Het gebruik van ultrahoge veld MRI als een niet-invasieve manier om fenotypische informatie te verkrijgen van knaagdiermodellen voor polycystische nierziekte en om interventies te monitoren, wordt beschreven. In vergelijking met de traditionele histologische aanpak, kunnen MRI-beelden in vivo worden verkregen, wat longitudinale follow-up mogelijk maakt.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Het gebruik van ultra-hoge gebied MRI in kleine knaagdieren Modellen van Polycystic voor
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Verschillende in vivo pre-klinische studies in Polycystische Nieraandoening (PKD) gebruiken orthologe knaagdiermodellen om de genetische en moleculaire mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de ziekte te identificeren en te bestuderen, en zijn zeer geschikt voor snelle medicijnscreening en het testen van veelbelovende therapieën. Een beperkende factor in deze studies is vaak het ontbreken van efficiënte niet-invasieve methoden voor het sequentieel analyseren van de anatomische en functionele veranderingen in de nier. Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) is de huidige gouden standaard beeldvormingstechniek om autosomaal dominante polycystische nierziekte (ADPKD) patiënten te volgen, die uitstekend wekweecontrast en anatomische detail biedt en Total Kidney Volume (TKV) metingen mogelijk maakt. Een groot voordeel van MRI in knaagdiermodellen van PKD is de mogelijkheid voor in vivo beeldvorming die longitudinale studies mogelijk maakt die hetzelfde dier gebruiken en daardoor het totale aantal dieren dat nodig is vermindert. In dit manuscript zullen we ons concentreren op het gebruik van Ultra-high field (UHF) MRI om non-invasief in vivo beelden van knaagdiermodellen voor PKD te verkrijgen. Het hoofddoel van dit werk is het introduceren van het gebruik van MRI als een hulpmiddel voor in vivo fenotyische karakterisering en medicijnmonitoring in knaagdiermodellen voor PKD.
Inleiding
Polycystische nierziekte (PKD) een groep monogene stoornissen gekenmerkt door de ontwikkeling van renale cysten. Onder hen zijn autosomaal dominante polycystische nierziekte (ADPKD) en autosomaal recessieve polycystische nierziekte (ARPKD), die de meest voorkomende soorten 1,2 vertegenwoordigen. ADPKD, de meest voorkomende vorm van erfelijke renale cystic ziekten, is ontstaan door mutaties in het PKD1 of PKD2 genen. Het wordt gekenmerkt door late-onset, verschillende bilaterale renale cysten, vergezeld van variabele extrarenale cysten, en hart- en spier skeletafwijkingen. ARPKD, meestal invloed baby's en jonge kinderen, wordt veroorzaakt door mutaties in PKHD1 en wordt gekenmerkt door vergroting echogene nieren en aangeboren leverfibrose 3.
Belangrijk is ADPKD gekenmerkt door heterogeniteit, zowel op het gen (gene) en mutatie (allelische) niveau, wat resulteert in aanzienlijke phenotypic variabiliteit. Mutaties in het PKD1-gen worden geassocieerd met ernstige klinische presentatie (talrijke cysten, vroegtijdige diagnose hypertensie en hematurie), en voor de snelle progressie naar eindstadium nierziekte (20 jaar eerder dan patiënten met PKD2 mutaties) 4. Ernstige polycysteuze leverziekte (PLD) en vasculaire abnormaliteiten kan worden geassocieerd met mutaties in zowel PKD1 en PKD2 5. De meerderheid van renale complicaties van ADPKD ontstaan voornamelijk als gevolg van de cyste expansie samen met bijbehorende ontsteking en fibrose. Cyste ontwikkeling begint in de baarmoeder en gaat door de patiënt leven. Nieren meestal behouden hun vorm reniform hoewel ze meer dan 20 maal de normale nier volume kon bereiken. De meeste patiënten onderhavige bilaterale verdeling van renale cysten, maar in sommige bijzondere gevallen, cyste kan ontstaan bij een unilaterale of asymmetrisch.
Een belangrijke Challenge voor nefrologen volgende patiënten met ADPKD of uitvoering therapieën is de natuurlijke geschiedenis van de ziekte. Gedurende het grootste deel van zijn traject, de nierfunctie normaal blijft en toen de nierfunctie verder afneemt, hebben de meeste van de nieren vervangen door cysten. Wanneer therapieën in een later stadium worden uitgevoerd, is het minder waarschijnlijk om succesvol te zijn, omdat de patiënt kan al een point of no return in chronische nierziekte hebben bereikt. Wanneer daarentegen therapie gestart in een vroeg stadium, is het moeilijk om een antwoord uitsluitend gebaseerd op glomerulaire filtratiesnelheid identificeren. Dientengevolge, het begrip volume nieren als marker van ziekteprogressie aandacht gekregen.
Het Consortium voor Radiologic Imaging Studies van polycysteuze nierziekte (CRISP) studie heeft aangetoond dat bij patiënten met ADPKD de stijging van de nieren en de cyste volumes direct correleert met de verslechtering van de nierfunctie, het benadrukken van het potentieel van Total Kidney Volume (TKV) alsurrogate marker voor progressie van de ziekte 6,7. Bijgevolg wordt TKV momenteel gebruikt als primaire of secundaire eindpunt in meerdere klinische studies voor ADPKD 2,8,9.
Meerdere muismodellen waaronder spontane mutaties en genetisch gemanipuleerde hebben licht werpen op de pathogenese van PKD 10,11. PKD1 of PKD2 modellen (mutaties in beide PKD1 of PKD2) zijn uitgegroeid tot de meest populaire, omdat ze perfect nabootsen menselijke ziekte. Daarnaast zijn knaagdiermodellen met mutaties in andere dan PKD1 of PKD2-genen genen gebruikt als experimenteel platform te helderen signaalwegen betrekking tot de ziekte. Bovendien zijn verscheidene van deze modellen zijn gebruikt om mogelijke therapieën te testen. Echter een beperkende factor in veel knaagdieren studies PKD vaak het gebrek aan efficiënte niet-invasieve methoden sequentieel analyseren anatomische en functionele veranderingen in de nier.
Magnetische resonance imaging (MRI) is de huidige gouden standaard beeldvormende techniek met ADPKD patiënten te volgen, uitstekende wekedelencontrast en anatomische details, en waardoor TKV metingen. Hoewel MRI is vaste anatomische beeldvorming in grotere dieren en mensen, imaging kleine knaagdieren in vivo veroorzaakt hogere technische uitdagingen, waarbij het vermogen om hoge resolutie beelden te verkrijgen zijn nut kan beperken. Met de introductie van Ultra-high veld (UHF) MRI (7-16,4 T) en de ontwikkeling van sterkere verlopen, is het nu mogelijk om hogere bereiken signaal-ruisverhoudingen en de ruimtelijke resolutie van MRI beelden met een diagnostische kwaliteit vergelijkbaar met die verkregen bij de mens. Bijgevolg is het gebruik van UHF MRI voor in vivo beeldvorming van kleine diermodellen voor PKD is een krachtig hulpmiddel voor onderzoekers.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Voordat u begint met de procedures met levende dieren, moeten experimentele protocollen worden goedgekeurd door de institutionele dierlijke zorg en gebruik Comite (IACUC).
1. Scanner Configuration
- Voordat u begint, zorg ervoor dat de kachel in de stand OFF.
- Selecteer de mini-imaging gradiënt en 38 mm RF-spoel en mini-imaging houder.
- In de centrale boring van de houder installeer de variabele temperatuur montage.
2. Animal Voorbereiding
- Voor MRI experimenten bereiken optimale anesthesie met verdampt isofluraan. Voor inductie van de anesthesie, plaatst dier in een inductie kamer bekleed met een absorberend tissue. Stel de flowmeter van de isofluraan vaporizer tot 2,0-2,5 l / min, en 3% isofluraan in zuurstof.
- Verwijder eventuele metalen tag of andere metalen voorwerpen in dit stadium. Breng vet zalven ogen dier om droog te verhinderen terwijl onder verdoving.
- Zodra het dierheeft de chirurgische vlak van anesthesie bereikt (dwz verlies van terugtrekking reflex tot teen knijpen), plaats het dier op een houder met zijn neus ingebracht in een neuskegel. Stel de anesthesie luchtstroom in de probe 2,0-2,5 ml / min en de isofluraan concentratie 1,5-2,0% zuurstof. Anesthesie wordt via de neus worden afgegeven tijdens de procedure. Justeren isofluraan concentratie afhankelijk van leeftijd en gewicht van het dier om een ademhalingssnelheid van ~ 40 bpm handhaven.
- Gebruik houders dier om het dier vast te zetten en beweging tijdens de MRI-experiment te voorkomen. Varieer het type dier houder, afhankelijk van het lichaam regio te scannen.
Opmerking: aangepaste houders uit laboratoriumtests kunststof (polypropyleen, teflon, polystyreen, polycarbonaat) kan worden naar specifieke proef te vangen en de grootte van het dier past (van pasgeboren muis 160 g rat). - Plaats de rectale thermometer in het dier lichaamstemperatuur dier volgen. Tijdens experiment, houdt het dier bij 35-37 ° C, met behulp van een stroom van warme lucht. Regel luchttemperatuur (30-38 ° C) en stroom (1,200-2,000 l / uur) op basis van de lichaamstemperatuur feedback dier.
- Bevestig een ballon luchtwegen druksensor aan buik dier om ademhaling te controleren.
- Bevestig het dier in het centrum van de RF spoel en voorzichtig plaats de RF spoel met dieren in MRI scanner.
3. MRI Experiment
- Stem en overeenkomen met de RF spoel alvorens de experimenten te minimaliseren RF-vermogen gebruikt en de signaal-ruisverhouding te maximaliseren. Om de bijpassende / tuning start:
- Open de spectrometer controle-instrument door te klikken op het pictogram gereedschappen.
- In de spectrometer controle-instrument Klik Acquisition → Wobble. Een Acq / Reco venster wordt geopend met de wobble curve.
- Als alternatief kan de tuning en matching condensatoren (met behulp van de tuning en bijpassende staven) in kleine stappen te passen totdat het gereflecteerde RF-vermogengeminimaliseerd. Het doel is om een boog met een minimum zien bij de verticale as geplaatst op nul op de horizontale as.
- Wanneer de kalibratie van de spoel met succes is bereikt, druk op de knop Stop in het venster Acq / Reco.
- Acquire scout beelden in de drie orthogonale vlakken axiale, coronale en sagittale beelden te creëren. Gebruik een snelle beeldsequentie zoals Intra Gate Fast Lage Hoek Shot (IG-FLASH) aan de scout beelden 12 te verwerven. Gebruik de verkenningsbeelden de juiste geometrie voor de eigenlijke beeldvorming.
- Afhankelijk van de specifieke onderzoek doelen, selecteert u de juiste afbeelding volgorde en de parameters en start de scan met een verkeerslicht. Dit zal RF-kanaal te kalibreren, shim de magneet, ingesteld draaggolffrequentie on-resonantie voor water en passen de ontvanger te krijgen, allemaal automatisch.
- Voor anatomische studies en T2 gewogen beelden te verwerven in 2D multi-slice of 3D-modus. Om het experiment tijd voor een bepaalde ruimtelijke resolutie verkorten, houdt het veld-van-view (FOV) zo klein mogelijk, maar groot genoeg om wrap-around artefacten (2,56-3,2 cm) te vermijden.
- Houd de cyclus van geselecteerde sequentie iets korter dan de dierlijke ademhalingscyclus door juiste keuze van herhalingstijd (TR) en / of het aantal segmenten. Dit zorgt ervoor dat de data worden verzameld gedurende stille periode dieren.
- Bijvoorbeeld voor abdominale afbeeldingen, houden snelheid ~ 30 bpm dier luchtwegen; dat is ongeveer 2.000 msec per adem. Gebruik een Turbo Rapid Acquisition met Relaxation Enhancement (zeldzaam) volgorde en het verwerven van 11-19 coronale plakjes, met TR / TE 1500/9 msec, ZELDZAME factor 8 en (matrix 256 x 256, FOV 2,56 x 2,56 cm, slice dikte van 0,75 mm) .
Opmerking: Door het aanpassen van de TR 1500 msec, en het houden van snelheid luchtwegen van het dier ~ 30 bpm (2000 msec per ademhaling), zorgen we ervoor dat de gegevens worden verzameld tijdens een rustige periode dieren.
- Bijvoorbeeld voor abdominale afbeeldingen, houden snelheid ~ 30 bpm dier luchtwegen; dat is ongeveer 2.000 msec per adem. Gebruik een Turbo Rapid Acquisition met Relaxation Enhancement (zeldzaam) volgorde en het verwerven van 11-19 coronale plakjes, met TR / TE 1500/9 msec, ZELDZAME factor 8 en (matrix 256 x 256, FOV 2,56 x 2,56 cm, slice dikte van 0,75 mm) .
- Immers image acquisitie is afgerond, plaatst de gescande dierop verwarmde pad en controleren totdat ambulante. Na terugwinning, terug het dier naar de kooi en gevolgde minste 1 uur Terugkeer naar de dierverblijf.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
In dit manuscript, willen we het nut van UHF MRI als een instrument voor in vivo fenotypische karakterisering of drug monitoring in knaagdiermodellen voor PKD en andere nierziekten te tonen. Alle van de experimenten maakten deel uit van experimentele protocollen door de IACUC goedgekeurd.
In vivo fenotypering van kleine knaagdieren modellen voor PKD met UHF MRI:
Alle imaging studies naar levende dieren onder isofluraan anesthesie met een Bruker AVA...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Dit manuscript toont de haalbaarheid van het gebruik van UHF MRI als een instrument voor in vivo fenotypische karakterisering of drug monitoring in knaagdiermodellen voor PKD.
We beschrijven experimenten gedaan op 16.4 T met een brede boring Avance III hoge resolutie NMR-spectrometer uitgerust met micro en mini imaging accessoires. De spectrometer werd gedreven door de acquisitie en processing software TopSpin2.0PV bestuurd door Paravision 5.1 imaging software. Omdat het knaagdier g...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
Wij danken Drs. Xiaofang Wang en Katharina Hopp voor hun onschatbare hulp met de diermodellen. Dit werk is ondersteund door subsidies van het National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, National Institutes of Health (DK090728, DK058816).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| AVANCEIII-700 (16.4 T) | Bruker | BH067206 | Wide-bore tweekanaals multinucleair spectrometer uitgerust met mini- en micro-imaging accessoires voor in vivo beeldvorming van kleine knaagdieren |
| TopSpin2.0PV | Bruker | H9088TA2 | Spectrometerverwerkingssoftware |
| Paravision 5.1 | Bruker | T10314L5 | Imagingsoftware |
| VTU BVT 3000 digital | Bruker | W1101095 | Temperatuurregelaar |
Referenties
- Torres, V. E., Harris, P. C. Autosomal dominant polycystic kidney disease: the last 3 years. Kidney Int. 76, 149-168 (2009).
- Chapman, A. B., et al. Kidney volume and functional outcomes in autosomal dominant polycystic kidney disease. Clinical journal of the American Society of Nephrology : CJASN. 7, 479-486 (2012).
- Torres, V. E., Harris, P. C. Polycystic kidney disease: genes, proteins, animal models, disease mechanisms and therapeutic opportunities. J Intern Med. 261, 17-31 (2007).
- Hateboer, N., et al. Comparison of phenotypes of polycystic kidney disease types 1 and 2 European PKD1-PKD2 Study Group. Lancet. 353, 103-107 (1999).
- Rossetti, S., et al. Association of mutation position in polycystic kidney disease 1 (PKD1) gene and development of a vascular phenotype. Lancet. 361, 2196-2201 (2003).
- Chapman, A. B., et al. Renal structure in early autosomal-dominant polycystic kidney disease (ADPKD): The Consortium for Radiologic Imaging Studies of Polycystic Kidney Disease (CRISP) cohort. Kidney international. 64, 1035-1045 (2003).
- Grantham, J. J., et al. Volume progression in polycystic kidney disease. N Engl J Med. 354, 2122-2130 (2006).
- Schrier, R. W., et al. Blood Pressure in Early Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease. The New England journal of medicine. , (2014).
- Torres, V. E., et al. Angiotensin Blockade in Late Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease. The New England journal of medicine. , (2014).
- Wilson, P. D. Mouse models of polycystic kidney disease. Curr Top Dev Biol. 84, 311-350 (2008).
- Happe, H., Peters, D. J. Translational research in ADPKD: lessons from animal models. Nature reviews. Nephrology. , (2014).
- Frahm, J., Haase, A., Matthaei, D. Rapid NMR imaging of dynamic processes using the FLASH technique. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 3, 321-327 (1986).
- Bae, K. T., et al. Magnetic resonance imaging evaluation of hepatic cysts in early autosomal-dominant polycystic kidney disease: the Consortium for Radiologic Imaging Studies of Polycystic Kidney Disease cohort. Clin J Am Soc Nephrol. 1, 64-69 (2006).
- Hossack, K. F., Leddy, C. L., Johnson, A. M., Schrier, R. W., Gabow, P. A. Echocardiographic findings in autosomal dominant polycystic kidney disease. N Engl J Med. 319, 907-912 (1988).
- Lumiaho, A., et al. Mitral valve prolapse and mitral regurgitation are common in patients with polycystic kidney disease type 1. American journal of kidney diseases : the official journal of the National Kidney Foundation. 38, 1208-1216 (2001).
- Vallee, J. P., Ivancevic, M. K., Nguyen, D., Morel, D. R., Jaconi, M. Current status of cardiac MRI in small animals. Magma. 17, 149-156 (2004).
- Epstein, F. H. MR in mouse models of cardiac disease. NMR Biomed. 20, 238-255 (2007).
- Bloomgarden, D. C., et al. Global cardiac function using fast breath-hold MRI: validation of new acquisition and analysis techniques. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 37, 683-692 (1997).
- Larson, A. C., et al. Self-gated cardiac cine MRI. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 51, 93-102 (2004).
- Smith, J. C., Corbin, T. J., McCabe, J. G., Bolon, B. Isoflurane with morphine is a suitable anaesthetic regimen for embryo transfer in the production of transgenic rats. Laboratory animals. 38, 38-43 (2004).
- Ahrens, E. T., Srinivas, M., Capuano, S., Simhan, H. N., Schatten, G. P. Magnetic resonance imaging of embryonic and fetal development in model systems. Methods Mol Med. 124, 87-101 (2006).
- Zhou, R., Pickup, S., Glickson, J. D., Scott, C. H., Ferrari, V. A. Assessment of global and regional myocardial function in the mouse using cine and tagged MRI. Magnetic resonance in medicine : official journal of the Society of Magnetic Resonance in Medicine / Society of Magnetic Resonance in Medicine. 49, 760-764 (2003).
- Stimpfel, T. M., Gershey, E. L. Selecting anesthetic agents for human safety and animal recovery surgery. FASEB journal : official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. 5, 2099-2104 (1991).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
