Her præsenterer vi en eksperimentel billeddannelsesprotokol til kvantificering af hjertefunktion og morfologi ved hjælp af positronemissionstomografi / computertomografi i høj opløsning til små dyr. Både mus og rotter overvejes og diskuterer de forskellige krav til computertomografikontrastmidler til de to arter.
Positronemissionstomografi (PET) og computertomografi (CT) er blandt de mest anvendte diagnostiske billeddannelsesteknikker og tjener begge til at forstå hjertefunktion og metabolisme. I præklinisk forskning anvendes dedikerede scannere med høj følsomhed og høj spatio-temporal opløsning, designet til at klare de krævende teknologiske krav, der stilles af mus og rotters lille hjertestørrelse og meget høje hjertefrekvens. I dette papir beskrives en bimodal hjerte PET / CT-billeddannelsesprotokol til eksperimentelle muse- og / eller rottemodeller af hjertesygdomme, fra dyreforberedelse og billedoptagelse og rekonstruktion til billedbehandling og visualisering.
Især den 18 F-mærkede fluorodeoxyglucose ([18F] FDG)-PET-SCANNING GIVER MULIGHED FOR MÅLING OG VISUALISERING AF GLUKOSEMETABOLISME I DE FORSKELLIGE SEGMENTER AF VENSTRE VENTRIKEL (LV). Polarkort er praktiske værktøjer til at vise disse oplysninger. CT-delen består af en tidsopløst 3D-rekonstruktion af hele hjertet (4D-CT) ved hjælp af retrospektiv gating uden elektrokardiografi (EKG) ledninger, hvilket muliggør morfofunktionel evaluering af LV og den efterfølgende kvantificering af de vigtigste hjertefunktionsparametre, såsom udstødningsfraktion (EF) og slagvolumen (SV). Ved hjælp af en integreret PET/CT-scanner kan denne protokol udføres inden for samme anæstesiinduktion uden behov for at flytte dyret mellem forskellige scannere. Derfor kan PET/CT ses som et omfattende værktøj til morfofunktionel og metabolisk evaluering af hjertet i flere smådyrsmodeller af hjertesygdomme.
Smådyrsmodeller er ekstremt vigtige for at fremme forståelsen af hjerte-kar-sygdomme 1,2. Ikke-invasive, diagnostiske billeddannelsesværktøjer har revolutioneret den måde, vi ser på hjertefunktion i de sidste årtier, både i kliniske og prækliniske omgivelser. Hvad angår smådyrsmodeller af hjertesygdomme, er der udviklet specifikke billeddannelsesværktøjer med meget høj spatiotemporal opløsning. Sådanne instrumenter kan således matche behovet for nøjagtig kvantificering af de relevante metaboliske og kinetiske myokardieparametre på mus og rotters meget små og meget hurtige hjerter i specifikke sygdomsmodeller, såsom hjertesvigt (HF)3 eller myokardieinfarkt (MI)4. Flere modaliteter er tilgængelige til dette formål, hver med deres egne styrker og svagheder. Ultralyd (US) billeddannelse er den mest anvendte modalitet på grund af dens store fleksibilitet, meget høje tidsmæssige opløsning og relativt lave omkostninger. Vedtagelsen af amerikansk hjertebilleddannelse hos små dyr er steget betydeligt siden fremkomsten af systemer, der bruger sonder med ultrahøj frekvens5,6, med rumlige opløsninger under 50 μm.
Blandt de største ulemper ved USA for fuld 3D-hjertebilleddannelse er behovet for lineære scanninger langs hjerteaksen ved at montere sonden på et motoriseret oversættelsestrin for at skabe en fuld stak dynamiske B-tilstandsbilleder af hele hjertet7. Til sidst giver denne procedure anledning (efter nøjagtig rumlig og tidsmæssig registrering af de billeder, der er erhvervet i hver sondeposition) til et 4D-billede med forskellige rumlige opløsninger mellem in-plane og out-of-plane retninger. Det samme problem med ikke-ensartet rumlig opløsning forekommer i hjerte-MR (CMR),8 som stadig repræsenterer guldstandarden i den funktionelle billeddannelse af hjertet. Ægte isotrop 3D-billeddannelse kan i stedet opnås ved hjælp af både computertomografi (CT) og positronemissionstomografi (PET)9. PET giver et meget følsomt værktøj med hensyn til billedsignal pr. mængde injiceret sonde (i nanomolarområdet), selvom det lider af en reduceret rumlig opløsning sammenlignet med CT, MR eller US. Den største fordel ved PET er dets evne til at vise de cellulære og molekylære mekanismer, der ligger til grund for organets patofysiologi. For eksempel tillader en PET-scanning efter injektion af [18F] FDG rekonstruktion af et 3D-kort over glukosemetabolismen i kroppen. Ved at kombinere dette med dynamisk (dvs. tidsopløst) dataindsamling kan sporstofkinetisk modellering bruges til at beregne parametriske kort over de metaboliske hastigheder for glukoseoptagelse (MRGlu), som vil give vigtige oplysninger om myokardielevedygtighed10.
CT kræver betydelige mængder eksterne kontrastmidler (CA) i høje koncentrationer (op til 400 mg jod pr. ml) for at give en målbar forbedring af de relevante vævskomponenter (f.eks. blod vs. muskler), men det udmærker sig i rumlig og tidsmæssig opløsning, især når man bruger avancerede mikro-CT-scannere designet til billeddannelse af små dyr. 11 En typisk sygdomsmodel, hvor hjerte-PET/CT kan anvendes, er den eksperimentelle evaluering af myokardieinfarkt og hjertesvigt og relateret respons på terapi. En almindelig måde at fremkalde MI hos små dyr er ved kirurgisk ligering af venstre forreste faldende (LAD) kranspulsåre12,13 og derefter langsgående evaluering af sygdommens progression og hjerteombygningen i de efterfølgende dage4. Ikke desto mindre er den kvantitative morfofunktionelle evaluering af hjertet hos små dyr i vid udstrækning også anvendelig for andre sygdomsmodeller, såsom evaluering af aldringens virkning på hjertefunktion14 eller ændret receptorekspression i modeller af fedme15. Den præsenterede billeddannelsesprotokol er ikke begrænset til en given sygdomsmodel og kan derfor være af den bredeste interesse i flere sammenhænge af præklinisk forskning med små gnavere.
I dette papir præsenterer vi en start-til-ende eksperimentel protokol til hjertebilleddannelse ved hjælp af smådyrsintegreret PET / CT. Selv om den fremlagte protokol er udformet til en specifik bimodal integreret scanner, kan PET- og CT-delene af den beskrevne procedure udføres uafhængigt på separate scannere fra forskellige producenter. I den anvendte PET/CT-scanner er operationssekvensen organiseret i en forprogrammeret arbejdsgang. Hovedgrenene i hver arbejdsgang er en eller flere anskaffelsesprotokoller; Hver anskaffelsesprotokol kan have en eller flere grene til specifikke forbehandlingsprotokoller, og til gengæld kan hver forbehandlingsprotokol have en eller flere grene til specifikke genopbygningsprotokoller. Både forberedelsen af dyret på billeddannelseslejet og forberedelsen af de eksterne midler, der skal injiceres under billeddannelsesprocedurerne, beskrives. Efter afslutningen af billedoptagelsesproceduren leveres eksempler på procedurer til kvantitativ billedanalyse baseret på almindeligt tilgængelige softwareværktøjer. Hovedprotokollen er specielt designet til musemodeller; Selvom musen stadig er den mest anvendte art på dette område, viser vi også en tilpasning af protokollen til rottebilleddannelse i slutningen af hovedprotokollen. Der vises repræsentative resultater for både mus og rotter, hvilket viser, hvilken type output der kan forventes med de beskrevne procedurer. I slutningen af dette papir diskuteres en grundig diskussion for at understrege fordele og ulemper ved teknikken, kritiske punkter, samt hvordan forskellige PET-radiotracere kunne bruges næsten uden ændring af forberedelses- og erhvervelses- / genopbygningstrinnene.
Protokollen, der præsenteres i dette papir, fokuserer på en typisk eksperimentel procedure for translationel kardiovaskulær forskning på små dyremodeller af hjerteskade ved hjælp af PET / CT-billeddannelse i høj opløsning. De præsenterede resultater er vejledende for den høje kvantitative og kvalitative værdi af PET- og Cine-CT-billeder, der giver både funktionel og strukturel information om hele hjertet om dets glukosemetabolisme, form og dynamikken i dets sammentrækning. Desuden er alle de opnåede billede…
The authors have nothing to disclose.
Denne forskning blev delvist støttet af JPI-HDHL-INTIMIC “GUTMOM” -PROJEKTET: Maternal fedme og kognitiv dysfunktion hos afkom: Årsagsvirkningsrolle for GUT MicrobiOMe og tidlig diætforebyggelse (projekt nr. INTIMIC-085, det italienske ministerium for uddannelse, universitet og forskningsdekret nr. 946/2019).
0.9% sterile saline | Fresenius Kabi | 0.9% sodium chloride for injection | |
1025L Physiological Monitoring | Small Animal Instruments | Physiological monitoring system for small animal imaging | |
5 mL syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of PET tracer | |
Atomlab 500 | Else Nuclear | PET Dose calibrator | |
Atrium software | Inviscan | Version 1.5.5 | PET/CT operating software |
Butterfly catheters | Delta Med | 27.5 G needle | |
Carimas software | Turku PET Center | Version 2.10 | Image analysis software |
Fenestra VC | Medilumine | Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals | |
Heat lamp | Heat lamp with clamp and switch | ||
Insulin syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of CT CA | |
Iomeron 400 mgI/mL | Bracco | Iomeprol, vascular contrast agent | |
IRIS PET/CT | Inviscan | PET/CT scanner for small animals | |
Isoflurane | Zoetis | Inhalation anesthetic, 250 mL | |
OneTouch Glucometer | Johnson&Johnson Medical | Glucose meter kit | |
Osirix MD software | Pixmeo | Version 11 | Image analysis software |
Oxygen | Air liquide | Compressed gas | |
Rectal probe for 1025L | Small Animal Instruments | Rectal probe with cable for SAII 1025L systems | |
Respiratory sensor for 1025L | Small Animal Instruments | Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems | |
TJ-3A syringe pump | Longer | Motorized syringe pump for CT CA injection |