Niet-invasieve In Vivo Small Animal MRI en MRS: Basic experimentele procedures

Om met dit experiment te beginnen, wordt een geanestheseerde muis op een dierenhouder geplaatst die vervolgens in een radiofrequentiespoel of RF-spoel wordt ingebracht. Voorafgaand aan een MRI- of MRS-experiment wordt de RF-spoel afgestemd op de resonantiefrequentie en aangepast aan een karakteristieke impedantie van 50 ohm. Vervolgens wordt de MRI- of MRS-acquisitie uitgevoerd na optimalisatie van de polssequentie, waarna de beelden of spectra ten slotte worden geanalyseerd met behulp van analyseprogramma's.

Hallo, ik ben Dawn Lee van het R Research Lab van de afdeling Radiologie aan de University of Washington. En ik ben David Senek, eveneens van het R Research Lab en de afdelingen Radiologie en Bioengineering aan de University of Washington. Vandaag laten we u een procedure zien voor magnetische resonantie-beeldvorming en magnetische resonantiespectroscopie bij muizen.

In ons laboratorium gebruiken we deze procedures om muismodel-tumoren, spierdystrofie en spiermetabolisme te bestuderen. Laten we beginnen. Dit protocol is niet bedoeld om elk aspect van MRI bij kleine dieren te behandelen, maar om de basisprocedures van MRI-experimenten bij muizen te introduceren.

Het doel is om een beter begrip te verschaffen van de basisprocedures voor in vivo MR-experimenten bij kleine dieren, zodat onderzoekers die nieuw zijn in het MR-veld hun studies beter kunnen plannen voor de niet-MR-componenten. Zo kunnen uiteindelijk zowel de MR- als de niet-MR-procedures naadloos worden geïntegreerd. Om de voorbereidingen voor het magnetic resonance imaging- of MRI-experiment te starten, plaatst u een met isofluoraan geanestheseerde muis op een dierhouder, waarbij de neus in een neusconus wordt geplaatst.

Een hoofdfixeerklem kan worden gebruikt voor beeldvorming van de kop, en een lichaamshouder kan worden gebruikt voor beeldvorming van het lichaam. Houd de ogen van het dier vochtig met een steriele oogsmeersalf.

Het dier moet tijdens het experiment op 35 tot 37 graden Celsius worden gehouden in een warmwatercirculatiesysteem. Een systeem voor diermonitoren wordt gebruikt om zowel de lichaamstemperatuur, ademhaling en hartcyclus te bewaken, als om de ademhalings- en hartslaggating te synchroniseren met de beeldacquisities. Plaats vervolgens een standaard agro-monster naast het dier om abrupte signaalveranderingen te monitoren.

Dit standaard landbouwsample is bijzonder nuttig voor beeldvorming met meerdere coupes en meerdere tijdstippen. Wanneer er een onverwachte signaalwijziging wordt gedetecteerd in een coupe van de verkregen beelden, kan deze coupe worden geëlimineerd. Zodra het dier is vastgezet en alle monitoringcomponenten zijn geplaatst, wordt de dierhouder in het centrum van een radiofrequentiespoel of RF-spoel geplaatst.

Verplaats de RF-spoel naar de magneetruimte en plaats deze in het warmwatercirculatiesysteem dat zich in de magneet bevindt. Start nu de acquisitie van MRI-gegevens. Pas tijdens de beeldvormingsperiode de flowmeter aan naar 0,4 tot 0,8 milliliters per minuut en verlaag de isofluraan-verdamper naar 1,2 tot 1,5%. Het uitgeademde gas uit de neuskegel van de muis wordt afgevoerd naar een intern vacuümsysteem.

Om de signaalontvangst te optimaliseren, stemt u de RF-spoel af op de resonantiefrequentie van proton H1 en stemt u de karakteristieke impedantie van de spoel af op 50 ohm. Met gebruik van het afstemmingenpaneel in de MR-scanner hebben de meeste menselijke MRI-scanners geen apart proces van impedantiematching nodig, behalve bij MRS-procedures. Begin het shimmen met een enkele polssequentie.

Het shimming-proces optimaliseert de homogeniteit van het magneetveld in het gebied van interesse. Elke scanner heeft een eigen methode voor het uitvoeren van het shimming-proces, inclusief automatische snelle shimming-processen, zoals fast map en gradiënt-shimming. Wanneer de shimming is voltooid, dient de RF-puls te worden geoptimaliseerd.

Door het eendimensionale beeldprofiel te maximaliseren. De vermogens van de RF-pulsen kunnen in een reeks worden geplaatst terwijl de pulslengte constant wordt gehouden en een voldoende lange hersteltijd (recycle delay) wordt aangehouden. De TR moet ongeveer drie tot vijf keer de T1 van het weefsel bedragen; neem scout-beelden op langs drie orthogonale oriëntaties om axiale, coronale en sagittale beelden te creëren.

Een snelle beeldacquisitiesequentie kan worden gebruikt voor het verkrijgen van de scout-beelden. De verkregen beelden worden gebruikt voor de planning van de eigenlijke beeldvorming, waarbij de beeldvormingsvlakken worden bepaald. Tijdens de eigenlijke beeldvorming wordt een spin-echo-sequentie gebruikt.

T2-metingen kunnen worden uitgevoerd met behulp van multi-echo imaging of single-echo imaging met meerdere T-waarden. Nu het MRI-experiment is voltooid, bekijken we in vivo magnetische resonantiespectroscopie of MRS voor skeletspieren in de achterpoot van muizen, voor zowel de rust- als de maximale mitochondriale capaciteit. De ATP-productie kan worden bepaald door MRS te gebruiken om veranderingen in fosfocreatinine tijdens en direct na ischemie te meten.

Begin met het maken van een manchet om reversibele ischemie op te wekken. Gebruik hiervoor een stuk PVC-buis met een breedte van ongeveer vijf tot zeven millimeter en een binnendiameter van 12 tot 15 millimeter. Boor een klein gat door de wand en snijd een stuk van een ballon af zodat deze aan beide uiteinden open is.

Ballonnen van heliumkwaliteit werken het beste. Steek dit stuk door het PVC-stuk en wikkel het er weer omheen. Plak de uiteinden tegen de buitenwand van het PVC-stuk aan elkaar vast.

Gebruik vervolgens krimpfolie om de uiteinden van de ballon rond de buis af te dichten. U dient nu een manchet te hebben met een stevige buitenwand en een opblaasbare binnenwand. Snijd een gedeelte van de krimpfolie en de ballon rond het schroefgat weg.

Zorg dat er voldoende materiaal overblijft tussen het gat en de rand van het PVC-stuk en steek een stukje niet-ferrometaal van 1,5 centimeter in het gat in het PVC. Hiermee kan de manchet worden opgepompt. Afdichten van het gebied met vijfminuten-epoxy.

Bevestig nu de manchet naast de RF-spoel in de MRS-sonde en sluit deze aan op een externe drukmetingsmanometer. Plaats vervolgens een gebouteviseerde muis in de MRS-sonde door deze met de buikzijde naar boven op de muisondersteuning te leggen.

Plaats de met vloeistof gevulde ballon op de ventrale zijde van de muis en zet deze vast met ondersteuningsbanden voor muizen. Plaats de muis en de lichaamsondersteuning in de MRS-probe. Trek één achterpoot door de ischemische manchet en de MRS-spoel.

Het achterbeen moet zoveel mogelijk in het midden van de spoel worden geplaatst. Deze opstelling maakt het mogelijk om het lichaam van het dier horizontaal te positioneren. Plaats bij een verticale bore-magneet het probe-lichaam in de magneet, voer de tuning, matching en shimming uit om de signaal-ruisverhouding van de MRS te optimaliseren zoals beschreven voor MRI, behalve dat bij MRS de RF-puls wordt geoptimaliseerd door de amplitude van het spectrum te maximaliseren.

Gebruik nu P 31 MRS om spectra met een hoge signaal-ruisverhouding en volledige relaxatie te verzamelen, of FRS om de ratio's van anorganisch fosfaat en fosfocreatine ten opzichte van TP onder volledig gerelaxte omstandigheden te bepalen. Om een ischemie-experiment uit te voeren, verzamelt u eerst gedurende ongeveer vijf minuten de rustspectra. Wek nu ischemie op door de manchet op te pompen tot 270 tot 300 millimeters kwik gedurende 10 tot 12 minuten.

Laat de manchet los en verzamel herstelspectra gedurende vijf minuten. Experimenten kunnen op opeenvolgende dagen worden herhaald. Nu tonen we enkele representatieve resultaten van in vivo MRI en MRS.

De naakte muis heeft een xenograft D 2 82 hersentumor op de rug en is gefotografeerd met een conventionele spin-echo-sequentie met verschillende relaxatie-effecten. Op het T1-gewogen beeld vertoont de tumor een vergelijkbare intensiteit als het aangrenzende weefsel. Terwijl het corresponderende T2-beeld de tumor duidelijk visualiseert als een hyperintense regio.

Multi-echo acquisitie maakt de berekening van een T2-kaart mogelijk die kwantitatieve informatie bevat over de T2-variatie in het lichaam van het dier. Regionale T2-veranderingen in het tumorgebied kunnen longitudinaal worden gemonitord op de overlappende afbeelding. Hier wordt een volledig ontspannen P31-MRS-spectrum van een achterpoot van een muis getoond.

Dit spectrum vertegenwoordigt 16 opgetelde fid's. De volgorde van de pieken van links naar rechts vertegenwoordigt de volgende spiermetabolieten: anorganisch fosfaat pi, fosfocreatine, PCR, en de fosfaten van een ATP gamma alfa en bèta P 31 MRS spectra verzameld gedurende het dynamische ischemie-reperfusie-experiment. Tijdens ischemie neemt PCR af en PI toe. De afnamesnelheid van PCR tijdens ischemie is gelijk aan de mitochondriale ATP-productie in rust.

Het PCR-herstel na ischemie kan worden gebruikt om de maximale mitochondriale ATP-productie te berekenen. We hebben zojuist gedemonstreerd hoe in vivo muisbeelden kunnen worden verkregen en hoe het in vivo spiermetabolisme van de muis kan worden gemeten met behulp van magnetische resonantiespectroscopie en magnetische resonantiebeeldvorming. Voor de MRS hebben we een op maat gemaakte RF-spoel gebouwd waarmee het lichaam van de muis in een horizontale positie in een verticale boormagneet kan worden gehouden.

Hierdoor kunnen deze experimenten op elk verticaal systeem met een grote boring worden uitgevoerd. Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat de procedure onder optimale condities moet plaatsvinden, zoals een betere afstemming en matching van de RF-spoel en een verbetering in de homogeniteit van het magnetische veld. Het is daarnaast belangrijk om de conditie van het dier te bewaken met een monitorsysteem voor dieren om een stabiele fysiologische toestand van het dier te handhaven en eventuele artefacten in de metingen te voorkomen.

Dat was alles. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw experimenten.