Здесь мы представляем экспериментальный протокол визуализации для количественной оценки сердечной функции и морфологии с использованием позитронно-эмиссионной томографии / компьютерной томографии высокого разрешения для мелких животных. Рассматриваются как мыши, так и крысы, обсуждая различные требования к контрастным агентам компьютерной томографии для двух видов.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и компьютерная томография (КТ) являются одними из наиболее используемых методов диагностической визуализации, и оба служат для понимания сердечной функции и метаболизма. В доклинических исследованиях используются специализированные сканеры с высокой чувствительностью и высоким пространственно-временным разрешением, предназначенные для удовлетворения высоких технологических требований, связанных с небольшим размером сердца и очень высокой частотой сердечных сокращений мышей и крыс. В этой статье описан протокол бимодальной визуализации сердца ПЭТ/КТ для экспериментальных моделей сердечных заболеваний на мышах и/или крысах, от подготовки животных и получения и реконструкции изображений до обработки и визуализации изображений.
В частности, 18F-меченые фтордезоксиглюкоза ([18F]FDG)-ПЭТ-сканирование позволяют измерять и визуализировать метаболизм глюкозы в различных сегментах левого желудочка (ЛЖ). Полярные карты являются удобными инструментами для отображения этой информации. Часть КТ состоит из 3D-реконструкции всего сердца с временным разрешением (4D-CT) с использованием ретроспективного гатинга без проводов электрокардиографии (ЭКГ), что позволяет проводить морфофункциональную оценку ЛЖ и последующую количественную оценку наиболее важных параметров сердечной функции, таких как фракция выброса (EF) и ударный объем (SV). Используя встроенный ПЭТ/КТ-сканер, этот протокол может быть выполнен в рамках одной и той же индукции анестезии без необходимости перемещать животное между различными сканерами. Следовательно, ПЭТ / КТ можно рассматривать как комплексный инструмент для морфофункциональной и метаболической оценки сердца в нескольких моделях сердечных заболеваний на мелких животных.
Модели мелких животных чрезвычайно важны для продвижения понимания сердечно-сосудистых заболеваний 1,2. Неинвазивные, диагностические инструменты визуализации произвели революцию в том, как мы смотрим на сердечную функцию в последние десятилетия, как в клинических, так и в доклинических условиях. Что касается моделей сердечных заболеваний на мелких животных, были разработаны специальные инструменты визуализации с очень высоким пространственно-временным разрешением. Таким образом, такие инструменты могут соответствовать необходимости точной количественной оценки соответствующих метаболических и кинетических параметров миокарда на очень маленьких и очень быстро движущихся сердцах мышей и крыс в конкретных моделях заболеваний, таких как сердечная недостаточность (HF)3 или инфаркт миокарда (MI)4. Для этой цели существует несколько модальностей, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Ультразвуковая (УЗИ) визуализация является наиболее широко используемой модальностью из-за ее большой гибкости, очень высокого временного разрешения и относительно низкой стоимости. Внедрение визуализации сердца в США у мелких животных значительно возросло с момента появления систем, использующих зонды со сверхвысокой частотой 5,6, с пространственным разрешением ниже 50 мкм.
Одним из основных недостатков УЗИ для полностью 3D-визуализации сердца является необходимость линейного сканирования вдоль оси сердца путем установки зонда на моторизованной стадии трансляции для создания полного стека динамических изображений B-режима всего сердца7. В конечном итоге эта процедура приводит (после точной пространственной и временной регистрации изображений, полученных в каждой позиции зонда) к 4D-изображению с различным пространственным разрешением между плоским и внеплоскостным направлениями. Та же проблема неравномерного пространственного разрешения возникает в сердечной МРТ (CMR)8, которая по-прежнему представляет собой золотой стандарт в функциональной визуализации сердца. Реальная изотропная 3D-визуализация может быть получена с использованием как компьютерной томографии (КТ), так и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)9. ПЭТ обеспечивает очень чувствительный инструмент с точки зрения сигнала изображения на количество вводимого зонда (в наномолярном диапазоне), даже если он страдает от сниженного пространственного разрешения по сравнению с КТ, МРТ или УЗИ. Основным преимуществом ПЭТ является его способность отображать клеточные и молекулярные механизмы, лежащие в основе патофизиологии органа. Например, ПЭТ-сканирование после инъекции [18F]FDG позволяет реконструировать 3D-карту метаболизма глюкозы в организме. Сочетая это с динамическим (т.е. временным) сбором данных, трассирующее кинетическое моделирование может быть использовано для расчета параметрических карт метаболических скоростей поглощения глюкозы (MRGlu), которые предоставят важную информацию о жизнеспособности миокарда10.
КТ требует значительных объемов внешних контрастных веществ (СА) в высоких концентрациях (до 400 мг йода на мл) для обеспечения измеримого усиления соответствующих компонентов ткани (например, крови против мышц), но она превосходит пространственное и временное разрешение, особенно при использовании современных микро-КТ-сканеров, предназначенных для визуализации мелких животных. 11 Типичной моделью заболевания, в которой может быть применена сердечная ПЭТ/КТ, является экспериментальная оценка инфаркта миокарда и сердечной недостаточности и связанного с этим ответа на терапию. Распространенным способом индуцирования ИМ у мелких животных является хирургическая перевязка левой передней нисходящей (LAD) коронарной артерии12,13, а затем продольная оценка прогрессирования заболевания и ремоделирование сердца в последующие дни4. Тем не менее, количественная морфофункциональная оценка сердца у мелких животных в значительной степени применима и для других моделей заболеваний, таких как оценка влияния старения на сердечную функцию14 или измененную экспрессию рецепторов в моделях ожирения15. Представленный протокол визуализации не ограничивается какой-либо данной моделью заболевания и, следовательно, может представлять наибольший интерес в нескольких контекстах доклинических исследований с мелкими грызунами.
В этой статье мы представляем от начала до конца экспериментальный протокол для визуализации сердца с использованием интегрированных ПЭТ / КТ мелких животных. Несмотря на то, что представленный протокол предназначен для конкретного бимодального интегрированного сканера, ПЭТ и КТ части описанной процедуры могут быть выполнены независимо на отдельных сканерах разных производителей. В используемом ПЭТ/КТ сканере последовательность операций организована в заранее запрограммированном рабочем процессе. Основными ветвями каждого рабочего процесса являются один или несколько протоколов сбора; каждый протокол сбора может иметь одну или несколько ветвей для определенных протоколов предварительной обработки, и, в свою очередь, каждый протокол предварительной обработки может иметь одну или несколько ветвей для конкретных протоколов реконструкции. Описана как подготовка животного на визуализирующей кровати, так и подготовка внешних агентов, вводимых во время процедур визуализации. После завершения процедуры получения изображения приводятся примеры процедур количественного анализа изображений на основе общедоступных программных средств. Основной протокол специально разработан для моделей мышей; Несмотря на то, что мышь остается наиболее используемым видом в этой области, мы также показываем адаптацию протокола для визуализации крыс в конце основного протокола. Репрезентативные результаты показаны как для мышей, так и для крыс, демонстрируя тип выхода, который можно было бы ожидать с описанными процедурами. В конце этого документа проводится подробное обсуждение, чтобы подчеркнуть плюсы и минусы техники, критические моменты, а также то, как различные РАДИОИНДИКАТОРЫ ПЭТ могут быть использованы почти без изменений на подготовительных этапах и этапах приобретения/реконструкции.
Протокол, представленный в этой статье, фокусируется на типичной экспериментальной процедуре трансляционных сердечно-сосудистых исследований на небольших животных моделях сердечной травмы с использованием ПЭТ/КТ-визуализации высокого разрешения. Представленные результаты свидете…
The authors have nothing to disclose.
Это исследование было частично поддержано проектом JPI-HDHL-INTIMIC «GUTMOM»: Материнское ожирение и когнитивная дисфункция у потомства: причинно-следственная роль GUT MicrobiOMe и ранняя диетическая профилактика (проект No INTIMIC-085, Министерство образования Италии, Университет и Указ об исследованиях No 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 |