Mimo że schorzenia płuc pozostają główną przyczyną zachorowalności i śmiertelności na świecie1, w ostatniej dekadzie odnotowano znaczną poprawę wyników leczenia pacjentów. Poprawa ta wynika częściowo z dwóch czynników. Po pierwsze, w III fazie badań klinicznych priorytetem jako punkty końcowe są obecnie zmiany w funkcji płuc, a nie śmiertelność, co przyspiesza badania nad lekami2,3,4,5. Po drugie, postępy w udoskonalaniu modeli zwierzęcych dostarczyły wiedzy na temat mechanizmów chorobowych i pomogły w opracowywaniu terapii6,7. Modele mysie są często preferowane w badaniach translacyjnych, ponieważ oferują one podobieństwo fizjologiczne do ludzi, są przystępne cenowo i charakteryzują się szybkim rozwojem choroby. Inżynieria genetyczna rozszerzyła zakres i jakość dostępnych modeli, a International Mouse Strain Resource dysponuje obecnie ponad 32 0 szczepów myszy8, w porównaniu do zaledwie 4 218 szczepów szczurów (Rat Genome Database9). Modele te otworzyły nowe możliwości badania czynników mechanistycznych oraz odpowiedzi na terapię w szeregu chorób płuc, w tym w przewlekłej obturacyjnej chorobie płuc (COPD)10, mukowiscydozie (CF)1, włóknieniu płuc12,13, nadciśnieniu płucnem14,15 oraz astmie16.
Niestety, badania nad płucami myszy są ograniczone przez dostępne techniki ilościowego określania stopnia rozwoju choroby. Badania często opierają się na procedurach terminalnych, które 1) dostarczają informacji o całym płucach (testy biochemiczne) lub informacji zlokalizowanej (histologia) oraz 2) wymagają badań przekrojowych i dużych prób badawczych. W konsekwencji nie pozwalają one na uchwycenie dynamiki choroby w wymiarze przestrzennym ani czasowym. W przeciwieństwie do nich, nieinwazyjne obrazowanie trójwymiarowe umożliwia ocenę struktury, procesów molekularnych i funkcji płuc w czasie.
Strukturę płuc (np. nieprawidłowości dróg oddechowych i włóknienie śródmiąższowe) można zwizualizować za pomocą obrazowania rezonansem magnetycznym (MRI) z ultra-krótkim czasem echa (UTE) oraz mikrotomografii komputerowej (µCT) o wysokiej rozdzielczości. Informacje funkcjonalne i mechanistyczne (np. wentylacja, perfuzja, metabolizm guza i procesy zapalne) można uzyskać dzięki zastosowaniu egzogennych środków kontrastowych (np. CT z wzmocnieniem ksenonem i UTE z wzmocnieniem tlenem) oraz jonizujących metod medycyny nuklearnej (tj. pozytonowej tomografii emisyjnej [PET] oraz jedno-fotonowej tomografii emisyjnej [SPECT]). Jednak obrazowanie funkcjonalne jest trudne ze względu na niewielki kontrast w stosunku do szumu (szczególnie w przypadku UTE z wzmocnieniem tlenem przy wysokich natężeniach pola magnetycznego stosowanych w MRI przedklinicznym, gdzie T1 ulega wydłużeniu), dostępny bez zastosowania metod jonizujących z poziomach promieniowania wyższymi niż norma. Chociaż obrazowanie tymi metodami jest dobrze tolerowane w modelach zwierzęcych przy zastosowaniu konwencjonalnych dawek, skumulowane promieniowanie może zaburzać wyniki w badaniach nad immunologią, stanami zapalnymi i rakiem płuc17. Z kolei obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) hiperpolaryzowanym (HP) ksenonem-129 (129Xe) dostarcza małoinwazyjnych, niepromieniujących i wysoce czułych informacji strukturalnych i funkcjonalnych. Mimo że technika ta była wykorzystywana w badaniach przedklinicznych do charakteryzacji stanów takich jak rozedma18,19, włóknienie20, rak płuc21, POChP2 oraz popromienne uszkodzenie płuc23 w jednym lub wielu punktach czasowych, wciąż pozostaje ona niedostatecznie wykorzystywana w warunkach przedklinicznych.
Aby umożliwić rutynowe badania prekliniczne MRI 129Xe, wymagane jest spełnienie kilku warunków wstępnych, w tym uzyskanie instytucjonalnych zgód regulacyjnych, posiadanie urządzenia do hiperpolaryzacji, cewki radiowej (RF) dostrojonej do 129Xe oraz skanera z możliwością obrazowania wielu jąder. Chociaż zaawansowane zastosowania24,25,26,27,28,29,30,31,32,3 wymagają specyficznego dla producenta programowania impulsów, co wykracza poza zakres niniejszego protokołu, podstawowe zastosowania można zrealizować przy niewielkich modyfikacjach oprogramowania. Dlatego skupiamy się na kontroli jakości, zarządzaniu namagnesowaniem, gromadzeniu danych oraz procedurach obsługi zwierząt — w tym wentylacji mechanicznej — które są specyficzne dla preklinicznego MRI 129Xe (Rysunek 1).
Do tej pory w obrazowaniu 129Xe u małych zwierząt stosowano trzy bezpieczne dla MR metody podawania gazu, z których każda ma swoje zalety i wady: oddychanie swobodne, sterowane tłokiem oraz oparte na spadku ciśnienia. Oddychanie swobodne pozwala na spontaniczną inhalację bez ryzyka urazu związanego z intubacją lub tracheostomią, ale zużywa znacznie więcej gazu hiperpolaryzowanego (HP) i może wprowadzać artefakty ruchowe34,35. Komercyjne urządzenia sterowane tłokiem są samokalibrujące i łatwe w obsłudze zaraz po wyjęciu z opakowania, lecz mogą być prohibitywnie drogie36. Podejście oparte na spadku ciśnienia, zastosowane w niniejszej pracy, jest dobrze opisane w literaturze, modułowe, konfigurowalne i sterowane kodem open-source37,38,39,40. Ponadto jest ono kosztowo efektywne, zazwyczaj kosztując mniej niż 10 tys. USD i wymagając kilku tygodni poświęconych na budowę. Respirator oparty na spadku ciśnienia podaje 129Xe z worka z dawką znajdującego się w ciśnieniowym kanistrze, monitorując jednocześnie ciśnienie w drogach oddechowych intubowanej myszy.

Rycina 1Przegląd protokołu rutynowego pobierania ksenonu-129 (129Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) z użyciem ksenonu (Xe) u myszy. (A) Kroki konfiguracji wstępnej. (Uwaga: programowanie skanera jest specyficzne dla każdego producenta i nie zostało opisane w niniejszym protokole). (B) Etapy gromadzenia codziennych danych dotyczących zapewnienia jakości (QA) oraz danych o zwierzętach. (C) Kroki prowadzące do pomyślnego zakończenia eksperymentu i analizy danych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ilustracji.
W niniejszej pracy zbieramy i analizujemy trzy powszechne klasy danych MRI 129Xe: wentylację, obrazowanie dyfuzyjne (rozmiar pęcherzyków i przestrzeni powietrznej) oraz wymianę gazową. Obrazy wentylacji przedstawiają rozkład wdychanego gazu 129Xe. Obszary płuc z ograniczonym przepływem powietrza pojawiają się jako ciemne na obrazach gazu HP, a patologię ilościowo określa się poprzez objętość wadliwej wentylacji. U ludzi procent wad wentylacji (VDP) wykazuje wysoką powtarzalność41,42 oraz wysoką czułość w wykrywaniu niedrożności dróg oddechowych w chorobach takich jak POChDP43,4,45 i astma46,47.
Ograniczoną dyfuzję atomów 129Xe w przestrzeni powietrznej można zmierzyć za pomocą pozornego współczynnika dyfuzji (ADC), który służy jako wskaźnik wielkości przestrzeni powietrznej. ADC oblicza się poprzez pozyskanie obrazu bazowego (b0) bez ważenia dyfuzyjnego oraz jednego lub więcej obrazów pozyskanych w obecności ważenia dyfuzyjnego indukowanego przez gradienty bipolarne (bN). Podwyższony ADC odzwierciedla zwiększenie wielkości przestrzeni powietrznej wynikające z procesów starzenia lub przebudowy rozedmowej18,48. Ponadto zastosowanie obrazów o wielu wartościach b (≥4) pozwala na obliczenie bardziej szczegółowych informacji morfometrycznych (np. średniej długości przerwy, MLI)49,50.
Wymianę gazową można scharakteryzować poprzez 1) rozpuszczalność 129Xe w tkance błony kapilarnej, osoczu i erytrocytach (RBCs) oraz 2) the >przesunięcie chemiczne w kierunku pola słabego o 20 ppm dla 129Xe po rozpuszczeniu w tych przedziałach. Zarówno dane spektroskopowe, jak i obrazowe dostarczają informacji na temat chorób serca i płuc (np. nadciśnienia płucnego i niewydolności lewej komory serca51,52,53). Podczas gdy wiele gatunków (ludzie, psy i szczury) wykazuje unikalne piki widmowe pochodzące z każdego przedziału, u myszy brakuje unikalnego sygnału z erytrocytów ze względu na różnice w oddziaływaniach w miejscu wiązania hemoglobiny z ksenonem. Zamiast tego wszystkie rozpuszczone komponenty u myszy łączą się w jeden sygnał.54Można jednak zaobserwować wyraźny rezonans RBC u myszy transgenicznych wykazujących ekspresję ludzkiej hemoglobiny, takich jak te wykorzystywane w modelach anemii sierpowatej54Ogólnie rzecz biorąc, rozpuszczone 129Spektroskopia i obrazowanie z wykorzystaniem ksenonu dostarczają unikalnych informacji na temat patofizjologii krążeniowo-oddechowej u myszy55,56.
Przed przystąpieniem do realizacji niniejszego protokołu konieczna jest znajomość informacji wstępnych na temat skanera MRI, wentylacji mechanicznej oraz technik obchodzenia się z myszami, wymaganych w badaniach nad tymi zwierzętami. Przed rozpoczęciem badań na zwierzętach wszystkie procedury muszą zostać zatwierdzone przez lokalną Instytucjonalną Komisję ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC)57. Ponieważ całkowity moment magnetyczny dostępny w płucach myszy jest z natury niski (np. objętość oddechowa ~250 µL), rozmiar voxela musi być 100 razy mniejszy niż u ludzi, aby uzyskać równoważną anatomicznie rozdzielczość. Częstotliwość oddychania myszy jest również niezwykle wysoka (>10 oddechów/minutę). W związku z tym procedury wstrzymywania oddechu pojedynczego, zazwyczaj stosowane w obrazowaniu ludzi, są niewykonalne. Zamiast tego, w obrębie każdego oddechu można zastosować jedynie kilka wzbudzeń RF, zatem obrazy 129Xe muszą być kodowane w ciągu od kilkunastu do kilkuset oddechów. Może być wymagane programowanie impulsów, aby umożliwić zewnętrzne wyzwalanie akwizycji oraz prawidłowe zapętlenie warstw, kodowania fazowego i/lub obrazów ważonych dyfuzją, przy jednoczesnym zrównoważeniu stosunku sygnału do szumu (SNR), rozdzielczości i czasu skanowania. W tym przypadku respirator generuje impuls logiczny tranzystor-tranzystor (TTL) raz na oddech w celu wyzwolenia akwizycji danych (Rysunek 2).

Rycina 2Reprezentatywna wentylacja mechaniczna i czas akwizycji danych. (AWentylacja kontrolowana przez użytkownika może uruchamiać akwizycję danych w końcowej fazie wdechu, podczas wstrzymania oddechu lub w końcowej fazie wydechu.BW przypadku tej sekwencji 3D z wentylacją radialną użytkownik definiuje całkowitą liczbę nabytych projekcji oraz liczbę projekcji na jeden oddech.C) W przypadku obrazowania 2D z dyfuzyjnym ważeniem obrazu, selektywnego dla warstwy, użytkownik definiuje kolejność warstw, obrazów dla danej wartości b oraz kodowania fazy. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Aby zapewnić niezawodną wentylację i podawanie 129Xe, wymagane są solidne procedury sedacji i intubacji. W każdym badaniu należy uwzględnić efekty wtórne każdego środka anestetycznego – w tym zmiany w wentylacji minutowej, częstości akcji serca (HR) oraz ciśnieniu krwi58,59,60,61,62,63,64,65,6. Choć w przedklinicznym MRI z wykorzystaniem gazów HP stosowano różne środki uspokajające, my używamy mieszaniny ketaminy, ksylazyny i acepromazyny ze względu na jej dostępność, efektywność kosztową, niezawodność i czas działania67,68. Po sedacji zwierzęta muszą zostać zaintubowane w celu zapewnienia skutecznej wentylacji mechanicznej. Intubacja myszy jest trudna ze względu na mały rozmiar ich anatomii, dlatego kluczowe jest gruntowne przeszkolenie w tej technice. Zachęcamy badaczy do zapoznania się z opublikowanymi protokołami wideo69,70. Ponieważ większość komercyjnych kaniul do intubacji zawiera stal nierdzewną, przedstawiamy technikę wykonania bezymetalowych (tj. kompatybilnych z MRI i gazami HP), klinowatych kaniul, które można dostosować do średnicy dróg oddechowych, aby stworzyć szczelne zamknięcie ze ścianą tchawicy myszy.
Ponieważ obrazy 129Xe są gromadzone przez wiele cykli oddechowych, ustawienia respiratora mają kluczowe znaczenie. Strategie wentylacji ochronnej muszą być starannie rozważone, aby zapobiec uszkodzeniu płuc71,72,73,74. W szczególności stosowanie niskiej objętości oddechowej (TV), umiarkowanego dodatniego końca ciśnienia wydechowego (PEEP) oraz manewrów rekrutacji pęcherzyków płucnych (RMs) zmniejsza ryzyko uszkodzenia płuc indukowanego wentylacją u pacjentów ludzkich i w modelach zwierzęcych75,76,7,78,79,80,81. W niniejszej pracy zalecamy prostą technikę, która jest zgodna z wentylacją mechaniczną 129Xe z metodą spadku ciśnienia, jest bezpieczna i zapewnia wystarczający stosunek sygnału do szumu (SNR) obrazu 129Xe. Konkretnie, PEEP stosujemy poprzez dodanie komercyjnego zaworu PEEP do linii wydechowej respiratora. Aby przeprowadzić RMs, linia wydechowa musi zostać zamknięta, tak aby zwierzę otrzymało wiele wdechów bez wydechów, aż do osiągnięcia docelowego ciśnienia i czasu trwania.
W całym tekście podajemy ogólne ustawienia wentylacji, jednak zaleca się zapoznanie z literaturą w celu dostosowania ich do konkretnych celów badania82,83. Oprócz monitorowania szczytowego ciśnienia wdechowego podczas wentylacji mechanicznej, istotne jest monitorowanie temperatury zwierzęcia, co można przeprowadzić przy użyciu standardowych metod pomiaru temperatury u myszy. Choć nie jest to wymagane do obrazowania, monitorowanie częstotliwości akcji serca za pomocą elektrokardiogramu (EKG) może być korzystne; EKG może wskazać, czy zwierzę budzi się z sedacji, otrzymało przedawkowaną dawkę leku lub jest w stanie stresu, co pozwala badaczowi na interwencję.
Opisany protokół został opracowany w celu gromadzenia danych dotyczących 3D radialnej wentylacji 129Xe61, danych 2D GRE z dyfuzyjnym ważeniem76 oraz dynamicznych danych wymiany gazowej uzyskanych metodą spektroskopii impulsowej. Protokół ten ma na celu wypełnienie luki między badaniami przedklinicznymi na modelach małych zwierząt a potencjałem MRI 129Xe w pogłębianiu naszej wiedzy na temat schorzeń płuc.