Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

In vivo kvantitativ vurdering af Myokardie Struktur, funktion, Perfusion og levedygtighed Brug Cardiac Micro-computertomografi

Published: February 16, 2016 doi: 10.3791/53603
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 3, 1,4,5
1Department of Genetics, Erasmus MC, Rotterdam, 2Department of Experimental Cardiology, Erasmus MC, Rotterdam, 3PerkinElmer, Inc., 4Department of Vascular Surgery, Erasmus MC, Rotterdam, 5Department of Radiation Oncology, Erasmus MC, Rotterdam

Introduction

Iskæmisk hjertesygdom (IHD) er fortsat den største enkeltårsag årsag til sygelighed og dødelighed for mænd og kvinder over hele verden 1. På grund af kompleksiteten og indbyrdes, der eksisterer mellem de organer og systemer på organismal niveau, brug af hele dyret som en model for IHS fortsat er relevant ikke kun for vores bedre forståelse af sygdommens patofysiologi, men også tillader evaluering af nye forebyggende og terapeutiske strategier . Musemodeller, især har bidraget til vores viden om hjerte-udvikling, patogenesen af myokardieinfarkt, myokardie hypertrofi, myocarditis, og aneurismale læsioner 2-7. De parametre, der bestemmer hjertets funktion og er nyttige med hensyn til prognose og valg af terapeutisk indgriben er hjertemasse og geometri, global og regional funktion, rumlige fordeling af myocardial blodgennemstrømning og myokardie levedygtighed.

Men de fleste af traditional testpræparater, der anvendes i musemodeller for hjertesygdomme involverer invasive målinger, der kræver timer for færdiggørelse, således at dyret ikke kan anvendes til gentagne målinger, eller fremgangsmåden vil kræve dyr ofre 8-12. For eksempel for at måle regional myocardial perfusion, radioaktivt eller fluorescens-mærkede mikrosfærer anvendes, hvor radioaktive tælling eller fluorescerende signaler detekteres på en fysisk dissekeret hjerte eller in situ 13,14.

Tilsvarende er evaluering af infarktstørrelse i dyremodeller af myokardieinfarkt mest almindeligt udførte af triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) -farvning, og for at bestemme tidsforløbet af infarkt evolution og effekten af ​​terapeutiske interventioner, denne teknik kræver, at dyr skal ofres for hjerte histopatologisk undersøgelse på forskellige tidspunkter 15. Som sådan, ikke-destruktive og humane teknikker, der ville tillade quantitative og langsgående analyse af hjertefunktion morfologi, funktion, stofskifte og levedygtighed er af afgørende betydning. I denne sammenhæng præklinisk billeddannelse er af stor betydning. Blandt de for tiden tilgængelige billeddannende modaliteter magnetisk resonans (MRI) og ekkokardiografi er den mest almindeligt anvendte 16,17,18.

Men, og trods det faktum, at MRI betragtes som modalitet af henvisningen i både klinisk og præklinisk arbejde, de høje omkostninger til at erhverve og vedligeholde dedikerede små dyr MRI-systemer, samt kompleksiteten af ​​denne teknologi til ikke-avancerede brugere at betjene , gør MR uoverkommeligt dyre til rutinemæssig brug. Med hensyn til ekkokardiografi, der findes betydelige ulemper for den måde hjertefunktionen måles. De data, der produceres af de fleste ekkokardiografiske undersøgelser er to-dimensionelle, og for at udlede mængder, der skal foretages 19 geometriske antagelser. Hertil kommer, dårlig intra- og inter-observatør Reproducibility er en anden væsentlig begrænsning ved denne teknik. Radioisotop billeddannelse med enkelt foton emissions computeriseret tomografi (SPECT) og positronemissionstomografi (PET) overvejende anvendes til vurdering af myokardie perfusion og metabolisme 17,20,21. Men begrænset rumlig opløsning af disse billeddiagnostiske metoder gør cardiac imaging i mus udfordrende.

På den anden side, med fremkomsten af ​​fladskærm detektor teknologi, der tillader bedre røntgenbillede følsomhed og hurtigere udlæsning gange, nuværende stade MicroCT systemer kan nu give cardiorespiratorisk gated tredimensionale (3D) og fire-dimensional ( 4D) billeder af MRI-grade kvalitet. De er stort set vedligeholdelsesomkostninger gratis og nem at betjene fra ikke-avancerede brugere. Således kan sådanne MicroCT instrumenter være velegnet til rutinemæssig undersøgelse af små dyr som modeller for sygdom hos mennesker. Vigtigst, med udviklingen af ​​en ny præklinisk ioderet kontrastmiddel, sblev imultaneous funktionelle og metaboliske vurdering af hjertet muligt 22-24.

Denne kontrastmiddel indeholder en høj koncentration af iod (160 mg / ml), der producerer stærke blod-pool kontrast efter dets intravenøs administration muliggør in vivo-billeddannelse af vaskulaturen og hjertekamrene. Inden for en time efter administration, kan der observeres en fortsat stigning i myocardiær kontrast forbundet med dets metaboliske optagelse, således den samme kontrastmiddel kan anvendes til evaluering af myokardielammelse og levedygtighed.

Målet med den teknik, der er skitseret i dette manuskript er at gøre det muligt for forskerne at bruge high-speed MicroCT-system med indbygget cardio-respiratorisk gating, sammenholdt med blod-pool ioderet kontrastmiddel, til bestemmelse af myokardie globale og regionale funktion sammen med myokardie perfusion og levedygtighed hos raske mus og i en hjerteiskæmi musemodel induceret af permanent okklusionaf den venstre forreste nedadgående koronararterie (LAD). Ved at bruge denne dyremodel og billeddannelse teknik, kan udføres hurtig evaluering af de vigtigste hjerteparametre repetitivt med en enkelt afbildningsmodalitet og uden behov for invasive procedurer eller behovet for at ofre dyrene. Teknikken kan udføres for at vurdere nye forebyggende og terapeutiske strategier.

Protocol

Alt dyr arbejde i denne undersøgelse blev godkendt af Erasmus MC dyr videnskabsetisk komité. Gennem forsøgene blev dyrene holdes i overensstemmelse med Erasmus MC institutionelle regler. Ved afslutningen af ​​eksperimentet blev dyrene aflivet ved anvendelse af en overdosis af inhalant bedøvelsesmiddel isofluran. Venligst søge institutionel dyr pleje og bruge godkendelse udvalg, før dette arbejde påbegyndes.

1. Fremstilling af hjerteiskæmi Model

  1. Bedøver musen (C57BL6, 12 uger gamle) ved inhalation af 4% isofluran. Intubere dyret under anvendelse af en 20 G kanyle og respirate musen ved 100 vejrtrækninger per minut med en top inspiratorisk tryk på 18 cm H2O og et positivt slutekspirationstryk på 4 cm H2O
    1. Brug en gasblanding af O 2 / N 2 (vol / vol = 1/2) indeholdende 2,5% isofluran for at opretholde anæstesi og anvende øjendråber at forhindre udtørring af øjnene, mens under anæstesi. Place musen på en varmepude og måle kropstemperatur rektalt at opretholde kroppens temperatur ved 37 ° C under kirurgi.
  2. Injicer buprenorphin (0,05-0,2 mg / kg) subkutant lige før kirurgi og tjekke tå knivspids refleks at sikre tilstrækkelig dybde af anæstesi før starten af ​​den kirurgiske procedure. Fjerne hår musen brystet ved hjælp hårfjerning fløde og anvende jod på huden.
  3. Udfør et snit ved at lave et lille snit med en saks i huden mellem 2. og 3. venstre ribben. Træk pectoralis minor og xiphihumeralis musklen samt latissimus dorsi til siden ved hjælp af små kroge til at give adgang til de mellemsiddende muskler.
  4. Skær forsigtigt gennem den 3. interkostale muskler uden at skade lungerne ved hjælp af en buet 2 mm klinge foråret saks. Skub lungen til side med en lille stykke vådt gaze og sprænges hjertesækken.
    BEMÆRK: Pas på ikke at beskadige venstre phrenic nerve.
    1. Repositipå de små kroge, der holder musklen til inde i brystkassen og repositionere dem, så en stor del af den venstre ventrikel (LV) frie væg og en del af venstre forkammer er synlige.
  5. Indsæt en 7-0 silke kirurgisk sutur under venstre kranspulsåre og okkludere arterien ved fast knuder suturen.
    BEMÆRK: Da der i de fleste mus koronararterien ikke er synlig, bestemme positionen af ​​ligaturen hjælp atrium og altid ligere koronararterien 2 mm under kanten af ​​det venstre atrium for at standardisere infarktstørrelse.
  6. Kontrollér visuelt for en vellykket induktion af infarkt ved at bekræfte paling af den venstre ventrikel fri væg. Når ikke overholdes rækværket, udføre en supplerende forsøg for at okkludere LAD.
  7. Luk brystet fast med en 6-0 silke kirurgisk sutur.
    BEMÆRK: Brystet skal være lukket lufttæt for at tillade uafhængig vejrtrækning efter helbredelse.
  8. Rense såret med saltvand og lukke huden ved hjælpsilkesuturer. Påfør sår spray på huden for at stimulere sårheling og forhindre infektion.
  9. Sluk for isofluran og vente, indtil dyret begynder at trække vejret af sig selv, før du fjerner ventilation rør. Placer musen i et bur på en varmepude mens overvinde.
    BEMÆRK: Lad ikke et dyr uden opsyn, indtil det har genvundet tilstrækkelig bevidsthed til at opretholde ventrale tilbagelænethed. Må ikke returnere et dyr, der har gennemgået kirurgi til selskab med andre dyr, indtil fuldt tilbagebetalt.
  10. Indgiv yderligere doser af buprenorphin hver 8-12 timer efter operation for post-kirurgi analgesi. Administrere Buprenorphin (50 ug / kg) intraperitonealt.
    BEMÆRK: Scan dyrene ved MicroCT (afsnit 3) 3-4 timer efter operationen for den første scanning og 6-7 timer efter operationen for den anden scanning.

2. Injektion af MicroCT Contrast

  1. For at erhverve anatomisk, funktionelle og metaboliske information i to successive MicroCT imaging sessioner, brug jodholdigt kontrastmiddel.
  2. Afsløre og behandle gummi af hætteglassets prop anvendelse af 70% alkohol. Med en lav dødrum sprøjte trækkes en ønsket volumen (5-10 pl / g legemsvægt) af kontrastmidlet. For at forebygge risikoen for emboli under injektion, rense luftbobler eventuelle ved at fremføre stemplet frem og tilbage og / eller forsigtigt at banke på siden af ​​sprøjten og langsomt udstøde luften i sterilt absorberende væv indtil væsken vises på spidsen af ​​den nål.
    Bemærk: Injektion af MicroCT kontrasten kan udføres i bevidste eller bedøvede dyr. Fysisk tilbageholdenhed bør udføres på bevidste dyr. For at minimere stress, overveje lys sedation eller generel isofluran anæstesi med et indånding anæstesi-system.
  3. Før injektion svaber halen med 70% alkohol. Varm op halen med en lampe eller ved at nedsænke halen i varmt vand (40-45 ° C) for at give bedre fartøj dilatation. Sprøjt kontrastmidlet intravenously (fx via en af de laterale halevenerne) ved 5-10 pl / g legemsvægt.
    Bemærk: Optimer den injicerede dosis for en bestemt dyremodel eller MicroCT instrumentets indstillinger erhvervelse, som kontrastforstærkende kan påvirkes af sundhed eller kosten status af dyret under undersøgelse og niveauet af billedstøj.

3. MicroCT Imaging

  1. Før kontrast injektion, tænde MicroCT scanner ved at trykke på computerens afbryderknappen. Start MicroCT kontrol software, og varme op røntgenrøret ved at klikke på Warm-up knap vist i software kontrol vinduet.
  2. Tillad for Live Mode-knappen skal vises i kontrol software indikerer, at opvarmningen er færdig. Sæt det lille boring dækslet og placere den lille dyr seng.
  3. Opret eller vælg den relevante database, undersøgelse, og med forbehold, hvor billeddata gemmes. For at oprette en ny database ved at klikke på Ny database knappen i vinduet Database,indtaste et navn, der ville angive den nye database, skal du klikke på Gennemse knappen i dialogboksen, der vises, skal du navigere til det drev, hvor databasen vil blive gemt, og klik på OK. Overhold den nye database i databasevinduet. For at oprette forbindelse til en eksisterende database, skal du klikke på Opret forbindelse til database knappen i Database-vinduet, og dobbeltklik på navnet databasen.
  4. Indstil scan betingelser ved at vælge følgende parametre fra rullemenuerne af software kontrol vinduet: røntgenrøret spænding, 90 kV; CT røntgenrør strøm, 160 pA; Levende røntgenrør strøm, 80 uA; FOV, 20 mm; Gating teknik, hjerte-respiratorisk; Scan teknik, 4,5 min.
    BEMÆRK: Denne billedbehandling protokol giver mulighed for rekonstruktion af det diastoliske og end-systoliske 3D datasæt, hver med en matrix størrelse på 512 x 512 x 512, med en rekonstrueret isotropisk voxel størrelse på 40 um.
  5. Efter indsprøjtning af dyret med kontrastmidlet, bedøver det i en induktion kammer ved inhalation af 4% isofluran.Sende dyret på dyret seng af scanneren med en næsekegle levere 1,5-2,0% isofluran i en luft ilt blanding. Om nødvendigt justeres strømmen af ​​isofluran at opnå dyrets stabil respiratorisk aktivitet med ≤60 vejrtrækninger per minut.
  6. Luk instrumenter døren ved at skubbe den til højre, til det interlock. Slå Live-tilstand ved at klikke på Live-knappen Mode vises på kontrol software vinduet for at se motivet i realtid. Overhold X-capture vinduet og dyret.
    Bemærk: Instrumentet ikke genererer røntgenstråler, medmindre døren er ordentligt lukket og sikkerhed interlock er aktiveret.
  7. Flyt dyret sengen at tilpasse musen brystet inden for synsfeltet (FOV) ved at trykke på scenen Z-aksen kontrol frem og tilbage knap på frontpanelet af instrumentet. Kontroller, at brystet er i midten i FOV. Brug kontrollen dyr seng venstre og højre pil placeret på frontpanelet af instrumentet for at placere than dyr inde i blå afgrænsningsrammen.
    1. Drej portal ved at vælge "90" fra Rotation Kontrol rullelisten vist på kontrol software vinduet og klikke på knappen Set. Sørg for, at dyret forbliver inden for blå afgrænsningsramme af X-capture vinduet. Hvis det er nødvendigt, tilpasse dyret ved hjælp af dyr seng kontrol OP og NED pilene placeret på frontpanelet af instrumentet.
      Bemærk: Kun billeddata inde i blå afgrænsningsrammen vist på X-capture vinduet vil blive brugt til at rekonstruere 3D volumen.
  8. I vinduet Xcapture, ændre størrelsen på cardio-respiratoriske område af interesse (ROI) med venstre museklik og ved at trække ROI kanter med musemarkøren, så cardio-respiratoriske spor er klart synlige i synkroniseringen visningen. Sikre, at ROI dækker membranen og apikale del af hjertet i alle gantry positioner. Drej gantry 90 ° som beskrevet i trin 3.6 for at sikre, at cardio-respiratorisk spor er stadig tydeligt.
    BEMÆRK: For at undgå unødig udsættelse for ioniserende stråling, minimere den tid, hvor dyret position og hjerte-respiratorisk ROI justeres.
  9. Klik på knappen CT scanning vist på kontrol software vinduet for at initialisere købet. CT scanning bekræftelsesmeddelelse vises. Klik på knappen JA vises i CT scanning Bekræftelse Besked for at bekræfte. Klik på NO knappen for at afbryde scanningen. Når der trykkes på knappen JA, vil det røde X-ray energigivende indikation placeret på instrumentet være tændt
    BEMÆRK: Indikationen vil også være synlig for blinkende spænding ikon af instrumentet status rubrikken kontrol software vinduet. Scanningen vil blive afsluttet i 4,5 min. X-ray tube slukkes automatisk, og det røde X-ray energigivende indikation placeret på instrumentet og på kontrolpanelet af kontrol software vinduet dæmpes. Fremskrivningerne vil automatisk blive sorteret og progress vil blive angivet med de grønne statusbjælker vist på GetSynchronizedRaw vinduet. Sættene volumen repræsenterer ultimo diastoliske og ende-systoliske faser af hjertets cyklus vil automatisk blive rekonstrueret inden 2-3 yderligere min.
    BEMÆRK: For at afbryde scanningen ved at klikke på nødstopknappen i Kontrolpanel af softwaren vinduet kontrol eller skubbe den mekaniske nødstopknap placeret på frontpanelet af instrumentet.
  10. Overhold transaksiale, koronale og sagittale visninger af rekonstruktioner i 2D Viewer software. Tag et par sekunder til at gennemgå kvaliteten af ​​de erhvervede billeder. Se efter tegn på dyr bevægelse, der kan være forårsaget af et utilstrækkeligt anæstesi. Hvis det er nødvendigt, foretage passende ændringer og gentag scanningen.
    BEMÆRK: Hvis strukturerne i billedet fordobles, vist med dobbelte kanter, eller vist med streger, så disse er de sædvanlige "røde flag", som kan indikere, at niveauet af anæstesi kan være utilstrækkelig, og atdyret har bevæget under scanningen. I sådanne tilfælde bør niveauet af anæstesi blive justeret, og scanningen skal generhvervet.
  11. Fjern dyret fra scanneren og muliggøre fuld helbredelse fra bedøvelsen under opsyn.
  12. Erhverve en yderligere MicroCT scanning under den metaboliske fase af kontrastmidlet optagelse (3 til 6 timer efter kontrast injektion).
    BEMÆRK: Flere detaljer om middelværdier myokardie ekstraudstyr værdier for C57BI / 6 og BALB / c mus blev udgivet af Detombe et al og Ashton et al 22,23..

4. MicroCT Dataanalyse

  1. Læg begge ender-diastoliske og end-systolisk VOX filer i Analyze 12 software.
  2. Åbn hver lastet billede med de skrå Sektioner modul og udføre korte aksial billede reformation.
  3. For at minimere billedbehandling tid overveje beskære billeder med Subregion / pad volumen funktion billede Calculator modulet. For begge bind, vedligeholde identiske SubRegion lav og høj X, Y, Z dimensioner.
  4. Vedhæft både volumen og åbn med Volume Rediger modulet. For bedre visualisering af de strukturer, justere billedkvaliteten intensitet evt.
  5. Udfør endokardial kontur segmentering. Fra Semi-Automatisk fanen Volume Rediger modulet vælg Object Extractor, sætte et frø punkt ind i venstre hjertekammer (LV) og juster tærskelværdier, således at den venstre ventrikel hulrum er afgrænset fra myokardiet. For at bestemme tærskelværdien, bruger automatiske tærsklingsparametre algoritmer eller den fulde bredde halv max værdi (FWHM) bestemt med Line Profile-modulet.
    1. Tegn en grænse langs mitralklappen brochure flyet for at forhindre regionen breder sig til aorta, skal du klikke på knappen Extract Objekt for at fuldføre segmentering. Begge ultimo diastoliske og end-systolisk mængder vil blive behandlet automatisk. Navngiv regionen (f.eks LV Cavity) og gemme objektet kortet til den tilsvarende fil mappe.
  6. Perform epikardiel kontur segmentering. Tilføj et nyt objekt og udfører segmentering af epicardiale hjerte overflade ved hjælp af enten Semi-automatisk eller manuel segmenteringsværktøjer af Volume Rediger modulet. Sørg for, at begge ender-diastoliske og end-systoliske konturer identificeres korrekt. Hvis det er nødvendigt, udføre manuel justering. Navngiv regionerne (f.eks LV myokardiet) og gemme objektet kortet til den tilsvarende fil mappe.
    Bemærk: Billede filtrering med Spatial filtre modul kan desuden udføres for at forbedre hastigheden og kvaliteten af ​​de segmenter.
  7. For at udvinde volumetriske målinger fra objektets kort (gemt) åbne vedhæftede volumen med interesseområdet modul. Sørg for, at korrigerede kortet er indlæst, skal du åbne prøve Option vinduet, sørge både LV hulrum, og LV myokardiet objekter er valgt, og klik på Sample Images knappen. Gem logfilen.
  8. For regional analyse af hjertefunktionen og metabolisme, bruge Radial Diudbyder værktøj for regionen Interest modul til yderligere opdele de segmenterede mængder.

5. Beregning af den globale og regionale Heart Parametre

  1. For at beregne den venstre ventrikel slagvolumen (LVSV), trække den venstre ventrikel ende-systolisk volumen (LVESV) fra venstre ventrikel ende-diastolisk volumen (LVEDV):
    LVSV = LVEDV - LVESV;
  2. For at beregne den venstre ventrikels uddrivningsfraktion (LVEF), opdele venstre ventrikel slagvolumen (LVSV) ved venstre ventrikel ende-diastolisk volumen (LVEDV) og gange med 100%:
    LVEF = LVSV / LVEDV * 100%;
  3. For at beregne minutvolumen (CO), multipliceres venstre ventrikel slagvolumen (LVSV) af hjertefrekvens (HR):
    CO = LVSV * HR;
  4. For at beregne den venstre ventrikel myokardie masse (LVMM), trække den venstre ventrikel myokardie væg volumen bundet af endokardiale overflade (LVMV ENDO) fra venstre VentRicular myokardievæggen volumen bundet af epikardial overflade (LVMV EPI), og gange med densiteten af myokardiet, 1,05 g / cm3:
    LVMM = (LVMV EPI - LVMV ENDO) * 1,05;
  5. At beregne den venstre ventrikel myocardial mass index (LVMMI), opdele venstre ventrikulære myokardiemasse (LVMM) af musenes kropsvægt (BW):
    LVMMI = LVMM / BW;
  6. For at beregne den procentdel af den venstre ventrikel myokardie infarkt størrelse (% LVMIS), opdele venstre ventrikel volumen af infarkt myocardium (LVMV MI) med den totale venstre ventrikel myokardie volumen (LVMV TOTAL), og gange med 100%:
    % LVMIS = LVMV MI / LVMV TOTAL * 100%;
    Bemærk: LVMM, LVMMI, og% LVMIS beregninger, bruge endo- og epikardielle volumen målinger fra de tilsvarende ultimo diastoliske eller ende-systoliske datasæt. Rapporter gennemsnitlige ende-systolisk og end-diastolic indekser.
  7. For at beregne segmentær venstre ventrikel væg motion abnormiteter (LVWM), trække segmentær venstre ventrikel ende-systolisk væg diameter (LVESWD) fra segmental venstre ventrikel ende-diastolisk væg diameter (LVEDWD):
    LVWM = LVEDWD - LVESWD;
    Vis resultaterne som omkredsen polære kort (Bulls eye polære plots).
  8. For at beregne den enkelte segmenter venstre ventrikel væg fortykkelse (% LVWTh), trække segmentær venstre ventrikel ende-diastolisk vægtykkelse (LVEDWTh) fra segmental venstre ventrikel ende-systolisk godstykkelse (LVESWTh), dividere med segmentær venstre ventrikel ende-diastolisk væg tykkelse (LVEDWTh), og gange med 100%:
    % LVWTh = (LVESWTh - LVEDWTh) / LVEDWTh * 100%;
    Vis resultaterne som omkredsen polære kort (Bulls eye polære plots).
  9. For at beregne den regionale uddrivningsfraktion (% ref), trække kvadratet på segmentær venstre ventrikel slutsystoliskvæg diameter (LVESWD) fra pladsen i segmenter venstre ventrikel ende-diastolisk væg diameter (LVEDWD), dividere med kvadratet af segmentoplysninger venstre ventrikel ende-diastolisk væg diameter (LVEDWD), og gange med 100%:
    % ref = (LVEDWD 2 - LVESWD 2) / LVEDWD 2 * 100%;
    Vis resultaterne som omkredsen polære kort (Bulls eye polære plots).
  10. At præsentere regional myokardie perfusion og kontrast optagelse, konvertere betyder intensitet værdier i CT-numre (Hounsfield enheder, HU). Omdanne både slutdiastolisk og ende-systoliske datasæt ved rescaling luft valgt fra valgt uden for dyret til region - 1000 HU, og vand til 0 HU anvendelse af en vandfyldt lille radio-gennemsigtigt rør. Vis resultaterne som omkredsen polære kort (Bulls eye polære plots).

6. Statistisk analyse

  1. Repræsenterer alle polære plot viser data som middelværdi ± standardafvigelse (SD). Vurdere den statistiskestiske forskel hjælp envejs variansanalyse (ANOVA) eller en anden egnet teknik.

Representative Results

MicroCT Acquisition, Image Genopbygning og billedkvalitet Assessment.

Fire C57BL / 6 mus, tre med permanent LAD okklusion og en sham-opererede, held genvundet fra kirurgi og afsluttede imaging-protokol, som bestod af en enkelt kontrastmiddel intravenøs bolus administration og to 4,5-min cardio-respiratoriske opkøb MicroCT. Den gennemsnitlige puls under de MicroCT undersøgelserne var 385 ± 18 slag i minuttet. End-diastoliske og image genopbygning slutsystolisk brugte proprietære iboende billede-baserede gating, hvor dedikerede respiratoriske og hjerte-overvågningsudstyr såsom EKG kundeemner og respiratorisk pneumatiske sensor ikke var nødvendige. Efter genopbygningen blev billedkvaliteten af ​​både ultimo diastoliske og end-systoliske datasæt fremvist ved hjælp af 2D viewer software. Billedkvaliteten var fundet tilfredsstillende, og der var ikke behovat udføre yderligere billedfiler opkøb. Således blev alle de rapporterede data stammer fra to scanninger pr mus; den første scanning taget 10 minutter efter injektion i blodet pool fase af kontrast og den anden scanning erhvervet 3-4 timer efter injektion i metaboliske optagelsesfasen af ​​kontrasten. Repræsentative blod-pool korte aksiale ende-diastolisk og ende-systoliske tværsnit af en mus hjerte med myokardieinfarkt (figur 1) og af en mus hjerte uden myokardieinfarkt (figur 2) viste fremragende venstre ventrikel hulrum afgrænsning med lidt baggrundsstøj , giver mulighed for nøjagtig anatomisk og funktionel evaluering. Områder i modsætning fortynding svarende til myokardieinfarkt var godt afgrænset på korte aksiale billeder af musen hjertet udsættes for LAD kranspulsåreombinding (figur 1), men ikke i sham-operate dyr (figur 2).

kvantitativ vurdering af venstre ventrikelfunktion.

Threshold-baserede 3D segmenteringer blev udført på både ultimo diastoliske og slut-systolisk volumen til at bestemme venstre ventrikel ende-diastolisk volumen (LVEDV) og venstre ventrikel ende-systolisk volumen (LVESV) i hvert dyr. Venstre ventrikel slagvolumen (LVSV), venstre ventrikels uddrivningsfraktion (LVEF), og minutvolumen (CO) blev beregnet ud fra LVEDV og LVESV efter formlerne beskrevet i afsnit 5. Resultaterne af volumen og globale funktionelle målinger er opsummeret i tabel 1 . Tre timer efter ligering, det normaliserede for dyrets kropsvægt betyder LVEDV ikke var forskellig mellem myokardieinfarkt gruppen og sham-opererede dyr (2,8 ± 0,23 versus 2,3). , Kropsvægten normaliseret gennemsnitlig LVESV var dog højere i myokardieinfarkt gruppen (2,1 ± 0,31 vs. 0,92). Tilsvarendely, middelværdien LVEF og minutvolumen (CO) i mus med LAD koronararterieokklusion var lavere sammenlignet med sham-opererede mus (23,1% ± 7,1% vs. 60,5%, og 0,26 ml ± 0,08 ml vs. 0,55 ml henholdsvis ).

Kvantitativ vurdering af LV myokardiemasse og infarkt størrelse.

Både venstre ventrikel myokardie masse (LVMM) og venstre ventrikel myokardie mass index (LVMMI) blev bestemt på grundlag af epikardial og endokardiale segmentations herunder papillærmusklerne og Bjælkerne. Begge ultimo diastoliske og end-systoliske rekonstruktioner blev behandlet og værdierne for både myokardieinfarkt gruppen og skinopererede dyr er opsummeret i tabel 1. Myokardieinfarkt mængder blev bestemt på grundlag af kontrast fortynding hjælp tærskel-baserede 3D ​​volumetrisk. Som vist i tabel 1, tre timer efter LAD coronary arterie ligation de risikoområder (AAR) i mus 1, 2, og 3 var 22,4%, 13,3%, og 15,8% af LVMM henholdsvis.

Myokardieperfusionen (MPI).

Repræsentant ende-diastolisk og slut-systolisk omkredsen polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af myokardie perfusion i en mus med myokardieinfarkt (Mouse 1) og en mus uden myokardieinfarkt (Mouse 4) er vist i figur 3 og 4. De billeder, der anvendes til at producere de parceller blev erhvervet 10 minutter efter kontrastmidlet administration og 3 timer efter LAD ligation. De endelige-diastoliske og end-systoliske homosegmental værdier opnået fra det samme dyr var ikke anderledes. Men hypoenhancement blev observeret i midten af ​​anterior, mid-inferolateral, mid-anterolateral, apikal forreste, og apikale laterale segmenter af en mus med myokardie ifarction, demonstrerer svækkelser hos koronare blodgennemstrømning forårsaget af LAD arterieokklusion (figur 3). Ingen sådan svækkelse kunne observeres i hjertet af sham-opererede dyr (figur 4).

Myokardie Levedygtighed og Metabolisme.

Repræsentant ende-diastolisk og slut-systolisk omkredsen polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af myokardie metabolisk optagelse i en mus med myokardieinfarkt (Mouse 1) og en mus uden myokardieinfarkt (Mouse 4) er vist i figur 7 og 8. De billeder, der anvendes til at producere de parceller blev erhvervet 3-4 timer efter kontrast administration og 5-6 timer efter LAD ligation. Uens myocardial kontrast optagelse kunne også observeres visuelt i korte-aksial tværsnit af en mus hjerte, der undergik LAD koronararterieokklusion ( (figur 6). De endelige-diastoliske og end-systoliske homo-segmenter værdier opnået fra det samme dyr var ikke anderledes. De omkredsen polære parceller viste segment-specifikke abnormiteter (figur 7) med lignende mønster til dem, der vises på myokardiets perfusion kort (figur 2). Ingen kontrast uptake defekter blev set på de perifere polære afbildninger af sham-opererede mus (figur 8).

Kvantitativ vurdering af LV Regional funktion.

Billedkvaliteten var tilfredsstillende at udføre visuel vurdering af venstre ventrikel bevægelse og fortykkelse fra ultimo diastoliske og ende-systoliske rekonstruktioner i alle afbildede mus. De LV væg bevægelse, fortykkelse og regional udslyngning fraktion scores for hvert segment af en mus med og uden min ocardial infarkt er anført i figur 9 og figur 10. Som forventet, LAD kranspulsåreombinding resulterede i markant fald af LV regionale funktionelle indekser (figur 9), hvorimod der ikke blev observeret nogen effekt ved den sham-opererede mus (figur 10).

Figur 1
Figur 1. Repræsentative blod-pool korte aksiale ende-diastolisk (A) og slutsystolisk (B) tværsnit af en mus hjerte med myokardieinfarkt (Mouse 1). Billeder blev erhvervet 3 timer efter LAD kranspulsåren okklusion og 10 minutter efter kontrast administration. Den negative kontrast bemærket af gule pile skyldes mangel på kontrast opacifikation i infarktområdet region.

/53603/53603fig2.jpg "/>
Figur 2. Repræsentant blod-pool korte aksiale ende-diastolisk (A) og slutsystolisk (B) tværsnit af en mus hjerte uden myokardieinfarkt (Mouse 4). Billeder blev erhvervet 3 timer efter sham-drift og 10 min efter kontrast administration. Contrast uigennemsigtighed er ensartet til stede i alle myocardiale skiver.

Figur 3
Figur 3. Repræsentant ende-diastolisk og slut-systolisk omkredsen polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af myokardie perfusion i en mus med myokardieinfarkt (mus 1). (A) Den venstre ventrikel er opdelt i basal, mid-hulrum, og apikale korte aksiale dele ifølge den 17-segment AHA model 25. Ulig perfusion er klart synlig i midten af ​​anterior, mid-inferolateral, medioanterolateral, apikal forreste, og apikale laterale segmenter. De viste værdier repræsenterer segmental betyder i Hounsfield enheder ± standardafvigelser. (B) myokardie perfusion kort er vist uden opdeling i 17 segmenter. I midten af ​​plottet svarende til hjertets toppunkt (segment 17) er ikke vist.

Figur 4
Figur 4. Repræsentant ende-diastolisk og slut-systolisk omkredsen polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af myokardie perfusion i en mus uden myokardieinfarkt (mus 4). (A) Den venstre ventrikel er opdelt i basal, mid-hulrum, og apikale korte aksiale dele ifølge den 17-segment AHA model 25. Lignende perfusion er til stede i alle segmenter. De viste værdier repræsenterer segmental betyder i Hounsfield enheder ± standardafvigelser. (B) myokardieperfusion kort er vist uden opdeling i 17 segmenter. I midten af ​​plottet svarende til hjertets toppunkt (segment 17) er ikke vist.

Figur 5
Figur 5. Repræsentative metabolisk optagelse korte aksiale ende-diastolisk (A) og slutsystolisk (B) tværsnit af en mus hjerte med myokardieinfarkt (Mouse 1). Billeder blev erhvervet 6-7 timer efter LAD kranspulsåren okklusion og 3-4 timer efter kontrast administration. Den negative kontrast bemærket af hvide pile skyldes mangel på kontrast metabolisk optagelse i infarktområdet region.

Figur 6
Figur 6. Repræsentant metaboliske optagelse kort aksial ende-diastoliske ( (B) tværsnit af en mus hjerte uden myokardieinfarkt (Mouse 4). Billeder blev erhvervet 6-7 timer efter sham-drift og 3-4 timer efter kontrast administration. Myokardie metaboliske optagelse af kontrast er ensartet til stede i alle skiver.

Figur 7
Figur 7. Repræsentative ende-diastolisk og end-systolisk omkredsen polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af myokardie metabolisk optagelse i en mus med myokardieinfarkt. (A) Den venstre ventrikel er opdelt i basal, mid-hulrum, og apikale kort -axial dele i henhold til den 17-segment AHA model 25. Uens metaboliske optagelse er klart synlig i midten anterolaterale, apikal anterior, apikale ringere, og apikale laterale segmenter. De viste værdier repræsenterer segmenter midler i Hounsfield units ± standardafvigelser. (B) myokardie metaboliske uptake kort er vist uden opdeling i 17 segmenter. I midten af ​​plottet svarende til hjertets toppunkt (segment 17) er ikke vist.

Figur 8
Figur 8. Repræsentative ende-diastolisk og end-systolisk omkredsen polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af myokardie metabolisk optagelse i en mus uden myokardieinfarkt. (A) Den venstre ventrikel er opdelt i basal, mid-hulrum, og apikale kort -axial dele i henhold til den 17-segment AHA model 25. Uens metaboliske optagelse er klart synlig i midten anterolaterale, apikal anterior, apikale ringere, og apikale laterale segmenter. De viste værdier repræsenterer segmental betyder i Hounsfield enheder ± standardafvigelser. (B) Myokardial metabolic uptake kort er vist uden opdeling i 17 segmenter. I midten af ​​plottet svarende til hjertets toppunkt (segment 17) er ikke vist.

Figur 9
Figur 9. repræsentant myokardievæggen bevægelse (mm), vægfortykkelse (%), og regional uddrivningsfraktion (%) rundtgående polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af en mus med myokardieinfarkt. (A) Den venstre ventrikel er opdelt i basal, mid-hulrum, og apikale korte aksial dele i henhold til den 17-segment AHA model 25. Tilstedeværelsen af ​​hypokinetiske, akinetiske og dyskinetiske regioner i midten af ​​hulrummet og apikale dele angiver omfattende myocardial defekt. (B) De regionale myokardiale måling kort er vist uden opdeling i 17 segmenter. I midten af ​​plottet svarende til hjertets toppunkt (segment 17) erikke er vist.

Figur 10
Figur 10. repræsentant myokardievæggen bevægelse (mm), vægfortykkelse (%), og regional uddrivningsfraktion (%) rundtgående polære plot skærme (Bulls Eye polære plots) af en mus uden myokardieinfarkt. (A) Den venstre ventrikel er opdelt i basal, mid-hulrum, og apikale korte aksial dele i henhold til den 17-segment AHA model 25. opdages Ingen tilsyneladende abnormitet. (B) De regionale myokardiale måling kort er vist uden opdeling i 17 segmenter. I midten af ​​plottet svarende til hjertets toppunkt (segment 17) er ikke vist.

tabel 1
Tabel 1. venstre ventrikel volumen og globale funktionelle indeks meas. måles i tre mus 3 timer efter LAD kranspulsåren okklusion og i en farce-opererede mus * BPM, beats per minut; LVEDV, venstre ventrikel ende-diastolisk volumen; LVESV, venstre ventrikel ende-systolisk volumen; LVSV, venstre ventrikel volumen slagtilfælde; LVEF, venstre ventrikel uddrivningsfraktion; CO, minutvolumen; LVMV TOTAL, total venstre ventrikel myokardie volumen; LVMM, venstre ventrikel myokardiemasse; LVMMI, venstre ventrikel myocardial mass index; LVMV MI, venstre ventrikel myokardieinfarkt volumen; % LVMIS,% i venstre ventrikel myocardial infarkt.

Discussion

I løbet af de sidste mange år MicroCT er blevet den modalitet mange undersøgelser der anses for karakterisering af hjertefunktion struktur og funktion i små dyr 26-29,30. Men den instrumentering, der anvendes i den kendte arbejde blev enten specialbygget eller ikke længere er kommercielt tilgængelig. Som sådan blev denne undersøgelse til formål at give en enkel og omfattende protokol for brug af high-speed MicroCT-system med indbygget cardio-respiratorisk gating at bestemme cardiac global og regional funktion sammen med myokardie perfusion og levedygtighed i små dyr som modeller for menneskelige hjerte sygdom.

Et af de vigtigste krav til at studere hjerte struktur og funktion er scannerens evne til at redegøre for fysiologiske hjerte bevægelser. Til dette formål ECG-baserede prospektive og retrospektive gating teknikker kan anvendes. Men potentielle (trin og skyde) gating er afhængig af en på forhånd fastsat interval på hjertets cyklus, for eksamenple under diastole, når hjertet bevægelse er mindst. Med denne fremgangsmåde opnås kun ét billede pr hjertecyklus og kun én fase i hjertecyklussen kan rekonstrueres. Som sådan ud over at være tidskrævende at generere, prospektivt gated rekonstruktioner producerer kun et datasæt, som er berøvet funktionel information. Retrospektiv gating, på den anden side, giver mulighed for rekonstruktion af flere datasæt på hver del af hjertecyklussen, således tillader global og regional venstre ventrikel funktionel analyse.

Den nuværende arbejde ansat kardiorespiratoriske rekonstruktioner med iboende retrospektiv gating. Intrinsic retrospektiv gating benytter proprietære billede-baseret software til at rekonstruere ultimo diastoliske og slut-systolisk hjerte-faser uden behov for dedikeret respiratoriske og hjerte-overvågningsudstyr 29,31,32. En fremragende aftale af iboende retrospektiv og ydre EKG-afhængige retrospektiv gating for studying hjertefunktion hos mus og rotter blev påvist ved Dinkel et al. 29. I løbet af denne nuværende arbejde, iboende retrospektiv gating ikke kun væsentligt minimeret den tid det tager at etablere scanningen, men også elimineret afhængighed af overvågning hardware, såsom EKG kundeemner og respiratorisk pneumatisk sensor, samt yderligere operatør færdigheder til korrekt sat den op.

Efter genopbygningen blev billedkvaliteten af ​​både ultimo diastoliske og end-systoliske datasæt fundet tilfredsstillende for hjerte-analyse. Under gennemgangen af ​​billederne, blev der lagt særlig vægt på bevægelse artefakter, der kan opstå under et utilstrækkeligt anæstesi, striber artefakter, der kan ske som følge af manglende fremskrivninger i dyr med høj respirationsfrekvens, lav dæmpning artefakter, der er almindeligt forårsaget af knoklede strukturer og kan efterligne perfusionsdefekter, og ring artefakter, der kan opstå fra mis-kalibrering eller svigt i en eller flere detektor elementer.

Evne MicroCT at producere hjerte- strukturel og funktionel information er også afhængig af tilgængeligheden af ​​egnede intravaskulær kontrastmiddel. De fleste i øjeblikket kommercielt tilgængelige MicroCT kontraster kan generelt opdeles i partikler ikke-metaboliserbare makrofag specifikke og polydisperse metaboliserbare jod-baserede kontraster 23,33-36. Selvom partikelformige midler giver større røntgen opacifikation grund af deres højere atomnummer (barium, Z = 56, og guld, Z = 79), kan de ikke anvendes til metabolisk vurdering. Desuden er disse midler betragtes som skadelige for organismen og fjernet af leveren makrofager (Kupffer celler), den oxygenbindende celler i det retikuloendoteliale system (RES). På grund af deres ikke-metaboliserbar natur, disse midler inducerer ændringer i leveren mikrocirkulationen samtidig med leverskader 37.

Metaboliserbare jodbaserede kontraster, på den anden side, kan ikke udsigt til rentenedsættelserted for RES-specifikke fjernelse, derfor bør tilbyde bedre sikkerhedsprofil og undgå levertoksicitet. Ud over deres bedre sikkerhedsprofil, er disse kontraster optages af metabolisk aktive væv, kan således anvendes til vurdering levedygtighed 22,23. Til dette formål blev ioderet kontrastmiddel udvalgt til denne undersøgelse. Kontrasten blev indgivet i en dosis på 5 eller 10 pi per gram legemsvægt af dyret som en enkelt intravenøs bolusinjektion. Selv om begge doser givet tilfredsstillende enhancement resultater blev en dosisafhængig stigning i venstre ventrikel og myocardiale niveauer af kontrast observeret, når 10 pl / g kontrasten blev injiceret. Af interesse, med den større dosis, varigheden af ​​blod puljen var langvarig og toppen af ​​myocardial kontrast optagelse blev forsinket. Et dyr (mus 1) blev fulgt op i 10 uger efter operationen, og i denne periode blev afbildet hver anden uge. Af erfaring, ingen bivirkninger forbundet med kontrast (i alt 5 ifremskrivninger) eller relateret til X-ray eksponering (i alt 10 MicroCT scanninger) blev observeret i denne mus i løbet af overvågning. En af de mest almindeligt rapporterede bivirkninger af langvarig jod eksponering er skjoldbruskkirtlen forstyrrelse, som ikke blev observeret makroskopisk på obduktioner. Mannheim et al. Studeret thyroxin niveauer efter 3 på hinanden følgende kontrast forvaltninger og fandt ingen forskel, når niveauerne blev sammenlignet med kontrollerne 37. Med brugen af ​​de samme MicroCT datasæt, påvistes ingen tegn på strålingsinduceret lungefibrose i dette dyr (data ikke vist), som er i overensstemmelse sikkerheden af ​​proceduren.

Vurdering af global og regional ventrikulær hjerte funktion betragtes som den stærkeste faktor for hjertefunktionen og betydning for prognosen og valg af terapeutisk intervention 38,39. De globale venstre ventrikulære funktionelle indeks omfatter venstre ventrikel ende-diastolisk volumen (LVEDV), venstre ventrikel ende-systolisk volumen (LVESV), venstre ventrikel slagvolumen (LVSV), venstre ventrikels uddrivningsfraktion (LVEF), og minutvolumen (CO). Tidligere MicroCT undersøgelser bekræftede, at kvantitativ evaluering af den globale hjertefunktion er muligt i murine kardiovaskulære sygdomsmodeller og at udtalt fald i den globale hjertefunktion sker kort efter LAD arterie okklusion. Disse resultater er i overensstemmelse med tidligere rapporter i den markant reduktion i LVSV, LVEF, og CO forekom allerede på dag 1 efter okklusion 29,40-43. Det er bemærkelsesværdigt at nævne, at hjerte- funktionel ydelse afhænger af typen og graden af anæstesi, således for nøjagtige målinger af hjertefrekvens under billedoptagelsen bør holdes så fysiologisk som muligt 44.

Kvantitativ vurdering af venstre ventrikels myokardiemasse (LVMM) er vigtigt for evaluering af hypertrofi i venstre ventrikel og er primært udført under anvendelse MRI 11,43,45,46. LVMM er ofte korrigeret for kropsvægt og præsenteres som venstre ventrikel myokardie mass index (LVMMI) at give mulighed for en normalisering af hjerte-vægt blandt mus af forskellig alder og habitus. Præcis estimering af disse parametre er vigtig, da mus med myokardieinfarkt udvikle betydelig LV hypertrofi 47. Vurdering af LVMM, LVMMI, og LV geometri er også vigtigt for diagnostik af hjertehypertrofi og dysplasi 11. Som sådan vil bestemmelsen af ​​disse parametre være yderligere fordelagtigt at differentiere tilstande såsom koncentrisk hypertrofi, excentrisk hypertrofi, eller koncentriske remodeling. I det foreliggende arbejde, blev begge LVMM og LVMMI værdier bestemt i mus udsat for LAD arterie ligation og på sham-opererede dyr. Efterfølgende blev størrelsen af ​​myocardieinfarkt identificeret og anvendt til at beregne procentdelen af ​​infarktstørrelse. Selv under operationen ligaturen til LAD koronararterie var applIED på samme niveau, vil okklusionssymbolet genereret infarkter med nogle variabilitet: 13,3%, 15,8%, og 22,4% (tabel 1). En mulig forklaring på denne variation kan udspringe af forskelle i kranspulsåren anatomi og deres territoriale blodforsyning mellem dyrene, og efter aftale med tidligere rapporter 48. Den mest almindelige måde at infarktstørrelse vurdering i en musemodel for myokardieinfarkt er ved ex vivo triphenyltetrazoliumchlorid (TTC) -farvning, den teknik, der ikke ville tillade langsgående overvågning af sygdommen hos det samme dyr. I forbindelse med tidligere arbejde af Ashton et al. 22 og af denne foreliggende, er det bemærkelsesværdigt, at MicroCT sammenholdt med ioderet kontrastmiddel kan tilvejebringe en alternativ og ikke-destruktiv fremgangsmåde til bestemmelse infarktstørrelse i længderetningen.

En yderligere fordel ved MicroCT teknik ligger i meget nøjagtig bestemmelse af regional iskæmi. Like hos mennesker venstre koronararterie af musen deler sig i en nedadgående arterie (LAD) og en septal gren (LCX). Men i mus, anatomi af side grene af LAD og LCX varierer betydeligt mellem dyr 48. Store grene af LCX sommetider tæt parallelt LAD og da kranspulsårerne af mus er intra-myokardie og derfor ikke er synlige, side seler af LCX er til tider et uheld, men uundgåeligt indgår i koronar okklusion under musen-infarkt procedure. Som sådan kan den circumferentional polar kortet opnået efter MicroCT anvendes til at bestemme præcis hvilke kranspulsårerne blev okkluderet, da perfusion og kontrast optagelse i sektorer 2, 3, 8 og 9 er påvirket af LCX mens sektorer 7, 10, 11, 12 , 13, 15, 16 og 17 leveres af LAD. Derfor den polære kortet er til stor gavn for nøjagtig bestemmelse af de okkluderede arterier og hjælper derfor vigtigt i den korrekte fortolkning af virkningerne af myocaGOpk infarkt af hjertefunktionen og sygdomsprogression.

Den myocardieinfarkt musemodel anvendes stærkt efterligner den humane kliniske situation, hvor koronarkar bliver pludselig okkluderet som følge af en akut plakbrud og er som sådan en stor fordel at studere sygdommen udvikling af infarktområdet hjerte 49. Mens der i de udviklede vestlige lande behandling af patienter med myokardieinfarkt henvender sig hurtigt genoprette recirkulation af koronarkar, ved mange lejligheder, især i mindre økonomisk udviklede lande, hvor forekomsten af ​​myokardieinfarkt er hastigt stigende, kan okklusionen ikke annuleret i tid 1,50. Dette inducerer i store ventrikulære infarkter, der oftest vil føre til kronisk hjertesvigt og er en enorm byrde på folkesundheden. Følgelig langsgående ikke-invasive diagnostiske metoder under anvendelse af et myocardieinfarkt model med en permanent koronararterie occlusion og en stor ventrikulær infarkt, af stor betydning at udvikle nye behandlingsstrategier mod denne sygdom.

Myocardial CT perfusion imaging er en hastig udvikling teknik, der giver mulighed for kvantitativ vurdering af regionale koronare blodgennemstrømning abnormiteter og deres relevans for hjerte funktion og levedygtighed. Nyere små dyreforsøg reduceret kløften mellem MicroCT og SPECT, modalitet valg for perfusion og levedygtighed vurdering 22. Med det mål at evaluere graden af ​​regional blodgennemstrømning forringelse af fordele LAD koronararterieokklusion blev MicroCT data også evalueret for myocardial perfusion information. Den ligerede LAD arterie er kendt at tilvejebringe blodforsyning til den frie væg, en del af skillevæggen, og den apikale region af den venstre ventrikel. Myocardial perfusion defekter (hypoenhanced arealer) af mus 1 er vist i et polært koordinatsystem og indlysende i midten anterior, mid-inferolateral, mid-anterolaterale, apikalanterior, og apikale laterale segmenter, resultaterne er i overensstemmelse med den samme koronar fordeling (figur 3). Ingen forskel mellem perfusionsdefekter afledt ultimo diastoliske og ende-systoliske billeder blev fundet i homosegments. De slutdiastolisk og slut-systoliske myocardial perfusion polære kort fremvisninger for sham-opererede dyr er vist i figur 4. Mindre forskelle ved myocardial blodgennemstrømning mellem segmenter af kontrol dyr er ubetydelige på begge slutdiastolisk og slutsystolisk repræsentationer . Interessant, kan områderne hypoenhancement visuelt ses på korte-aksialt tværsnit billeder (figur 1) og som let kan kvantificeres som vist i figur 3. Dette var ikke muligt i undersøgelsen fra Befeda et al., Og kunne forklares ved større støj af MicroCT instrument, der anvendes 22. For at blive visuelt skelnes, skal signalforskelle være mindst tre til fem gange størreend støjen (standardafvigelse) i billedet 51. Lav støj i MicroCT anvendes i denne undersøgelse tilladt påvisning af et lille signal forskel mellem svækket og normalt perfunderet myocardium (127HU ± 23HU vs. 217HU ± 29HU), hvilket muliggør vellykket vurdering af myocardial perfusion mønster defekter.

En af de store fordele ved at bruge ioderet kontrastmiddel er evnen til at vurdere myocardial levedygtighed og stofskifte på grund af kontrasten relateret myocardial enhancement. Så vidt vi ved, blev kontrasten evne til at forbedre myocardium først beskrevet af Detombe et al. 23 og dens første anvendelse til myokardieinfarkt billeddannelse blev rapporteret af Ashton et al. 22. Selvom gruppen viste, at perfunderet myocardium i mus med myokardieinfarkt viste forbedring svarende til kontrollerne, og at infarktområdet myocardium viste ingen forbedring, kvantitativ vurdering af den enkelte segmenter myokardie eorbedring blev ikke rapporteret. For yderligere at undersøge, om myocardial enhancement kan vurderes kvantitativt blev alle musene reimaged anvendelse af samme imaging protokol 3 - 4 timer efter administration af kontrastmidlet, når myocardial enhancement forhold til hulrummet var maksimal.

Myocardiale kontrast uptake defekter blev observeret visuelt på korte aksiale ende-diastolisk og slutsystolisk tværsnit billeder af en mus hjerte med myokardieinfarkt (figur 5), men ikke i sham-opererede dyr (figur 6). Myokardie optagelse blev kvantitativt vurderet i hvert myokardie segment fra både ultimo diastoliske og end-systoliske rekonstruktioner og præsenteres i en polær koordinatsystem (figur 7 og 8). De endelige-diastoliske og end-systoliske homosegmental værdier opnået fra det samme dyr var ikke anderledes. Men viste segment-specifikke abnormiteter, de perifere polære plots (Figure 7) med lignende mønstre som dem vist på myokardiets perfusion kort (figur 2). Ingen kontrast uptake defekter blev set på de perifere polære afbildninger af sham-opererede mus (figur 8). De myocardiale uptake data var af tilstrækkelig kvalitet til at udføre global funktionel analyse og kvantitativ vurdering af LV myokardiemasse og infarktstørrelse (ikke vist). Selvom det ikke er relevant for den aktuelt anvendte model med permanent LAD koronar okklusion, mener vi, at kontrasten myocardial udvinding kan relateres til ikke blot at ændringer i den regionale myokardie blodgennemstrømning, men også til status af cardiomyocytter (f.eks arret, bedøvet og dvaletilstand myocardium) . For at teste denne hypotese, vil fremtidige arbejde ansætte modellen med midlertidig myocardial iskæmi og reperfusion.

Aktiv sammentrækning af myocardium resulterer i myocardial væg bevægelse og fortykkelse, som er en vigtig markører for systolisk fSalvelse og myokardie levedygtighed. Vurdering af den regionale væg bevægelse, fortykkelse, og uddrivningsfraktion hjælper med at skelne passiv systoliske væg bevægelse fra aktiv myokardie sammentrækning. For at muliggøre standardiseret kvantificering af omfanget og alvoren af ​​læsionen, væg bevægelse, fortykkelse, og regionale ejektionsfraktioner almindeligvis konverteres til polære kort. Abnormiteter af regional ventrikulære væg bevægelse er vigtige markører for myokardieiskæmi, der er mest almindeligt vurderes af MRI 52. De LV væg bevægelse, fortykningsmidler og regional Uddrivningsfraktionen scorer for hvert segment af en mus med og uden myokardieinfarkt er vist i figur 9 og figur 10. Som forventet, LAD kranspulsåreombinding resulterede i markant fald af LV regionale funktionelle indekser ( Figur 9), hvorimod der ikke blev observeret nogen effekt ved den sham-opererede mus (figur 10). Disse resultater er i konkordans medtidligere rapporterede data.

Sammenfattende har dette arbejde demonstreret den første vellykkede anvendelse af en højhastigheds-MicroCT for omfattende bestemmelse af myocardial globale og regionale funktionelle parametre sammen med vurdering af myocardial perfusion og levedygtighed i sunde og i en musemodel af myocardial infarkt. Dette arbejde kan udvides yderligere mod karakterisering af andre modeller af hjertekarsygdomme, der giver mulighed for nøjagtig og ikke-destruktiv vurdering af hjerte-funktionelle og patofysiologiske forandringer, og til evaluering af nye forebyggende og terapeutiske strategier.

Disclosures

ED van D., RR, JE erklærer, at de ikke har nogen konkurrerende finansielle interesser. SB er en betalt medarbejder i PerkinElmer, der fremstiller de billeddannende instrumenter. Offentliggørelse omkostninger til denne denne video artikel er betalt af PerkinElmer.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Stichting Lijf en Leven, projekt dilatere versus stenoserende kredsløbsforstyrrelser.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Quantum FX MicroCT Imaging System PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA Micro Computed Tomography System
XGI-8 Anesthesia System PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA Cat. No. 118918 Gas Anesthesia System
Analyze 12.0 Software Analyze Direct, Overland Park, KS, USA Visualization and Analysis Software for Imaging
eXIA160 MicroCT Contrast Binitio Biomedical, Ottawa, ON, CANADA Cat. No. eXIA160-01; eXIA160-02; eXIA160-03; eXIA160-04; eXIA160-05 Iodine based Radiocontrast for MicroCT Imaging
Isoflurane Pharmachemie BV,
Haarlem, Netherlands		 Cat. No. 45.112.110 inhalation anesthesia
1/2CC U-100 28G1/2 Insulin Syringe Becton Dickinson and Company,
USA		 Cat. No. 329461 Insulin syringes with sterile interior
Leica microscope type M80 Leica Microsystems BV, Eindhoven, Netherlands Stereo zoom microscope

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Finegold, J. A., Asaria, P., Francis, D. P. Mortality from ischaemic heart disease by country, region, and age: statistics from World Health Organisation and United Nations. Int J Cardiol. 168, 934-945 (2013).
  2. Briaud, S. A., et al. Leukocyte trafficking and myocardial reperfusion injury in ICAM-1/P-selectin-knockout mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 280, H60-H67 (2001).
  3. Heymans, S., et al. Inhibition of plasminogen activators or matrix metalloproteinases prevents cardiac rupture but impairs therapeutic angiogenesis and causes cardiac failure. Nat Med. 5, 1135-1142 (1999).
  4. Kaijzel, E. L., et al. Multimodality imaging reveals a gradual increase in matrix metalloproteinase activity at aneurysmal lesions in live fibulin-4 mice. Circ Cardiovasc Imaging. 3, 567-577 (2010).
  5. MacLellan, W. R., Schneider, M. D. Genetic dissection of cardiac growth control pathways. Annu Rev Physiol. 62, 289-319 (2000).
  6. Michael, L. H., et al. Myocardial ischemia and reperfusion: a murine model. Am J Physiol. 269, H2147-H2154 (1995).
  7. Zhang, D., et al. TAK1 is activated in the myocardium after pressure overload and is sufficient to provoke heart failure in transgenic mice. Nat Med. 6, 556-563 (2000).
  8. Feldman, M. D., et al. Validation of a mouse conductance system to determine LV volume: comparison to echocardiography and crystals. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 279, H1698-H1707 (2000).
  9. Kolwicz, S. C., Tian, R. Assessment of cardiac function and energetics in isolated mouse hearts using 31P NMR spectroscopy. J Vis Exp. , (2010).
  10. Kubota, T., et al. End-systolic pressure-dimension relationship of in situ mouse left ventricle. J Mol Cell Cardiol. 30, 357-363 (1998).
  11. Lorell, B. H., Carabello, B. A. Left ventricular hypertrophy: pathogenesis, detection, and prognosis. Circulation. 102, 470-479 (2000).
  12. Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Batkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nat Protoc. 3, 1422-1434 (2008).
  13. Buckberg, G. D., et al. Some sources of error in measuring regional blood flow with radioactive microspheres. J Appl Physiol. 31, 598-604 (1971).
  14. Krueger, M. A., Huke, S. S., Glenny, R. W. Visualizing regional myocardial blood flow in the mouse. Circ Res. 112, e88-e97 (2013).
  15. Vivaldi, M. T., Kloner, R. A., Schoen, F. J. Triphenyltetrazolium staining of irreversible ischemic injury following coronary artery occlusion in rats. Am J Pathol. 121, 522-530 (1985).
  16. Johnson, K. Introduction to rodent cardiac imaging. ILAR J. 49, 27-34 (2008).
  17. Buonincontri, G., et al. MRI and PET in mouse models of myocardial infarction. J Vis Exp. , e50806 (2013).
  18. Respress, J. L., Wehrens, X. H. Transthoracic echocardiography in mice. J Vis Exp. , (2010).
  19. Gao, S., Ho, D., Vatner, D. E., Vatner, S. F. Echocardiography in Mice. Curr Protoc Mouse Biol. 1, 71-83 (2011).
  20. Stillman, A. E., Wilke, N., Jerosch-Herold, M. Myocardial viability. Radiol Clin North Am. 37, 361-378 (1999).
  21. Lahoutte, T. Monitoring left ventricular function in small animals. J Nucl Cardiol. 14, 371-379 (2007).
  22. Ashton, J. R., et al. Anatomical and functional imaging of myocardial infarction in mice using micro-CT and eXIA 160 contrast agent. Contrast Media Mol Imaging. 9, 161-168 (2014).
  23. Detombe, S. A., Dunmore-Buyze, J., Drangova, M. Evaluation of eXIA 160 cardiac-related enhancement in C57BL/6 and BALB/c mice using micro-CT. Contrast Media Mol Imaging. 7, 240-246 (2012).
  24. Prajapati, S. I., Keller, C. Contrast enhanced vessel imaging using microCT. J Vis Exp. , (2011).
  25. Cerqueira, M. D., et al. Standardized myocardial segmentation and nomenclature for tomographic imaging of the heart. A statement for healthcare professionals from the Cardiac Imaging Committee of the Council on Clinical Cardiology of the American Heart Association. Circulation. 105, 539-542 (2002).
  26. Badea, C. T., Fubara, B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. 4-D micro-CT of the mouse heart. Mol Imaging. 4, 110-116 (2005).
  27. Bartling, S. H., et al. Retrospective motion gating in small animal CT of mice and rats. Invest Radiol. 42, 704-714 (2007).
  28. Clark, D., Badea, A., Liu, Y., Johnson, G. A., Badea, C. T. Registration-based segmentation of murine 4D cardiac micro-CT data using symmetric normalization. Phys Med Biol. 57, 6125-6145 (2012).
  29. Dinkel, J., et al. Intrinsic gating for small-animal computed tomography: a robust ECG-less paradigm for deriving cardiac phase information and functional imaging. Circ Cardiovasc Imaging. 1, 235-243 (2008).
  30. Drangova, M., Ford, N. L., Detombe, S. A., Wheatley, A. R., Holdsworth, D. W. Fast retrospectively gated quantitative four-dimensional (4D) cardiac micro computed tomography imaging of free-breathing mice. Invest Radiol. 42, 85-94 (2007).
  31. Boileau, C., et al. TGFB2 mutations cause familial thoracic aortic aneurysms and dissections associated with mild systemic features of Marfan syndrome. Nat Genet. 44, 916-921 (2012).
  32. Kachelriess, M., Sennst, D. A., Maxlmoser, W., Kalender, W. A. Kymogram detection and kymogram-correlated image reconstruction from subsecond spiral computed tomography scans of the heart. Med Phys. 29, 1489-1503 (2002).
  33. Boll, H., et al. Comparison of Fenestra LC, ExiTron nano 6000, and ExiTron nano 12000 for micro-CT imaging of liver and spleen in mice. Acad Radiol. 20, 1137-1143 (2013).
  34. Ford, N. L., et al. Time-course characterization of the computed tomography contrast enhancement of an iodinated blood-pool contrast agent in mice using a volumetric flat-panel equipped computed tomography scanner. Invest Radiol. 41, 384-390 (2006).
  35. Hainfeld, J. F., Smilowitz, H. M., O'Connor, M. J., Dilmanian, F. A., Slatkin, D. N. Gold nanoparticle imaging and radiotherapy of brain tumors in mice. Nanomedicine (Lond). 8, 1601-1609 (2013).
  36. Willekens, I., et al. Time-course of contrast enhancement in spleen and liver with Exia 160, Fenestra LC, and VC. Mol Imaging Biol. 11, 128-135 (2009).
  37. Mannheim, J. G., Schlichthärle, T., Pichler, B. J. Possible toxicological side effects after i.v. administration of iodine CT contrast agents. World Molecular Imaging Conference. Dublin, , P400 (2012).
  38. White, H. D., et al. Left ventricular end-systolic volume as the major determinant of survival after recovery from myocardial infarction. Circulation. 76, 44-51 (1987).
  39. Sheehan, F. H., et al. Advantages and applications of the centerline method for characterizing regional ventricular function. Circulation. 74, 293-305 (1986).
  40. Nahrendorf, M., et al. High-resolution imaging of murine myocardial infarction with delayed-enhancement cine micro-CT. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 292, H3172-H3178 (2007).
  41. Sheikh, A. Y., et al. Micro-CT for characterization of murine CV disease models. JACC Cardiovasc Imaging. 3, 783-785 (2010).
  42. Young, A. A., Barnes, H., Davison, D., Neubauer, S., Schneider, J. E. Fast left ventricular mass and volume assessment in mice with three-dimensional guide-point modeling. J Magn Reson Imaging. 30, 514-520 (2009).
  43. Young, A. A., et al. Reperfused myocardial infarction in mice: 3D mapping of late gadolinium enhancement and strain. J Cardiovasc Magn Reson. 8, 685-692 (2006).
  44. Roth, D. M., Swaney, J. S., Dalton, N. D., Gilpin, E. A., Ross, J. Jr Impact of anesthesia on cardiac function during echocardiography in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 282, H2134-H2140 (2002).
  45. Dall'Armellina, E., et al. Improved method for quantification of regional cardiac function in mice using phase-contrast MRI. Magn Reson Med. 67, 541-551 (2012).
  46. Shapiro, E. P. Evaluation of left ventricular hypertrophy by magnetic resonance imaging. Am J Card Imaging. 8, 310-315 (1994).
  47. Michael, L. H., et al. Myocardial infarction and remodeling in mice: effect of reperfusion. Am J Physiol. 277, 660-668 (1999).
  48. Salto-Tellez, M., et al. Myocardial infarction in the C57BL/6J mouse: a quantifiable and highly reproducible experimental model. Cardiovasc Pathol. 13, 91-97 (2004).
  49. van Deel, E. D., et al. Extracellular superoxide dismutase protects the heart against oxidative stress and hypertrophy after myocardial infarction. Free Radic Biol Med. 44, 1305-1313 (2008).
  50. Forouzanfar, M. H., et al. Assessing the global burden of ischemic heart disease, part 2: analytic methods and estimates of the global epidemiology of ischemic heart disease in 2010. Glob Heart. 7, 331-342 (2012).
  51. Rose, A. The sensitivity performance of the human eye on an absolute scale. J Opt Soc Am. 38, 196-208 (1948).
  52. Befera, N. T., Badea, C. T., Johnson, G. A. Comparison of 4D-microSPECT and microCT for murine cardiac function. Mol Imaging Biol. 16, 235-245 (2014).

Tags

Bioengineering Imaging mus kardial funktionel billeddannelse LV-funktion kardiovaskulær funktion perfusion imaging myokardieinfarkt iskæmi LAD arterie okklusion MicroCT Quantum FX kontrastmiddel eXIA160
<em>In vivo</em> kvantitativ vurdering af Myokardie Struktur, funktion, Perfusion og levedygtighed Brug Cardiac Micro-computertomografi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

van Deel, E., Ridwan, Y., van Vliet, … More

van Deel, E., Ridwan, Y., van Vliet, J. N., Belenkov, S., Essers, J. In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography. J. Vis. Exp. (108), e53603, doi:10.3791/53603 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter