МРТ и спектроскопия легких с гиперполяризацией 129Xe у мышей с искусственной вентиляцией легких

Краткое содержание

Гиперполяризованная ксеноновая МРТ может количественно оценить регионарную микроструктуру легких (размеры воздушного пространства) и физиологию (вентиляция и газообмен) в трансляционных исследованиях и клинической помощи. Несмотря на сложность, она может обеспечить сопоставимое понимание легких в доклинических исследованиях. В этом протоколе описывается инфраструктура и процедуры, необходимые для проведения рутинной МРТ легких с ксеноном у мышей.

Аннотация

Гиперполяризованный (HP) ксенон-129 (¹²⁹Xe) представляет собой контрастное вещество для ингаляционной магнитно-резонансной томографии (МРТ) с уникальными спектральными и физическими свойствами, которые могут быть использованы для количественной оценки физиологии легких, включая вентиляцию, ограниченную диффузию (размер альвеолярного воздушного пространства) и газообмен. У людей он был использован для оценки тяжести и прогрессирования заболевания при различных легочных заболеваниях и одобрен для клинического использования в Соединенных Штатах и Великобритании. Помимо клинического применения, способность МРТ ¹²⁹Xe неинвазивно оценивать легочную патофизиологию и предоставлять пространственно разрешенную информацию имеет важное значение для доклинических исследований. Среди животных моделей мыши получили наибольшее распространение из-за доступности генетически модифицированных моделей заболеваний. В этом отношении МРТ ¹²⁹Xe является перспективным малоинвазивным, безрадиационным и чувствительным методом для продольного мониторинга прогрессирования заболевания легких и ответа на терапию (например, при разработке лекарств). Этот метод может быть расширен до доклинических применений за счет включения аппарата свободного дыхания, запускаемого МРТ, или механического аппарата искусственной вентиляции легких для подачи газа. В этой статье мы описываем шаги и предоставляем контрольные списки для обеспечения надежного сбора и анализа данных, включая создание термически поляризованного ксенонового газового фантома для контроля качества, оптимизацию поляризации, обращение с животными (седация, интубация, вентиляция и уход за мышами), а также протоколы для данных об вентиляции, ограниченной диффузии и газообмене. В то время как доклиническая МРТ ¹²⁹Xe может применяться на различных животных моделях (например, на крысах, свиньях, овцах), этот протокол ориентирован на мышей из-за проблем, связанных с их небольшой анатомией, которая уравновешивается их ценовой доступностью и доступностью многих моделей заболеваний.

Введение

В то время как легочные заболевания остаются основными причинами глобальной заболеваемости и^{смертности1}, в последнее десятилетие наблюдалось значительное улучшение результатов лечения пациентов. Эти улучшения отчасти обусловлены двумя факторами. Во-первых, клинические испытания III фазы теперь отдают приоритет изменениям в функции легких в качестве конечных точек, а не смертности, что ускоряет испытания лекарств 2,3,4,5. Во-вторых, достижения в области усовершенствованных животных моделей позволили получить представление о механизмах заболевания и помогли разработать терапию ^6,7. Мышиные модели часто выбирают для трансляционных исследований, потому что они предлагают физиологические параллели с людьми, доступность и быстрое развитие заболеваний. Генная инженерия расширила диапазон и качество доступных моделей, и в настоящее время Международный ресурс по изучению линий мышей насчитывает более 32 000 линий мышей⁸ по сравнению с 4 218 линиями крыс (База данных генома крыс⁹). Эти модели открыли новые возможности для изучения механических движущих сил и терапевтических реакций при ряде заболеваний легких, включая хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ)¹⁰, муковисцидоз (МВ)¹¹, легочный фиброз^12,13, легочную гипертензию ^14,15 и астму16.

К сожалению, исследования легких на мышах ограничены доступными методами количественной оценки бремени болезней. Исследования часто основываются на терминальных процедурах, которые 1) предоставляют информацию обо всем легком (биохимические анализы) или локализованную информацию (гистология) и 2) требуют поперечного дизайна и больших размеров выборки. Таким образом, они не отражают ни пространственную, ни временную динамику заболеваний. В отличие от этого, неинвазивная трехмерная визуализация может оценить структуру, молекулярные процессы и функции в легких с течением времени.

Структура легких (например, аномалии дыхательных путей и интерстициальный фиброз) может быть визуализирована с помощью ультракороткой эховременной МРТ (UTE) и микрокомпьютерной томографии (μCT) с высоким разрешением. Функциональная и механистическая информация (например, вентиляция, перфузия, метаболизм опухоли и воспалительные процессы) может быть получена с помощью экзогенных контрастных веществ (например, ксеноновая КТ и кислородно-усиленная UTE) и подходов ионизирующей ядерной медицины (например, позитронно-эмиссионная томография [ПЭТ] и однофотонная эмиссионная компьютерная томография [ОФЭКТ]). Тем не менее, функциональная визуализация является сложной задачей из-за умеренного контраста с шумом (особенно для UTE, усиленной кислородом при высокой напряженности магнитного поля, используемой для доклинической МРТ, где_T1 удлиняется), доступной без использования ионизирующих методов с более высокими, чем обычно, уровнями излучения. В то время как визуализация с помощью этих методов хорошо переносится на животных моделях с использованием обычных доз, кумулятивное облучение может исказить результаты исследований по иммунологии, воспалению и раку легких¹⁷. Тем не менее, гиперполяризованная (HP) ксенон-129 (¹²⁹Xe) магнитно-резонансная томография (МРТ) обеспечивает минимально инвазивную, необлученную и высокочувствительную структурную и функциональную информацию. Несмотря на то, что этот метод использовался в доклинических исследованиях для характеристики состояний, включая эмфизему^18,19, фиброз²⁰, рак легких²¹, ХОБЛ²² и радиационно-индуцированное повреждение легких²³ в один или несколько моментов времени, он остается недостаточно используемым в доклинических условиях.

Для проведения рутинной доклинической МРТ ¹²⁹Xe требуется несколько предварительных условий, включая институциональную нормативную поддержку, устройство гиперполяризации, радиочастотную (РЧ) катушку с конфигурацией ¹²⁹Xe и многоядерный сканер. Несмотря на то, что продвинутые приложения 24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 требуют программирования импульсов для конкретного поставщика, которое выходит за рамки этого протокола, базовые приложения могут быть реализованы с помощью скромных модификаций программного обеспечения. Поэтому мы уделяем особое внимание контролю качества, обработке намагниченности, сбору данных и процедурам обращения с животными, включая искусственную вентиляцию легких, которые являются уникальными для доклинической МРТ ¹²⁹Xe (Рисунок 1).

На сегодняшний день при визуализации ^{мелких животных 129}Xe используются три безопасных для МРТ подхода к доставке газа, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки: свободное дыхание, поршневой привод и перепад давления. Свободное дыхание позволяет осуществлять спонтанный вдох без риска травмы в результате интубации или трахеостомии, но потребляет значительно больше газа HP и может привести к появлению артефактов движения ^34,35. Коммерческие устройства с поршневым приводом являются самокалибрующимися и простыми в использовании «из коробки^{», но} могут быть непомерно дорогими. Используемый здесь подход, основанный на перепаде давления, хорошо описан в литературе, является модульным, настраиваемым и управляется открытым исходным кодом 37,38,39,40. Кроме того, он экономически эффективен, обычно составляет менее 10 тысяч долларов и занимает несколько недель специального времени на сборку. Аппарат ИВЛ с перепадом давления подает ¹²⁹Xe из дозированного мешка в герметичном контейнере, контролируя давление в дыхательных путях интубированной мыши.

Рисунок 1: Обзор протокола сбора данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) ксенона-129 (¹²⁹Xe) у мышей. (A) Шаги для первоначальной настройки. (Примечание: программирование сканера уникально для каждого поставщика и не описано в этом протоколе). (B) Шаги по ежедневному сбору данных о контроле качества (QA) и животных. (C) Шаги для успешного завершения эксперимента и анализа данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

В этой статье мы собираем и анализируем три распространенных класса данных ^{МРТ 129}Xe: вентиляция, диффузионно-взвешенная визуализация (размер альвеолярного воздушного пространства) и газообмен. На изображениях вентиляции показано распределение вдыхаемого газа ¹²⁹Xe. Области легких с пониженным потоком воздуха выглядят темными на изображениях газа HP, а патология количественно оценивается по объему дефектной вентиляции. У людей процент дефектов вентиляции (VDP) показал сильную повторяемость^41,42 и высокую чувствительность к обструкции легких при таких заболеваниях, как ХОБЛ 43,44,45 и астма^46,47.

Ограниченная диффузия ^{атомов 129}Xe в воздушном пространстве может быть измерена с помощью коэффициента кажущейся диффузии (ADC) и служит суррогатом размера воздушного пространства. АЦП рассчитывается путем получения базового изображения (b₀) без диффузионного взвешивания и одного или нескольких изображений, полученных в присутствии биполярного градиентно-индуцированного диффузионного взвешивания (b_N). Повышенный ADC отражает увеличение размера воздушного пространства из-за старения или эмфизематозного ремоделирования^18,48. Кроме того, использование нескольких изображений b-значений (≥4) позволяет рассчитать более подробную морфометрическую информацию (например, среднее линейное пересечение)^49,50.

Газообмен можно охарактеризовать благодаря 1) растворимости ¹²⁹Xe в ткани капиллярной мембраны, плазме и эритроцитах (эритроцитах) и 2) химическому сдвигу >200 ppm вниз по полю ¹²⁹Xe при растворении в этих компартментах. Как спектроскопические, так и визуализирующие данные дают представление о сердечно-легочных заболеваниях (например, легочной гипертензии и левосердечной недостаточности 51,52,53). В то время как многие виды (люди, собаки и крысы) демонстрируют уникальные спектральные пики, исходящие из каждого отсека, мышам не хватает уникального сигнала эритроцитов из-за различий во взаимодействиях гемоглобина и ксенона. Вместо этого все растворенные компоненты объединяются в один сигнал у мышей⁵⁴. Тем не менее, можно наблюдать отчетливый резонанс эритроцитов у трансгенных мышей, экспрессирующих человеческий гемоглобин, таких как те, которые использовались в моделях серповидноклеточной анемии⁵⁴. В целом, спектроскопия и визуализация растворенного ¹²⁹Xe позволяют получить уникальное представление о патофизиологии сердечно-легочной системы у мышей ^55,56.

Прежде чем использовать этот протокол, необходимо ознакомиться с исходной информацией о МРТ-сканере, искусственной вентиляции легких и методах работы с мышами, необходимых для исследований на мышах. Прежде чем начать исследования на животных, все процедуры должны быть одобрены местным Комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC)⁵⁷. Поскольку общий магнитный момент, доступный в легком мыши, по своей природе мал (т.е. дыхательный объем ~ 250 мкл), размер вокселя должен быть в 1000 раз меньше, чем у человека, чтобы достичь анатомически эквивалентного разрешения. Частота дыхания мышей также чрезвычайно высока (>100 вдохов в минуту). Таким образом, процедуры одиночной задержки дыхания, обычно используемые для визуализации человека, невозможны. Вместо этого в каждом вдохе может быть приложено только несколько радиочастотных возбуждений, поэтому ^{изображения 129}Xe должны быть закодированы на десятки и сотни вдохов. Импульсное программирование может потребоваться для обеспечения внешнего запуска регистрации и правильного зацикливания срезов, фазового кодирования и/или диффузионно-взвешенных изображений при балансировке отношения сигнал/шум (SNR), разрешения и продолжительности сканирования. В этом случае аппарат ИВЛ выдает импульс транзисторно-транзисторной логики (TTL) один раз за вдох для запуска сбора данных (Рисунок 2).

Рисунок 2: Репрезентативная механическая вентиляция и время сбора данных. (A) Управляемая пользователем вентиляция может инициировать сбор данных в конце вдоха, во время задержки дыхания или в конце выдоха. (B) Для этой последовательности 3D радиальной вентиляции пользователь определяет общее количество полученных проекций и количество проекций на один вдох. (C) Для срез-селективного, взвешенного по диффузии 2D-изображения пользователь определяет порядок срезов, изображений с b-значением и фазового кодирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Для обеспечения надежной вентиляции и доставки ¹²⁹Xe требуются надежные процедуры седации и интубации. Для каждого исследования необходимо учитывать побочные эффекты каждого анестетика, включая изменения минутной вентиляции, частоты сердечных сокращений (ЧСС) и артериального давления 58,59,60,61,62,63,64,65,66^. В то время как для доклинической газовой МРТ с газом HP использовались различные седативные средства, мы используем смесь кетамина, ксилазина и ацепромазина из-за ее доступности, экономичности, надежности и продолжительности^67,68. После введения седативных препаратов животные должны быть интубированы для эффективной искусственной вентиляции легких. Интубация мышей затруднена из-за небольшого размера их анатомии, и поэтому важно тщательно тренироваться в этой технике. Мы призываем исследователей ознакомиться с опубликованными видеопротоколами ^69,70. Поскольку большинство коммерческих интубационных канюль изготовлены из нержавеющей стали, мы внедряем технологию создания не содержащих металлов (т.е. совместимых с МРТ и HP-газом) клиновидных канюль, которые могут быть настроены в соответствии с диаметром дыхательных путей для создания герметичного уплотнения со стенкой трахеи мыши.

Поскольку изображения ¹²⁹Xe собираются в течение многих вдохов, настройки аппарата ИВЛ имеют решающее значение. Стратегии защитной вентиляции должны быть тщательно продуманы для предотвращения повреждения легких 71,72,73,74. В частности, использование малого дыхательного объема (TV), умеренного положительного давления в конце выдоха (PEEP) и альвеолярных маневров рекрутирования (RMs) снижает риск повреждения легких, вызванного искусственной вентиляцией, у пациентов и животных моделей 75,76,77,78,79,80,81. Здесь мы рекомендуем простую технику, совместимую с механической вентиляцией с перепадом давления ¹²⁹Xe, которая является защитной и обеспечивает достаточное отношение сигнал/шум ¹²⁹Xe. В частности, мы применяем PEEP, добавляя коммерческий клапан PEEP к линии выдоха аппарата ИВЛ. Для выполнения РМ линия выдоха должна быть замкнута таким образом, чтобы животное получало несколько вдохов без выдоха до тех пор, пока не будет достигнуто целевое давление и продолжительность.

На протяжении всего исследования мы приводим общие настройки вентиляции, но рекомендуется ознакомиться с литературой для решения конкретных целей исследования ^82,83. Помимо контроля пикового давления на вдохе во время искусственной вентиляции легких, важно следить за температурой животного, что можно сделать с помощью стандартных методов контроля температуры мышей. Хотя мониторинг частоты сердечных сокращений с помощью электрокардиограммы (ЭКГ) не требуется для визуализации, он может быть полезен; ЭКГ может показать, просыпается ли животное от седативного эффекта, передозировки или стресса, что позволяет исследователю вмешаться.

Описываемый нами протокол предназначен для сбора данных радиальной вентиляции ¹²⁹Xe^{3D 61}, диффузионно-взвешенных данных⁷⁶ 2D GRE и данных газообмена динамической импульсной спектроскопии. Этот протокол направлен на преодоление разрыва между доклиническими исследованиями на моделях мелких животных и потенциалом МРТ ¹²⁹Xe для улучшения нашего понимания легочных заболеваний.

Протокол

Все описанные здесь методы были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) Медицинского центра детской больницы Цинциннати.

1. Первичная подготовка площадки

1. Создание и испытание теплополяризованного газового фантома ¹²⁹Xe (рис. 3).
   1. Получите сосуд из боросиликатного стекла (~60 мл), плунжерный клапан с уплотнительным кольцом с передним уплотнением и шлифованный стержень из боросиликатного стекла с номинальным давлением до 150 фунтов на кв. дюйм изб. Убедитесь, что нет магнитных деталей. Прикрепите компрессионный фитинг к стеблю стекла. Затяните, чтобы получилось газонепроницаемое уплотнение.
   2. Подключите сосуд к вакуумному насосу и резервуару для кислорода в соответствии с рисунком 3А. Вакуумный сосуд с абсолютным давлением менее 100 мТорр.
   3. Наполните сосуд кислородом до давления 1,5 атм, чтобы снизить ¹²⁹Xe T₁ с > 30 мин до ~2 с (при напряженности магнитного поля 7 Тл; Для сканера 9,4 Тл используйте кислород 1,6 атм). Сосуд для тюленей.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для более высоких напряжений поля потребуется несколько более высокое парциальное давление кислорода для достижения T₁≤ 2 с⁸⁴.
   4. Заполните газонепроницаемый резервуар 400 мл изотопно обогащенного ксенона (85% ¹²⁹Xe).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Также можно использовать природное содержание ксенона (26% ¹²⁹Xe), но для смягчения ~3-кратного снижения отношения сигнал/шум необходимо увеличить.
   5. Подключите судно к резервуару ¹²⁹Xe. Вакуумная трубка с абсолютным давлением менее 100 мТорр.
   6. Залейте настольную жидкость с открытым горлышком N₂ Dewar до ~90%. Погрузите дно сосуда (~5 см) в жидкий азот для конденсации O₂ и создания вакуума (рис. 3B). Находясь в погружении, откройте клапан, чтобы ¹²⁹Xe из резервуара потекли в сосуд (Рисунок 3C).
   7. Закройте плунжерный клапан, медленно потянув за шток до тех пор, пока впускное отверстие в плунжтере не пройдет за уплотнительное кольцо. Сразу после того, как отверстие пройдет через уплотнительное кольцо, вручную затяните, чтобы запечатать сосуд. Извлеките из сосуда жидкий азот и дайте ему оттаять.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После размораживания давление в сосуде составит ~4,5 атм (2 атм O₂ + 2,5 атм ¹²⁹Xe).
   8. Защитите стеклянную посуду (например, вставьте сосуд в контейнер с мягкой подкладкой из поливинилхлорида (ПВХ), рисунок 3D).
      ПРИМЕЧАНИЕ: При правильном обслуживании фантом может поддерживать давление в течение десятилетия или дольше.
   9. Измерьте_T1 фантома (например, с помощью спектроскопической инверсионной последовательности восстановления). Подтвердите T₁ < 2 с для сканеров 7 T. Отслеживайте сигнал и T₁ с течением времени для обеспечения качества (QA).

Рисунок 3: Создание термически поляризованного газового фантома ¹²⁹Xe в соответствии с протоколом, подробно описанным в шаге 1.1. Парциальные давления O₂ и ¹²⁹Xe могут быть изменены для настройки T₁ для получения соответствующего значения ¹²⁹Xe T₁ и мощности сигнала при заданной напряженности поля⁸⁴. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

2. Выполнение контроля качества с помощью термополяризованного газового фантома (Таблица 1 и Рисунок 4).
   1. Поместите катушку ¹²⁹Xe в изоцентр магнита и центрируйте газовый фантом ¹²⁹Xe внутри катушки. В последовательности импульсов и захвата («одиночный импульс») установите рабочую частоту в соответствии с приблизительной частотой газа ¹²⁹Xe в фантоме (~83,07 МГц при 7 Тл).
   2. Центрируйте частоты регистрации и возбуждения по частоте ¹²⁹Xe Лармора и используйте эту частоту для всех фантомных калибровок и контроля качества ^{сканирования 129}Xe. В таблице 1 приведены экспериментальные параметры для всех сканирований QA. Убедитесь, что фантом центрирован с помощью фантомного локализатора (рис. 4A).
   3. Проведите эксперимент с нутацией для калибровки угла поворота: предполагая, что отношение сигнал/шум достаточно, используйте одиночные радиочастотные импульсы с интервалом времени повторения (TR) > 5 x T₁. Для каждого сбора данных постепенно увеличивайте мощность РЧ до тех пор, пока сигнал не станет нулевым и не начнет инвертироваться. Здесь используется следующий стандарт: количество импульсов = 65; TR = 10 с; длительность импульса = 125 μс; Мощность РЧ = 1-13,8 Вт, увеличенная на 0,2 Вт
   4. Преобразование Фурье и фазирование первого спектра (т.е. спектра, полученного с наименьшей мощностью радиочастоты). Примените одну и ту же фазировку для всех спектров. Построение графика реальных спектров в зависимости от мощности РЧ-импульса (рис. 4B).
   5. Мощность, которая создает нулевой пик (т.е. минимальную высоту пика), соответствует углу поворота 180°. Обеспечьте угол поворота на 90°, используя ту же мощность при половине длины импульса, которая необходима для создания угла поворота на 180°. Если программное обеспечение сканера позволяет, установите опорную мощность 90° и длину импульса для последующего масштабирования угла поворота.
   6. Используйте один импульс для прокладки, минимизировав полную ширину в половине максимума спектра ¹²⁹Xe (TR ~ 1 с). При необходимости перецентрируйте частоту после шимминга. Запишите половину макса во всю ширину.
   7. Запустите сканирование ¹²⁹Xe QA (Таблица 1 и Рисунок 4C). Запись данных QA: отношение сигнал/шум, средний фантомный сигнал и стандартное отклонение шума.

Иллюстрация 4: Контроль качества перед сканированием. (A) Корональный фантомный локализатор 2D GRE с низким разрешением гарантирует, что фантом будет центрирован в магните. (B) Эксперимент с нутацией для установки импульса 90° показывает нулевой пик при импульсе 180°. (C) После локализации и калибровки угла поворота получите изображение 2D GRE QA с более высоким разрешением. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Сокращенное название протокола	Описание последовательности	TR (мс)	TE (мс)	Средние значения / Повторения	Угол поворота (°)	Размер матрицы или Npts	Поле зрения (мм2)	РЧ ширина полосы (кГц)	Толщина среза / плиты (мм)	Продолжительность сканирования
Одиночный импульс	Захват импульсов	1000		1 / 1	60	2048		10		1 с
Фантомный локализатор	2D GRE	200	3.7	20 / 1	48	60 ×32	120 ×48	3	60	2 мин
Калибровка угла поворота	Захват импульсов	7000		1 / 65	20	2048		5.12		7,5 мин
129Xe QA	2D GRE	5000	3.3	8 / 1	90	322	322	3	40	21 мин

Таблица 1: Параметры последовательности обеспечения качества фантомной калибровки. TR = время повторения, TE = время эха, N_{пунктов} = количество точек, FOV = поле зрения, BW = ширина полосы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

3. Планируйте поляризацию (рис. 5А, Б).
   1. Выберите поляризованный объем ¹²⁹Xe и время накопления: 400 мл за 15 минут является оптимальным для этого протокола (Рисунок 5), но может быть легко отрегулирован для других применений и оборудования.
   2. Предполагая известный мертвый объем в гиперполяризаторе (например, V_{мертвый объем} = 80 мл), рассчитайте расход (F_Xe в SLM) для _{желаемого} объема V, ¹²⁹Xe газовой фракции f и времени накопления t_acc:
      (1)
      ПРИМЕЧАНИЕ: В то время как более длительное время производства обычно приводит к более высокой поляризации, они могут быть непрактичными для визуализации in vivo. Используйте подходящую модель для гиперполяризатора 85,86,87,88, чтобы определить скорость потока, которая сбалансирует время производства и поляризацию. Здесь использовалась модель J. W. Plummer et ^al.89 (рис. 5A). Это относится к поляризаторам с непрерывным потоком и не применимо к гиперполяризаторам⁹⁰ с остановленным потоком.
   3. Поляризуйте газ по этим параметрам, измерьте поляризацию с помощью коммерческого или самодельного устройства и сравните ее с прогнозируемой поляризацией для QA.
   4. Измерьте потери на поляризацию во время транспортировки. Если поляризация уменьшается на достаточно большую величину (например, на >10%), соорудите магнитный чехол для переноски для защиты поляризации во время транспортировки. Смотрите Дополнительный файл 1: Управление поляризацией во время транспортировки и Дополнительный рисунок 1.

Рисунок 5: Управление поляризацией. (A) Поляризация и производимый объем являются функцией времени накопления и скорости потока. Мешок с газом объемом 400 мл обеспечивает высокую начальную поляризацию (~35%) в течение 20 минут. Несмотря на то, что использование 1 литра газа может показаться привлекательным, он будет иметь меньшую начальную поляризацию (~20%). (B) После ~15 минут вентиляции 1-литровая партия HP ¹²⁹Xe должна была истощиться до <10% поляризации, в то время как 600 мл газа оставались¹¹⁶. Таким образом, использование нескольких пакетов объемом ^{400 мл 129}Xe поддерживает более высокую среднюю поляризацию. C) Места пересечения основного поля и активного экранирующего поля (красный прямоугольник в позиции (N,N,N)) могут привести к быстрому ослаблению HP ¹²⁹Xe. Определение характеристик бахромного поля магнита позволяет определить безопасные зоны, в которых резервуары HP ¹²⁹Xe могут быть размещены без быстрой релаксации (зеленый прямоугольник в позиции (0,0,n)). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Дополнительный файл 1: Управление поляризацией во время транспортировки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

4. Измерьте зависящее от положения T₁ для HP ¹²⁹Xe в поле полосы (рис. 5C).
   1. Создание опорных точек с известными расстояниями и положениями относительно изоцентра магнита по размерам X, Y и Z. Обозначьте изоцентр и обозначьте другие положения от n до N. Количество позиций для исследования будет зависеть от доступного места.
   2. Гиперполяризуйте небольшой объем ¹²⁹Xe (~250 мл) и транспортируйте его в диспетчерскую МРТ. Наполните большой шприц (50-100 мл) ¹²⁹Xe и поместите его в изоцентр внутри магнита (позиция 1 на рисунке 5C). Воспроизведите импульс с углом поворота ~1° для измерения сигнала.
   3. Оставьте шприц в нужном положении на ~10 минут, затем приобретите другой спектр. Измеряйте сигнал каждые 10 минут до тех пор, пока сигнал не затухнет хотя бы на 1_Тл1 (т.е. сигнал не угаснет до ~1/3 своего первоначального значения).
   4. Начните новый эксперимент с_Т1 с новым шприцем ¹²⁹Xe, повторив Шаг 1.4.2.
   5. Переместите шприц в новое положение (например, в положение n на рисунке 5C) и оставьте его там на 10 минут. Верните шприц в изоцентр, чтобы получить дополнительный спектр угла поворота ~1°.
   6. Повторите этот процесс: переместите шприц в положение n, подождите 10 минут, верните его обратно в изоцентр и повторно измеряйте сигнал до тех пор, пока он не затухнет хотя бы на 1_Тл1.
   7. Повторите шаги 1.4.4 - 1.4.6 для остальных опорных положений, охватывающих направления X, Y и Z.
   8. Исходный сигнал (S₀) будет затухать моноэкспоненциально в течение n радиочастотных импульсов с углом поворота θ. Подгоним сигнал (S) как функцию времени (t) в поле полосы, чтобы вычислить _T1 в каждой позиции:
      (2)
   9. Определите позицию с достаточным_T1 (>20 мин) для размещения резервуара ¹²⁹Xe.
5. Создание безметалловых интубационных канюль (Рисунок 6).
   1. Получите два внутривенных катетера политетрафторэтилена (ПТФЭ) с коннекторами Люэра. Выбросьте иглы в контейнер для утилизации острых предметов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для мышей >25 г используйте катетеры 18 G и 20 G. Для мелких животных используйте катетеры 20 G и 22 G.
   2. Отрежьте разъем Люэра от катетеров. Введите меньший катетер в верхний конец большего катетера, чтобы создать более резко сужающуюся и длинную канюлю. Обрежьте композитную канюлю до ~4,6 см со скошенным концом, не включая основание Люэра (рис. 6А, Б).
   3. Отрежьте более широкий конец наконечника пипетки объемом 200 мкл до длины ~2,6 см (рис. 6C).
   4. Покройте внутреннюю часть наконечника пипетки общей смазкой для пресс-формы. Используйте еще один наконечник для дозатора, вставленный внутрь, чтобы тонко распределить смазку. Заполните наконечник пипетки эпоксидной эпоксидной пастой для вулканизации на основе ацетоксисиликона (рис. 6D, E).
   5. Подключите канюлю проводом 22 G, выходящим с обоих концов. Проведите трубку канюли через силикон в наконечнике пипетки. Вытяните трубку на ~7 мм за конец наконечника пипетки (рис. 6F, G).
   6. Проденьте трубку канюли на более широкой стороне наконечника пипетки через пластиковый соединитель Люэра с наружной резьбой, склеивая детали вместе эпоксидной смолой. Обрежьте трубку, которая выходит за пределы соединителя Люэра (рис. 6H).
   7. Подождите, пока эпоксидная смола высохнет (>24 ч), затем осторожно извлеките силиконовую канюлю для интубации из формы для наконечника пипетки. Извлеките провод из канюли, убедившись, что трубка не была закупорена (рисунок 6I).
   8. Чтобы сделать ручку для легкой интубации, подсоедините трубку (1/16 дюйма или 1/8 дюйма) к гнездовому разъему Luer. Когда будете готовы к интубации, подсоедините этот женский соединитель Люэра к мужской канюле для интубации Люэра. Этот кусочек можно легко отсоединить после интубации (Рисунок 6J).
   9. Дезинфицируйте перед каждым использованием на животных: протрите внешнюю сторону канюли 70% спиртом. Протрите провод 20 г дезинфицирующим средством, затем пропустите провод через канюлю, чтобы продезинфицировать внутреннюю часть и убедиться в отсутствии засоров.

Рисунок 6: Создание МРТ и совместимых с HP ¹²⁹Xe канюль для интубации мышей. Эти канюли состоят из венозных катетеров, наконечников пипеток и силиконового герметика, как описано в шаге 1.5. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

2. Ежедневный сбор данных

ПРИМЕЧАНИЕ: См. Дополнительный файл 2: Контрольный список контроля качества доклинического сканирования.

Дополнительный файл 2: Контрольный список контроля качества доклинического сканирования. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

1. Полный ежедневный контроль качества сканера и настройка аппарата ИВЛ (Рисунок 4).
   1. С помощью фантомов запустите протоколы контроля качества на сканере (см. Таблицу 1 для параметров сканирования контроля качества и Шаг 1.2 для ежедневных шагов контроля качества).
   2. Калибровка аппарата ИВЛ по методике J. Nouls et ^al.38. Смотрите Дополнительный файл 3: Калибровка аппарата ИВЛ, Дополнительный рисунок 2 и Дополнительный рисунок 3.
   3. Установите настройки аппарата ИВЛ для визуализации в конце вдоха (Таблица 2). Поместите лежанку для животных на стойку сканера, а модуль жизнеобеспечения (т. е. детали аппарата искусственной вентиляции легких) — на стол рядом со сканером.
   4. Активируйте систему обогрева животных для конкретного объекта. Установите нагреватель на 35,5 - 40 °C, включите циркуляцию воздуха и поместите воздушный шланг в пределах ~5 дюймов от того места, где будет лежать голова животного, чтобы предварительно нагреть отверстие сканера.

Настройка вентиляции	Рекомендации по проведению МРТ HP 129Xe	Примечания
Приливный объем (ТВ)	8–10 мл/кг идеальной массы тела	Умеренное ТВ; низкий уровень телевизора требует более высокой BR, что может привести к артефактам движения на изображении
Положительное давление в конце выдоха (PEEP)	2–6 см H2O
Частота дыхания (BR)	80–120 руб/мин
Маневры по набору персонала (РМ)	~35 смЧ2O в течение 6 с каждые 5 мин
Продолжительность вентиляции; Позиция	< 6 ч; ленивый	Лежать на спине, чтобы лучше видеть движение грудной клетки
Фракция вдыхаемого кислорода (F,I,O2)	0.3–0.5	Предотвращение гипоксии у мышей под наркозом
Соотношение вдоха и выдоха (I:E)	1:2–1:4
От инспираторного к общей продолжительности цикла	0.2–0.4
Минутная вентиляция	≥0,57 мл·г-1·мин-1
Наши стандарты:
BR = 80 руб/мин, длительность вдоха = 200 мс, FIO2 = 0,3
Визуализация в конце вдоха: задержка дыхания = 200 мс, задержка запуска = 200 мс после начала вдоха
Визуализация во время задержки дыхания: задержка дыхания = 250 мс, задержка триггера = 250 мс после начала вдоха
Визуализация в конце выдоха: задержка дыхания = 200 мс, задержка запуска = 650 мс после начала вдоха

Таблица 2: Рекомендуемые настройки аппарата ИВЛ для визуализации ¹²⁹Xe. Параметры могут быть точно настроены для конкретных целей исследования и условий эксперимента 117,118,119,120,121,122,123,124. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Дополнительный файл 3: Калибровка аппарата ИВЛ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

2. Успокоить и интубировать животное.
   1. Включите инкубатор на 27,7 °C и/или электрическую грелку на 37,7 °C. Измерьте и запишите массу тела животного. Рассчитайте дозировку седативного средства исходя из массы. В таблице 3 приведен типичный режим дозирования.
   2. Введите седативное средство внутрибрюшинно. Обратите внимание на время инъекции и установите таймер для следующей дозы седативного средства.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выполните оставшиеся шаги в разделе 2 (Ежедневный сбор данных) как можно быстрее, чтобы свести к минимуму время приема седативных препаратов и риск передозировки.
   3. Нанесите на глаза животного глазную смазку и поместите животное в клетку на грелке или в инкубатор, чтобы предотвратить переохлаждение.
   4. Убедитесь, что животное полностью усыплено, выполнив тест с щипцом ноги через 10-15 минут после инъекции седативного средства⁶⁸. Интубация проводится в соответствии с процедурами, описанными в Das et ^al.69.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Статья Das et ^al.69 сопровождается всесторонней видеодемонстрацией этой техники. Шаги следующие:
   5. Подвесьте животное лежа на спине за зубы на наклонной доске. Используйте депрессор для грызунов, чтобы вытащить язык.
   6. Чтобы обеспечить видимость голосовых связок, подавайте белый свет через оптоволоконный кабель внутри интубационной канюли или яркий свет, размещенный на внешней стороне горла. Вставьте канюлю менее чем на 5 мм дальше голосовых связок.
   7. Убедитесь, что канюля находится в трахее, а не в пищеводе, подключив ее к трубке с небольшой каплей воды внутри. Если капля воды движется в такт дыханию животного, то, скорее всего, положение правильное.

Агент	Доза	Маршрут	Длительность	Комментарии
Ингаляционные вещества
Изофлуран	Индукция: 4%–5% Техническое обслуживание: 1%– 3% или к эффекту	Вдыхании	Во время непрерывного потока	• Требует использования откалиброванного испарителя
Инъекционные агенты
Рекомендуется: кетамин + ксилазин + ацепромазин	90 + 9 + 3 мг/кг	Внутрибрюшинный	20–60 мин	• Создает восприимчивость к переохлаждению
				• При повторном приеме рекомендуется перейти на смесь кетамин + ксилазин, чтобы предотвратить передозировку
				• Вызывает дрожь по мере стирания. Для визуализации строго придерживайтесь графика дозирования
				• Может вызвать брадикардию
Кетамин + ксилазин	90 + 9 мг/кг	Внутрибрюшинный	20–40 мин	• См. выше (Кетамин + ксилазин + ацепромазин)
Пентобарбитал	50 - 70 мг/кг	Внутрибрюшинный	20–60 мин	• Снижает частоту дыхания и движений
				• Расходы могут быть непомерно высокими
				• Фармацевтический класс может быть недоступен
Дисклеймер: Это общие рекомендации. Перед внедрением проконсультируйтесь с ветеринаром для получения дополнительной информации.

Таблица 3: Общий формуляр анестетиков для мышей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

3. Проветривание животного (табл. 2).
   1. Подключите животное к аппарату искусственной вентиляции легких через разъем Люэра на интубационной канюле. Контролируйте движение диафрагмы и пиковое давление на вдохе (~10-12 см H₂O для дыхательного объема 10 мл/кг массы тела). Если давление или дыхательные движения ненормальные, осторожно отрегулируйте угол наклона шейки и глубину канюли по мере необходимости.
   2. Убедитесь, что интубационная канюля герметична, выполнив маневр рекрутинга: предотвратите выдох (например, пальцем заблокируйте порт выдоха) таким образом, чтобы животное делало многократный вдох без выдоха.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если давление в дыхательных путях достигает 35 смH₂O пикового давления на вдохе в течение ~6 с, уплотнение дыхательных путей достаточно плотное. Если нет, см. обсуждение для устранения неполадок.
   3. Дайте возобновить нормальный выдох. Выполняйте маневры рекрутинга между сканированиями и каждые ~5 минут, когда не сканирование, чтобы поддерживать податливость легких и предотвратить ателектаз. Подсоедините клапан PEEP к линии выдоха. Установите PEEP на 4 см H₂O. Наблюдайте, как пиковое давление на вдохе увеличивается на эту величину.
   4. После успешной интубации спланируйте и инициализируйте выработку HP ¹²⁹Xe в соответствии с графиком повторной дозы седативного средства, чтобы животное не проснулось во время сканирования. Следите за температурой тела на протяжении всего эксперимента.
4. Сбор данных: сбор изображений вентиляции.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги сбора данных 2.4, 2.5 и 2.6 могут быть выполнены в любом порядке
   1. Настройте аппарат ИВЛ в соответствии с таблицей 2 для визуализации в конце вдоха.
   2. Загрузите следующие протоколы настройки: протонный локализатор животных, одиночный импульс для центрирования на частоте газа в легких мыши и локализатор животных ¹²⁹Xe. Параметры сканирования приведены в таблице 4 .
   3. Расположите животное в изоцентре и подтвердите, что грудная полость находится в центре поля зрения с протонной локализацией. При использовании одночастотных катушек замените протонную катушку на радиочастотную катушку с усилием ¹²⁹Xe.
   4. Запишите поляризацию ¹²⁹Xe и перенесите ее на МРТ-сканер. Смотрите Дополнительный файл 4: Контрольный список контроля качества ксеноновой поляризации.
   5. Поместите пакет с ¹²⁹Xe в канистру вентилятора и запечатайте. Подсоедините канистру на одной линии с аппаратом ИВЛ и дайте канистре нагнетать давление (3–6 фунтов на кв. дюйм изб.).
   6. Инициируйте искусственную вентиляцию легких ¹²⁹Xe. Каждый раз, когда активируется вентиляция ¹²⁹Xe, позвольте животному сделать ~5 вдохов перед началом сканирования, чтобы восстановить функциональную остаточную емкость легких.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Переключитесь на смесь N₂/O₂ между сканированием ¹²⁹Xe для сохранения гиперполяризованного газа.
   7. С помощью одного импульса отрегулируйте рабочую частоту в соответствии с резонансной частотой in vivo газообразного ¹²⁹Xe (~83,07 МГц при 7 Тл). Скопируйте частоту для всех последующих сканирований газовой фазы ¹²⁹Xe. Выполните локализацию ¹²⁹Xe, чтобы подтвердить, что легкие находятся в изоцентре.
   8. Загрузите и запустите последовательность радиальной вентиляции ¹²⁹Xe. Контролируйте пиковое давление на вдохе.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если газ ¹²⁹Xe закончится до завершения протокола, пиковое давление на вдохе будет быстро снижаться. Мешок объемом 400 мл ¹²⁹Xe может проветривать мышь массой 30 г в течение ~24 мин при вентиляции с 70% ¹²⁹Xe при 80 вдохах в минуту с дыхательным объемом 10 мл/кг идеальной массы тела.
   9. Когда сканирование будет завершено, переключитесь на вентиляцию с помощью смеси N₂/O₂ и удалите пустой пакет с ¹²⁹Xe.
   10. Для визуализации в конце выдоха измените продолжительность задержки дыхания и задержку запуска в соответствии с таблицей 2 и повторите шаги 2.4.2 - 2.4.9.
   11. Экспортируйте необработанные данные со сканера.

Сокращенное название протокола	Описание последовательности	Триггер	TR (мс)	TE (мс)	Повторений	Угол поворота (°)	Размер матрицы или Npts	Поле зрения (мм2)	РЧ ширина полосы (кГц)	Толщина среза/плиты (мм)	Продолжительность сканирования
Одиночный импульс	Захват импульсов (газовая фаза)	Необязательный	1000		1	60	2048		10		1 с
Локализатор животных	2D GRE	Да	50	1.7	1	60	642	322	3	25	60 с
Радиальная вентиляция	3D Мультиэхо радиальный	Да	20	Смотрите подпись	1	30	613	223	32.05	30	16 мин
Одиночный импульс с растворенной фазой	Регистрация импульсов (растворенная фаза)	Нет	80		1	90	512		10.35		80 мс
Спецификация динамики растворенной фазы.	Регистрация импульсов (растворенная фаза)	Нет	50		1000	90	512		10.5		50 с
Диффузионно-взвешенный	2D GRE	Да	12.2	8.1	4	45	642	322	3	1.5	18 мин

Таблица 4: Параметры последовательности in vivo . Описанная ранее последовательность 3D многоэхо-радиальной вентиляции³⁹ позволяет получать изображения с 6 разами эхо-сигнала. Приведены результаты для первого эхо-изображения (TE = 1,12 мс, рис. 7). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Дополнительный файл 4: Контрольный список контроля качества поляризации ксенона. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

5. Сбор данных: Запуск динамической спектроскопии растворенной фазы.
   1. Настройте аппарат ИВЛ в соответствии с таблицей 2 для визуализации во время задержки дыхания. Установите BR на 100 вдохов/мин. Подготовьтесь к приобретению нового мешка ¹²⁹Xe, как описано в шагах 2.4.2 - 2.4.5.
   2. Инициируйте искусственную вентиляцию легких ¹²⁹Xe. Загрузите и запустите один импульс, чтобы отрегулировать рабочую частоту в соответствии с частотой растворения (~83,084 МГц при 7 Тл). Скопируйте рабочую частоту в динамическую спектроскопию растворенной фазы.
      Примечание: Это будет один пик у мышей с гемоглобином^{дикого типа 54}.
   3. Загрузите и запустите динамическую спектроскопическую последовательность с центром по частоте растворения в легких животных. Когда сканирование будет завершено, переключитесь на вентиляцию с помощью смеси N₂/O₂ и удалите пустой пакет с ¹²⁹Xe. Экспортируйте необработанные данные со сканера.
6. Сбор данных: сбор взвешенных по диффузии изображений.
   1. Настройте аппарат ИВЛ в соответствии с таблицей 2 для визуализации во время задержки дыхания. Подготовьтесь к приобретению нового пакета ¹²⁹Xe, как в шагах 2.4.2 - 2.4.7.
   2. Загрузите и запустите диффузионно-взвешенную последовательность. Когда сканирование будет завершено, переключитесь на вентиляцию с помощью смеси N₂/O₂ и удалите пустой пакет с ¹²⁹Xe. Экспортируйте необработанные данные со сканера.

3. Завершение эксперимента

1. Восстановление животного.
   1. Вытяните интубационную канюлю прямо изо рта животного. Если животное не сразу начинает дышать самостоятельно, наложите легкие компрессии грудной клетки. Если это возможно, подайте легкий поток медицинского кислорода рядом с мордой животного, чтобы поддержать восстановление после седативного эффекта.
   2. Как только животное начнет дышать самостоятельно, если животное находилось под действием седативных препаратов в течение >2 ч, введите 0,5 - 1 мл нормального физиологического раствора подкожно, чтобы предотвратить обезвоживание.
   3. Верните животное в клетку самостоятельно. Поместите клетку в инкубатор или на грелку.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Усыпленные животные уязвимы к каннибализму и не могут быть помещены в клетку с соседями по клетке до полного выздоровления (т.е. самостоятельного передвижения). Усыпленные животные не могут регулировать температуру своего тела. Используйте тыльную сторону ладони, чтобы каждые несколько минут ощущать температуру животного.
   4. Внимательно следите за животным до тех пор, пока к нему не вернется рефлекс выпрямления (т.е. оно сможет самостоятельно перевернуться из положения лежа на спине в положение лежа).
   5. Отключите животное от тепловизионной поддержки, как только оно сможет самостоятельно передвигаться. Верните животное в клетку вместе с его товарищами по клетке.
      Примечание: если у животного нет соседей по клетке, оно более восприимчиво к гипотермии, вызванной седативным эффектом. Обеспечьте животное дополнительной подстилкой, и если таковая имеется, оставьте животное в инкубаторе на ночь.
   6. Записывайте вес животного один раз в неделю в течение 2 недель, чтобы следить за его здоровьем.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если животное получило травму рта или пищевода в результате интубации, оно может перестать есть. Если животное теряет >20% от первоначальной массы тела, обратитесь к ветеринару по поводу эвтаназии.
2. Проанализируйте изображения вентиляции (рис. 7).
   1. Загрузите необработанные данные в платформу программирования. Загрузите платформу реконструкции с открытым исходным кодом для недекартовых изображений⁹¹.
   2. Реконструируйте изображения в соответствии с инструкциями фреймворка с открытым исходным кодом. Нормализуйте первую точку на каждой радиальной проекции³⁹.
   3. Сегментируйте паренхиму легких на изображениях, включая воксели с низким сигналом ¹²⁹Xe или без него. Не включайте крупные дыхательные пути. Сегментируйте фоновый шум на изображении, исключая легкие, дыхательные пути и артефакты изображения.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Изображение протонного локализатора может помочь в определении границ паренхимы.
   4. Рассчитайте отношение сигнал/шум по формуле:
      (3)
   5. Количественно оцените дефектную вентиляцию.
      Примечание: Были предложены различные методы количественной оценки нарушенной вентиляции на моделях мелких животных. Методы анализа остаются открытой областью исследований, но легко реализуемые подходы включают: (i) полуколичественную ручную сегментацию⁹², (ii) гистограммный подход с использованием сигнала от трахеи для нормализации паренхиматозного сигнала⁴⁷ и (iii) сегментацию общего объема легких (TLV) и определение порога сигнала (например, <60% от общего среднего значения легких) для разделения легких на дефектный объем и объем легких на вентиляцию легких (VV). Количественное определение VDP ^93,94 согласно:
      (4)
3. Анализируйте динамическую спектроскопию растворенной фазы (рис. 8).
   1. Загрузите необработанные данные в платформу программирования. Выполните быстрое преобразование Фурье и фазируйте спектры (для этого приложения достаточно одновременного ручного фазирования спектров нулевого порядка).
   2. Вычислите стандартные данные ядерного магнитного резонанса (ЯМР) ^95,96: SNR, полная ширина half max, интегрированная площадь, химический сдвиг и фаза обоих пиков.
   3. Исходя из данных о магнитудах, разделите амплитуду сигнала растворенного спектра на амплитуду газового спектра для каждого повторения, чтобы найти отношение растворенного к газу с течением времени.
4. Анализируйте диффузионно-взвешенные изображения (рис. 9).
   1. Загрузите необработанные данные в платформу программирования. Сегментируйте паренхиму легких на изображении b₀ , как показано в Шаге 3.2.3. Рассчитайте отношение сигнал/шум для каждого изображения с b-значением.
   2. Рассчитайте отношение сигнала к шуму, SVNR_0, разделив сигнал в каждом вокселе изображения b₀ на стандартное отклонение шума изображения. Исключите воксели с SVNR₀ < шумом изображения в 2,5 раза⁹⁷.
      ПРИМЕЧАНИЕ: SVNR₀ — это индивидуальная воксельная метрика, в то время как паренхиматозная SNR — это метрика всего легкого.
   3. Рассчитать АЦП путем подгонки затухания сигнала по b-значениям (b_i) в соответствии с уравнением 5^98,99:
      (5)

Результаты

Изображения вентиляции

Если процедуры подготовки животных и вентиляции выполнены правильно, 3D-радиальная визуализация может успешно фиксировать модели вентиляции при сборе данных на вдохе или истечении (рис. 7). В то время как эти изображения собираются в течение многих вдохов, описанный здесь метод похож на метод визуализации одного вдоха, используемый у людей. Это связано с тем, что все линии k-пространства собираются в определенное время во время цикла дыхания (например, все в конце вдоха), в совокупности создавая изображение, представляющее одну вдох. На этих изображениях хорошо видны основные дыхательные пути (трахея и бронхи), нет явных артефактов изображения, а паренхима легких выглядит полностью раздутой с высоким отношением сигнал/шум (~15 или выше, в зависимости от исходной поляризации). Несмотря на парадоксальность, изображения, полученные во время вдохновения (Рисунок 7A, SNR = 15), показывают более низкое SNR, чем изображения, полученные по истечении срока (Рисунок 7B, SNR = 27). Это связано со скромным давлением и медленным потоком, используемыми при вентиляции этой мыши. Для вдохновляющих изображений, газ HP еще не полностью проник в паренхиму легких, в результате чего ¹²⁹Xe (и, следовательно, сигнал) концентрируется в более крупных дыхательных путях. Этот эффект визуально усугубляется масштабированием k-пространства во время реконструкции изображения, поскольку высокий сигнал дыхательных путей доминирует в динамическом диапазоне данных. Тем не менее, анализ должен быть простым, если паренхима сегментирована таким образом, что крупные дыхательные пути отсутствуют.

Рисунок 7: Репрезентативные 3D-изображения радиальной вентиляции у взрослой мыши C57BL/6J, полученные с использованием ранее опубликованных методов³⁹. В то время как оба изображения имеют относительно высокое отношение сигнал/шум, изображения на вдохе (А) имеют более низкое отношение сигнал/шум, чем изображения на истечение срока действия (В), в основном потому, что газ ¹²⁹Xe еще не успел проникнуть в легкие. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Важно различать патологически затрудненную вентиляцию легких и другие причины низкого SNR. На рисунке 7А не ожидается никаких препятствий для вентиляции (т.е. низкий VDP), потому что животное было здоровой мышью дикого типа. Если вентиляция затруднена, дефекты обычно проявляются в виде областей с низким или нулевым сигналом ¹²⁹Xe. К непатологическим причинам низкого сигнала обычно относятся:

(i)  Низкая поляризация ¹²⁹Xe: Это приводит к низкому SNR в паренхиме легких и дыхательных путях без сопутствующих артефактов. Низкая поляризация, как правило, может быть связана с неправильным следованием процедурам поляризации, деполяризацией во время транспортировки или чрезмерным содержанием газа_O2 в трубке подачи HP ¹²⁹Xe (например, из-за неправильно откалиброванного вентилятора).

(ii) Интубационная канюля, введенная слишком глубоко: Если канюля введена слишком глубоко в трахею, она может отклониться вниз по левому или правому бронху. При достаточно плотном размещении дыхательный объем всего легкого может быть ограничен только несколькими долями и дыхательными путями, в то время как остальная часть легкого не получает ничего. Если это произойдет, гиперраздутые доли могут быть повреждены, и может потребоваться усыпление животного. Кроме того, кончик канюли может вступать в прямой контакт с тканью. В этом случае ¹²⁹Xe будет в первую очередь ограничен внутренней частью канюли, что приведет к яркому сигналу из явно прямой трубки и минимальному сигналу внутри паренхимы. В этом случае положение канюли должно быть немедленно скорректировано, а животное должно контролироваться на предмет признаков дистресса (например, аномального, отсутствующего или асинхронного движения грудной клетки по сравнению с аппаратом искусственной вентиляции легких).

(iii) Интубационная канюля, расположенная слишком поверхностно: Когда комок газа подается слишком поверхностно в ротоглотку, сопротивление этому болюсу, протекающему в легкие, может быть сильнее, чем сопротивление этому болюсу, обтекающему вокруг внешней стороны канюли и выходящему изо рта. Это может привести к плохому раздуванию легких. SNR трахеи может быть высоким, в то время как паренхиматозный SNR будет низким. Артефакты движения могут присутствовать из-за газа, протекающего вверх по трахее во время сбора данных. Характер артефакта будет варьироваться в зависимости от типа последовательности (GRE, радиальная и т.д.).

(iv) Неправильное время регистрации: Если радиочастотные импульсы и сбор данных происходили в периоды потока инспираторного или выдохного газа, обычно будут присутствовать серьезные артефакты движения, особенно при использовании декартовых последовательностей, а паренхиматозное отношение сигнал/шум будет низким.

(v) Спонтанное дыхание: Если животное недостаточно усыпляется во время сбора данных, спонтанное дыхательное движение будет асинхронно накладываться поверх схемы механической вентиляции. Это приведет к переменной доставке ¹²⁹Xe при вдохе при вдохе, умеренным и тяжелым двигательным артефактам и низкому паренхиматозному SNR. Тщательное отслеживание дозы седативного средства и времени имеет решающее значение.

(vi) Смерть животных: В редких случаях мыши могут умереть (например, из-за неправильного положения канюли, недостаточной доставки_O2 , передозировки седативных средств или тяжелой экспериментальной патологии). Если это происходит, легочная ткань быстро затвердевает, и паренхима легких будет плохо раздуваться. Верхняя часть трахеи может оставаться яркой, но паренхима легких будет иметь очень низкий сигнал.

Газообменная спектроскопия

У людей параметры, полученные с помощью спектроскопии (например, интенсивность сигнала, спектральная ширина, химический сдвиг и фаза) позволяют получить представление о сердечно-легочной динамике и состоянии заболевания^52,53. В отличие от человека⁸⁶, собак¹⁰⁰ и крыс^{20 101}, спектры всего легкого мышей, полученные при ограничении ¹²⁹Xe паренхимой легких, демонстрируют одиночный широкий, растворенный фазовый резонанс, соответствующий ¹²⁹Xe, растворенному в ткани капиллярной мембраны, плазме крови и эритроцитах⁵⁴ (рис. 8A, 197 ppm). При транспортировке током крови к более дистальным тканям ¹²⁹Xe производит различные резонансные частоты от различных тканей, включая жировую ткань⁵⁴, мышцы, серое вещество и белое вещество^102,103. Однако из-за относительно длительного времени прохождения (несколько секунд) и умеренной растворимости¹⁰⁴ (растворимость по Оствальду = 0,1 - 0,3) эти сигналы, как правило, слабы и наблюдаются только во время целенаправленных, тщательных экспериментов. Исключение составляют ¹²⁹Xe, растворенные в жировых тканях (рис. 8A, 189 ppm). Из этих тканей сигнал ¹²⁹Xe может появиться в течение нескольких секунд (например, в течение первых нескольких вдохов во время подготовки животного). Более того, интенсивность сигнала может быть высокой, поскольку растворимость по Оствальду ¹²⁹Xe почти в 20 раз больше в жировых тканях, чем в плазме крови (т.е. 1,7 против 0,094, соответственно, при 37 °C¹⁰⁴). Ожидается, что время продольной релаксации также будет относительно долгим (in vivo _T1 составляет ~20 с в липидах¹⁰⁵ против 3-8 с в крови¹⁰⁶). В результате сигнал ¹²⁹Xe от жировой ткани может быть относительно высоким по сравнению с другими тканями.

Из-за различной динамики сигнала эксперименты по спектроскопии ¹²⁹Xe могут быть адаптированы для исследования жировой ткани (например, для термометрии бурой жировой ткани¹⁰⁷) или поглощения газа в легких путем выбора правильных параметров регистрации. При получении спектров ¹²⁹Xe из легких с настройками, описанными в таблице 4 (т.е. TR = 50 мс и углом поворота 90° с центром на пике растворенной фазы), наблюдаются пики как газовой, так и растворенной фазы (рис. 8A, B). Примечательно, что объем газа в легком мыши в 2-3 раза превышает объем ткани, а растворимость ¹²⁹Xe в этой ткани составляет всего ~104,108,109,110,111^. Несмотря на это, амплитуда растворенного сигнала превышает амплитуду газовой фазы примерно в 2 раза, так как возбуждение газовой фазы далеко не резонансно (~15 кГц при 7 Тл; Рисунок 8B, SNR = 102 против 43 соответственно). Таким образом, в 20-30 раз больший пул намагниченности в газовой фазе может быть аппроксимирован как стабильный (т.е. неистощенный) резервуар для сигнала фазы растворения во время статических участков цикла дыхания.

При новом вдохе намагниченности каждые ~600 мс и TR 50 мс интенсивность сигнала как от газовой, так и от растворенной фазы ¹²⁹Xe колеблется. Для газового сигнала это связано с изменением общего объема газа (т. е. высоким на вдохе и низким на выдохе). Для растворенного сигнала ситуация более сложная, поскольку намагниченность исходного газа, T₂* и объем капиллярной крови могут колебаться в зависимости от состояния надувания. В результате, отношение амплитуды рассеянного и газообразного сигнала также колеблется в зависимости от цикла дыхания (рисунок 8C, среднее отношение растворенного/газового = 1,9 ± 0,39).

Рисунок 8: Репрезентативная динамическая спектроскопия у взрослой мыши C57BL/6J. (A) Спектр одного импульса показывает сигнал, исходящий от ¹²⁹Xe в газовой фазе, растворенный в жировой ткани (189 ppm) и растворенный как в капиллярной мембране, так и в тканях крови (197 ppm). (B) Динамическая спектроскопия, показывающая изменяющуюся во времени интенсивность сигнала как растворенного, так и газообразного ¹²⁹Xe (время повторения = 50 мс). Для облегчения визуализации отображается только пять спектров. Диагональные линии на оси времени представляют собой разрывы шкалы. (C) Отношение амплитуды растворенного сигнала к амплитуде газообразного сигнала с интервалом в 2 с (соответствующий красному разрыву шкалы на панели B показывает явное изменение в зависимости от цикла дыхания (0,6 с на вдох). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Ниже приведен список факторов, которые могут поставить под угрозу результаты газообменной спектроскопии ¹²⁹Xe. В каждом случае вероятным результатом является низкое отношение сигнал/шум, что может сделать спектральную аппроксимацию и результирующие метрики (например, отношение амплитуды растворенного сигнала к газу, химический сдвиг, спектральную ширину и фазу) неточными.

(i) Неправильная рабочая частота: Из-за значительно большего объема газа и низкой растворимости в тканях, радиочастотные импульсы, центрированные на частоте газовой фазы, не будут производить сигнал растворенной фазы. Радиочастотные импульсы должны быть центрированы на частоте растворенной фазы или близкой к ней.

(ii) Слишком широкая полоса пропускания: ширина полосы возбуждения должна быть достаточно широкой, чтобы возбуждать некоторую газовую фазу ¹²⁹Xe для измерения отношения амплитуды растворенного и газового сигнала. Но если полоса пропускания слишком широкая, импульс возбуждения разрушит намагниченность в газовой фазе до того, как она растворится в ткани. Это можно рассматривать как очень высокий газовый сигнал и низкий или нулевой сигнал растворенной фазы, несмотря на то, что импульс центрирован на частоте растворенной фазы.

(iii) Неоптимизированные ТР: Чтобы исследовать динамику сигнала на вдохе, теорема Найквиста-Шеннона о дискретизации требует, чтобы сигнал дискретизировался как минимум в два раза чаще (здесь каждые 50 мс сэмплировалось 100 вдохов в минуту, или ~12 раз за вдох). В зависимости от условий эксперимента возможно дальнейшее исследование динамики сердечно-легочного сигнала с более высокой частотой дискретизации. Результаты этих экспериментов будут зависеть от многих факторов, включая ширину полосы возбуждения, частоту дыхания и частоту сердечных сокращений. Время обмена ксенона (т.е. время растворения ксенона в ткани; ~56 мс⁵⁴) и время легочного транзита (т.е. время прохождения крови из правого желудочка в левый; ~830 мс при частоте сердечных сокращений ~436 уд/мин¹¹²) также должны быть учтены. Слишком частый отбор проб приведет к раннему разрушению намагниченности и низкому сигналу, но также уменьшит влияние кровотока. Менее частый отбор проб позволит намагниченности раствориться дальше и накопить больше сигнала, но она станет более зависимой от кровотока и менее локализованной в областях газообмена в альвеолах.

Диффузионно-взвешенные изображения

Диффузионно-взвешенные изображения, используемые для количественной оценки размера альвеолярного воздушного пространства, были тщательно проверены на моделях мелких животных с помощью традиционных методов гистоморфометрии 98,113,114. В данном случае мы ограничили обсуждение 2D-визуализацией, селективной по отношению к срезам, чтобы свести к минимуму время сканирования и расход газа в соответствии с ранее валидированными протоколами⁹⁸. Для расчета АЦП достаточно минимум 2 изображений с b-значением, а для сложных расчетов морфометрии (например, среднего линейного пересечения) необходимо 4 или более изображений с b-значением. Получение нескольких изображений b-значений дает значительное преимущество за счет повышения точности расчетов. В отличие от визуализации человека во время одной задержки дыхания, доклиническая визуализация в течение нескольких вдохов обеспечивает непрерывное пополнение сигнала. Благодаря этому можно получить множество изображений с высоким значением сигнал/шум, ограниченных только объемом доступного газа HP и продолжительностью седации на животных. Здесь мы получили 7 изображений с b-значением, каждое с отношением сигнал/шум >15, используя 400 мл газа ¹²⁹Xe в течение 18 минут сканирования (рис. 9). Сигнал на каждом изображении затухает с увеличением силы диффузионного градиента (b-значение). Этот затухание сигнала пропорционально АЦП ¹²⁹Xe в легком. Крупные дыхательные пути можно отличить от ацинарной ткани, сравнив изображения b₀ и b₆. В областях, которые с анатомической вероятностью могут содержать дыхательные пути, пиксели будут казаться очень яркими на изображении b₀, но темными на изображении b₆ (красные стрелки, рис. 9). Эти пиксели должны быть исключены из анализа паренхимы легких.

Рисунок 9: Репрезентативные диффузионно-взвешенные изображения у взрослой мыши C57BL/6J. Крупные дыхательные пути (красные стрелки), через которые ¹²⁹Xe свободно диффундирует, будучи разбавленным кислородом, демонстрируют повышенное затухание сигнала относительно паренхимы легких. Это приводит к яркому освещению дыхательных путей на изображении b₀ и низкому сигналу дыхательных путей на изображении b₆ . Мыши и крысы имеют одинаково малые значения ADC по сравнению с людьми, но эти значения будут зависеть от биологических и экспериментальных факторов, таких как возраст, дыхательный объем, давление и параметры диффузии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

АЦП этой здоровой, взрослой мыши дикого типа следует ожидаемому результату на основе литературы, ее возраста, отношения сигнал/шум, параметров приобретения и многого другого. Факторы, которые могут оказать существенное влияние на точность и достоверность результатов АЦП, включают:

(i) Низкое отношение сигнал/шум: Важно отметить, что низкое отношение сигнал/шум на изображениях смещает расчет АЦП в сторону более низких значений^99,115. По этой причине мы исключаем воксели с SVNR₀ < шумом изображения в 2,5 раза⁹⁷.

(ii) Неправильная сегментация: Плохая сегментация (например, использование пороговых значений сигнала без визуального осмотра для контроля качества) может исказить результаты. Если изображения содержат артефакты (например, вызванные движением), они могут превысить пороговое значение и быть ошибочно классифицированы как паренхима. Кроме того, особенно важно исключить пиксели вблизи крупных дыхательных путей, так как эффекты частичного объема могут сместить их АЦП в сторону более высоких значений.

(iii) Неправильно откалиброванный аппарат ИВЛ: Как правило, разбавление ¹²⁹Xe более легкими газами (например, O₂ или N₂) может привести к смещению АЦП в сторону более высоких значений, поэтому для количественного сравнения необходима вентиляция с известными газовыми смесями. При вентиляции с использованием смеси ¹²⁹Xe/_O2 увеличение концентрации кислорода перед подачей приведет к увеличению релаксации_Т1 и уменьшению намагниченности ¹²⁹Xe в трубке подачи газа, тем самым уменьшая отношение сигнал/шум.

(iv) Депополнение легких: У животных, находящихся под наркозом и искусственной вентиляцией легких, со временем может произойти альвеолярный коллапс (ателектаз). Когда это происходит при вентиляции постоянного объема, тот же дыхательный объем обязательно перераспределяется на альвеолы, которые остаются задействованными. По мере развития ателектаза средней и тяжелой степени остальная часть легкого может стать гиперраздутой, вызывая травму и увеличение ADC в этих областях. Регулярные маневры рекрутинга и PEEP предотвращают альвеолярный коллапс, предотвращают снижение податливости легких и сводят к минимуму риск повреждения легких, которое может исказить результаты ADC.

(v) Плохая подгонка данных: необходимо учитывать метод оценки АЦП. Логлинейная аппроксимация является наиболее эффективной с точки зрения вычислений, но вносит смещение в изображения с низким отношением сигнал/шум. Поэтому его лучше всего применять к изображениям с высоким отношением сигнал/шум (>20). Взвешенный линейный метод уменьшает это смещение и подходит для изображений с отношением сигнал/шум > 15. Байесовское оценивание может дать оценки АЦП с низкой погрешностью даже при SNR <10, но является ресурсоемким с точки зрения вычислений⁹⁹.

(vi) Неоптимальное время диффузии: Оптимальное время диффузии зависит от максимальной силы градиента МРТ-сканера и радиуса ацинарных дыхательных путей у мышей (радиус ~100 мкм⁴⁹), который примерно в три раза меньше, чем у человека. Для обеспечения оптимальных условий время диффузии устанавливается таким образом, чтобы длина диффузии была больше среднего альвеолярного радиуса, но меньше средней длины альвеолярных протоков. Оптимальное время диффузии для максимальной прочности градиента для конкретного участка может быть определено с помощью методов, описанных Сукстанским и Яблонским⁴⁹. Использование неоптимального времени диффузии может привести к нелинейному уменьшению АЦП ¹²⁹Xe, что усложнит интерпретацию результатов.

(vii) Неоптимальные b-значения: Существует компромисс между максимизацией SNR и максимизацией отношения контраст/шум (CNR), генерируемого на изображениях b-значения. Если CNR приносится в жертву использованием только низких b-значений (т.е. диффузионное затухание сигнала, как при получении только первых 3 b-значений изображений на рисунке 9), то оценка АЦП будет неточной из-за плохой подгонки. Если диффузионное взвешивание слишком сильное, результирующее отношение сигнал/шум будет недостаточным, и АЦП будет смещен в сторону более низких значений.

Обсуждение

Гиперполяризованная МРТ ¹²⁹Xe становится сложным и мощным методом изучения микроструктуры и функции легких на моделях мелких животных. Этот протокол предназначен для руководства первоначальной подготовкой центра и описания экспериментальных процедур, необходимых для количественной оценки вентиляции, диффузии и газообмена в легких мышей с помощью HP ¹²⁹Xe. Ключевыми предпосылками для экспериментов являются создание газового фантома ¹²⁹Xe и обеспечение высокой поляризации газа к животному. Последнее требует тщательного планирования поляризационных параметров, уменьшения поляризационных потерь во время транспортировки газа (например, создания магнитного несущего корпуса) и определения характеристик (и в идеале предотвращения) релаксации_Т1 в краевом поле доклинического магнита^{МРТ 116,125}. Параллельно с разработкой необходимой инфраструктуры HP ¹²⁹Xe крайне важно разработать надежные протоколы и процедуры обращения с животными. К ним относятся эффективная седация для обеспечения надежной механической вентиляции, нетравматичная интубация для проведения продольных исследований и стратегии вентиляции, которые уравновешивают необходимость обеспечения высокой намагниченности ¹²⁹Xe с безопасными и физиологически значимыми условиями вентиляции.

В некоторой степени описанные здесь методы, процедуры и результаты зависят от конкретного используемого оборудования (например, тип аппарата искусственной вентиляции легких, поляризатора и МРТ-сканера). При наличии альтернативного оборудования экспериментальные методы могут быть относительно легко модифицированы. Кроме того, могут быть оптимизированы ежедневные процедуры обеспечения качества (шаг 1.2, рисунок 4 и таблица 1). Тщательное ведение записей в течение ~30 минут контроля качества имеет решающее значение при создании нового сайта. Это позволяет заблаговременно обнаруживать проблемы с оборудованием и исключать их во время устранения неполадок. После того, как повседневные изменения показателей контроля качества будут хорошо охарактеризованы, калибровка угла поворота и сканирование контроля качества за ~21 минуту могут быть уменьшены для повышения эффективности. Кроме того, общий подход может быть распространен на другие распространенные виды мелких животных (например, крыс и кроликов) путем регулировки дозировки анестетика, настроек аппарата искусственной вентиляции легких и параметров получения. Основные протоколы могут быть использованы для изучения зависимой от аппарата искусственной вентиляции легких физиологии, такой как влияние частоты дыхания, объема и уровня PEEP на газообмен или альвеолярное пополнение. Если продольные данные не требуются или проводится продольное исследование, интубационная канюля позволяет провести бронхоальвеолярный лаваж или быструю фиксацию и забор легких для обычных анализов (например, для гистологического или морфометрического измерения). Более того, потенциал модификации этого протокола распространяется на последовательности и параметры МРТ, представляющие собой динамический аспект исследований МРТ ¹²⁹Xe.

Установка канюли имеет решающее значение для безопасности животных и качества изображения. Поскольку интубационная канюля не закреплена жестко — например, путем наложения швов вокруг трахеи — относительно небольшие смещения (например, движения при подключении оборудования для физиологического мониторинга) могут нарушить герметичное уплотнение с трахеей. Это герметичное уплотнение необходимо для маневров рекрутинга (~35 см H₂O пиковое давление на вдохе), которые имеют решающее значение для поддержания податливости легких и предотвращения ателектаза. Если маневр рекрутинга не достигает целевого давления, исследователь должен взвесить корректирующие стратегии в контексте целей исследования (например, диффузионно-взвешенная визуализация в сравнении с вентиляционной визуализацией; одиночная временная точка в сравнении с продольной). Стратегии смягчения последствий могут включать в себя: 1) удаление канюли и повторную интубацию, 2) корректировку положения канюли для увеличения контакта со стенками трахеи во время установки, и 3) продолжение эксперимента без получения газонепроницаемого уплотнения. С точки зрения точности данных реинтубация является наиболее надежным вариантом, но она может занять много времени и привести к нежелательному спаду намагниченности ¹²⁹Xe. Корректировка положения канюли происходит быстрее, но к ней следует относиться осторожно, так как она несет в себе больший риск травмирования. Продолжение эксперимента без РМ лучше всего использовать, когда мышь будет находиться на искусственной вентиляции легких в течение <20 минут, чтобы избежать изменений^{в динамике} легких, вызванных ателектазом.

Помимо очевидной потребности в безопасном обращении с животными, ключом к разработке надежной и надежной программы МРТ мышей HP ¹²⁹Xe и устранению связанных с ней проблем является тщательное ведение записей. Для производства HP ¹²⁹Xe рекомендуется отслеживать мощность лазера, время накопления, скорость потока и поляризацию. Во время фантомной визуализации и спектроскопии лучше всего регистрировать отношение сигнал-шум изображения, положение пика, ширину спектральной линии и мощность радиочастотного сигнала, необходимую для получения импульса под углом 90°. Для визуализации in vivo аналогичные данные контроля качества должны быть записаны вместе с параметрами физиологического мониторинга (пиковое давление на вдохе, температура тела и т. д.) и подробной временной шкалой событий, связанных с обращением с животными. Несколько ключевых элементов оборудования могут облегчить устранение неполадок с аппаратами ИВЛ. К ним относятся датчик O₂ , спирометр для мелких животных и манометр для калибровки вентиляции и давления PEEP. Осциллограф и вольтметр могут помочь в подтверждении точности синхронизации работы аппарата ИВЛ и ее соответствия стробированию МРТ-сканера. Наконец, ручной гауссметр незаменим для подтверждения целостности магнитного чехла для переноски, если он необходим для транспортировки. Что касается устранения неполадок с последовательностью МРТ, рекомендуется использовать как газовый фантом, описанный в этом протоколе, так и шприц, наполненный газом HP. Использование шприца, содержащего газ HP ¹²⁹Xe, особенно полезно для устранения неполадок диффузионно-взвешенных последовательностей, поскольку точность данных может быть оценена на основе того, отражают ли они известную достоверную истину: коэффициент свободной диффузии в чистом ¹²⁹Xe внутри шприца.

При применении этого протокола необходимо учитывать несколько ограничений. Во-первых, это зависит от специализированного оборудования и экспертизы, что снижает доступность для новых площадок. Тем не менее, с недавним одобрением регулирующих органов для клинического использования в США, ожидается, что количество центров, оснащенных ¹²⁹возможностями МРТ Xe, увеличится. Этот метод также ограничен присущими гиперполяризованному газу ограничениями, в том числе относительно коротким временем поляризации и необходимостью быстрого сбора данных. Использование аппарата искусственной вентиляции легких обычно улучшает отношение сигнал/шум изображения и по сути позволяет избежать артефактов движения, но он маскирует естественную динамику дыхания, которую можно было бы зафиксировать с помощью устройства для подачи газа со свободным дыханием. Кроме того, результаты исследований на моделях мелких животных с использованием этого протокола следует интерпретировать с осторожностью при экстраполяции на физиологию человека, учитывая значительные видовые вариации. Еще одним ограничением является сложный характер оральной интубации и искусственной вентиляции легких, которые затруднены у мышей весом менее 25 г. Это может не включать мальчиков младше ~8 недель и женщин младше ~20 недель, если не используется специальное оборудование и процедуры. Наиболее вопиющим ограничением этого протокола является отсутствие программирования импульсов и передовых методов реконструкции изображений. Включение таких методов в обобщенный протокол нецелесообразно из-за их сложных технических деталей и специальных знаний. Наконец, этот протокол описывает основные количественные показатели, такие как SNR, VDP и ADC, но не более продвинутые показатели, такие как региональная фракционная вентиляция, диффузионная морфометрия и визуализация газообмена. Эти расширенные метрики будут легче реализовываться, как только базовая инфраструктура, описанная здесь, будет настроена.

Несмотря на то, что газовая МРТ HP ¹²⁹Xe для мелких животных является ресурсоемкой и экспериментально сложной, она может значительно продвинуть доклинические исследования легких. Он предлагает минимально инвазивные и чувствительные средства для количественной оценки региональной вентиляции, размера альвеолярного воздушного пространства и динамики газообмена. Таким образом, он может предоставить уникальные средства для оценки физиологии легких, прогрессирования заболевания и терапевтических вмешательств с течением времени. Таким образом, он представляет собой усовершенствование по сравнению с традиционными доклиническими методами, включая гистологию, биохимические анализы, ионизирующие методы визуализации и инвазивные измерения механики легких. Кроме того, МРТ ^{мелких животных 129}Xe остается активно развивающейся областью исследований, и баланс соответствующей физики визуализации с доклиническими требованиями сам по себе представляет значительные исследовательские возможности. Наконец, по мере того, как клиническая МРТ ¹²⁹Xe становится все более широко признанной и используемой в клинической практике, возможности для исследований с мышью на человека и обратной трансляции будут продолжать расти с течением времени.

Дополнительный рисунок 1: Принципиальная схема магнитного кейса для переноски. Соленоид из эмалированной медной проволоки, L1, подключен параллельно с V1, 12-вольтовой аккумуляторной герметичной свинцово-кислотной батареей. Сопротивление резистора R1 может быть выбрано для управления током через V1 и L1. Панельная светодиодная лампа индикатора, R2 и D1, также подключена параллельно V1. Тумблер включения-выключения S1 подключен последовательно с V1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 2: Результаты калибровки аппарата ИВЛ для азота. Выходной объем от 30 вдохов измерялся в трех экземплярах. Была выполнена линейная регрессия для определения рабочего давления, необходимого для производства соответствующих объемов газа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок 3: Шпаргалка по настройке давления в аппарате ИВЛ. Результаты наклона и пересечения в результате линейной регрессии каждого газа используются в уравнении S1. Это уравнение использовалось для определения движущего давления, необходимого для создания приливного объема в 10 мл/кг идеальной массы тела для газовых смесей 70% N₂ + 30% O₂ и 70 % ¹²⁹Xe + 30 % O₂ для соответствующих масс животных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
1 мл шприц	фишера научный	каталог No14-955-464	https://www.fishersci.com/shop/products/sterile-syringes-single-use-12/14955464
10 мл градуированный цилиндр	Cole-Parmer	UX-34502-69	https://www.coleparmer.com/i/cole-parmer-essentials-graduated-cylinder-glass-hexagonal-base-10-ml-2-pk/3450269?PubID=UX&persist=true&ip=no& gad_source=1& gclid=CjwKCAi A6KWvBhAREiwAFPZM7h3do -ssjascARuVviKd7V7kC5ztdIB6 _70DnMr-K3qk9RKeJ7-IrhoCeT 0QAvD_BwE
18 G - венозные катетеры PFTE (нестерильные)	Terumo Surflo	SROX1832CA	https://www.shopmedvet.com/product/iv-catheter-18-x-1-25inch?r=GSS17&p=GSS17&utm_source= google& utm_medium=google_ шопинг и gad_source=1& gclid= CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEsoW 4oTvZkAgWQCda6ocVtQlulVrG 2536FNbu5soMVSFN8xK_g1Uh pXIRoCGwoQAvD_BwE
20 G - венозные катетеры PFTE (нестерильные)	Terumo Surflo	SROX2051CA	https://www.shopmedvet.com/product/iv-catheter-20-x-2inch?r=GSS17&p=GSS17&utm_source =google& utm_medium=google_ шопинг и gad_source=1& gclid= CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEsoW 87ggCkgToD_XF_UgpQBTpmN dgSNfCml6TkDKlW8k27Dq_daR itPuhoCnBQQAvD_BwE
22 G - венозные катетеры PFTE (нестерильные)	Terumo Surflo	SROX2225CA	https://www.shopmedvet.com/product/iv-catheter-22-x-1inch?r=GSS17&p=GSS17&utm_source= google& utm_medium=google_ шопинг и gad_source=1& gclid =CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEso W9IM6mpee6m7e-lBfR8dZhSN KYbMUs7qgEU4gYCRTW_rJAs W_lGkthoCm30QAvD_BwE
400 мл мешки для тедлара	Jensen Inert Products	GST-001S-3507TJC	NA
шприц 60 мл	рыбак научный	каталог No14-955-461	https://www.fishersci.com/shop/products/sterile-syringes-single-use-12/14955461
70% спирт	Cole-Parmer	UX-80024-34	https://www.coleparmer.com/i/labchem-isopropyl-alcohol-70-v-v-500-ml/8002434?PubID=UX&persist=true&ip= no& gad_source=1& gclid=CjwKC AiA6KWvBhAREiwAFPZM7gGh p8g7MBHBBKadaRCAwfEMgV gna5fhYRsuXIuqoqOiToCC4fem nhoCGMEQAvD_BwE
Дьюара для жидкого азота	Terra Universal	4LDB	https://www.laboratory-equipment.com/tw-4ldb-liquid-nitrogen-dewar-ic-biomedical.html?srsltid=AfmBOooxwMtOA1Z2TweR P8V5Iy5EvYT3alZuzoiY 3UF3Ib9RgFnDxVTfWP0
Смазка для глаз	Refresh	ОСВЕЖИТЬСЯ ВЕЧЕРОМ	https://www.refreshbrand.com/Products/refresh-pm
Волоконно-оптический фонарь	AmScope	HL250-AY	https://amscope.com/products/hl250-ay?tw_source=google & tw_adid=& tw_campaign= 16705014684& gad_source= 1& gclid=CjwKCAiA6KWvBhA REiwAFPZM7p-DpyvHJaGxR pAD1385hzGf1oPdKHHLFDR Sp8yrtxry11SNJeJnKxoCtAoQ AvD_BwE
Гауссметр	Апексные магниты	GMHT201	https://www.apexmagnets.com/magnets/accessories/ht-digital-gaussmeter-with-peak-hold-can-display-gauss-or-tesla
Стеклянный сосуд (фантом)	Ace Glass	8648-24	https://aceglass.com/results.php?t=8648-24&t=8648-24
Грелка	Офисное депо	9206211	Pure Enrichment PureRelief Express Designer Series Грелка 12 x 15 Palm Aqua - Office Depot
Гиперполяризатор	Polarean	9820	https://polarean.com/xenon-mri-platform/
Доска для интубации	Hallowell EMC	000A3467	https://hallowell.com/product/rodent-tilting-workstand/
Список расходных материалов для интубации	опубликован в другом месте	NA	https://app.jove.com/t/50318/a-simple-method-of-mouse-lung-intubation
Изотопно обогащенный ксеноновый баллон	Изотопы Linde	XE-129(1%)N2(10%)HE CGMP 302SZ	NA
Жидкий азот	Linde	NI LC160-22	https://www.lindedirect.com/store/product-detail/nitrogen_n2_nitrogen_liquid _lc160_22_psi_ni_lc160_22 /ni-lc160-22?cat_id=shop& node=b89
Слип с наружной резьбой Luer	Cole-Parmer	UX-21943-27	https://www.coleparmer.com/i/diba-omnifit-t-series-solvent-waste-cap-adapter-polypropylene-male-luer-slip-x-1-16-id-hose-barb-5-pk/2194327
Манометр	Grainger	3T294	https://www.grainger.com/product/3T294?gucid=N:N:PS: Оплачено:GGL:CSM-2295:4P7A1P: 20501231& gad_source=1& gclid =CjwKCAiAi6uvBhADEiwAWiyR dltxrPJmmcm0bFiYLuPrB25HV QFdEfKMBqvgJBNdQUs3DZ7b TLr8CRoCanAQAvD_BwE& gclsrc=aw.ds
Аппарат искусственной вентиляции легких Minivent	Harvard Apparatus	73-0044	https://www.harvardapparatus.com/minivent-ventilator-for-mice-single-animal-volume-controlled-ventilators.html
Дырокол для ушей мыши	fisher scientific	13-812-201	https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-animal-ear-tag-punch/13812201
Депрессор языка мыши	Медицинские инструменты	VRI-617	https://medical-tools.com/shop/rodent-tongue-depressor.html
Весы для мыши	Cole-Parmer	UX-11712-12	https://www.coleparmer.com/i/adam-equipment-cqt2000-core-portable-balance-2000g-x-1g-220-v/1171212?PubID=UX&persist=true&ip=no&gad _source=1& gclid=CjwKCAiA6K WvBhAREiwAFPZM7iYnAG5Ilc Z5DZWrdJ6wcLDZSCSfNJHOH m2PQOpyyWe0TjFa75R3tBoCjB sQAvD_BwE
МРТ-сканер	Горизонтальная система Bruker	7T Biospec	https://www.bruker.com/de/products-and-solutions/preclinical-imaging/mri/biospec.html
Мультиметр	Home Depot	1007898529	https://www.homedepot.com/p/Klein-Tools-600-Volt-Digital-Multi-Meter-Manual-Ranging-MM325/320822947
Природное содержание ксенона	Linde Isotopes	UN 2036	NA
Игла	fisher scientific	305194	https://www.fishersci.com/shop/products/bd-general-use-precisionglide-hypodermic-needles-20/148266C?keyword=true
Игольчатый безопасный держатель шприца	fisher scientific	NC2703873	https://www.fishersci.com/shop/products/ndlsafe-ii-syr-uncap-deca/NC2703873#?keyword=needlesafe
Баллон с азотом	Linde	NI M-K	https://www.lindedirect.com/store/product-detail/nitrogen_n2_nitrogen_nf_k/ni-m-k?cat_id=shop&node=b89
Кислородный баллон	Linde	OX M-K	https://www.lindedirect.com/store/product-detail/oxygen_o2_oxygen_usp_k/ox-m-k?cat_id=shop&node=b90
Датчик кислорода	Апогей приборы	MO-200	https://www.apogeeinstruments.com/mo-200-oxygen-sensor-with-handheld-meter/
Датчик кислорода встроенный	Apogee instruments	AO-002	https://www.apogeeinstruments.com/ao-002-oxygen-meter-sensor-flow-through-head/
Клапан PEEP	Hallowell EMC	000A6556A	https://hallowell.com/product/adjustable-peep-valve-with-exhaust-port-range-5-20cm-disposable/
Наконечники для пипеток	fisher научный	каталог No02-707-108	Советы по экономии места для Stack-Rack от Fisherbrand: 101-1000 л стандартный; Синий; Объем: |
Научный плунжерный клапан Fisher	Ace glass	8648-20	https://www.aceglass.com/results.php?t=8648
Доклиническая катушка	Doty научная	индивидуальная постройка	https://dotynmr.com/products/bmax-xy-low-e/
Регуляторы давления	Cole-Parmer	UX-98202-11	https://www.coleparmer.com/i/cole-parmer-single-stage-regulator-1500-scfh-capacity-346-cga-fitting/9820211?PubID=UX&persist=true&ip=no& gad_source=1& gclid=CjwKCAi A6KWvBhAREiwAFPZM7pruR xCAiaj52nA_8Y1nveQZRsD6B f0QO65o2DKFYqRoz0PopSkX QxoCxqcQAvD_BwE
Список деталей вентилятора с перепадом давления	опубликованный в другом месте	NA	https://sites.duke.edu/driehuyslab/resources/
труба из ПВХ для фантомного	Home Depot	193682	https://www.homedepot.com/p/IPEX-1-2-in-x-10-ft-White-PVC-SCH-40-Potable-Pressure-Water-Pipe-30-05010HD/319692959
Система обогрева животных SAI		Модель 1030	https://i4sa.com/product/model-1030-monitoring-gating-system/
Saline	Farris Laboratories Inc.	0409488820-1	https://www.farrislabs.com/products/bacteriostatic-sodium-chloride-0-9-30ml-bottle?variant=42807174824167¤cy =USD& utm_medium=product_ sync & utm_source=google& utm_ content=sag_organic& utm_ campaign=sag_organic& Кампания utm_ =GS-2021-09-24& utm _source=google& utm_medium = smart_campaign& gad_source =1& gclid=CjwKCAiA6KWvBh AREiwAFPZM7oS3-hFDETO_2f6OWOoKyBMb WuDuWqYxdWRYUWEkY M2Py73VfGzVtRoC2FQQAvD_BwE
Контейнер для острых предметов	fisher scientific	22-730-455	https://www.fishersci.com/shop/products/sharps-container-47/p-7250579#?keyword=needle%20safe
Силиконовая эпоксидная смола	Grainger	3KMY7	https://www.grainger.com/product/3KMY7?gucid=N:N:PS:Paid:GGL:CSM-< руб./> 2295:4P7A1P:20501231& gad_ источник=1& gclid=CjwKCAiA6KW vBhAREiwAFPZM7voahkm8tda t1Euql1A8DFhC6AZVJ0wXzCE PfE6iUzrIJXV-Hl8o4xoCQLYQA vD_BwE& gclsrc=aw.ds
Силиконовая смазка для пресс-форм	Grainger	19MW95	https://www.grainger.com/product/CRC-Mold-Release-Agent-16-oz-19MW95
Спирометр			FE141
Спирометр - мышиный расходоматериал	MLT1L	https://www.adinstruments.com/products/respiratory-flow-heads
Трубка - 1/4 наружного диаметра	Clippard	URH1-0402-CLT-050	https://www.clippard.com/part/URH1-0402-CLT-050
Трубка - 1/8 наружного диаметра	Clippard	URH1-0804-CLT-050	https://www.clippard.com/part/URH1-0402-CLT-050
Вакуумный насос	Cole-Parmer	UX-60062-11	https://www.coleparmer.com/i/environmental-express-diaphragm-pump-high-volume-120v/6006211?PubID=UX&persist=true&ip=no&gad _source=1& gclid=CjwKCAiA6K WvBhAREiwAFPZM7uFGwmW pRelHNFgZVvJJV09vDUVyfyG HoKeZTiFNIiVTe-05IpJJPxoCO PoQAvD_BwE
Провод - 18 калибр	Digikey	2328-18H240-ND	https://www.digikey.com/en/products/detail/remington-industries/18H240/15202027?s=N4 IgjCBcoOwBxVAYygMwIYBsDOB TANCAPZQDa4YATPAGwgC6h ADgC5QgDKLATgJYB2AcxAB fQmAAMAFkqIQKSBhwFiZEA GZNATi0SGzNpE48BwsSErqw 6uQqV5CJSOQCsMF%2Bq11 GIVuy58QqLmss4gALbogvy4L AAEAO683LgMIkA
Станция измерения поляризации ксенона	Polarean	NA	https://polarean.com/xenon-mri-platform/