Name: In vivo (in vivo) Ilościowa ocena struktury, funkcji, perfuzji i żywotności mięśnia sercowego za pomocą mikrotomografii komputerowej serca (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-02-16T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 13 s
Description: Poznaj metodę mikrotomografii komputerowej do oceny morfologii, funkcji i perfuzji mięśnia sercowego u myszy z indukowanym zawałem. Technika umożliwia szybką, nieinwazyjną i wielokrotną analizę parametrów serca w badaniach przedklinicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Ta praca była wspierana przez projekt Lijf en Leven, projekt choroby tętnic rozszerzających i zwężających.

E.D. van D., R. R., J. E. oświadczają, że nie mają sprzecznych interesów finansowych. S. B. jest płatnym pracownikiem firmy PerkinElmer, która produkuje przyrządy do obrazowania. Koszty publikacji tego artykułu wideo zostały pokryte przez PerkinElmer.

W ciągu ostatnich kilku lat mikrotomografia komputerowa stała się modalnością rozważaną przez wielu badaczy w celu scharakteryzowania struktury i funkcji serca u małych zwierząt26-29,30. Jednak oprzyrządowanie użyte w poprzednich pracach zostało albo zbudowane na zamówienie, albo nie jest już dostępne na rynku. W związku z tym badanie to miało na celu zapewnienie prostego i kompleksowego protokołu stosowania szybkiego systemu MicroCT z wewnętrznym bramkowaniem krążeniowo-oddechowym w celu określenia globalnej i regionalnej funkcji serca wraz z perfuzją mięśnia sercowego i żywotnością u małych zwierząt jako modeli chorób serca u ludzi.
Jednym z najważniejszych wymagań do badania struktury i funkcji serca jest zdolność skanera do uwzględniania fizjologicznych ruchów serca. W tym celu można zastosować prospektywne i retrospektywne techniki bramkowania oparte na EKG. Jednak bramkowanie prospektywne (krok i strzał) opiera się na z góry określonym interwale cyklu pracy serca, na przykład podczas rozkurczu, kiedy ruch serca jest najmniejszy. Dzięki takiemu podejściu uzyskuje się tylko jeden obraz na cykl pracy serca i można zrekonstruować tylko jedną fazę cyklu serca. W związku z tym, oprócz tego, że generowanie jest czasochłonne, prospektywnie bramkowane rekonstrukcje generują tylko jeden zestaw danych, który jest pozbawiony informacji funkcjonalnych. Z drugiej strony bramkowanie retrospektywne pozwala na rekonstrukcję wielu zestawów danych w każdej części cyklu serca, umożliwiając w ten sposób globalną i regionalną analizę funkcjonalną lewej komory.
W obecnych pracach wykorzystano rekonstrukcje krążeniowo-oddechowe z wewnętrznym bramkowaniem retrospektywnym. Wewnętrzne bramkowanie retrospektywne wykorzystuje zastrzeżone oprogramowanie oparte na obrazie do rekonstrukcji końcoworozkurczowych i końcowoskurczowych faz serca bez konieczności stosowania dedykowanych urządzeń do monitorowania oddechu i serca29,31,32. Doskonała zgodność wewnętrznego retrospektywnego i zewnętrznego retrospektywnego bramkowania zależnego od EKG w badaniu funkcji serca u myszy i szczurów została wykazana przez Dinkela i wsp.29. Podczas obecnych prac wewnętrzne bramkowanie retrospektywne nie tylko znacznie zminimalizowało czas potrzebny na konfigurację skanowania, ale także wyeliminowało zależność od sprzętu monitorującego, takiego jak przewody EKG i pneumatyczny czujnik oddechowy, a także dodatkowe umiejętności operatora w celu prawidłowej konfiguracji.
Po rekonstrukcji jakość obrazu zarówno zbiorów danych dotyczących końca rozkurczu, jak i końca skurczu została uznana za zadowalającą do analizy kardiologicznej. Podczas badania obrazów szczególną uwagę zwrócono na artefakty ruchu, które mogą wystąpić podczas nieodpowiedniego poziomu znieczulenia, artefakty smugowe, które mogą wystąpić w wyniku brakujących projekcji u zwierząt o wysokim współczynniku oddychania, artefakty o niskim tłumieniu, które są często spowodowane przez struktury kostne i mogą naśladować wady perfuzji, oraz artefakty pierścieniowe, które mogą wynikać z błędnej kalibracji lub awarii jednego lub więcej elementów detektora.
Zdolność mikrotomografii komputerowej do wytwarzania informacji strukturalnych i funkcjonalnych serca zależy również od dostępności odpowiedniego wewnątrznaczyniowego środka kontrastowego. Większość obecnie dostępnych na rynku kontrastów mikrotomografii komputerowej można ogólnie podzielić na kontrasty na bazie cząstek stałych, niemetabolizowalnych, specyficznych dla makrofagów i polidyspersyjnych metabolizowanych jodów23,33-36. Chociaż cząstki stałe zapewniają większe zmętnienie promieniowania rentgenowskiego ze względu na ich wyższą liczbę atomową (bar, Z=56; i złoto, Z=79), nie mogą być używane do oceny metabolicznej. Co więcej, czynniki te są postrzegane jako szkodliwe dla organizmu i usuwane przez makrofagi wątrobowe (komórki Kupffera), komórki wymiatające układ siateczkowo-śródbłonkowy (RES). Ze względu na ich niemetabolizowalny charakter, środki te wywołują zmiany w mikrokrążeniu wątroby towarzyszące uszkodzeniu wątroby37.
Z drugiej strony, metabolizowane kontrasty na bazie jodu nie są przeznaczone do usuwania specyficznego dla RES, dlatego powinny zapewnić lepszy profil bezpieczeństwa i uniknąć toksycznego działania na wątrobę. Oprócz lepszego profilu bezpieczeństwa, kontrasty te są wychwytywane przez tkanki aktywne metabolicznie, dzięki czemu mogą być wykorzystywane do oceny żywotności22,23. W tym celu do niniejszego badania wybrano jodowy środek kontrastowy. Kontrast podawano w dawce 5 lub 10 μl na gram masy ciała zwierzęcia w pojedynczym wstrzyknięciu dożylnym w bolusie. Chociaż obie dawki przyniosły zadowalające wyniki poprawy, po wstrzyknięciu 10 μl/g kontrastu obserwowano zależny od dawki wzrost poziomu kontrastu w lewej komorze i mięśniu sercowym. Co ciekawe, przy większej dawce czas trwania gromadzenia się krwi był wydłużony, a szczyt wychwytu kontrastu w mięśniu sercowym był opóźniony. Jedno zwierzę (Mysz 1) było obserwowane przez 10 tygodni po operacji i w tym okresie było obrazowane co dwa tygodnie. Z doświadczenia wynika, że w okresie monitorowania u tej myszy nie zaobserwowano żadnych działań niepożądanych związanych z kontrastem (łącznie 5 wstrzyknięć) lub związanych z ekspozycją na promieniowanie rentgenowskie (łącznie 10 skanów mikrotomografii komputerowej). Jednym z najczęściej zgłaszanych działań niepożądanych długotrwałej ekspozycji na jod jest zaburzenie pracy tarczycy, którego nie zaobserwowano makroskopowo w badaniach pośmiertnych. Mannheim i wsp. badali poziomy tyroksyny po 3 kolejnych podaniu kontrastu i nie stwierdzili różnicy, gdy poziomy zostały porównane z grupą kontrolną37. Korzystając z tych samych zestawów danych MicroCT, nie wykryto u tego zwierzęcia żadnych oznak zwłóknienia płuc wywołanego promieniowaniem (dane nie pokazane), co potwierdza bezpieczeństwo zabiegu.
Ocena globalnej i regionalnej funkcji komorowej serca jest uważana za najsilniejszą determinantę wydolności serca i istotną z punktu widzenia rokowania i wyboru interwencji terapeutycznej38,39. Globalne wskaźniki czynnościowe lewej komory obejmują końcoworozkurczową objętość lewej komory (LVEDV), końcowoskurczową objętość lewej komory (LVESV), objętość wyrzutową lewej komory (LVSV), frakcję wyrzutową lewej komory (LVEF) i pojemność minutową serca (CO). Wcześniejsze badania MicroCT potwierdziły, że ilościowa ocena ogólnej czynności serca jest możliwa w mysich modelach choroby sercowo-naczyniowej i że wyraźne pogorszenie globalnej czynności serca następuje wkrótce po niedrożności tętnicy LAD. Wyniki te są zgodne z wcześniejszymi doniesieniami w tym, że wyraźne zmniejszenie LVSV, LVEF i CO nastąpiło już w 1 dniu po okluzji29,40-43. Warto wspomnieć, że sprawność funkcjonalna serca zależy od rodzaju i stopnia znieczulenia, dlatego dla dokładnych pomiarów tętno podczas akwizycji obrazu powinno byćjak najbardziej fizjologiczne44.
Ilościowa ocena masy mięśnia sercowego lewej komory (LVMM) jest ważna dla oceny przerostu lewej komory i była prowadzona głównie za pomocą MRI11,43,45,46. LVMM jest często korygowany pod kątem masy ciała i przedstawiany jako wskaźnik masy mięśnia sercowego lewej komory (LVMMI), aby umożliwić normalizację masy serca u myszy w różnym wieku i o różnym pokroju. Dokładne oszacowanie tych parametrów jest ważne, ponieważ u myszy z zawałem mięśnia sercowego rozwija się znaczny przerost lewej komory47. Ocena geometrii LVMM, LVMMI i LV jest również ważna w diagnostyce przerostu i dysplazji serca11. W związku z tym określenie tych parametrów będzie dodatkowo korzystne dla różnicowania stanów takich jak hipertrofia koncentryczna, hipertrofia ekscentryczna lub przebudowa koncentryczna. W niniejszej pracy oznaczono zarówno wartości LVMM, jak i LVMMI u myszy poddanych podwiązaniu tętnicy LAD oraz u zwierzęcia operowanego pozorowo. Następnie zidentyfikowano wielkość zawału mięśnia sercowego i wykorzystano ją do obliczenia procentowej wielkości zawału. Chociaż podczas operacji podwiązanie do tętnicy wieńcowej LAD zostało założone na tym samym poziomie, okluzja wygenerowała zawały z pewną zmiennością: 13,3%, 15,8% i 22,4% (tab. 1). Jedno z możliwych wyjaśnień tej zmienności może wynikać z różnic w anatomii tętnic wieńcowych i ich terytorialnym ukrwieniu między zwierzętami, co jest zgodne z wcześniejszymi doniesieniami48. Najczęstszym sposobem oceny wielkości zawału w mysim modelu zawału mięśnia sercowego jest barwienie ex vivo chlorkiem trifenylotetrazolu (TTC), technika, która nie pozwoliłaby na długotrwałe monitorowanie choroby u tego samego zwierzęcia. W kontekście wcześniejszych prac Ashton i wsp.22 i w związku z tym warto zauważyć, że mikrotomografia komputerowa w połączeniu z jodowanym środkiem kontrastowym może stanowić alternatywną i nieniszczącą metodę wzdłużnego określania wielkości zawału.
Dodatkową zaletą techniki MicroCT jest bardzo dokładne określenie regionalnego niedokrwienia. Podobnie jak u ludzi, lewa tętnica wieńcowa myszy dzieli się na tętnicę zstępującą (LAD) i gałąź przegrodową (LCX). Jednak u myszy anatomia bocznych klamer LAD i LCX różni się znacznie między zwierzętami48. Duże brachy LCX czasami są ściśle równoległe do LAD, a ponieważ tętnice wieńcowe myszy są wewnątrzmięśniowe i dlatego nie są widoczne, boczne aparaty LCX są czasami przypadkowo, ale nieuchronnie włączane do niedrożności naczyń wieńcowych podczas zabiegu zawału myszy. W związku z tym obwodowa mapa biegunowa uzyskana po mikrotomografii komputerowej może być wykorzystana do dokładnego określenia, które tętnice wieńcowe zostały niedrożne, ponieważ na perfuzję i wychwyt kontrastu w sektorach 2, 3, 8 i 9 ma wpływ LCX, podczas gdy sektory 7, 10, 11, 12, 13, 15, 16 i 17 są dostarczane przez LAD. W związku z tym mapa biegunowa jest bardzo korzystna dla dokładnego określenia niedrożnych tętnic i odpowiednio pomaga w prawidłowej interpretacji wpływu zawału mięśnia sercowego na czynność serca i postęp choroby.
Zastosowany mysi model zawału mięśnia sercowego w dużym stopniu naśladuje ludzką sytuację kliniczną, w której naczynia wieńcowe zostają nagle zamknięte w wyniku ostrego pęknięcia blaszki miażdżycowej i jako taki jest bardzo korzystny w badaniu rozwoju choroby serca z zawałem49. Podczas gdy w rozwiniętych krajach zachodnich leczenie pacjentów cierpiących na zawał mięśnia sercowego ma na celu szybkie przywrócenie krążenia w naczyniu wieńcowym, w wielu przypadkach, szczególnie w krajach mniej rozwiniętych gospodarczo, gdzie częstość występowania zawału mięśnia sercowego gwałtownie rośnie, niedrożność nie może zostać anulowana w czasie1,50. Powoduje to duże zawały komorowe, które najczęściej prowadzą do przewlekłej niewydolności serca i stanowią ogromne obciążenie dla zdrowia publicznego. W związku z tym duże znaczenie dla opracowania nowych strategii leczenia tej choroby mają podłużne nieinwazyjne metody diagnostyczne z wykorzystaniem modelu zawału mięśnia sercowego ze stałą niedrożnością tętnic wieńcowych i dużym zawałem komorowym.
Obrazowanie perfuzyjne w tomografii komputerowej mięśnia sercowego jest szybko rozwijającą się techniką, która umożliwia ilościową ocenę regionalnych nieprawidłowości przepływu krwi w naczyniach wieńcowych i ich znaczenia dla funkcji i żywotności serca. Nowsze badania na małych zwierzętach zmniejszyły lukę między mikrotomografią komputerową a SPECT, metodą z wyboru do oceny perfuzji i żywotności22. W celu oceny stopnia regionalnego upośledzenia przepływu krwi spowodowanego niedrożnością tętnicy wieńcowej LAD, dane z MicroCT oceniono również pod kątem informacji o perfuzji mięśnia sercowego. Wiadomo, że podwiązana tętnica LAD zapewnia dopływ krwi do wolnej ściany, części przegrody i obszaru wierzchołkowego lewej komory. Wady perfuzji mięśnia sercowego (obszary hipowzmocnione) myszy 1 są pokazane w układzie współrzędnych biegunowych i oczywiste w środkowym przednim, środkowym dolno-bocznym, środkowym przednio-bocznym, wierzchołkowym przednim i wierzchołkowym bocznym, wyniki są zgodne z tym samym rozkładem naczyń wieńcowych (ryc. 3). Nie stwierdzono różnicy między wadami perfuzji pochodzącymi z obrazów końcoworozkurczowych i skurczowych w homosegmentach. Na rycinie 4 przedstawiono mapy biegunowe końca rozkurczowej i końca skurczowej perfuzji mięśnia sercowego zwierzęcia operowanego pozorowanego. Niewielkie różnice w przepływie krwi w mięśniu sercowym między segmentami zwierzęcia kontrolnego są nieistotne zarówno w przypadku reprezentacji końcoworozkurczowej, jak i końcowoskurczowej. Co ciekawe, obszary hipowzmocnienia można zobaczyć wizualnie na obrazach o krótkim przekroju osiowym (ryc. 1) i można je łatwo określić ilościowo, jak pokazano na rysunku 3. Nie było to możliwe w badaniu Befedy i wsp. i można je wytłumaczyć większym szumem zastosowanego instrumentu MicroCT22. Aby można je było dostrzec wizualnie, różnice w sygnale muszą być co najmniej trzy do pięciu razy większe niż szum (odchylenie standardowe) na obrazie51. Niski poziom szumów mikrotomografii komputerowej zastosowanej w tym badaniu pozwolił na wykrycie niewielkiej różnicy sygnału między upośledzonym a normalnie perfundowanym mięśniem sercowym (127HU±23HU vs. 217HU±29HU), co pozwoliło na pomyślną ocenę wad wzorca perfuzji mięśnia sercowego.
Jedną z głównych zalet stosowania jodowego środka kontrastowego jest możliwość oceny żywotności mięśnia sercowego i metabolizmu dzięki wzmocnieniu mięśnia sercowego zależnemu od kontrastu. Według naszej wiedzy, zdolność kontrastu do wzmacniania mięśnia sercowego została po raz pierwszy opisana przez Detombe i wsp.23 , a jego pierwsze zastosowanie w obrazowaniu zawału mięśnia sercowego zostało zgłoszone przez Ashtona i wsp.22. Chociaż grupa wskazała, że perfundowany mięsień sercowy u myszy z zawałem mięśnia sercowego wykazywał poprawę podobną do kontrolnej, a mięsień sercowy z zawałem nie wykazywał poprawy, nie zgłoszono ilościowej oceny segmentowego wzmocnienia mięśnia sercowego. Aby dokładniej zbadać, czy wzmocnienie mięśnia sercowego można ocenić ilościowo, wszystkie myszy zostały ponownie zobrazowane przy użyciu tego samego protokołu obrazowania 3-4 godziny po podaniu kontrastu, kiedy wzmocnienie mięśnia sercowego w stosunku do jamy było maksymalne.
Wady wychwytu kontrastu mięśnia sercowego obserwowano wizualnie na obrazach przekroju poprzecznego krótkoosiowego końca rozkurczowego i końca skurczowego serca myszy z zawałem mięśnia sercowego (ryc. 5), ale nie u zwierzęcia operowanego pozorowo (ryc. 6). Wychwyt mięśnia sercowego oceniano ilościowo w każdym segmencie mięśnia sercowego zarówno z rekonstrukcji końcoworozkurczowej, jak i końcowej skurczowej i przedstawiono w układzie współrzędnych biegunowych (ryc. 7 i 8). Wartości homosegmentalne końca rozkurczowego i końca skurczowego uzyskane od tego samego zwierzęcia nie różniły się. Jednak obwodowe wykresy biegunowe wykazały nieprawidłowości specyficzne dla segmentu (ryc. 7) z podobnymi wzorcami, jak te pokazane na mapach perfuzji mięśnia sercowego (ryc. 2). Nie zaobserwowano defektów wychwytu kontrastu na obwodowych wykresach biegunowych myszy sterowanej pozorem (ryc. 8). Dane dotyczące wychwytu mięśnia sercowego były wystarczającej jakości, aby przeprowadzić globalną analizę funkcjonalną i ilościową ocenę masy mięśnia sercowego LV i wielkości zawału (nie pokazano). Chociaż nie jest to związane z obecnie stosowanym modelem ze stałą niedrożnością tętnic wieńcowych LAD, uważamy, że kontrastowa ekstrakcja mięśnia sercowego może być związana nie tylko ze zmianami w regionalnym przepływie krwi w mięśniu sercowym, ale także ze stanem kardiomiocytów (np. bliznowatego, ogłuszonego i hibernującego mięśnia sercowego). Aby przetestować tę hipotezę, w przyszłych pracach wykorzystany zostanie model z tymczasowym niedokrwieniem mięśnia sercowego i reperfuzją.
Aktywny skurcz mięśnia sercowego powoduje ruch ściany mięśnia sercowego i pogrubienie, które służą jako ważne markery funkcji skurczowej i żywotności mięśnia sercowego. Ocena regionalnego ruchu ściany, pogrubienia i frakcji wyrzutowej pomaga odróżnić bierny ruch ściany skurczowej od aktywnego skurczu mięśnia sercowego. Aby umożliwić standaryzowaną kwantyfikację zakresu i nasilenia zmiany, ruchy ścian, pogrubienie ścian i regionalne frakcje wyrzutowe są zwykle odwzorowywane na mapach biegunowych. Nieprawidłowości w ruchu regionalnej ściany komory są ważnymi markerami niedokrwienia mięśnia sercowego, które są najczęściej oceniane za pomocą MRI52. Wyniki ruchu ściany lewej komna, pogrubienia i regionalnej frakcji wyrzutowej dla każdego segmentu myszy z zawałem mięśnia sercowego i bez niego przedstawiono na rycinach 9 i 10. Zgodnie z oczekiwaniami, podwiązanie tętnicy wieńcowej LAD spowodowało znaczne zmniejszenie regionalnych wskaźników funkcjonalnych LV (ryc. 9), podczas gdy nie zaobserwowano żadnego efektu u myszy operowanej pozorem (ryc. 10). Wyniki te są zgodne z wcześniej podawanymi danymi.
Podsumowując, prace te wykazały pierwsze udane zastosowanie szybkiego systemu mikrotomografii komputerowej do kompleksowego określania globalnych i regionalnych parametrów funkcjonalnych mięśnia sercowego wraz z oceną perfuzji i żywotności mięśnia sercowego u zdrowych i mysich modeli zawału mięśnia sercowego. Prace te mogą być dalej rozszerzone o charakterystykę innych modeli chorób sercowo-naczyniowych, co pozwoli na dokładną i nieniszczącą ocenę zmian czynnościowych i patofizjologicznych serca oraz ocenę nowych strategii profilaktycznych i terapeutycznych.

Choroba niedokrwienna serca (IHD) nadal jest najczęstszą przyczyną zachorowalności i śmiertelności mężczyzn i kobiet na całym świecie1. Ze względu na złożoność i wzajemne powiązania, które istnieją między narządami i układami na poziomie organizmu, wykorzystanie całego zwierzęcia jako modelu IHD pozostaje istotne nie tylko dla lepszego zrozumienia patofizjologii choroby, ale także dla oceny nowych strategii zapobiegawczych i terapeutycznych. W szczególności modele mysie przyczyniły się do poszerzenia naszej wiedzy na temat rozwoju serca, patogenezy zawału mięśnia sercowego, przerostu mięśnia sercowego, zapalenia mięśnia sercowego i zmian tętniakowych2-7. Parametrami, które decydują o wydolności serca i są przydatne z punktu widzenia rokowania i wyboru interwencji terapeutycznej, są masa i geometria serca, funkcja globalna i regionalna, przestrzenny rozkład przepływu krwi w mięśniu sercowym i żywotność mięśnia sercowego.
Jednak większość tradycyjnych metod badawczych stosowanych w mysich modelach chorób serca obejmuje inwazyjne pomiary, które wymagają godzin na ukończenie, więc zwierzę nie może być użyte do powtórzenia pomiarów, lub metoda będzie wymagała ofiary zwierzęcej8-12. Na przykład, aby zmierzyć regionalną perfuzję mięśnia sercowego, stosuje się radioaktywnie lub fluorescencyjnie znakowane mikrosfery, w których wykrywa się liczbę radioaktywnych lub sygnały fluorescencyjne na fizycznie wypreparowanym sercu lub in situ13,14.
Podobnie, ocena wielkości zawału w zwierzęcych modelach zawału mięśnia sercowego jest najczęściej wykonywana za pomocą barwienia chlorkiem trifenylotetrazolu (TTC), a w celu określenia przebiegu ewolucji zawału i efektu interwencji terapeutycznych, technika ta wymaga, aby zwierzęta musiały zostać uśmiercone do badania histopatologicznego serca w różnych punktach czasowych15. W związku z tym niezwykle ważne są nieniszczące i humanitarne techniki, które umożliwiłyby ilościową i podłużną analizę morfologii, funkcji, metabolizmu i żywotności serca. W tym kontekście duże znaczenie ma obrazowanie przedkliniczne. Wśród obecnie dostępnych metod obrazowania najczęściej stosuje się rezonans magnetyczny (MRI) i echokardiografię16,17,18.
Jednakże, pomimo faktu, że MRI jest uważany za metodę odniesienia zarówno w pracy klinicznej, jak i przedklinicznej, wysokie koszty zakupu i utrzymania dedykowanych systemów MRI dla małych zwierząt, a także złożoność tej technologii dla niezaawansowanych użytkowników, sprawiają, że MRI jest zbyt drogie do rutynowego użytku. Jeśli chodzi o echokardiografię, istnieją poważne wady sposobu pomiaru czynności serca. Dane uzyskiwane w większości badań echokardiograficznych są dwuwymiarowe, a aby uzyskać objętości, należy przyjąć założenia geometryczne19. Ponadto słaba odtwarzalność wewnątrz i między obserwatorami jest kolejnym istotnym ograniczeniem tej techniki. Obrazowanie radioizotopowe za pomocą tomografii emisyjnej pojedynczych fotonów (SPECT) i pozytonowej tomografii emisyjnej (PET) jest stosowane głównie do oceny perfuzji i metabolizmu mięśnia sercowego17,20,21. Jednak ograniczona rozdzielczość przestrzenna tych modalności obrazowania sprawia, że obrazowanie serca u myszy jest trudne.
Z drugiej strony, wraz z pojawieniem się technologii detektorów z płaskim panelem, która pozwala na lepszą czułość promieniowania rentgenowskiego i szybszy czas odczytu, obecne najnowocześniejsze systemy MicroCT mogą teraz dostarczać trójwymiarowe (3D) i czterowymiarowe (4D) obrazy o jakości MRI. Są praktycznie bezobsługowe i łatwe w obsłudze dla niezaawansowanych użytkowników. Dzięki temu takie instrumenty do mikrotomografii komputerowej mogą być dobrze przystosowane do rutynowych badań małych zwierząt jako modeli chorób u ludzi. Co najważniejsze, wraz z opracowaniem nowego przedklinicznego jodowego środka kontrastowego, możliwa stała się jednoczesna ocena funkcjonalna i metaboliczna serca22-24.
Ten środek kontrastowy zawiera wysokie stężenie jodu (160 mg/ml), wytwarzając silny kontrast we krwi po jego dożylnym podaniu, umożliwiając obrazowanie in vivo naczyń krwionośnych i komór serca. W ciągu godziny po podaniu można zaobserwować ciągły wzrost kontrastu mięśnia sercowego związany z jego wychwytem metabolicznym, dlatego ten sam środek kontrastowy może być stosowany do oceny ogłuszenia mięśnia sercowego i żywotności.
Celem techniki opisanej w tym manuskrypcie jest umożliwienie badaczom użycia szybkiego systemu MicroCT z wewnętrznym bramkowaniem krążeniowo-oddechowym, w połączeniu z jodowym środkiem kontrastowym z puli krwi, do określenia globalnej i regionalnej funkcji mięśnia sercowego wraz z perfuzją i żywotnością mięśnia sercowego u zdrowych myszy oraz w mysim modelu niedokrwienia serca wywołanym przez trwałą niedrożność lewej przedniej zstępującej tętnicy wieńcowej (LAD). Dzięki zastosowaniu tego modelu zwierzęcego i techniki obrazowania, szybka ocena najważniejszych parametrów serca może być wykonywana w sposób powtarzalny przy użyciu jednej metody obrazowania i bez konieczności wykonywania inwazyjnych procedur lub konieczności poświęcania zwierząt. Technika ta może być stosowana w celu oceny nowych strategii profilaktycznych i terapeutycznych.

<table><tbody><tr><td>System obrazowania Quantum FX MicroCT</td><td>PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA</td><td></td><td>System mikro tomografii komputerowej</td></tr><tr><td>XGI-8 System anestezjologiczny</td><td>PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA</td><td>Kat. Nr 118918</td><td>System anestezjologii gazowej</td></tr><tr><td>Analyze 12.0 Oprogramowanie</td><td>Analyze Direct, Overland Park, KS, USA</td><td></td><td>Oprogramowanie do wizualizacji i analizy do obrazowania</td></tr><tr><td>eXIA160 MicroCT Contrast</td><td>Binitio Biomedical, Ottawa, ON, KANADA</td>.<td> Nie. eXIA160-01; eXIA160-02; eXIA160-03; eXIA160-04; eXIA160-05</td><td>Radiokontrast na bazie jodu do obrazowania mikrotomografii komputerowej</td></tr><tr><td>Isoflurane</td><td>Pharmachemie BV, Haarlem, Holandia</td><td>Kat. Nr 45.112.110</td><td>znieczulenie wziewne</td></tr><tr><td>1/2CC U-100 28G1/2 Strzykawka insulinowa</td><td>Becton Dickinson and Company, USA</td><td>Kat. Nr 329461</td><td>Strzykawki insulinowe ze sterylnym wnętrzem</td></tr><tr><td>Mikroskop Leica typ M80</td><td>Leica Microsystems BV, Eindhoven, Holandia</td><td></td><td>Stereoskopowy mikroskop zmiennoogniskowy</td></tr></tbody></table>

in vivo (in vivo) ilościowa ocena struktury, funkcji, perfuzji i żywotności mięśnia sercowego za pomocą mikrotomografii komputerowej serca

In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography

Wykorzystanie mikrotomografii komputerowej (MicroCT) do badań in vivo małych zwierząt jako modeli chorób ludzkich ogromnie wzrosło dzięki temu, że MicroCT dostarcza ilościowych trójwymiarowych (3D) danych anatomicznych o wysokiej rozdzielczości w sposób nieniszczący i podłużny. Co najważniejsze, wraz z opracowaniem nowego przedklinicznego jodowego środka kontrastowego o nazwie eXIA160, możliwa stała się ocena funkcjonalna i metaboliczna serca. Jednak przed pojawieniem się komercyjnych skanerów MicroCT wyposażonych w technologię płaskiego detektora rentgenowskiego i łatwe w użyciu bramkowanie krążeniowo-oddechowe, badania przedkliniczne chorób sercowo-naczyniowych (CVD) u małych zwierząt wymagały technika MicroCT o zaawansowanych umiejętnościach, a zatem były niepraktyczne do powszechnego wdrożenia. Celem tej pracy jest dostarczenie praktycznego przewodnika po zastosowaniu szybkiego systemu Quantum FX MicroCT do kompleksowego określenia globalnej i regionalnej funkcji mięśnia sercowego wraz z oceną perfuzji, metabolizmu i żywotności mięśnia sercowego u zdrowych myszy oraz w mysim modelu niedokrwienia serca wywołanym przez trwałą niedrożność lewej przedniej zstępującej tętnicy wieńcowej (LAD).

Pozyskiwanie obrazów MicroCT, rekonstrukcja obrazu i ocena jakości obrazu.
Cztery myszy szczepu C57Bl/6, w tym trzy z trwałą okluzją LAD oraz jedna z grupy operowanej pozornie (sham), pomyślnie przeszły rekonwalescencję po zabiegu i ukończyły protokół obrazowania, który obejmował jednorazowe dożylne podanie bolusa środka kontrastowego oraz dwa 4,5-minutowe akwizycje krążeniowo-oddechowe MicroCT. Średnia częstość akcji serca podczas badań MicroCT wynosiła 385 ± 18 uderzeń na minutę. Rekonstrukcja obrazów w końcowej rozkurczowej i końcowej skurczowej fazie cyklu wykorzystywała zastrzeżoną, wewnętrzną synchronizację opartą na obrazie (image-based gating), dzięki czemu nie było konieczne zastosowanie dedykowanych urządzeń do monitorowania oddechu i pracy serca, takich jak odprowadzenia EKG czy pneumatyczny czujnik oddechowy. Po rekonstrukcji, jakość obrazów z obu zestawów danych (końcoworozkurczowych i końcowoskurczowych) została sprawdzona za pomocą oprogramowania do przeglądania obrazów 2D. Jakość obrazu uznano za satysfakcjonującą i nie stwierdzono potrzeby przeprowadzania dodatkowych akwizycji. Zatem wszystkie raportowane dane pochodziły z dwóch skanów na mysz; pierwszy skan wykonano 10 minut po iniekcji, w fazie wypełnienia łożyska naczyniowego (blood pool phase), a drugi skan wykonano 3–4 godziny po iniekcji, w fazie metabolicznego wychwytu kontrastu. Reprezentatywne krótkie przekroje osiowe w fazie końcoworozkurczowej i końcowoskurczowej łożyska naczyniowego serca myszy z zawałem mięśnia sercowego (Rycina 1) oraz serca myszy bez zawału mięśnia sercowego (Rycina 2) wykazały doskonałe odrysowanie jamy lewej komory przy niewielkim poziomie szumu tła, co umożliwiło dokładną ocenę anatomiczną i funkcjonalną. Obszary rzadszego rozmieszczenia kontrastu, odpowiadające zawałowi mięśnia sercowego, były wyraźnie zaznaczone na obrazach krótkich przekrojów osiowych serca myszy poddanej ligacji tętnicy wieńcowej LAD (Rycina 1), ale nie wystąpiły u zwierzęcia z grupy operowanej pozornie (Rycina 2).
Ilościowa ocena funkcji lewej komory
Wykonano trójwymiarową segmentację opartą na progowaniu dla objętości końcoworozkurczowych i końcowoskurczowych, aby określić końcoworozkurczową objętość lewej komory (LVEDV) oraz końcowoskurczową objętość lewej komory (LVESV) u każdego zwierzęcia. Objętość wyrzutową lewej komory (LVSV), frakcję wyrzutową lewej komory (LVEF) oraz rzut serca (CO) obliczono na podstawie LVEDV i LVESV zgodnie z formułami opisanymi w sekcji 5. Wyniki pomiarów objętości i globalnej funkcji serca podsumowano w tabeli 1. Trzy godziny po podwiązaniu średnia LVEDV znormalizowana do masy ciała zwierzęcia nie różniła się między grupą z zawałem mięśnia sercowego a zwierzęciem w grupie pozorowanej (2.8 ± 0.23 vs. 2.3). Jednakże średnia LVESV znormalizowana do masy ciała była wyższa w grupie z zawałem mięśnia sercowego (2.1 ± 0.31 vs. 0.92). Odpowiednio, średnia LVEF i rzut serca (CO) u myszy z okluzją tętnicy wieńcowej LAD były niższe w porównaniu z myszą w grupie pozorowanej (odpowiednio 23.1% ± 7.1% vs. 60.5% oraz 4.23 ± 0.4 ml/min vs. 13.84 ml/min).
Ilościowa ocena masy mięśniowej lewej komory oraz wielkości zawału.
Zarówno masę mięśniową lewej komory (LVMM), jak i indeks masy mięśniowej lewej komory (LVMMI) określono na podstawie segmentacji epikardialnej i endokardialnej, obejmującej mięśnie brodawkowate i trabekule. Przetworzono rekonstrukcje końca rozkurczowego i końca skurczowego, a wartości dla grupy z zawałem mięśnia sercowego oraz dla zwierzęcia poddanego operacji pozorowanej (sham) podsumowano w Tabeli 1. Objętości zawału mięśnia sercowego określono na podstawie rzadkości kontrastu przy użyciu trójwymiarowej wolumetrii opartej na progu. Jak pokazano w Tabeli 1, trzy godziny po podwiązaniu tętnicy wieńcowej LAD obszary zagrożone (AAR) u myszy 1, 2 i 3 wynosiły odpowiednio 22,4 %, 13,3% i 15,8% LVMM.
Obrazowanie perfuzji mięśnia sercowego (MPI).
Reprezentatywne wykresy polarne (wykresy typu „Bulls Eye”) obwodowego przepływu w końcowej rozkurczowej i końcowej skurczowej fazie cyklu, obrazujące perfuzję mięśnia sercowego u myszy z zawałem mięśnia sercowego (Mysz 1) oraz u myszy bez zawału mięśnia sercowego (Mysz 4), przedstawiono na Rysunku 3 i 4. Obrazy wykorzystane do stworzenia wykresów pozyskano 10 minut po podaniu środka kontrastowego i 3 godziny po podwiązaniu LAD. Wartości homosegmentalne w końcowej rozkurczowej i końcowej skurczowej fazie cyklu uzyskane u tego samego zwierzęcia nie różniły się od siebie. Jednakże w segmentach środkowo-przednim, środkowo-dolnobocznym, środkowo-przednio-bocznym, wierzchołkowym przednim i wierzchołkowym bocznym myszy z zawałem mięśnia sercowego zaobserwowano hipowzmocnienie, co wskazuje na upośledzenie przepływu krwi w tętnicach wieńcowych spowodowane okluzją tętnicy LAD (Rysunek 3). Takiego upośledzenia nie zaobserwowano w sercu zwierzęcia z grupy operacji pozorowanej (Rysunek 4).
Żywotność i metabolizm mięśnia sercowego.
Reprezentatywne obwodowe wykresy polarne (wykresy typu „Bulls Eye”) w fazie końca rozkurczu i końca skurczu, przedstawiające metaboliczne wychwyty mięśnia sercowego u myszy z zawałem mięśnia sercowego (Mysz 1) oraz u myszy bez zawału mięśnia sercowego (Mysz 4), przedstawiono na Ryc. 7 i 8. Obrazy wykorzystane do stworzenia wykresów pozyskano 3-4 godziny po podaniu kontrastu i 5-6 godzin po podwiązaniu LAD. Różnice w wychwycie kontrastu przez mięsień sercowy można było również zaobserwować wizualnie w przekrojach osiowych krótkich serca myszy, której poddano okluzję tętnicy wieńcowej LAD (Ryc. 5), natomiast nie zaobserwowano ich u myszy z grupy kontrolnej (sham) (Ryc. 6). Wartości homogeniczne w fazie końca rozkurczu i końca skurczu uzyskane od tego samego zwierzęcia nie różniły się między sobą. Obwodowe wykresy polarne wykazały nieprawidłowości specyficzne dla segmentów (Ryc. 7) o wzorcu podobnym do tego widocznego na mapach perfuzji mięśnia sercowego (Ryc. 2). Na obwodowych wykresach polarnych myszy z grupy kontrolnej (sham) nie stwierdzono defektów wychwytu kontrastu (Ryc. 8).
Ilościowa ocena regionalnej funkcji LV.
Jakość obrazu była wystarczająca do przeprowadzenia wizualnej oceny ruchu i pogrubienia lewej komory na podstawie rekonstrukcji końcoworozkurczowych i końcowoskurczowych u wszystkich obrazowanych myszy. Wyniki oceny ruchu ściany LV, pogrubienia oraz regionalnej frakcji wyrzutowej dla każdego segmentu myszy z zawałem mięśnia sercowego oraz bez zawału przedstawiono na Rysunku 9 oraz Rysunku 10. Zgodnie z oczekiwaniami, podwiązanie tętnicy wieńcowej LAD spowodowało znaczny spadek regionalnych wskaźników funkcjonalnych LV (Rysunek 9), podczas gdy u myszy poddanej operacji pozorowanej (sham) nie zaobserwowano żadnego efektu (Rysunek 10).
<img alt="(A, B) Obrazy MRI serca z żółtymi strzałkami wskazującymi wzmocnienie mięśnia sercowego, pokazujące progresję." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Reprezentatywne przekroje krótkiej osi w fazie końca rozkurczu (A) i końca skurczu (B) z obrazowaniem puli krwi w sercu myszy z zawałem mięśnia sercowego (Mysz 1). Obrazy pozyskano 3 godziny po zamknięciu tętnicy wieńcowej LAD i 10 minut po podaniu kontrastu. Negatywny kontrast zaznaczony żółtymi strzałkami wynika z braku opacyfikacji kontrastową w obszarze zawału.
<img alt="Schemat sekwencji MRI; seria obrazowania serca pokazująca dynamikę przekrojów poprzecznych, wyniki timelapse." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Reprezentatywne przekroje poprzeczne krwi w osi krótkiej w końcowym rozkurczu (A) i końcowym skurczu (B) serca myszy bez zawału mięśnia sercowego (Mysz 4). Obrazy pozyskano 3 h po operacji pozorowanej i 10 min po podaniu kontrastu. Opacyfikacja kontrastowa jest równomiernie widoczna we wszystkich przekrojach mięśnia sercowego.
<img alt="Wykresy analizy segmentowej MRI serca; wizualizacja danych w fazie końca rozkurczu i końca skurczu." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Reprezentatywne obwodowe wykresy polarne (wykresy typu Bulls Eye) w fazie końca rozkurczu i końca skurczu, przedstawiające perfuzję mięśnia sercowego u myszy z zawałem mięśnia sercowego (Mysz 1). (A) Lewa komora została podzielona na podstawowe, środkowe i wierzchołkowe części w przekroju osiowym krótkim zgodnie z 17-segmentowym modelem AHA25. Wyraźna różnica w perfuzji jest widoczna w segmentach przednim środkowym, dolno-bocznym środkowym, przednio-bocznym środkowym, przednim wierzchołkowym oraz bocznym wierzchołkowym. Przedstawione wartości reprezentują średnie segmentowe w jednostkach Hounsfielda ± odchylenia standardowe. (B) Mapy perfuzji mięśnia sercowego przedstawione bez podziału na 17 segmentów. Środek wykresu odpowiadający wierzchołkowi serca (segment 17) nie został pokazany.
<img alt="Schematy serca w końcowym rozkurczu i końcowym skurczu analizujące dynamikę przepływu krwi." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Reprezentatywne obwodowe wykresy polarne (wykresy typu „bulls eye”) w końcowym rozkurczu i końcowym skurczu przedstawiające perfuzję mięśnia sercowego u myszy bez zawału mięśnia sercowego (Mysz 4). (A) Lewa komora została podzielona na podstawowe, środkowe i wierzchołkowe części w przekroju poprzecznym zgodnie z 17-segmentowym modelem AHA25. W wszystkich segmentach występuje podobna perfuzja. Przedstawione wartości reprezentują średnie segmentowe w jednostkach Hounsfielda ± odchylenia standardowe. (B) Mapy perfuzji mięśnia sercowego przedstawiono bez podziału na 17 segmentów. Środek wykresu odpowiadający wierzchołkowi serca (segment 17) nie jest pokazany.
<img alt="Obrazy z mikroskopii fluorescencyjnej struktur komórkowych, schemat przedstawiający porównanie aktywności komórkowej." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5. Reprezentatywne przekroje krótkiej osi w końcowym rozkurczu (A) i końcowym skurczu (B) obrazujące wychwyt metaboliczny w sercu myszy z zawałem mięśnia sercowego (Mysz 1). Obrazy uzyskano 6-7 godzin po zamknięciu tętnicy wieńcowej LAD i 3-4 godziny po podaniu kontrastu. Negatywny kontrast zaznaczony białymi strzałkami wynika z braku metabolicznego wychwytu kontrastu w obszarze zawału.
<img alt="Wyniki skanowania MRI, analiza porównawcza między przekrojami A i B, obrazowanie medyczne, szczegóły tkankowe." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. Reprezentatywne krótkie przekroje osiowe w końcowej rozkurczowej (A) i końcowej skurczowej (B) fazie cyklu, pokazujące wychwyt metaboliczny w sercu myszy bez zawału mięśnia sercowego (Mysz 4). Obrazy uzyskano 6-7 h po operacji pozorowanej (sham) i 3-4 h po podaniu kontrastu. Metaboliczny wychwyt kontrastu w mięśniu sercowym jest jednorodnie widoczny we wszystkich przekrojach.
<img alt="Analiza funkcji serca; Mapy ciśnień pod koniec rozkurczu/skurczu; Schemat do porównania badawczego." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 7"> 
Rycina 7. Reprezentatywne obwodowe wykresy polarne (wykresy typu Bulls Eye) metabolicznego poboru w mięśniu sercowym u myszy z zawałem mięśnia sercowego w fazie końca rozkurczu i końca skurczu. (A) Lewa komora została podzielona na podstawową, środkową i wierzchołkową część w przekroju poprzecznym zgodnie z 17-segmentowym modelem AHA 25. Wyraźnie widoczne są różnice w poborze metabolicznym w segmentach środkowym przednio-bocznym, wierzchołkowym przednim, wierzchołkowym dolnym oraz wierzchołkowym bocznym. Przedstawione wartości stanowią średnie segmentowe w jednostkach Hounsfielda ± odchylenia standardowe. (B) Mapy metabolicznego poboru w mięśniu sercowym przedstawione bez podziału na 17 segmentów. Centrum wykresu odpowiadające wierzchołkowi serca (segment 17) nie zostało pokazane.
<img alt="Wykresy typu bullseye z rezonansu magnetycznego serca; fazy końca rozkurczu i końca skurczu; ocena ilościowa." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8. Reprezentatywne obwodowe wykresy polarne (wykresy typu Bulls Eye) w fazie końca rozkurczu i końca skurczu, przedstawiające metaboliczne wychwyt w mięśniu sercowym myszy bez zawału mięśnia sercowego. (A) Lewa komora została podzielona na podstawowe, środkowe i wierzchołkowe przekroje osiowe zgodnie z 17-segmentowym modelem AHA 25. Wyraźnie widoczne są zróżnicowane wartości wychwytu metabolicznego w segmentach środkowym przednio-bocznym, wierzchołkowym przednim, wierzchołkowym dolnym i wierzchołkowym bocznym. Przedstawione wartości oznaczają średnie segmentalne w jednostkach Hounsfielda ± odchylenia standardowe. (B) Mapy metabolicznego wychwytu w mięśniu sercowym przedstawiono bez podziału na 17 segmentów. Środek wykresu odpowiadający wierzchołkowi serca (segment 17) nie został pokazany.
<img alt="Analiza MRI serca; wykresy bullseye ruchu ścian, pogrubienia, frakcji wyrzutowej; poniżej mapy ciepła." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 9"> 
Rysunek 9. Reprezentatywne obiegowe wykresy polarne (wykresy typu Bulls Eye) ruchu ścian mięśnia sercowego (mm), pogrubienia ścian (%) oraz regionalnej frakcji wyrzutowej (%) u myszy z zawałem mięśnia sercowego. (A) Lewa komora została podzielona na części podstawne, środkowe i otwory w osi krótkiej zgodnie z 17-segmentowym modelem AHA 25. Obecność obszarów hipokinetycznych, akinetycznych i dyskinetycznych w częściach środkowych i otworu wskazuje na rozległy defekt mięśnia sercowego. (B) Regionalne mapy pomiarowe mięśnia sercowego przedstawiono bez podziału na 17 segmentów. Środek wykresu odpowiadający wierzchołkowi serca (segment 17) nie jest pokazany.
<img alt="Analiza danych MRI serca; wykresy bullseye, ruch ścian serca, pogrubienie, wyniki frakcji wyrzutowej." src="/files/ftp_upload/53603/53603fig10.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 10"> 
Rysunek 10. Reprezentatywne polarniejsze wykresy obwodowe (wykresy typu Bulls Eye) ruchu ściany mięśnia sercowego (mm), pogrubienia ściany (%) i regionalnej frakcji wyrzutowej (%) u myszy bez zawału mięśnia sercowego. (A) Lewa komora została podzielona na podstawową, środkową i wierzchołkową część w przekroju osiowym krótkim zgodnie z 17-segmentowym modelem AHA 25. Nie stwierdzono żadnych wyraźnych nieprawidłowości. (B) Mapy regionalnych pomiarów mięśnia sercowego przedstawiono bez podziału na 17 segmentów. Środek wykresu odpowiadający wierzchołkowi serca (segment 17) nie jest pokazany.
<img alt="Tabela wskaźników sercowo-naczyniowych u myszy, zamknięta tętnica LAD vs operacja pozorowana, przedstawiająca masę ciała, częstość akcji serca, LVEDV, LVESV, LVSV, LVEF, CO, LVMM i LVMIMI." src="/files/ftp_upload/53603/53603table1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Tabela 1"> 
Tabela 1. Objętości lewej komory i globalne wskaźniki funkcjonalne zmierzone u trzech myszy 3 godziny po zamknięciu tętnicy wieńcowej LAD oraz u myszy po operacji pozorowanej. *BPM, uderzenia na minutę; LVEDV, objętość końcoworozkurczowa lewej komory; LVESV, objętość końcoskurczowa lewej komory; LVSV, objętość wyrzutowa lewej komory; LVEF, frakcja wyrzutowa lewej komory; CO, rzut serca; LVMVTOTAL , całkowita objętość mięśnia lewej komory; LVMM, masa mięśnia lewej komory; LVMMI, indeks masy mięśnia lewej komory; LVMVMI , objętość zawału mięśnia lewej komory; %LVMIS, % wielkości zawału mięśnia lewej komory.

Ta metoda opisuje użycie Kwantowej Mikrotomografii Komputerowej (MicroCT) do oceny morfologii, funkcji, perfuzji, metabolizmu i żywotności serca za pomocą jodowego środka kontrastowego u myszy z eksperymentalnie wywołanym niedokrwieniem mięśnia sercowego. Technika ta może być stosowana do nieniszczącego, wysokoprzepustowego, podłużnego obrazowania in vivo różnych zwierzęcych modeli chorób ludzkiego serca.

In vivo (in vivo) Ilościowa ocena struktury, funkcji, perfuzji i żywotności mięśnia sercowego za pomocą mikrotomografii komputerowej serca

The use of Micro-Computed Tomography (MicroCT) for in vivo studies of small animals as models of human disease has risen tremendously due to the fact that ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zademonstrowanie zastosowania szybkim mikro-tomografii komputerowej w obrazowaniu z wbudowaną synchronizacją kardiopulmonarną w celu oceny globalnych i regionalnych funkcji mięśnia sercowego w modelu niedokrwienia serca u myszy. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu patofizjologii serca, takie jak: jaki jest wpływ patologii lub błędnych metod leczenia na globalną i regionalną funkcję mięśnia sercowego? Główną zaletą tej techniki jest zapewnienie szybkiej, podłużnej i nieinwazyjnej oceny najważniejszych parametrów kardiologicznych, którą można z łatwością przeprowadzić bez specjalistycznej wiedzy.Zastosowania tej techniki rozciągają się na terapię chorób układu sercowo-naczyniowego. Może ona służyć jako narzędzie przedkliniczne do uzyskania zaawansowanego wglądu w rozwój chorób serca. Procedurę zaprezentują Nicole van Vliet, technik, Elza van Deel, pracownik postdoktorski oraz Yanto Ridwan, kolejny technik z naszego laboratorium.Zacznij od wykonania niewielkiego nacięcia skóry 12-tygodniowej myszy pomiędzy drugą a trzecią żebrem. Następnie, używając małych haczyków, odsunij mięśnie klatki piersiowej, aby odsłonić mięśnie międzyżebrowe. W kolejnym kroku, używając zakrzywionych nożyczek sprężynowych z 2 mm ostrzem, ostrożnie przetnij trzeci mięsień międzyżebrowy, uważając, aby nie uszkodzić płuc.Następnie za pomocą pęsety przerwij osłonę oserca i użyj kawałka mokrej gazy, aby odsunąć płuca. Przestaw haczyki do wnętrza klatki piersiowej tak, aby widoczna była duża część wolnej ściany lewej komory oraz część lewego przedsionka. Następnie, wykorzystując przedsionek do zlokalizowania lewej tętnicy wieńcowej, wprowadź jedwabną nici chirurgiczną o grubości 7/0 pod lewą tętnicę wieńcową i zawiąż szew 2 mm poniżej brzegu lewego przedsionka, aby ustandaryzować wielkość zawału.Po wizualnym potwierdzeniu sukcesu indukcji zawału poprzez zblednięcie wolnej ściany lewej komory, ostrożnie ponownie napompuj płuco i szczelnie zamknij klatkę piersiową za pomocą jedwabnej nici chirurgicznej 6/0. Oczyść ranę solą fizjologiczną i użyj kolejnych szwów jedwabnych do zamknięcia skóry, a następnie zastosuj spray do ran w celu stymulacji gojenia i zapobiegania infekcji. Następnie umieść mysz w klatce na macie grzewczej, aż do pełnego powrotu do zdrowia.Od trzech do czterech godzin po operacji włącz skaner microCT, uruchom oprogramowanie sterujące microCT i rozgrzej lampę rentgenowską. Następnie zdezynfekuj gumowy korek fiolki z jodowym środkiem kontrastowym 70% alkoholem i za pomocą strzykawki o małej objętości martwej pobierz od 5 do 10 µL środka na gram masy ciała zwierzęcia. Po usunięciu pęcherzyków powietrza przemyj ogon znieczulonej myszy 70% alkoholem i rozszerz żyły ogonowe poprzez ogrzanie.Wstrzyknij środek kontrastowy do bocznej żyły ogonowej. Gdy w oprogramowaniu sterującym pojawi się przycisk trybu na żywo, lampa rentgenowska jest gotowa. Włóż osłonę o małym otworze oraz podest dla małych zwierząt.Kliknij przycisk nowej bazy danych w oknie bazy danych i wprowadź nazwę dla nowej bazy danych. Po pojawieniu się okna dialogowego kliknij przycisk przeglądaj i przejdź do dysku, na którym zostanie zapisana baza danych. Następnie kliknij OK i sprawdź nową bazę danych w oknie bazy danych.Aby ustawić warunki skanowania, wybierz odpowiednie parametry. Następnie umieść wstrzykniętą, znieczuloną mysz na stole dla zwierząt w skanerze i przesuń drzwi urządzenia w prawo, aby aktywować blokadę bezpieczeństwa. Kliknij przycisk trybu na żywo, aby zobaczyć obiekt w czasie rzeczywistym oraz obserwować okno przechwytywania X i zwierzę.Naciskając przyciski przesuwania w przód i w tył sterownika osi Z stolika, przesuń pomost dla zwierzęcia, aż klatka piersiowa myszy znajdzie się w polu widzenia. Następnie użyj strzałek lewo i prawo sterownika pomostu, aby ustawić zwierzę wewnątrz niebieskiej ramki ograniczającej. Wybierz wartość 90 z listy rozwijanej sterownika rotacji w oknie oprogramowania sterującego i kliknij przycisk set, aby obrócić gantri, upewniając się, że zwierzę pozostaje wewnątrz niebieskiej ramki ograniczającej okna akwizycji X.W oknie przechwytywania X kliknij lewym przyciskiem myszy, aby zmienić rozmiar obszaru zainteresowania układu krążenia i oddechowego. Przeciągaj krawędzie tak, aby ślady krążeniowo-oddechowe były wyraźnie widoczne w widoku synchronizacji. Naciśnij przycisk pozycji domyślnej i zmień rozmiar obszaru zainteresowania dla układu krążenia i oddechowego.Upewnij się, że obszar zainteresowania obejmuje przeponę oraz część szczytową serca we wszystkich pozycjach gantry. Następnie obróć gantry o 90 stopni, aby upewnić się, że zapisy krążeniowo-oddechowe są nadal wyraźnie widoczne. Gdy zwierzę znajdzie się w odpowiedniej pozycji, kliknij przycisk CT scan, aby rozpocząć akwizycję.Pojawi się komunikat potwierdzający skanowanie TK. Kliknij tak. Czerwony wskaźnik energii promieni rentgenowskich włączy urządzenie i rozpocznie się skanowanie.Po zakończeniu skanowania obejrzyj rekonstrukcje w przekrojach transaksjalnym, czołowym i strzałkowym w oprogramowaniu do wizualizacji 2D. Następnie wyjmij zwierzę ze skanera i monitoruj je aż do pełnego wybudzenia. Poniżej przedstawiono reprezentatywne przekroje poprzeczne w krótkiej osi serca myszy z zawałem mięśnia sercowego w fazie końca rozkurczu i końca skurczu, z uwidocznioną pulą krwi.Na tych obrazach krótkie osiowe przekroje końcowoskurczowe i końcoworozkurczowe serca myszy bez zawału mięśnia sercowego wykazują doskonałe obrysowanie jamy lewej komory przy niewielkim szumie tła. Zwróć uwagę, jak obszary rzednięcia kontrastu, odpowiadające zawałowi mięśnia sercowego, zostały wyraźnie zaznaczone na obrazach krótkich osiowych serca myszy poddanej ligacji lewej przedniej tętnicy wieńcowej. Nie zaobserwowano tego u zwierzęcia w grupie kontrolnej (sham).Zgodnie z 17-segmentowym modelem American Heart Association, lewą komorę można podzielić na podstawową, środkową i wierzchołkową część w przekroju krótkiej osi. Na tych reprezentatywnych, obwodowych wykresach polarnych wyraźnie widoczna jest odmienna perfuzja w segmentach: środkowym przednim, środkowym dolno-bocznym, środkowym przednio-bocznym, wierzchołkowym przednim oraz wierzchołkowym bocznym u myszy z zawałem mięśnia sercowego w porównaniu z zwierzęciem poddanym operacji pozornej. Po opanowaniu techniki, indukcja zawału mięśnia sercowego może zostać przeprowadzona w 45 minut, natomiast późniejsze obrazowanie microCT wymaga czterech godzin.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że sprawność czynnościowa serca zależy od rodzaju i stopnia znieczulenia. Z tego względu, w celu uzyskania dokładnych pomiarów, podczas akwizycji obrazów należy utrzymywać częstotliwość akcji serca na poziomie jak najbardziej fizjologicznym. Po opracowaniu, technika ta otworzyła badaczom z dziedziny farmakologii drogę do eksploracji strategii interwencyjnych u myszy oraz analizy wpływu strategii leczenia na progresję choroby.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat operacji zawału mięśnia sercowego oraz wiedzieć, jak korzystać z szybkim systemem mikroCT w połączeniu z jodowym środkiem kontrastowym do puli krwi. Należy pamiętać, że praca z izofluranem może być niebezpieczna i podczas przeprowadzania tej procedury zawsze należy zachować środki ostrożności, takie jak zapewnienie dobrej wentylacji.

in-vivo-quantitative-assessment-myocardial-structure-function

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Wizualizacja naczyń wieńcowych ma kluczowe znaczenie dla pogłębienia naszej wiedzy na temat chorób układu sercowo-naczyniowego. Opisujemy tutaj metodę perfuzji naczyń wieńcowych myszy radiologicznym silikonem (Microfil) w ramach przygotowania do obrazowania mikrotomografią komputerową (μCT).

Wsteczna perfuzja i wypełnianie naczyń wieńcowych myszy w ramach przygotowania do obrazowania mikrotomografią komputerową

Opisujemy, jak wykonać rezonans magnetyczny i obrazowanie PET serca myszy. Protokół jest dostosowany do oceny skuteczności leczenia w modelach zawału mięśnia sercowego i niewydolności serca.

MRI i PET w mysich modelach zawału mięśnia sercowego

Echokardiografia jest powszechnie używana do nieinwazyjnego charakteryzowania i ilościowego określania zmian w strukturze i funkcji serca. Opisujemy algorytm obrazowania oparty na ultradźwiękach, który oferuje ulepszony zastępczy pomiar mikrostruktury mięśnia sercowego i może być wykonywany przy użyciu ogólnodostępnego oprogramowania do analizy obrazu.

Ultradźwiękowa ocena mikrostruktury mięśnia sercowego

Ten protokół opisuje nowatorską metodę 3D porównywania tkanki mięśnia sercowego całego serca z MRI. Ma to na celu dokładną ocenę iniekcji domięśniowych w strefie granicznej zawału przewlekłego świńskiego modelu zawału mięśnia sercowego.

Analiza 3D tkanki mięśnia sercowego całego serca

Ten artykuł opisuje szczegółową metodologię użycia nieprzepuszczającego promieni rentgenowskich kauczuku silikonowego na bazie ołowiu do perfuzji mysiego układu krwionośnego do ilościowego określenia średnicy aorty w mysim modelu tętniaka i rozwarstwienia aorty.

Ilościowa analiza aortapatii metodą mikro-CT w mysim modelu tętniaka i rozwarstwienia aorty wywołanego β-aminopropionitrylem

To badanie opisuje kompleksowy protokół obrazowania metodą rezonansu magnetycznego układu sercowo-naczyniowego (CMR) w celu ilościowego określenia parametrów funkcjonalnych lewej komory serca myszy. Protokół opisuje pozyskiwanie, przetwarzanie końcowe i analizę obrazów CMR, a także ocenę różnych parametrów czynnościowych serca.

Kwantyfikacja funkcji lewej komory serca myszy, napięcia mięśnia sercowego i sił hemodynamicznych za pomocą rezonansu magnetycznego układu sercowo-naczyniowego

Ten protokół przedstawia zbiór sarkomerów, wapnia i makroskopowych danych geometrycznych z aktywnie kurczącego się trabecula serca ex vivo. Te równoczesne pomiary są możliwe dzięki integracji trzech modalności obrazowania.

Jednoczesne obrazowanie w jasnym polu, fluorescencji i optycznej koherentnej tomografii kurczących się beleczków serca ex vivo

Tutaj prezentujemy protokół uzyskiwania wysokiej rozdzielczości obrazów mikrotomografii komputerowej zdrowych i patologicznych całych serc dużych ssaków z selektywnym wzmocnieniem kontrastu.

Techniki przygotowania tkanek do obrazowania mikrotomografii komputerowej ze wzmocnieniem kontrastowym modeli serca dużych ssaków z chorobami przewlekłymi

Tutaj prezentujemy eksperymentalny protokół obrazowania do ilościowego oznaczania funkcji i morfologii serca za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej/tomografii komputerowej o wysokiej rozdzielczości dla małych zwierząt. Pod uwagę brane są zarówno myszy, jak i szczury, omawiając różne wymagania dotyczące środków kontrastowych w tomografii komputerowej dla tych dwóch gatunków.

Pozytonowa tomografia emisyjna serca o wysokiej rozdzielczości/tomografia komputerowa dla małych zwierząt

Obecny test chlorku 2,3,5-trifenylotetrazolu (TTC) wprowadza udoskonalony protokół barwienia TTC, który umożliwia analizę uszkodzeń mięśnia sercowego w mikroskopijnej rozdzielczości, tworząc wysokiej jakości obrazy pozwalające na dokładną i wiarygodną ocenę wielkości zawału oraz żywotności kardiomiocytów na poziomie komórkowym.

Mikroskopowy test chlorku 2,3,5-trifenyltetrazolu do dokładnej i wiarygodnej analizy uszkodzeń mięśnia sercowego

Poznaj metodę mikrotomografii komputerowej do oceny morfologii, funkcji i perfuzji mięśnia sercowego u myszy z indukowanym zawałem. Technika umożliwia szybką, nieinwazyjną i wielokrotną analizę parametrów serca w badaniach przedklinicznych.

In vivo (in vivo) Ilościowa ocena struktury, funkcji, perfuzji i żywotności mięśnia sercowego za pomocą mikrotomografii komputerowej serca (Wideo) | JoVE Journal

In vivo (in vivo) Ilościowa ocena struktury, funkcji, perfuzji i żywotności mięśnia sercowego za pomocą mikrotomografii komputerowej serca

Przeglądaj więcej filmów