, Zoetis</td><td></td><td>흡입 마취제, 250 mL</td></tr><tr><td>OneTouch 혈당계</td><td>존슨& Johnson Medical</td><td></td><td>Glucose meter kit</td></tr><tr><td>Osirix MD 소프트웨어</td><td>Pixmeo</td><td>버전 11</td><td>이미지 분석 소프트웨어</td></tr><tr><td>산소</td><td>공기 액체</td><td></td><td>압축 가스</td></tr><tr><td>1025L</td><td>Small Animal Instruments</td><td></td> 용 직장 <td>프로브 SAII 1025L 시스템 용 케이블이있는 직장 프로브 1025L Small</td></tr><tr><td>Animal Instruments</td><td></td><td></td> <td>용 호흡기 센서SAII 1025L 시스템 용 튜브가있는 호흡기 베개</td></tr><tr><td>TJ-3A 주사기 펌프</td><td>CT</td><td>CA 주입 용</td> 긴 <td></td> 전동 주사기 펌프</tr></tbody></table>

소형 동물을 위한 고해상도 심장 양전자 방출 단층 촬영/컴퓨터 단층 촬영

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

양전자 방출 단층 촬영 (PET)과 컴퓨터 단층 촬영 (CT)은 가장 많이 사용되는 진단 영상 기술 중 하나이며 둘 다 심장 기능과 신진 대사를 이해하는 데 도움이됩니다. 전임상 연구에서는 고감도 및 높은 시공간 해상도를 가진 전용 스캐너가 사용되어 생쥐와 쥐의 작은 심장 크기와 매우 높은 심박수로 인한 까다로운 기술 요구 사항에 대처하도록 설계되었습니다. 이 논문에서는 동물 준비 및 이미지 획득 및 재구성에서 이미지 처리 및 시각화에 이르기까지 심장 질환의 실험 마우스 및/또는 쥐 모델을 위한 바이모달 심장 PET/CT 이미징 프로토콜에 대해 설명합니다.
특히, 18 F- 표지 된 플루오로 데 옥시 글루코스 ([18F] FDG) -PET 스캔은 좌심실 (LV)의 다른 세그먼트에서 포도당 대사의 측정 및 시각화를 허용합니다. 극좌표 지도는 이 정보를 표시하는 편리한 도구입니다. CT 부분은 심전도(ECG) 리드가 없는 후향적 게이팅을 사용하여 전체 심장의 시간 분해 3D 재구성(4D-CT)으로 구성되어 LV의 형태 기능 평가와 박출률(EF) 및 뇌졸중 부피(SV)와 같은 가장 중요한 심장 기능 매개변수의 후속 정량화를 허용합니다. 통합 PET/CT 스캐너를 사용하여 이 프로토콜은 다른 스캐너 간에 동물을 재배치할 필요 없이 동일한 마취 유도 내에서 실행할 수 있습니다. 따라서 PET / CT는 심장 질환의 여러 작은 동물 모델에서 심장의 형태 기능 및 대사 평가를위한 포괄적 인 도구로 볼 수 있습니다.

이 섹션에서는 지금까지 설명한 절차에 따라 PET 및 CT 분석 모두에 대한 일반적인 결과를 보여줍니다. 도 6 은 대조군(건강한) CD-1 마우스의 [18F]FDG PET 스캔의 자동 심근 및 LV 캐비티 분할의 결과를 나타낸다. 재구성된 이미지에서 우심실이 항상 보이는 것은 아니지만, 미국 심장 협회(AHA) 권장 사항에 따라 표준 섹터를 신뢰할 수 있는 식별에 필요한 대로 DICOM 헤더를 기반으로 하는 배향 축을 사용하여 심실 중격을 다른 LV 벽과 올바르게 구별할 수 있습니다.25 . 심근 허혈의 경우, 추적자 흡수의 국소 감소는 심근 활력 상실의 전형적인 징후로 나타난다. 이는 PET 이미지에서 시각화되기 위해 상이한 추적자(예를 들어, [13N]NH3 또는 [15O]H2O)를 필요로 하는 감소된 관류와 반드시 상관관계가 있는...

여기에서는 소형 동물을위한 고해상도 양전자 방출 단층 촬영 / 컴퓨터 단층 촬영을 사용하여 심장 기능 및 형태를 정량화하기위한 실험 이미징 프로토콜을 제시합니다. 마우스와 쥐 모두 고려되어 두 종에 대한 컴퓨터 단층 촬영 조영제의 다양한 요구 사항을 논의합니다.

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

제시된 심장 PET/CT 프로토콜은 심장 질환의 다양한 소형 동물 모델에서 기능적 및 형태학적 정보를 얻는데 유용하다. 다른 전임상 영상 방식과 비교하여 PET/CT 영상의 장점은 높은 감도와 매우 높은 공간 시간 분해능뿐만 아니라 작업자가 프로브를 수동으로 배치할 필요가 없기 때문에 견고성을 포함하지만 이에 국한되지 않습니다. 이 프로토콜로 연구 할 수있는 주요 질병 모델 중 하나는 심근 경색입니다.그러나 다른 심장 대사 질환 및 치료에 대한 반응도 조사 할 수 있습니다. 예를 들어, 우리 그룹은 심장 대사와 기능에 대한 비만과 당뇨병의 역할에 관심이 있습니다. 이 프로토콜에 포함된 단계는 경험이 없는 사용자도 쉽게 따를 수 있습니다.그러나 꼬리 정맥 캐뉼러 및 혈액 샘플링과 같은 일부 단계는 재현 가능하게 수행하기 위해 약간의 훈련과 경험이 필요할 수 있습니다. 이 절차를 시연하는 것은 우리 실험실의 연구원 인 Federica La Rosa, Sant'Anna School of Advanced Studies의 박사 과정 학생 인 Federico Granziera, Fondazione Toscana Gabriele Monasterio의 수의사 인 Domiziana Terlizzi입니다. 시작하려면 마우스를 PET/CT 단층 촬영기의 스캐너 베드에 먼저 앙와위 위치에 놓고 마취를 위해 코 마스크에 코를 넣고 접착 테이프로 마스크 머리를 부드럽게 막습니다.스캐너 베드에 상지와 하지를 고정하여 이미징 절차 중 움직임으로 이어질 수 있는 비자발적 움직임을 방지합니다. 직장 프로브를 사용하여 체온을 모니터링하고 호흡 베개를 사용하여 호흡수를 모니터링합니다. 마우스의 경우 인슐린 주사기를 사용하여 100-150 마이크로 리터의 10 메가 베크렐 불소 -18 FDG를 추출합니다.바이알에서 추적자의 원래 농도가 높으면 추적자를 식염수로 희석하여 밀리리터당 50-100메가베크렐의 농도로 희석합니다. PET 용량 교정기를 사용하여 주사기의 실제 활동을 측정하십시오. 주입 전 활동 및 측정 시간은 나중에 PET 스캐너 그래픽 사용자 인터페이스의 특정 입력 모듈을 사용하여 사용되므로 주석을 달 수 있습니다.iomeprol을 사용하는 경우 주입 속도를 시간당 10 밀리리터로 설정하고 부피를 0.5 밀리리터로 설정하십시오. 주사기를 주사기 펌프에 연결하고 실제 주사기 크기와 직경에 맞게 펌프를 설정 한 다음 주사기를 CA 튜브와 바늘에 연결하고 튜브에 CA를 미리 채 웁니다. 주입 속도를 시간당 10 밀리리터로 설정하고 주입량을 0.5 밀리리터로 제한하십시오. iomeprol 주입의 경우 이미 시간당 10 밀리리터의 주입 속도로 일정한 속도로 천천히 주입 할 수있는 주사기 펌프를 사용하십시오.주입량을 0.5 밀리리터로 제한하고 3 분 후에 주입을 중단하십시오. 튜브와 바늘에 CA가 미리 채워져 있는지 확인한 후 CA 튜브에 부착된 바늘을 꼬리 정맥의 캐뉼라에 연결합니다. 주입을 시작하십시오.스캐너 덮개를 닫고 Cine-CT 스캔을 준비합니다. 주사 시작 후 60초 후에 단층 촬영기의 사용자 인터페이스에서 계속 버튼을 누르면 Cine-CT 획득이 시작됩니다. CA 주입은 Cine-CT 스캔 완료와 거의 동시에 중단됩니다.동적 PET 스캔의 DICOM 이미지를 엽니다. 하트 플러그인 모듈을 선택합니다. 마우스 또는 쥐 심장 이미지를 확대하고 마지막 시간 프레임 또는 대부분의 혈액 풀 활동이 이미 씻겨 나간 마지막 3-5 개의 시간 프레임의 합계를 선택하십시오.화면의 지시에 따라 동물 심장의 주축을 따라 이미지의 방향을 변경합니다. 심장 기저부와 정점에 대해 표시된 마커를 이동하여 대화식으로 수행하십시오. 다음으로 세분화 도구를 선택합니다.자동 분할의 결과가 허용되지 않는 경우 수동 모드 ROI 검색 비활성화를 활성화하여 분할된 심근 또는 좌심실강의 모양을 구체화합니다. 모델링 도구에서 적절한 키네틱 모델 또는 동적 PET 분석을 선택합니다. 이 경우 그래픽을 선택한 다음 Patlak을 선택하여 Patlak 플롯 분석을 활성화하여 각 심장 부문에 대한 포도당 흡수의 대사율을 계산합니다.그런 다음 극좌표 맵 도구에서 표시된 하트 세그먼트의 올바른 수를 선택합니다. 이 경우 17개의 세그먼트를 선택합니다. 이제 피팅 버튼을 눌러 Patlak 해석의 피팅 절차를 수행합니다.피팅 절차가 끝나면 KI 값의 표시된 극좌표 맵을 관찰합니다. 소프트웨어에 Cine-CT 스캔의 DICOM 이미지를 로드합니다. 그런 다음 내장된 4D 뷰어로 동적 데이터 세트를 엽니다.그리고 3D 멀티플레이어 재구성 또는 MPR 도구를 사용하여 짧은 축을 따라 이미지 데이터의 방향을 변경합니다. 방향이 변경된 데이터를 DICOM으로 내보내 전체 4D 데이터를 보존된 슬라이스 두께와 복셀당 16비트의 이미지 비트 심도로 내보냅니다. 4D 뷰어를 사용하여 내보낸 4D MPR 이미지를 연 다음 이완기 말에 해당하는 기간을 선택하고 기본 도구 모음의 시간 슬라이더로 모든 기간을 탐색하여 올바른 심장 단계가 선택되었는지 확인합니다.이 기간에 닫힌 다각형 주석 도구를 선택하고 좌심실의 심내벽을 수동으로 묘사합니다. 베이스에서 정점까지 10-20개의 슬라이스에 대해 동일한 작업을 수행하여 모든 ROI가 동일한 이름을 갖도록 합니다. 다음으로 ROI 메뉴에서 ROI 볼륨을 선택한 다음 누락된 ROI를 생성하여 수동으로 그린 ROI를 보간하여 모든 단축 슬라이스에서 ROI를 생성합니다.그런 다음 ROI 볼륨을 선택한 다음 컴퓨팅 볼륨을 선택하여 ROI 이름이 동일한 ROI 그룹의 볼륨을 계산합니다. 다음으로, 기간을 탐색하고, 수축기 말단에 해당하는 위상을 선택하고, 시연된 것과 동일한 ROI 이름을 가진 ROI 그룹의 부피를 계산합니다. 마지막으로, 원고에 설명 된 방정식을 사용하여 스트로크 부피와 분출 분율을 계산하십시오.대조군 CD1 마우스의 자동 심근 및 좌심실 공동 분할 결과가 여기에 나와 있습니다. 건강한 피험자에서도 정점 주변의 더 낮은 재구성 값이 PET에서 일반적으로 관찰됩니다. Patlak 그래픽 분석은 지역 KI, 산점도 및 선형 회귀 분석, 각 세그먼트에 대해 수행된 선형 피팅의 기울기 및 절편 값과 해당 결정 계수의 예를 보여주었습니다.건강한 쥐에서는 이완기 말기 및 수축기 말기 단계에 대해 좌심실의 모양과 크기가 다릅니다. 분할 된 좌심실 부피의 3D 재구성으로, 부피 계산은 0.361 밀리리터의 이완기 말 부피와 0.038 밀리리터의 수축기 말 부피를 초래했다. 이완기 말기 및 수축기 말기에 대한 동일한 쥐 심장의 볼륨 렌더링은 요오드 강화 챔버와 혈관을 묘사 할 수 있으므로 그 가치는 정량적 인 것보다 질적입니다.마취 수준을 유지하고 연구 중에 동물의 생리적 매개 변수를 자주 확인하십시오. 또한, 실패한 주사를 피하기 위해 캐뉼러의 개통성에 대한 초기 점검이 수행되어야합니다. 이 연구의 비 침습적 특성으로 인해 방사성 추적자의 절차 및 부패 후 동물을 회수 할 수 있으므로 사실상 다른 조사 방법을 적용 할 수 있습니다.그렇지 않으면 PET/CT 영상 촬영 후 동물을 안락사시킬 경우 여기 조직에 대한 모든 표준 체외 분석을 수행할 수 있습니다.

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