Embora os distúrbios pulmonares continuem sendo as principais causas de morbidade e mortalidade global1, a última década viu melhorias dramáticas nos resultados dos pacientes. Essas melhorias são impulsionadas em parte por dois fatores. Em primeiro lugar, os ensaios clínicos de Fase III agora priorizam as mudanças na função pulmonar como desfechos em vez da mortalidade, acelerando os testes de medicamentos 2,3,4,5. Em segundo lugar, os avanços em modelos animais aprimorados forneceram informações sobre os mecanismos da doença e ajudaram no desenvolvimento da terapia 6,7. Os modelos de camundongos são frequentemente favorecidos para pesquisa translacional porque oferecem paralelos fisiológicos com os humanos, acessibilidade e rápido desenvolvimento de doenças. A engenharia genética expandiu o alcance e a qualidade dos modelos disponíveis, com o International Mouse Strain Resource agora ostentando mais de 32.000 cepas de camundongos8, em comparação com apenas 4.218 cepas de ratos (Rat Genome Database9). Esses modelos abriram novos caminhos para investigar os fatores mecanicistas e as respostas terapêuticas para uma variedade de doenças pulmonares, incluindo doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC)10, fibrose cística (FC)11, fibrose pulmonar12,13, hipertensão pulmonar14,15 easma16.
Infelizmente, a pesquisa pulmonar envolvendo camundongos é limitada pelas técnicas disponíveis para quantificar a carga da doença. Os estudos geralmente dependem de procedimentos terminais que 1) fornecem informações de todo o pulmão (ensaios bioquímicos) ou informações localizadas (histologia) e 2) exigem desenhos transversais e grandes tamanhos de amostra. Assim, eles não capturam a dinâmica espacial nem temporal da doença. Em contraste, a imagem tridimensional não invasiva pode avaliar a estrutura, os processos moleculares e a função nos pulmões ao longo do tempo.
A estrutura pulmonar (por exemplo, anormalidades das vias aéreas e fibrose intersticial) pode ser visualizada com ressonância nuclear magnética (RNM) ultracurta (UTE) e tomografia computadorizada (μTC) em alta resolução. Informações funcionais e mecanicistas (por exemplo, ventilação, perfusão, metabolismo tumoral e processos inflamatórios) podem ser obtidas com agentes de contraste exógenos (por exemplo, TC com xenônio e UTE com oxigênio) e abordagens de medicina nuclear ionizante (ou seja, tomografia por emissão de pósitrons [PET] e tomografia computadorizada por emissão de fóton único [SPECT]). No entanto, a imagem funcional é desafiadora devido ao modesto contraste com ruído (particularmente para UTE com oxigênio aprimorado nas altas intensidades de campo magnético usadas para ressonância magnética pré-clínica, onde T1 é alongado) disponível sem empregar modalidades ionizantes com níveis de radiação mais altos do que o normal. Embora a imagem com essas modalidades seja bem tolerada em modelos animais usando doses convencionais, a radiação cumulativa pode confundir os resultados em estudos sobre imunologia, inflamação e câncer de pulmão17. No entanto, a ressonância magnética (MRI) de xenônio-129 (129Xe) hiperpolarizada (HP) fornece informações estruturais e funcionais minimamente invasivas, não irradiantes e altamente sensíveis. Embora essa técnica tenha sido empregada em pesquisas pré-clínicas para caracterizar condições como enfisema18,19, fibrose20, câncer de pulmão21, DPOC22 e lesão pulmonar induzida por radiação23 em pontos de tempo únicos ou múltiplos, ela permanece subutilizada no ambiente pré-clínico.
Para permitir a ressonância magnética pré-clínica de rotina de 129Xe, vários pré-requisitos são necessários, incluindo suporte regulatório institucional, um dispositivo de hiperpolarização, uma bobina de radiofrequência (RF) sintonizada em 129Xe e um scanner com capacidade multinuclear. Embora os aplicativos avançados 24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 exijam programação de pulso específica do fornecedor que está fora do escopo deste protocolo, os aplicativos básicos podem ser alcançados com modificações modestas de software. Portanto, nos concentramos no controle de qualidade, manuseio de magnetização, coleta de dados e procedimentos de manuseio de animais - incluindo ventilação mecânica - que são exclusivos da ressonância magnética pré-clínica de 129Xe (Figura 1).
Até o momento, a imagem de 129Xe de pequenos animais empregou três abordagens de entrega de gás seguras para RM, cada uma com vantagens e desvantagens: respiração livre, acionada por pistão e queda de pressão. A respiração livre permite a inalação espontânea sem risco de lesão por intubação ou traqueostomia, mas consome significativamente mais gás HP e pode introduzir artefatos de movimento34,35. Dispositivos comerciais acionados por pistão são autocalibrados e fáceis de usar prontos para uso, mas podem ser proibitivamente caros36. A abordagem baseada em queda de pressão usada aqui é bem descrita na literatura, modular, personalizável e executada por código-fonte aberto 37,38,39,40. Além disso, é econômico, normalmente totalizando menos de US$ 10 mil e algumas semanas de tempo de construção dedicado. O ventilador de queda de pressão fornece 129Xe de uma bolsa de dose dentro de um recipiente pressurizado enquanto monitora a pressão das vias aéreas de um camundongo intubado.

Figura 1: Visão geral do protocolo para coletar ressonância magnética (MRI) de rotina de xenônio-129 (129Xe) em camundongos. (A) Etapas para configuração inicial. (Observação: a programação do scanner é exclusiva para cada fornecedor e não está descrita neste protocolo). (B) Etapas para coletar dados diários de garantia de qualidade (QA) e animais. (C) Etapas para a conclusão bem-sucedida do experimento e análise de dados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Aqui, coletamos e analisamos as três classes comuns de dados de ressonância magnética de 129Xe: ventilação, imagem ponderada por difusão (tamanho do espaço aéreo alveolar) e troca gasosa. As imagens de ventilação mostram a distribuição do gás 129Xe inalado. Regiões dos pulmões com fluxo de ar reduzido parecem escuras nas imagens de gás HP, e a patologia é quantificada pelo volume de ventilação defeituosa. Em humanos, o percentual de defeitos ventilatórios (VDP) tem apresentado forte repetibilidade41,42 e alta sensibilidade à obstrução pulmonar em doenças como DPOC 43,44,45 e asma 46,47.
A difusão restrita dos 129átomos de Xe no espaço aéreo pode ser medida através do coeficiente de difusão aparente (ADC) e serve como um substituto para o tamanho do espaço aéreo. O ADC é calculado adquirindo uma imagem de linha de base (b0) sem ponderação de difusão e uma ou mais imagens adquiridas na presença de ponderação de difusão induzida por gradiente bipolar (bN). Um ADC elevado reflete um aumento no tamanho do espaço aéreo devido ao envelhecimento ou remodelação enfisematosa18,48. Além disso, o uso de múltiplas imagens de valor b (≥4) permite que informações morfométricas mais detalhadas (por exemplo, intercepto linear médio) sejam calculadas49,50.
As trocas gasosas podem ser caracterizadas devido a 1) a solubilidade de 129Xe no tecido da membrana capilar, plasma e hemácias (glóbulos vermelhos) e 2) o deslocamento químico de >200 ppm no campo descendente de 129Xe quando dissolvido nesses compartimentos. Tanto os dados espectroscópicos quanto os de imagem fornecem informações sobre doenças cardiopulmonares (por exemplo, hipertensão pulmonar e insuficiência cardíaca esquerda 51,52,53). Enquanto muitas espécies (humanos, caninos e ratos) exibem picos espectrais únicos originados de cada compartimento, os camundongos não possuem um sinal único de hemácias devido a diferenças nas interações do local de ligação hemoglobina-xenônio. Em vez disso, todos os componentes dissolvidos são combinados em um único sinal em camundongos54. No entanto, é possível observar uma ressonância distinta de hemácias em camundongos transgênicos que expressam hemoglobina humana, como os usados em modelos de doença falciforme54. No geral, a espectroscopia e a imagem de Xe 129dissolvido fornecem informações únicas sobre a fisiopatologia cardiopulmonar em camundongos 55,56.
Antes de tentar este protocolo, é necessário entender as informações básicas sobre o scanner de ressonância magnética, ventilação mecânica e técnicas de manuseio de camundongos necessárias para estudos com camundongos. Antes de iniciar os estudos em animais, todos os procedimentos devem ser aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) local57. Como o momento magnético total disponível no pulmão do camundongo é intrinsecamente baixo (ou seja, volume corrente ~ 250 μL), o tamanho do voxel deve ser 1000 vezes menor do que em humanos para atingir uma resolução anatomicamente equivalente. A frequência respiratória murina também é extremamente rápida (>100 respirações/minuto). Como tal, os procedimentos de apneia única normalmente usados para imagens humanas não são viáveis. Em vez disso, apenas algumas excitações de RF podem ser aplicadas em cada respiração, portanto, 129imagens Xe devem ser codificadas em dezenas a centenas de respirações. A programação de pulso pode ser necessária para permitir o disparo externo de aquisições e para fazer um loop adequado de fatias, codificações de fase e/ou imagens ponderadas por difusão, equilibrando a relação sinal-ruído (SNR), a resolução e a duração da varredura. Aqui, o ventilador emite um pulso lógico transistor-transistor (TTL) uma vez por respiração para acionar a aquisição de dados (Figura 2).

Figura 2: Ventilação mecânica representativa e tempo de aquisição de dados. (A) A ventilação controlada pelo usuário pode desencadear a aquisição de dados no final da inspiração, durante a apneia ou no final da expiração. (B) Para esta sequência de ventilação radial 3D, o usuário define o número total de projeções adquiridas e o número de projeções por respiração. (C) Para uma imagem ponderada por difusão 2D seletiva de fatias, o usuário define a ordem das fatias, imagens de valor b e codificações de fase. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Para permitir ventilação confiável e entrega de 129Xe, são necessários procedimentos robustos de sedação e intubação. Para cada estudo, os efeitos a jusante de cada anestésico devem ser considerados - incluindo alterações na ventilação-minuto, frequência cardíaca (FC) e pressão arterial 58,59,60,61,62,63,64,65,66. Embora uma variedade de sedativos tenha sido usada para ressonância magnética pré-clínica de gases HP, empregamos uma mistura de cetamina, xilazina e acepromazina, devido à sua disponibilidade, custo-benefício, confiabilidade e duração67,68. Uma vez sedados, os animais devem ser intubados para ventilação mecânica eficaz. A intubação de camundongos é difícil devido ao pequeno tamanho de sua anatomia e, portanto, é importante treinar minuciosamente nessa técnica. Encorajamos os investigadores a revisar os protocolos de vídeo publicados69,70. Como a maioria das cânulas de intubação comerciais contém aço inoxidável, introduzimos uma técnica para criar cânulas em forma de cunha sem metal (ou seja, compatíveis com ressonância magnética e gás HP) que podem ser personalizadas para corresponder ao diâmetro das vias aéreas para criar uma vedação hermética com a parede traqueal do camundongo.
Como 129imagens Xe são coletadas em muitas respirações, as configurações do ventilador são críticas. Estratégias de ventilação protetora devem ser cuidadosamente consideradas para prevenir lesões pulmonares 71,72,73,74. Em particular, o uso de baixo volume corrente (VC), pressão expiratória final positiva moderada (PEEP) e manobras de recrutamento alveolar (MRs) reduzem o risco de lesão pulmonar induzida por ventilador em pacientes humanos e modelos animais 75,76,77,78,79,80,81. Aqui, recomendamos uma técnica simples que seja compatível com a ventilação mecânica de queda de pressão 129Xe que seja protetora e forneça SNR de imagem 129Xe suficiente. Especificamente, aplicamos a PEEP adicionando uma válvula PEEP comercial à linha de expiração do ventilador. Para realizar RMs, a linha de expiração deve ser fechada para que o animal receba múltiplas inalações sem expiração até que uma pressão e duração alvo sejam atingidas.
Ao longo do tempo, fornecemos configurações gerais de ventilação, mas é aconselhável revisar a literatura para abordar os objetivos específicos do estudo82,83. Além de monitorar o pico de pressão inspiratória durante a ventilação mecânica, é importante monitorar a temperatura do animal, o que pode ser feito usando métodos padrão de monitoramento de temperatura em camundongos. Embora não seja necessário para imagens, o monitoramento da frequência cardíaca por meio de eletrocardiograma (ECG) pode ser vantajoso; O ECG pode indicar se um animal está acordando de sedação, overdose ou angustiado, permitindo que o pesquisador intervenha.
O protocolo que descrevemos foi projetado para coletar 129dados de ventilação radial Xe 3D61, dados ponderados por difusão 2D GRE76 e dados de troca gasosa de espectroscopia de aquisição de pulso dinâmico. Este protocolo visa preencher a lacuna entre a pesquisa pré-clínica em modelos de pequenos animais e o potencial da ressonância magnética de 129Xe para avançar nossa compreensão dos distúrbios pulmonares.