Yöntem makalesi

Mekanik Ventilasyonlu Farelerde Hiperpolarize 129Xe Akciğer MRG ve Spektroskopi

DOI:

10.3791/66924

⸱

11 Ekim 2024

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Center for Pulmonary Imaging Research, Division of Pulmonary Medicine, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, University of Cincinnati, 3Imaging Research Center, Department of Radiology, Cincinnati Children's Hospital Medical Center, 4Analytical Technology Group, Aurorium, 5Division of Pulmonary, Critical Care, and Sleep Medicine, Department of Internal Medicine, University of Kansas Medical Center, 6Department of Bioengineering, University of Kansas, 7Hoglund Biomedical Imaging Center, University of Kansas Medical Center, 8Department of Pediatrics, University of Cincinnati, 9Division of Pulmonary Medicine, Cincinnati Children's Hospital Medical Center

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hiperpolarize ksenon MRG, translasyonel araştırma ve klinik bakımda bölgesel akciğer mikroyapısını (hava boşluğu boyutları) ve fizyolojisini (ventilasyon ve gaz değişimi) ölçebilir. Zor olmasına rağmen, klinik öncesi çalışmalarda karşılaştırılabilir pulmoner içgörüler sağlayabilir. Bu protokol, farelerde rutin ksenon akciğer MRG'si gerçekleştirmek için gereken altyapıyı ve prosedürleri açıklar.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hiperpolarize (HP) ksenon-129 (129Xe), ventilasyon, kısıtlı difüzyon (alveolar-hava sahası boyutu) ve gaz değişimi dahil olmak üzere pulmoner fizyolojiyi ölçmek için kullanılabilecek benzersiz spektral ve fiziksel özelliklere sahip, inhale edilmiş bir manyetik rezonans görüntüleme (MRI) kontrast maddesidir. İnsanlarda, çeşitli pulmoner bozukluklarda hastalık şiddetini ve ilerlemesini değerlendirmek için kullanılmıştır ve Amerika Birleşik Devletleri ve Birleşik Krallık'ta klinik kullanım için onaylanmıştır. Klinik uygulamalarının ötesinde, 129Xe MRG'nin pulmoner patofizyolojiyi noninvaziv olarak değerlendirme ve mekansal olarak çözülmüş bilgi sağlama yeteneği, klinik öncesi araştırmalar için değerlidir. Hayvan modelleri arasında, genetiği değiştirilmiş hastalık modellerinin erişilebilirliği nedeniyle fareler en yaygın kullanılanlardır. Burada, 129Xe MRG, akciğer hastalığının ilerlemesini ve tedavi yanıtını uzunlamasına izlemek için minimal invaziv, radyasyonsuz ve hassas bir teknik olarak umut vericidir (ör., ilaç keşfinde). Bu teknik, gaz vermek için MRG ile tetiklenen, serbest solunum cihazı veya mekanik ventilatör dahil ederek klinik öncesi uygulamalara kadar uzanabilir. Burada, kalite kontrol için termal olarak polarize bir ksenon gazı fantomu oluşturma, polarizasyonu optimize etme, hayvan işleme (sedasyon, entübasyon, ventilasyon ve fareler için bakım) ve ventilasyon, kısıtlı difüzyon ve gaz değişim verileri için protokoller dahil olmak üzere sağlam veri toplama ve analizini sağlamak için adımları açıklıyor ve kontrol listeleri sağlıyoruz. Klinik öncesi 129Xe MRG çeşitli hayvan modellerinde (örneğin sıçanlar, domuzlar, koyunlar) uygulanabilirken, bu protokol, satın alınabilirlikleri ve birçok hastalık modelinin mevcudiyeti ile dengelenen küçük anatomilerinin yarattığı zorluklar nedeniyle farelere odaklanır.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pulmoner bozukluklar küresel morbidite ve mortalitenin önde gelen nedenleri olmaya devamederken1, son on yılda hasta sonuçlarında dramatik iyileşmeler görülmüştür. Bu gelişmeler kısmen iki faktör tarafından yönlendirilmektedir. İlk olarak, Faz III klinik çalışmalar artık mortaliteden ziyade son nokta olarak akciğer fonksiyonundaki değişikliklere öncelik vermekte ve ilaç denemelerini hızlandırmaktadır 2,3,4,5. İkinci olarak, geliştirilmiş hayvan modellerindeki ilerlemeler, hastalık mekanizmaları hakkında bilgi sağlamış ve tedavi geliştirmeye yardımcı olmuştur 6,7. Fare modelleri, insanlarla fizyolojik paralellikler, satın alınabilirlik ve hızlı hastalık gelişimi sundukları için genellikle translasyonel araştırmalar için tercih edilir. Genetik mühendisliği, mevcut modellerin yelpazesini ve kalitesini genişletti, Uluslararası Fare Türü Kaynağı şu anda sadece 4.218 sıçan türüne kıyasla 32.000'den fazla fare türüne8 sahiptir (Sıçan Genom Veritabanı9). Bu modeller, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH)10, kistik fibroz (KF)11, pulmoner fibroz12,13, pulmoner hipertansiyon14,15 ve astım16 dahil olmak üzere bir dizi akciğer hastalığı için mekanik itici güçleri ve tedavi yanıtlarını araştırmak için yeni yollar açmıştır.

Ne yazık ki, fareleri içeren akciğer araştırmaları, hastalık yükünü ölçmek için mevcut tekniklerle sınırlıdır. Çalışmalar genellikle 1) tüm akciğer bilgisi (biyokimyasal tahliller) veya lokalize bilgi (histoloji) sağlayan ve 2) kesitsel tasarımlar ve büyük örneklem boyutları talep eden terminal prosedürlere dayanır. Bu nedenle, ne mekansal ne de zamansal hastalık dinamiklerini yakalarlar. Buna karşılık, non-invaziv, üç boyutlu görüntüleme, zaman içinde akciğerlerdeki yapıyı, moleküler süreçleri ve işlevi değerlendirebilir.

Akciğer yapısı (örneğin, hava yolu anormallikleri ve interstisyel fibroz), ultra kısa eko-time (UTE) MRI ve yüksek çözünürlükte mikrobilgisayarlı tomografi (μBT) ile görüntülenebilir. Fonksiyonel ve mekanik bilgiler (ör.ventilasyon, perfüzyon, tümör metabolizması ve enflamatuar süreçler) ekzojen kontrast ajanlar (ör., ksenon ile zenginleştirilmiş BT ve oksijenle güçlendirilmiş UTE) ve iyonlaştırıcı nükleer tıp yaklaşımları (ör., pozitron emisyon tomografisi [PET] ve tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografi [SPECT]). Bununla birlikte, normalden daha yüksek radyasyon seviyelerine sahip iyonlaştırıcı modaliteler kullanılmadan elde edilen mütevazı kontrast-gürültü (özellikle T1'in uzatıldığı klinik öncesi MRG için kullanılan yüksek manyetik alan kuvvetlerinde oksijenle güçlendirilmiş UTE için) nedeniyle fonksiyonel görüntüleme zordur. Bu modalitelerle görüntüleme, geleneksel dozlar kullanan hayvan modellerinde iyi tolere edilirken, kümülatif radyasyon, immünoloji, inflamasyon ve akciğer kanseri ile ilgili çalışmalarda sonuçları karıştırabilir17. Bununla birlikte, hiperpolarize (HP) ksenon-129 (129Xe) manyetik rezonans görüntüleme (MRG) minimal invaziv, ışınlayıcı olmayan ve oldukça hassas yapısal ve fonksiyonel bilgi sağlar. Bu teknik, amfizem 18,19, fibroz20, akciğer kanseri21, KOAH22 ve radyasyona bağlı akciğer hasarı23 gibi durumları tek veya çoklu zaman noktalarında karakterize etmek için klinik öncesi araştırmalarda kullanılmış olsa da, klinik öncesi ortamda yeterince kullanılmamaktadır.

Rutin, klinik öncesi 129Xe MRG'yi etkinleştirmek için, kurumsal düzenleyici destek, bir hiperpolarizasyon cihazı, bir 129Xe ayarlı radyo frekansı (RF) bobini ve çoklu nükleer özellikli bir tarayıcı dahil olmak üzere çeşitli ön koşullar gereklidir. Gelişmiş uygulamalar 24,25,26,27,28,29,30,31,32,33, bu protokolün kapsamı dışında kalan satıcıya özel darbe programlaması gerektirse de, temel uygulamalar mütevazı yazılım değişiklikleri ile elde edilebilir. Bu nedenle, klinik öncesi 129Xe MRG'ye özgü kalite kontrol, manyetizasyon işleme, veri toplama ve mekanik ventilasyon dahil olmak üzere hayvan işleme prosedürlerine odaklanıyoruz (Şekil 1).

Bugüne kadar, küçük hayvan 129Xe görüntüleme, her biri avantaj ve dezavantajlara sahip üç MR güvenli gaz verme yaklaşımı kullanmıştır: serbest nefes alma, piston tahrikli ve basınç düşüşü. Serbest solunum, entübasyon veya trakeostomiden yaralanma riski olmadan spontan solumaya izin verir, ancak önemli ölçüde daha fazla HP gazı tüketir ve hareket artefaktlarına neden olabilir34,35. Ticari piston tahrikli cihazlar kendi kendini kalibre eder ve kutudan çıkar çıkmaz kullanımı kolaydır, ancak aşırı derecede pahalı olabilir36. Burada kullanılan basınç düşüşü tabanlı yaklaşım literatürde iyi tanımlanmıştır, modüler, özelleştirilebilir ve açık kaynak kodu 37,38,39,40 tarafından çalıştırılır. Ayrıca, uygun maliyetlidir, tipik olarak toplam 10 bin dolardan az ve birkaç haftalık özel yapım süresidir. Basınç düşüşü ventilatörü, entübe edilmiş bir farenin hava yolu basıncını izlerken basınçlı bir teneke kutu içindeki bir doz torbasından 129Xe verir.

figure-introduction-1
Şekil 1: Farelerde rutin ksenon-129 (129Xe) manyetik rezonans görüntüleme (MRG) toplama protokolüne genel bakış. (A) İlk kurulum adımları. (Not: tarayıcı programlaması her satıcı için benzersizdir ve bu protokolde açıklanmamıştır). (B) Günlük kalite güvencesi (QA) ve hayvan verilerini toplama adımları. (C) Başarılı deney sonucu ve veri analizi için adımlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Burada, 129Xe MRI verisinin üç yaygın sınıfını topluyor ve analiz ediyoruz: ventilasyon, difüzyon ağırlıklı görüntüleme (alveolar-hava sahası boyutu) ve gaz değişimi. Ventilasyon görüntüleri, solunan 129Xe gazının dağılımını göstermektedir. Akciğerlerin hava akımının azaldığı bölgeler HP gaz görüntülerinde karanlık görünür ve patoloji kusurlu ventilasyon hacmi ile ölçülür. İnsanlarda, ventilasyon kusuru yüzdesi (VDP), KOAH43,44,45 ve astım46,47 gibi hastalıklarda güçlü tekrarlanabilirlik 41,42 ve akciğer tıkanıklığına karşı yüksek duyarlılık göstermiştir.

Hava sahasındaki 129Xe atomunun kısıtlı difüzyonu, görünür difüzyon katsayısı (ADC) ile ölçülebilir ve hava boşluğu boyutu için bir vekil görevi görür. ADC, difüzyon ağırlığı olmadan bir temel görüntü (b0) ve bipolar gradyan kaynaklı difüzyon ağırlığı (bN) varlığında elde edilen bir veya daha fazla görüntü elde edilerek hesaplanır. Yüksek bir ADC, yaşlanma veya amfizematöz yeniden şekillenme nedeniyle hava sahası boyutundaki bir artışı yansıtır18,48. Ayrıca, çoklu b-değeri görüntülerinin (≥4) kullanılması, daha ayrıntılı morfometrik bilgilerin (örneğin, ortalama doğrusal kesişim) hesaplanmasına izin verir49,50.

Gaz değişimi, 1) kılcal zar dokusunda, plazmada ve RBC'lerde (kırmızı kan hücreleri) 129Xe'nin çözünürlüğü ve 2) bu bölmelerde çözündüğünde 129 Xe'nin >200ppm aşağı alan kimyasal kayması nedeniyle karakterize edilebilir. Hem spektroskopik hem de görüntüleme verileri, kardiyopulmoner hastalıklar (örneğin, pulmoner hipertansiyon ve sol kalp yetmezliği 51,52,53) hakkında bilgi sağlar. Birçok tür (insanlar, köpekler ve sıçanlar) her bölmeden kaynaklanan benzersiz spektral zirveler sergilerken, fareler hemoglobin-ksenon bağlanma bölgesi etkileşimlerindeki farklılıklar nedeniyle benzersiz bir RBC sinyalinden yoksundur. Bunun yerine, tüm çözünmüş bileşenler farelerde54 tek bir sinyalde birleştirilir. Bununla birlikte, orak hücre hastalığı54 modellerinde kullanılanlar gibi, insan hemoglobini eksprese eden transgenik farelerde belirgin bir RBC rezonansı gözlemlemek mümkündür. Genel olarak, çözünmüş 129Xe spektroskopisi ve görüntüleme, farelerde kardiyopulmoner patofizyoloji hakkında benzersiz bilgiler sağlar55,56.

Bu protokolü denemeden önce, fare çalışmaları için gerekli olan MRI tarayıcısı, mekanik ventilasyon ve fare işleme teknikleri hakkında arka plan bilgilerini anlamak gerekir. Hayvan çalışmalarına başlamadan önce, tüm prosedürler yerel Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmalıdır57. Fare akciğerinde bulunan toplam manyetik moment doğası gereği düşük olduğundan (yani, tidal hacim ~ 250 μL), anatomik olarak eşdeğer çözünürlük elde etmek için voksel boyutunun insanlardan 1000 kat daha küçük olması gerekir. Murin solunum hızı da son derece hızlıdır (>100 nefes/dakika). Bu nedenle, tipik olarak insan görüntülemesi için kullanılan tek nefes tutma prosedürleri uygulanabilir değildir. Bunun yerine, her nefeste yalnızca birkaç RF uyarımı uygulanabilir, bu nedenle 129Xe görüntüsünün onlarca ila yüzlerce nefes boyunca kodlanması gerekir. Sinyal-gürültü oranını (SNR), çözünürlüğü ve tarama süresini dengelerken, alımların harici olarak tetiklenmesine izin vermek ve dilimleri, faz kodlamalarını ve/veya difüzyon ağırlıklı görüntüleri düzgün bir şekilde döngüye sokmak için darbe programlama gerekebilir. Burada ventilatör, veri toplamayı tetiklemek için nefes başına bir kez bir transistör-transistör mantığı (TTL) darbesi verir (Şekil 2).

figure-introduction-2
Şekil 2: Temsili mekanik ventilasyon ve veri toplama zamanlaması. (A) Kullanıcı kontrollü ventilasyon, inspirasyon sonunda, nefes tutma sırasında veya son kullanma sonunda veri alımını tetikleyebilir. (B) Bu 3D radyal ventilasyon dizisi için kullanıcı, elde edilen toplam projeksiyon sayısını ve nefes başına projeksiyon sayısını tanımlar. (C) Dilim seçici, 2B difüzyon ağırlıklı bir görüntü için kullanıcı, dilimlerin, b-değeri görüntülerin ve faz kodlamalarının sırasını tanımlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Güvenilir ventilasyon ve 129Xe iletimi sağlamak için sağlam sedasyon ve entübasyon prosedürleri gereklidir. Her çalışma için, dakika ventilasyonu, kalp atış hızı (HR) ve kan basıncındaki değişiklikler dahil olmak üzere her anestezinin aşağı yönlü etkileri dikkate alınmalıdır 58,59,60,61,62,63,64,65,66. Klinik öncesi HP gaz MRG için çeşitli sakinleştiriciler kullanılmış olsa da, kullanılabilirliği, maliyet etkinliği, güvenilirliği vesüresi nedeniyle ketamin, ksilazin ve asepromazin karışımı kullanıyoruz 67,68. Sakinleştirildikten sonra, etkili mekanik ventilasyon için hayvanlar entübe edilmelidir. Farelerin entübasyonu, anatomilerinin küçük boyutu nedeniyle zordur ve bu nedenle, bu teknikte kapsamlı bir şekilde eğitilmesi önemlidir. Araştırmacıları yayınlanmış video protokollerini incelemeye teşvik ediyoruz 69,70. Ticari entübasyon kanüllerinin çoğu paslanmaz çelik içerdiğinden, fare trakeal duvarı ile hava geçirmez bir sızdırmazlık oluşturmak için hava yolu çapına uyacak şekilde özelleştirilebilen metal içermeyen (yani MRI ve HP gazı uyumlu), kama şeklindeki kanüller yapmak için bir teknik sunuyoruz.

129Xe görüntüsü birçok nefeste toplandığından, ventilatör ayarları kritik öneme sahiptir. Akciğer hasarını önlemek için koruyucu ventilasyon stratejileri dikkatlice düşünülmelidir 71,72,73,74. Özellikle, düşük tidal hacim (TV), orta derecede pozitif ekspirasyon sonu basıncı (PEEP) ve alveolar işe alım manevralarının (RM'ler) kullanımı, insan hastalarda ve hayvan modellerinde ventilatöre bağlı akciğer hasarı riskini azaltır 75,76,77,78,79,80,81. Burada, basınç düşüşü 129Xe mekanik ventilasyon ile uyumlu, koruyucu olan ve yeterli 129Xe görüntü SNR sağlayan basit bir teknik öneriyoruz. Spesifik olarak, ventilatörün nefes verme hattına ticari bir PEEP valfi ekleyerek PEEP uyguluyoruz. RM'leri gerçekleştirmek için, ekshalasyon hattı kapatılmalıdır, böylece hayvan, hedef basınç ve süreye ulaşılana kadar ekshalasyon olmadan birden fazla inhalasyon alır.

Baştan sona genel ventilasyon ayarları sağlıyoruz, ancak belirli çalışma hedeflerini82,83 ele almak için literatürü gözden geçirmeniz tavsiye edilir. Mekanik ventilasyon sırasında en yüksek inspiratuar basıncın izlenmesine ek olarak, standart fare sıcaklığı izleme yöntemleri kullanılarak yapılabilen hayvanın sıcaklığının izlenmesi önemlidir. Görüntüleme için gerekli olmasa da, elektrokardiyogram (EKG) yoluyla kalp atış hızının izlenmesi avantajlı olabilir; EKG, bir hayvanın sedasyondan mı yoksa aşırı dozdan mı yoksa sıkıntılı mı uyandığını gösterebilir ve araştırmacının müdahale etmesine izin verebilir.

Tanımladığımız protokol, 129Xe 3D radyal ventilasyon verisi61, 2D GRE difüzyon ağırlıklı veri76 ve dinamik darbe elde eden spektroskopi gaz değişim verilerini toplamak için tasarlanmıştır. Bu protokol, küçük hayvan modellerinde yapılan klinik öncesi araştırmalar ile 129Xe MRG'nin pulmoner bozukluklar hakkındaki anlayışımızı ilerletme potansiyeli arasındaki boşluğu doldurmayı amaçlamaktadır.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada açıklanan tüm yöntemler, Cincinnati Çocuk Hastanesi Tıp Merkezi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır.

1. İlk saha hazırlığı

  1. Termal olarak polarize edilmiş bir 129Xe gaz fantomu oluşturun ve test edin (Şekil 3).
    1. Tümü 60 psig'ye kadar derecelendirilmiş bir borosilikat cam kap (~ 150 mL), önden sızdırmaz O-ringli bir piston valfi ve bir öğütülmüş borosilikat cam gövde elde edin. Manyetik parça olmadığından emin olun. Cam gövdeye bir sıkıştırma bağlantısı takın. Gaz geçirmez bir conta oluşturmak için sıkın.
    2. Kabı Şekil 3A'ya göre bir vakum pompasına ve oksijen rezervuarına bağlayın. Kabı 100 mTorr mutlak basıncın altına kadar vakumlayın.
    3. 129Xe T1'i > 30 dakikadan ~2 saniyeye düşürmek için kabı 1,5 atm basınca kadar oksijenle doldurun (7 T manyetik alan gücünde; 9.4 T tarayıcı için 1.6 atm oksijen kullanın). Mühür kabı.
      NOT: Daha yüksek alan kuvvetleri için, T1≤ 2 s84'ü elde etmek için biraz daha yüksek oksijen kısmi basıncı gerekecektir.

    4. &


figure-protocol-1

figure-protocol-2


    2. figure-protocol-3

figure-protocol-4


    8. figure-protocol-5

figure-protocol-6
















    4. figure-protocol-7


    5. figure-protocol-8


    3. figure-protocol-9

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Havalandırma Görüntüleri

Hayvan hazırlama ve ventilasyon prosedürleri uygun şekilde uygulanırsa, 3D radyal görüntüleme, veri toplama inspirasyon veya ekspirasyon sırasında gerçekleştirildiğinde ventilasyon modellerini başarılı bir şekilde yakalayabilir (Şekil 7). Bu görüntüler birçok nefes üzerinden toplanırken, burada anlatılan yöntem insanlarda kullanılan tek nefesli görüntüleme yöntemi ile benzerlik göstermektedir. Bunun nedeni, tüm k-alanı çizgilerinin nefes döngüsü sırasında belirli bir zamanda toplanmasıdır (örneğin, hepsi son inspirasyonda), kümülatif olarak tek bir inhalasyonu temsil eden bir görüntü oluşturur. Bu görüntülerde, ana hava yolları (trakea ve bronşlar) açıkça görülebilir, belirgin bir görüntü artefaktı yoktur ve akciğer parankimi yüksek SNR (ilk polarizasyona bağlı olarak ~ 15 veya daha yüksek) ile tamamen şişirilmiş görünür. Mantığa aykırı olsa da, inspirasyonda elde edilen görüntüler (Şekil 7A, SNR = 15), sona erme tarihinde elde edilenlerden daha düşük SNR gösterir (Şekil 7B, SNR = 27). Bu, bu fareyi havalandırırken kullanılan mütevazı sürüş basıncı ve yavaş akışla ilgilidir. İnspirasyon görüntüleri için, HP gazı henüz akciğerlerin parankimine tam olarak yıkanmamıştı ve bu da 129Xe'nin (ve dolayısıyla sinyalin) daha büyük hava yollarında yoğunlaşmasına neden oldu. Bu etki, görüntünün yeniden yapılandırılması sırasında k-alanı ölçeklemesi ile görsel olarak daha da kötüleşir, çünkü yüksek hava yolu sinyali verilerin dinamik aralığına hakimdir. Bununla birlikte, parankim, büyük hava yolları atlanacak şekilde bölümlere ayrılmışsa, analiz basit olmalıdır.

figure-results-1
Şekil 7: Daha önce yayınlanmış yöntemler kullanılarak elde edilen yetişkin bir C57BL/6J farede temsili 3D radyal ventilasyon görüntüleri39. Her iki görüntü de nispeten yüksek SNR'ye sahip olsa da, (A) inspirasyonundaki görüntüler, büyük ölçüde 129Xe gazının akciğerlere yıkanmak için zamanı olmadığı için (B) sona erme tarihindeki görüntülerden daha düşük SNR'ye sahiptir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Patolojik olarak tıkalı ventilasyon ile düşük SNR'nin diğer nedenleri arasında ayrım yapmak önemlidir. Şekil 7A'da, hayvan sağlıklı, vahşi tip bir fare olduğu için ventilasyon tıkanıklığı beklenmemektedir (ör., düşük VDP). Ventilasyon engellenirse, kusurlar tipik olarak 129Xe sinyalinin düşük olduğu veya hiç olmadığı bölgeler olarak ortaya çıkar. Düşük sinyalin patolojik olmayan nedenleri genellikle şunları içerir:

(i) Düşük 129Xe polarizasyonu: Bu, eşlik eden artefaktlar olmaksızın akciğer parankiminde ve hava yollarında düşük SNR'ye neden olur. Düşük polarizasyon tipik olarak yanlış takip edilen polarizasyon prosedürlerine, taşıma sırasında depolarizasyona veya HP 129Xe dağıtım hortumundaki aşırıO2 gazı içeriğine (örneğin, yanlış kalibre edilmiş bir ventilatörden) bağlanabilir. 

(ii) Entübasyon kanülü çok derine yerleştirilmiş: Trakeaya çok derine yerleştirilirse, kanül sol veya sağ bronştan aşağı doğru sapabilir. Yeterince sıkı bir şekilde yerleştirilirse, tüm akciğer tidal hacmi sadece birkaç lob ve hava yolu ile sınırlı olabilirken, akciğerin geri kalanı hiçbirini almaz. Bu meydana gelirse, aşırı şişirilmiş loblar yaralanabilir ve hayvanı ötenazi yapmak gerekebilir. Alternatif olarak, kanülün ucu doku ile doğrudan temas edebilir. Bu durumda, 129Xe esas olarak kanülün iç kısmı ile sınırlı olacaktır, bu da gözle görülür şekilde düz bir tüpten parlak bir sinyal ve parankim içinde minimal bir sinyal ile sonuçlanacaktır. Bu durumda, kanül pozisyonu derhal düzeltilmeli ve hayvan sıkıntı belirtileri açısından izlenmelidir (ör., ventilatöre kıyasla anormal, yok veya asenkron göğüs hareketi).

(iii) Entübasyon kanülü çok sığ yerleştirilmiş: Orofarenkste çok sığ bir gaz bolusu verildiğinde, akciğerlere akan bu bolusa karşı direnç, kanülün dışından ve ağızdan dışarı akan bolusa karşı dirençten daha güçlü olabilir. Bu, zayıf akciğer enflasyonuna neden olabilir. Trakeal SNR yüksek olabilirken, parankimal SNR düşük olacaktır. Veri toplama sırasında trakeadan yukarı akan gaz nedeniyle hareket artefaktları mevcut olabilir. Yapıtın karakteri, dizi türüne (GRE, radyal vb.) bağlı olarak değişecektir.

(iv) Yanlış edinim zamanlaması: RF darbesi ve veri toplama, inspiratuar veya ekspiratuar gaz akışı dönemlerinde meydana geldiyse, özellikle Kartezyen diziler kullanıldığında genellikle ciddi hareket artefaktları mevcut olacaktır ve parankimal SNR düşük olacaktır.

(v) Spontan solunum: Hayvan veri toplama sırasında yeterince sedasyon uygulanmazsa, spontan solunum hareketi mekanik ventilasyon modelinin üzerine asenkron olarak bindirilecektir. Bu, değişken nefesten nefese 129Xe iletimi, orta ila şiddetli hareket artefaktları ve zayıf parankimal SNR ile sonuçlanacaktır. Sedatif dozun ve zamanlamanın dikkatli bir şekilde izlenmesi çok önemlidir.

(vi) Hayvan ölümü: Nadir durumlarda, fareler ölebilir (ör., yanlış kanül pozisyonu, yetersiz O2 iletimi, yatıştırıcı aşırı doz veya ciddi deneysel patoloji nedeniyle). Bu meydana gelirse, akciğer dokusu hızla sertleşir ve akciğer parankimi zayıf bir şekilde şişer. Üst trakea parlak kalabilir, ancak akciğer parankimi sinyalde çok düşük olacaktır.

Gaz Değişim Spektroskopisi

İnsan deneklerde, spektroskopiden türetilen parametreler (örneğin, sinyal yoğunluğu, spektral genişlik, kimyasal kayma ve faz) kardiyopulmoner dinamikler ve hastalık durumu hakkında bilgi verir52,53. İnsanlardan86, köpeklerden100 ve sıçanlardan 20,101'den farklı olarak, 129Xe manyetizasyonu akciğer parankimine sınırlı olduğunda elde edilen farelerden elde edilen tüm akciğer spektrumları, kılcal zar dokusunda, kan plazmasında ve RBC'lerde 54 çözünmüş 129Xe'ye karşılık gelen tek, geniş, çözünmüş bir faz rezonansı gösterir (Şekil 8A, 197 ppm). Kan akışı ile daha distal dokulara taşındığında, 129Xe, yağ dokusu54, kas, gri madde ve beyaz madde102,103 dahil olmak üzere çeşitli dokulardan farklı rezonans frekansları üretir. Bununla birlikte, nispeten uzun geçiş süreleri (birkaç saniye) ve mütevazı çözünürlük104 (Ostwald çözünürlüğü = 0.1 - 0.3) nedeniyle, bu sinyaller tipik olarak zayıftır ve yalnızca özel, dikkatli deneyler sırasında gözlenir. İstisna, yağ dokularında çözünmüş 129Xe'dir (Şekil 8A, 189 ppm). Bu dokulardan, birkaç saniye içinde 129Xe sinyali görünebilir (örneğin, hayvan kurulumu sırasında ilk birkaç nefeste). Ayrıca, sinyal yoğunluğu yüksek olabilir, çünkü 129Xe'nin Ostwald çözünürlüğü yağ dokularında kan plazmasından yaklaşık 20 kat daha fazladır (yani, 37 ° C'de sırasıyla 1.7'ye karşı 0.094104). Uzunlamasına gevşeme sürelerinin de nispeten uzun olması beklenmektedir (in vivo T1, lipidlerde ~ 20 s,105 ve kanda 3-8 s,106). Sonuç olarak, yağ dokusundan gelen 129Xe sinyali, diğer dokulara kıyasla nispeten yüksek olabilir.

Farklı sinyal dinamikleri nedeniyle, 129Xe spektroskopisi deneyleri, doğru edinim parametrelerini seçerek yağ dokusunu (örneğin, kahverengi yağ dokusu termometrisi107'yi hedeflemek için) veya akciğerlerdeki gaz alımını sorgulamak için uyarlanabilir. Tablo 4'te açıklanan ayarlarla akciğerlerden 129Xe spektrumu elde edildiğinde (yani, TR = 50 ms ve çözünmüş faz zirvesi merkezli 90° çevirme açısı), hem gaz fazı hem de çözünmüş faz zirveleri gözlenir (Şekil 8A,B). Özellikle, fare akciğerindeki gaz hacmi, doku hacminden 2-3 kat daha yüksektir ve bu dokudaki 129Xe'nin çözünürlüğü sadece ~% 104,108,109,110,111'dir. Buna rağmen, çözünmüş sinyalin genliği gaz fazınınkini yaklaşık 2 kat aşar, çünkü gaz fazı uyarımı çok rezonans dışıdır (7 T'de ~15 kHz; Şekil 8B, SNR = sırasıyla 102'ye karşı 43). Bu nedenle, gaz fazındaki 20 ila 30 kat daha büyük manyetizasyon havuzu, nefes döngüsünün statik kısımları sırasında çözünme fazı sinyali için kararlı (yani tükenmemiş) bir rezervuar olarak tahmin edilebilir.

Her ~600 ms'de bir yeni bir manyetizasyon nefesi ve 50 ms'lik bir TR ile, hem gaz fazından hem de çözünmüş fazdan gelen sinyal yoğunluğu 129Xe salınır. Gaz sinyali için bu, toplam gaz hacmindeki değişikliğe atfedilebilir (yani, inspirasyonda yüksek ve son kullanma tarihinde düşük). Çözünmüş sinyal için durum daha karmaşıktır çünkü kaynak gaz manyetizasyonu, T2 * ve kılcal kan hacmi şişirme durumuna göre dalgalanabilir. Sonuç olarak, çözünmüş-gaz sinyal genlik oranı da nefes döngüsüne göre salınır (Şekil 8C, ortalama çözünmüş: gaz oranı = 1.9 ± 0.39).

figure-results-2
Şekil 8: Yetişkin bir C57BL/6J farede temsili dinamik spektroskopi. (A) Tek bir darbe spektrumu, gaz fazında 129Xe'den kaynaklanan, yağ dokusunda çözünen (189 ppm) ve hem kılcal zarda hem de kan dokularında çözünen (197 ppm) sinyali gösterir. (B) Hem çözünmüş hem de gaz halindeki 129Xe'nin zamanla değişen sinyal yoğunluğunu gösteren dinamik spektroskopi (tekrarlama süresi = 50 ms). Görselleştirmeye yardımcı olmak için yalnızca beş spektrum görüntülenir. Zaman eksenindeki çapraz çizgiler ölçek kesmelerini temsil eder. (C) 2 s'lik bir aralıkta çözünmüş-gaz sinyal genliğinin oranı (panel B'deki kırmızı ölçek kırılmasına karşılık gelir, solunum döngüsü ile net bir varyasyon gösterir (nefes başına 0.6 s). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Aşağıda, 129Xe gaz değişimi spektroskopisi sonuçlarını tehlikeye atabilecek faktörlerin bir listesi bulunmaktadır. Her durumda, olası sonuç düşük SNR'dir, bu da spektral uydurmayı ve sonuçta elde edilen ölçümleri (örneğin, çözünmüş-gaz sinyali genlik oranı, kimyasal kayma, spektral genişlik ve faz) yanlış hale getirebilir.

(i) Yanlış çalışma frekansı: Önemli ölçüde daha yüksek gaz hacmi ve düşük doku çözünürlüğü nedeniyle, gaz fazı frekansına odaklanan RF darbeleri çözünmüş faz sinyali üretmeyecektir. RF darbeleri, çözünmüş faz frekansında veya yakınında merkezlenmelidir.

(ii) Çok geniş bir bant genişliği: Uyarma bant genişliği, çözünmüş gaz sinyal genliğinin oranını ölçmek için bazı gaz fazı 129Xe'nin uyarılmasına yetecek kadar geniş olmalıdır. Ancak bant genişliği çok genişse, uyarma darbesi, dokuya çözünmeden önce gaz fazındaki manyetizasyonu yok edecektir. Bu, çok yüksek bir gaz sinyali olarak görülebilir ve darbenin çözünmüş faz frekansı üzerinde merkezlenmesine rağmen düşük veya hiç çözünmemiş faz sinyali olarak görülebilir.

(iii) Optimize edilmemiş TR: Nyquist-Shannon örnekleme teoremi, bir nefes üzerindeki sinyal dinamiklerini sorgulamak için, sinyalin frekansının en az iki katı sıklıkta örneklenmesini gerektirir (burada, dakikada 100 nefes, her 50 ms'de veya nefes başına ~12x'te örneklenmiştir). Deneysel koşullara bağlı olarak, kardiyopulmoner sinyal dinamiklerinin daha hızlı bir örnekleme hızında daha fazla sorgulanması mümkündür. Bu deneylerin sonuçları, uyarma bant genişliği, solunum hızı ve kalp atış hızı dahil olmak üzere birçok faktöre bağlı olacaktır. Ksenon değişim süresi (yani, ksenonun dokuya çözünme süresi; ~ 56 ms54) ve pulmoner geçiş süresi (yani, kanın sağdan sol ventriküle akma süresi; ~ 436 atım / dak112 kalp atış hızı için ~ 830 ms) de dikkate alınmalıdır. Çok sık numune alma, manyetizasyonun erken tahrip olmasına ve düşük sinyale neden olur, ancak aynı zamanda kan akışının etkisini de azaltır. Daha az sıklıkta örnekleme, manyetizasyonun daha fazla çözünmesine ve daha fazla sinyal oluşturmasına izin verecektir, ancak kan akışına daha fazla bağımlı hale gelecek ve alveollerdeki gaz değişim bölgelerine daha az lokalize olacaktır.

Difüzyon Ağırlıklı Görüntüler

Alveolar-hava sahası boyutunu ölçmek için kullanılan difüzyon ağırlıklı görüntüler, geleneksel histomorfometri yöntemleri 98,113,114 ile küçük hayvan modellerinde titizlikle doğrulanmıştır. Burada, daha önce doğrulanmış protokollerle eşleştirirken tarama süresini ve gaz kullanımını en aza indirmek için tartışmayı 2D, dilim seçici görüntüleme ile sınırladık98. ADC'yi hesaplamak için en az 2 b değeri görüntüsü yeterlidir ve gelişmiş morfometri hesaplamaları için (ortalama doğrusal kesişim gibi) 4 veya daha fazla b değeri görüntüsü gereklidir. Birden fazla b-değeri görüntüsünün elde edilmesi, hesaplamaların doğruluğunu artırarak önemli bir avantaj sunar. Tek bir nefes tutma sırasında insanları görüntülemekten farklı olarak, birçok nefes üzerinde klinik öncesi görüntüleme, sürekli olarak yenilenen sinyal sağlar. Bu nedenle, yalnızca mevcut HP gazı hacmi ve hayvan sedasyon süresi ile sınırlı olan birçok yüksek SNR b-değerli görüntü elde etmek mümkündür. Burada, 18 dakikalık tarama süresi boyunca 400 mL 129Xe gazı kullanarak, her biri SNR >15'e sahip 7 b-değeri görüntüsü elde ettik (Şekil 9). Her görüntüdeki sinyal, artan difüzyon gradyan gücü (b-değeri) ile bozulur. Bu sinyal bozulması, akciğerdeki 129Xe'nin ADC'si ile orantılıdır. Büyük hava yolları, b0 ve b6 görüntüleri karşılaştırılarak asiner dokudan ayırt edilebilir. Anatomik olarak hava yolları içerme olasılığı yüksek olan bölgelerde, pikseller b0 görüntüsünde çok parlak görünecek, ancak b6 görüntüsünde koyu görünecektir (kırmızı oklar, Şekil 9). Bu pikseller akciğer parankimi analizinden çıkarılmalıdır.

figure-results-3
Şekil 9: Yetişkin bir C57BL/6J farede temsili difüzyon ağırlıklı görüntüler. 129Xe'nin oksijenle seyreltildiğinde serbestçe yayıldığı büyük hava yolları (kırmızı oklar), akciğer parankimine göre artan sinyal zayıflaması gösterir. Bu, b0 görüntüsünde parlak hava yolları ve b6 görüntüsünde düşük sinyalli hava yolları ile sonuçlanır. Fareler ve sıçanlar, insanlara göre benzer şekilde küçük ADC değerlerine sahiptir, ancak değerler yaş, gelgit hacmi, basınç ve difüzyon parametreleri gibi biyolojik ve deneysel faktörlere bağlı olacaktır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu sağlıklı, yetişkin, vahşi tip farenin ADC'si, literatüre, yaşına, SNR'sine, edinim parametrelerine ve daha fazlasına dayalı olarak beklenen sonucu takip eder. ADC sonuçlarının kesinliğini ve doğruluğunu zararlı bir şekilde etkileyebilecek faktörler şunları içerir:

(i) Düşük SNR: Daha da önemlisi, görüntülerdeki düşük SNR, ADC hesaplamasını daha düşük değerlerolan 99,115'e doğru saptırır. Bu nedenle, görüntü gürültüsünün97 katı olan SVNR0 < 2,5 kat sesli okselleri hariç tutuyoruz.

(ii) Yanlış segmentasyon: Kötü segmentasyon (örneğin, kalite kontrol için görsel inceleme yapılmadan sinyal eşiğinin kullanılması) sonuçları çarpıtabilir. Görüntüler artefaktlar içeriyorsa (hareketin neden olduğu gibi), eşiği aşabilir ve yanlış bir şekilde parankim olarak kategorize edilebilir. Ayrıca, kısmi hacim etkileri ADC'lerini daha yüksek değerlere doğru yönlendirebileceğinden, büyük hava yollarının yakınındaki pikselleri hariç tutmak özellikle önemlidir.

(iii) Yanlış kalibre edilmiş ventilatör: Genel olarak, 129Xe'nin daha hafif gazlarla (örneğin, O2 veya N2) seyreltilmesi ADC'yi daha yüksek değerlere kaydırabilir, bu nedenle kantitatif karşılaştırmalar için bilinen gaz karışımları ile ventilasyon gereklidir. 129Xe/O2 karışımı ile havalandırılıyorsa, doğumdan önce oksijen konsantrasyonundaki bir artış, T1 gevşemesini artıracak ve gaz dağıtım borusundaki 129Xe manyetizasyonunu azaltacak, böylece SNR'yi azaltacaktır.

(iv) Akciğerlerin derecruitmenti: Anestezi uygulanmış ve mekanik olarak havalandırılan hayvanlarda zamanla alveoler kollaps (atelektazi) meydana gelebilir. Bu, sabit hacimli ventilasyon sırasında meydana geldiğinde, aynı tidal hacim zorunlu olarak işe alınan alveollere yeniden dağıtılır. Orta ila şiddetli atelektazi geliştikçe, akciğerin geri kalanı aşırı şişebilir, bu da bu bölgelerde yaralanmaya ve ADC'nin artmasına neden olabilir. Düzenli işe alım manevraları ve PEEP, alveolar kollapsı önler, akciğer uyumunun azalmasını önler ve ADC sonuçlarını çarpıtabilecek akciğer hasarı riskini en aza indirir.

(v) Zayıf veri uyumu: ADC tahmin yöntemi dikkate alınmalıdır. Log-lineer montaj, hesaplama açısından en verimli olanıdır ancak düşük SNR görüntülerinde sapmaya neden olur. Bu nedenle, en iyi şekilde yüksek SNR görüntülerine uygulanır (>20). Ağırlıklı doğrusal yöntem bu sapmayı azaltır ve SNR > 15 olan görüntülerde uygundur. Bayes tahmini, SNR <10 ile bile düşük belirsizlikle ADC tahminlerini verebilir, ancak hesaplama açısından pahalıdır99.

(vi) Optimal olmayan difüzyon süresi: Optimal difüzyon süresi, MRI tarayıcısının maksimum gradyan kuvvetinden ve farelerde asiner hava yolu yarıçapından (yarıçap ~ 100 μm49) etkilenir, bu da insanlardakinden yaklaşık üç kat daha küçüktür. Optimal koşulları sağlamak için, difüzyon süresi, ortalama alveolar yarıçaptan daha büyük, ancak alveolar kanalların ortalama uzunluğundan daha küçük bir difüzyon uzunluğu elde edecek şekilde ayarlanır. Sahaya özgü maksimum gradyan kuvveti için en uygun difüzyon süresi, Sukstanskii ve Yablonskiy49 tarafından özetlenen yöntemler kullanılarak belirlenebilir. Optimal olmayan bir difüzyon süresinin kullanılması, 129Xe ADC'de doğrusal olmayan düşüşlere yol açarak sonuçların yorumlanmasını zorlaştırabilir.

(vii) Optimal olmayan b değerleri: SNR'yi maksimize etmek ile b-değeri görüntülerinde üretilen kontrast-gürültü oranını (CNR) maksimize etmek arasında bir denge vardır. CNR, yalnızca düşük b-değerlerinin kullanılmasıyla feda edilirse (yani, Şekil 9'da yalnızca ilk 3 b-değeri görüntüsünü elde ediyormuş gibi difüzif sinyal bozulması), o zaman ADC tahmini, zayıf uyum nedeniyle yanlış olacaktır. Difüzyon ağırlığı çok güçlüyse, ortaya çıkan SNR yetersiz olacak ve ADC daha düşük değerlere doğru eğilimli olacaktır.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hiperpolarize 129Xe MRG, küçük hayvan modellerinde akciğer mikroyapısını ve işlevini incelemek için sofistike ve güçlü bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır. Bu protokol, ilk saha hazırlığına rehberlik etmeyi ve HP 129Xe ile fare akciğerlerinde ventilasyon, difüzyon ve gaz değişimini ölçmek için gereken deneysel prosedürleri tanımlamayı amaçlamaktadır. Deneyler için temel ön koşullar arasında bir 129Xe gaz fantomu kurulması ve hayvana yüksek gaz polarizasyonunun sağlanmasının sağlanması yer alıyor. Sonuncusu, polarizasyon parametrelerinin dikkatli bir şekilde planlanmasını, gaz taşınması sırasında polarizasyon kayıplarının azaltılmasını (örneğin, manyetik bir taşıma çantası inşa etmek) ve klinik öncesi MRI mıknatısının116,125 saçak alanı içinde T1 gevşemesini karakterize etmeyi (ve ideal olarak önlemeyi) gerektirir. Gerekli HP 129Xe altyapısının geliştirilmesine paralel olarak, sağlam hayvan işleme protokolleri ve prosedürleri oluşturmak zorunludur. Bunlar arasında sağlam mekanik ventilasyonu mümkün kılmak için etkili sedasyon, uzunlamasına çalışmaları mümkün kılmak için hasarsız entübasyon ve yüksek 129Xe manyetizasyon sağlama ihtiyacını güvenli ve fizyolojik olarak ilgili ventilasyon koşullarıyla dengeleyen ventilasyon stratejileri yer alır.

Bir dereceye kadar, burada açıklanan yöntemler, prosedürler ve sonuçlar, kullanılan spesifik donanıma (örneğin, ventilatör, polarizör ve MRI tarayıcı tipi) bağlıdır. Alternatif ekipman mevcutsa, deneysel teknikler nispeten kolay bir şekilde değiştirilebilir. Ayrıca, günlük kalite güvence prosedürleri optimize edilebilir (Adım 1.2, Şekil 4 ve Tablo 1). Kalite Güvencesi'nin ~ 30 dakikası boyunca titiz bir kayıt tutma, yeni bir sitenin kurulması sırasında kritik öneme sahiptir. Donanım sorunlarının erken tespit edilmesine ve sorun giderme sırasında bunların elenmesine olanak tanır. KG ölçümlerindeki günlük değişimler iyi bir şekilde karakterize edildikten sonra, çevirme açısı kalibrasyonu ve ~21 dakikalık KG taraması verimlilik için geri ölçeklendirilebilir. Ek olarak, genel yaklaşım, anestezik dozajları, ventilatör ayarları ve edinim parametreleri ayarlanarak diğer yaygın küçük hayvan türlerine (örneğin, sıçanlar ve tavşanlar) genişletilebilir. Temel protokoller, solunum hızı, hacim ve PEEP seviyelerinin gaz değişimi veya alveolar alım üzerindeki etkisi gibi ventilatöre bağımlı fizyolojiyi keşfetmek için kullanılabilir. Boylamsal veriler gerekli değilse veya boylamsal bir çalışma tamamlanırsa, entübasyon kanülü bronkoalveoler lavaj veya hızlı akciğer fiksasyonuna ve geleneksel analizler (örn., histoloji veya morfometrik ölçümler) için hasada izin verir. Ayrıca, bu protokolün modifikasyon potansiyeli, 129Xe MRG araştırmasının dinamik bir yönünü temsil eden MRI dizilerine ve parametrelerine kadar uzanır.

Kanül yerleştirme, hayvan güvenliği ve görüntü kalitesi için kritik öneme sahiptir. Entübasyon kanülü sert bir şekilde tutturulmadığı için - örneğin, trakea etrafına dikilerek - nispeten küçük yer değiştirmeler (örneğin, fizyolojik izleme ekipmanını bağlarken hareketler) trakea ile hava geçirmez contayı kırabilir. Bu hava geçirmez conta, akciğer kompliyansını korumak ve atelektaziyi önlemek için çok önemli olan işe alım manevraları (~ 35 cm H2O tepe inspiratuar basıncı) için gereklidir. İşe alım manevrası hedef basınca ulaşmazsa, araştırmacı düzeltici stratejileri çalışma hedefleri bağlamında tartmalıdır (örneğin, difüzyon ağırlıklı görüntüleme ve ventilasyon görüntüleme; tek zaman noktası ve uzunlamasına). Azaltma stratejileri şunları içerebilir: 1) kanülün çıkarılması ve yeniden entübe edilmesi, 2) hala takılıyken trakeal duvarlarla teması artırmak için kanül pozisyonunun ayarlanması ve 3) gaz geçirmez bir sızdırmazlık elde etmeden deneye devam edilmesi. Veri doğruluğu açısından bakıldığında, reentübasyon en sağlam seçenektir, ancak zaman alıcı olabilir ve istenmeyen 129Xe manyetizasyon bozulmasına yol açabilir. Kanül pozisyonunun ayarlanması daha hızlıdır, ancak daha fazla yaralanma riski taşıdığından dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Deneye RM'ler olmadan devam etmek, akciğer dinamiklerinde atelektazinin neden olduğu değişiklikleri önlemek için fare <20 dakika boyunca havalandırılacağı zaman en iyi şekilde kullanılır117.

Hayvanların güvenli bir şekilde taşınması için duyulan bariz ihtiyacın ötesinde, sağlam ve güvenilir bir HP 129Xe fare MRI programı geliştirmenin ve zorlukların giderilmesinin anahtarı titiz bir kayıt tutmadır. HP 129Xe üretimi için lazer gücünün, biriktirme süresinin, akış hızının ve polarizasyonun izlenmesi önerilir. Fantom görüntüleme ve spektroskopi sırasında, görüntü SNR'sini, tepe konumunu, spektral çizgi genişliğini ve 90°'lik bir darbe elde etmek için gereken RF gücünü kaydetmek en iyisidir. İn vivo görüntüleme için, fizyolojik izleme parametreleri (pik inspiratuar basınç, vücut ısısı, vb.) ve hayvan işleme olaylarının ayrıntılı bir zaman çizelgesi ile birlikte benzer QA verileri kaydedilmelidir. Birkaç önemli ekipman parçası, ventilatör sorun gidermeyi kolaylaştırabilir. Bunlar arasında bir O2 sensörü, küçük bir hayvan spirometresi ve ventilasyonu ve PEEP basıncını kalibre etmek için bir manometre bulunur. Bir osiloskop ve voltmetre, ventilatör zamanlamasının hassas olduğunu ve MRI tarayıcı kapısına uygun olduğunu doğrulamaya yardımcı olabilir. Son olarak, taşıma için gerekliyse, manyetik bir taşıma çantasının bütünlüğünü doğrulamak için elde tutulan bir gaussmetre vazgeçilmezdir. MRG dizisi sorun giderme ile ilgili olarak, hem bu protokolde açıklanan gaz fantomunun hem de HP gazı ile doldurulmuş bir şırınganın kullanılması önerilir. HP 129Xe gazı içeren bir şırınganın kullanılması, difüzyon ağırlıklı dizilerde sorun giderme için özellikle faydalıdır, çünkü verilerin doğruluğu, bilinen bir temel gerçeği yansıtıp yansıtmadığına bağlı olarak değerlendirilebilir: şırınga içindeki saf 129Xe'nin serbest difüzyon katsayısı.

Bu protokol uygulanırken çeşitli sınırlamalar kabul edilmelidir. İlk olarak, yeni siteler için erişilebilirliği azaltan özel ekipman ve uzmanlığa bağlıdır. Bununla birlikte, ABD'de klinik kullanım için son düzenleyici onay ile, 129Xe MRI özelliği ile donatılmış sitelerin sayısının artması bekleniyor. Teknik ayrıca, nispeten kısa bir polarizasyon ömrü ve hızlı veri toplama ihtiyacı da dahil olmak üzere hiperpolarize gazın doğal sınırlamaları ile sınırlıdır. Mekanik bir ventilatörün kullanılması tipik olarak görüntü SNR'sini iyileştirir ve hareket artefaktlarını doğal olarak önler, ancak serbest solunum gazı dağıtım cihazı kullanılarak yakalanabilecek doğal solunum dinamiklerini maskeler. Ayrıca, bu protokolü kullanan küçük hayvan modellerinden elde edilen bulgular, önemli tür varyasyonları göz önüne alındığında, insan fizyolojisine ekstrapolasyon yapılırken dikkatli bir şekilde yorumlanmalıdır. Diğer bir sınırlama, 25 g'dan daha hafif farelerde zor olan oral entübasyon ve mekanik ventilasyonun zorlu doğasıdır. Bu, özel ekipman ve prosedürler kullanılmadıkça ~ 8 haftadan küçük erkekleri ve ~ 20 haftadan küçük kadınları hariç tutabilir. Bu protokolün en göze çarpan sınırlaması, darbe programlama ve gelişmiş görüntü yeniden yapılandırma tekniklerinin olmamasıdır. Bu tür yöntemlerin genelleştirilmiş bir protokole dahil edilmesi, karmaşık teknik detayları ve uzmanlık bilgileri nedeniyle pratik değildir. Son olarak, bu protokol SNR, VDP ve ADC gibi temel nicel ölçümleri tanımlar, ancak bölgesel fraksiyonel ventilasyon, difüzyon morfometrisi ve gaz değişimi görüntüleme gibi daha gelişmiş ölçümleri tanımlamaz. Bu gelişmiş metrikler, burada açıklanan temel altyapı kurulduktan sonra daha kolay uygulanacaktır.

Küçük hayvanların HP 129Xe gazlı MRG'si kaynak yoğun ve deneysel olarak zorlayıcı olmasına rağmen, klinik öncesi akciğer araştırmalarını önemli ölçüde ilerletme potansiyeline sahiptir. Bölgesel ventilasyon, alveolar-hava sahası boyutu ve gaz değişim dinamiklerini ölçmek için minimal invaziv ve hassas bir araç sunar. Bu nedenle, zaman içinde akciğer fizyolojisini, hastalığın ilerlemesini ve terapötik müdahaleleri değerlendirmek için benzersiz bir yol sağlayabilir. Bu nedenle, histoloji, biyokimyasal analizler, iyonlaştırıcı görüntüleme modaliteleri ve invaziv akciğer mekaniği ölçümleri dahil olmak üzere geleneksel klinik öncesi tekniklere göre bir gelişmeyi temsil eder. Ayrıca, küçük hayvan 129Xe MRG, aktif olarak gelişen bir araştırma alt alanı olmaya devam etmektedir ve ilgili görüntüleme fiziğini klinik öncesi gerekliliklerle dengelemek, kendi başına önemli araştırma fırsatlarını temsil etmektedir. Son olarak, klinik 129Xe MRG daha yaygın olarak kabul gördükçe ve klinik olarak kullanıldıkça, fareden insana ve geriye doğru translasyonel çalışmalar için fırsatlar zamanla artmaya devam edecektir.

Ek Şekil 1: Manyetik taşıma çantası için bir devre şeması. Emaye bakır telden yapılmış bir solenoid olan L1, 12 Voltluk şarj edilebilir sızdırmaz kurşun asit akü olan V1 ile paralel olarak bağlanır. Direnç R1'in direnci, akımı V1 ve L1 üzerinden kontrol etmek için seçilebilir. Bir panel gösterge LED lambası, R2 ve D1 de V1 ile paralel olarak kablolanmıştır. Bir açma-kapama anahtarı, S1, V1 ile seri olarak bağlanır. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 2: Nitrojen için ventilatör kalibrasyon sonuçları. 30 nefesten elde edilen hacim çıkışı üç kopya halinde ölçüldü. İlgili gaz hacimlerini üretmek için gerekli sürüş basıncını belirlemek için doğrusal bir regresyon gerçekleştirildi. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil 3: Ventilatör basınç ayarları hile sayfası. Her bir gazın doğrusal regresyonundan elde edilen eğim ve kesişme sonuçları Denklem S1'de kullanılır. Bu denklem, ilgili hayvan ağırlıkları için %70N2 + %30O2 ve %70 129Xe + %30 O2 gaz karışımları için ideal vücut ağırlığının 10 ml/kg'lık bir gelgit hacmini üretmek için gerekli sürüş basıncını belirlemek için kullanıldı. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Peter Niedbalski, Polarean Imaging, Plc'de danışman olarak görev yapmaktadır.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, ventilatör yapımında yol gösterici bir ışık olduğu için Jerry Dalke'ye yürekten şükranlarını sunarlar. HP 129Xe gazını hazırladığı için Carter McMaster'a teşekkür ederiz. Ayrıca Dr. Matthew Willmering ve Dr. Juan Parra-Robles'e düşündürücü bilimsel tartışmaları için teşekkür ederiz. BioRender.com ile oluşturulan figürler. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri tarafından finanse edilmiştir (Hibe Nos: NHLBI R01HL143011, R01HL151588)

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1 mL şırıngafisher bilimselKatalog No.14-955-464
https://www.fishersci.com/shop/products/sterile-syringes-single-use-12/14955464 10 mL dereceli silindirCole-Parmer  UX-34502-69https://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 - venöz PFTE kateterleri (steril olmayan)Terumo SurfloSROX1832CAhttps://www.shopmedvet.com/product/iv-catheter-18-x-1-25inch?r=GSS17&p=GSS17&utm_source=
Google& utm_medium=google_
alışveriş& gad_source=1& gclid=
CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEsoW
4oTvZkAgWQCda6ocVtQlulVrG
2536FNbu5soMVSFN8xK_g1Uh
pXIRoCGwoQAvD_BwE
20 G - venöz PFTE kateterleri (steril olmayan)Terumo SurfloSROX2051CAhttps://www.shopmedvet.com/product/iv-catheter-20-x-2inch?r=GSS17&p=GSS17&utm_source
=google& utm_medium=google_
alışveriş& gad_source=1& gclid=
CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEsoW
87ggCkgToD_XF_UgpQBTpmN
dgSNfCml6TkDKlW8k27Dq_daR
itPuhoCnBQQAvD_BwE
22 G - venöz PFTE kateterleri (steril olmayan)Terumo SurfloSROX2225CAhttps://www.shopmedvet.com/product/iv-catheter-22-x-1inch?r=GSS17&p=GSS17&utm_source=
google& utm_medium=google_
alışveriş& gad_source=1& gclid
=CjwKCAiA0bWvBhBjEiwAtEso
W9IM6mpee6m7e-lBfR8dZhSN
KYbMUs7qgEU4gYCRTW_rJAs
W_lGkthoCm30QAvD_BwE
400 mL tedlar torbalarJensen İnert ÜrünlerGST-001S-3507TJCNA
60 mL şırıngabalıkçı bilimselKatalog No.14-955-461
https://www.fishersci.com/shop/products/sterile-syringes-single-use-12/14955461 %70 alkolCole-ParmerUX-80024-34https://www.coleparmer.com/i/labchem-isopropyl-alcohol-70-v-v-500-ml/8002434?PubID=UX&persist=true&ip=
hayır& gad_source=1& gclid=CjwKC
AiA6KWvBhAREiwAFPZM7gGh
p8g7MBHBBKadaRCAwfEMgV
gna5fhYRsuXIuqoqOiToCC4fem
nhoCGMEQAvD_BwE
Sıvı nitrojen için DewarTerra Universal4LDBhttps://www.laboratory-equipment.com/tw-4ldb-liquid-nitrogen-dewar-ic-biomedical.html?srsltid=AfmBOooxwMtOA1Z2TweR
P8V5Iy5EvYT3alZuzoiY
3UF3Ib9RgFnDxVTfWP0
Göz kayganlaştırıcıRefresh YENILEME PM.https://www.refreshbrand.com/Products/refresh-pm
Fiber optik ışıkAmScopeHL250-AYhttps://amscope.com/products/hl250-ay?tw_source=google
& tw_adid=& tw_campaign=
16705014684& gad_source=
1& gclid=CjwKCAiA6KWvBhA
REiwAFPZM7p-DpyvHJaGxR
pAD1385hzGf1oPdKHHLFDR
Sp8yrtxry11SNJeJnKxoCtAoQ
AvD_BwE
GaussmetreApex MıknatıslarGMHT201https://www.apexmagnets.com/magnets/accessories/ht-digital-gaussmeter-with-peak-hold-can-display-gauss-or-tesla
Cam kap (fantom)Ace Glass8648-24https://aceglass.com/results.php?t=8648-24&t=8648-24
Isıtma yastığıOfis Deposu9206211      Saf Zenginleştirme PureRelief Express Tasarımcı Serisi Isıtma Yastığı 12 x 15 Palm Aqua - Ofis Deposu
HiperpolarizörPolarean9820https://polarean.com/xenon-mri-platform/
entübasyon kartıHallowell EMC000A3467https://hallowell.com/product/rodent-tilting-workstand/
Entübasyon malzemeleriBaşka bir yerde yayınlanan parça listesiNAhttps://app.jove.com/t/50318/a-simple-method-of-mouse-lung-intubation
İzotopik olarak zenginleştirilmiş ksenon silindiriLinde İzotopları XE-129 (% 1) N2 (% 10) HE CGMP 302SZNA
Sıvı nitrojenLindeNI LC160-22https://www.lindedirect.com/store/product-detail/nitrogen_n2_nitrogen_liquid
_lc160_22_psi_ni_lc160_22
/ni-lc160-22?cat_id = dükkan & düğüm = b89
Erkek kayma luerCole-ParmerUX-21943-27https://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
ManometreGrainger3T294https://www.grainger.com/product/3T294?gucid=N:N:PS:
Ödenmiş:GGL:CSM-2295:4P7A1P:
20501231& gad_source=1& gclid
=CjwKCAiAi6uvBhADEiwAWiyR
dltxrPJmmcm0bFiYLuPrB25HV
QFdEfKMBqvgJBNdQUs3DZ7b
TLr8CRoCanAQAvD_BwE&
gclsrc=aw.ds
Minivent ventilatörharvard cihazı73-0044https://www.harvardapparatus.com/minivent-ventilator-for-mice-single-animal-volume-controlled-ventilators.html
Fare kulak zımbalayıcıfisher scientific13-812-201https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-animal-ear-tag-punch/13812201
Fare dil bastırıcıTıbbi AletlerVRI-617https://medical-tools.com/shop/rodent-tongue-depressor.html
Fare ağırlık ölçeğiCole-ParmerUX-11712-12https://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
MRI tarayıcı Bruker7T Biospec yatay sistemhttps://www.bruker.com/de/products-and-solutions/preclinical-imaging/mri/biospec.html
MultimetreEv Deposu1007898529 https://www.homedepot.com/p/Klein-Tools-600-Volt-Digital-Multi-Meter-Manual-Ranging-MM325/320822947
Doğal bolluk ksenonLinde İzotopları UN 2036NA
İğne   fisher bilimsel305194https://www.fishersci.com/shop/products/bd-general-use-precisionglide-hypodermic-needles-20/148266C?keyword=true
İğne güvenli şırınga tutucufisher bilimselNC2703873https://www.fishersci.com/shop/products/ndlsafe-ii-syr-uncap-deca/NC2703873#?keyword=needlesafe
Azot silindiriLindeNI M-Khttps://www.lindedirect.com/store/product-detail/nitrogen_n2_nitrogen_nf_k/ni-m-k?cat_id=shop&node=b89
Oksijen tüpüLindeOX MKhttps://www.lindedirect.com/store/product-detail/oxygen_o2_oxygen_usp_k/ox-m-k?cat_id=shop&node=b90
Oksijen sensörüApogee aletleriMO-200https://www.apogeeinstruments.com/mo-200-oxygen-sensor-with-handheld-meter/
Oksijen sensörü hat içi akış kafasıApogee aletleriAO-002https://www.apogeeinstruments.com/ao-002-oxygen-meter-sensor-flow-through-head/
PEEP valfiHallowell EMC000A6556A
https://hallowell.com/product/adjustable-peep-valve-with-exhaust-port-range-5-20cm-disposable/ Pipet uçlarıfisher scientificKatalog No.02-707-108Fisherbrand Yığın Raflı Yerden Tasarruf Sağlayan İpuçları: 101-1000 L Standart; Mavi; Cilt: | Fisher Scientific
Piston valfi Ace cam8648-20https://www.aceglass.com/results.php?t=8648
Klinik öncesi bobinDoty bilimselözel yapım
https://dotynmr.com/products/bmax-xy-low-e/ Basınç regülatörleriCole-ParmerUX-98202-11https://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
Basınç düşüşü vantilatörü Parçalistesi başka bir yerde yayınlandıFantom
Home Depot193682için NA https://sites.duke.edu/driehuyslab/resources/ PVC boruhttps://www.homedepot.com/p/IPEX-1-2-in-x-10-ft-White-PVC-SCH-40-Potable-Pressure-Water-Pipe-30-05010HD/319692959
SAI hayvan ısıtma sistemiSAIIModel 1030https://i4sa.com/product/model-1030-monitoring-gating-system/
SalineFarris Laboratories Inc.0409488820-1https://www.farrislabs.com/products/bacteriostatic-sodium-chloride-0-9-30ml-bottle?variant=42807174824167¤cy
=USD& utm_medium=product_
senkronizasyonu ve utm_source=Google& utm_
içeriği=sag_organic& utm_
kampanya=sag_organic& utm_
kampanyası=gs-2021-09-24& utm
_source=google& utm_medium
=smart_campaign& gad_source
=1& gclid=CjwKCAiA6KWvBh
AREiwAFPZM7oS3-hFDETO_2f6OWOoKyBMb
WuDuWqYxdWRYUWEkY
M2Py73VfGzVtRoC2FQQAvD_BwE
Keskin Uçlu KonteynerBalıkçı Bilimsel22-730-455https://www.fishersci.com/shop/products/sharps-container-47/p-7250579#?keyword=needle%20safe
Silikon epoksiGrainger3KMY7https://www.grainger.com/product/3KMY7?gucid=N:N:PS:Paid:GGL:CSM-
2295:4P7A1P:20501231& gad_
kaynak=1& gclid=CjwKCAiA6KW
vBhAREiwAFPZM7voahkm8tda
t1Euql1A8DFhC6AZVJ0wXzCE
PfE6iUzrIJXV-Hl8o4xoCQLYQA
vD_BwE& gclsrc=aw.ds
Silikon kalıp ayırıcı yağlayıcıGrainger19MW95https://www.grainger.com/product/CRC-Mold-Release-Agent-16-oz-19MW95
SpirometreADInstrumentsFE141 https://www.adinstruments.com/products/spirometer
Spirometre - fare akış kafasıADInstrumentsMLT1Lhttps://www.adinstruments.com/products/respiratory-flow-heads
Boru - 1/4 ODClippardURH1-0402-CLT-050https://www.clippard.com/part/URH1-0402-CLT-050
Boru - 1/8 ODClippardURH1-0804-CLT-050https://www.clippard.com/part/URH1-0402-CLT-050
Vakum pompasıCole-Parmer  UX-60062-11https://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
Tel - 18 gaugeDigikey2328-18H240-NDhttps://www.digikey.com/en/products/detail/remington-industries/18H240/15202027?s=N4
IgjCBcoOwBxVAYygMwIYBsDOB
TANCAPZQDa4YATPAGwgC6h
ADgC5QgDKLATgJYB2AcxAB
fQmAAMAFkqIQKSBhwFiZEA
GZNATi0SGzNpE48BwsSErqw
6uQqV5CJSOQCsMF%2Bq11
GIVuy58QqLmss4gALbogvy4L
AAEAO683LgMIkA
Xenon polarizasyon ölçüm istasyonuPolareanNAhttps://polarean.com/xenon-mri-platform/

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. World Health Organization. Global health estimates 2020: Deaths by cause, age, sex, by country and by region, 2000-2019. World Health Organization. , Geneva. (2020).
  2. Middleton, P. G., et al. Elexacaftor-Tezacaftor-Ivacaftor for cystic fibrosis with a single Phe508del allele. N Engl J Med. 381 (19), 1809-1819 (2019).
  3. Taylor-Cousar, J. L., et al. Tezacaftor-Ivacaftor in patients with cystic fibrosis homozygous for Phe508del. N Engl J Med. 377 (21), 2013-2023 (2017).
  4. Richeldi, L., et al. Efficacy and safety of nintedanib in idiopathic pulmonary fibrosis. N Engl J Med. 370 (22), 2071-2082 (2014).
  5. King, T. E., et al. A phase 3 trial of pirfenidone in patients with idiopathic pulmonary fibrosis. N Engl J Med. 370 (22), 2083-2092 (2014).
  6. Yong, K. S. M., Her, Z., Chen, Q. Humanized mice as unique tools for human-specific studies. Arch Immunol Ther Exp (Warsz. 66 (4), 245-266 (2018).
  7. Li, H., Auwerx, J. Mouse systems genetics as a prelude to precision medicine. Trends Genet. 36 (4), 259-272 (2020).
  8. Eppig, J. T., Motenko, H., Richardson, J. E., Richards-Smith, B., Smith, C. L. The International Mouse Strain Resource (IMSR): cataloging worldwide mouse and ES cell line resources. Mamm Genome. 26 (9-10), 448-455 (2015).
  9. Vedi, M., et al. 2022 updates to the rat genome database: A Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable (FAIR) resource. Genetics. 224 (1), 042(2023).
  10. Ghorani, V., Boskabady, M. H., Khazdair, M. R., Kianmeher, M. Experimental animal models for COPD: a methodological review. Tob Induc Dis. 15, 25(2017).
  11. Semaniakou, A., Croll, R. P., Chappe, V. Animal models in the pathophysiology of cystic fibrosis. Front Pharmacol. 9, 1475(2018).
  12. Moore, B. B., et al. Animal models of fibrotic lung disease. Am J Respir Cell Mol Biol. 49 (2), 167-179 (2013).
  13. Jenkins, R. G., et al. An official American thoracic society workshop report: Use of animal models for the preclinical assessment of potential therapies for pulmonary fibrosis. Am J Respir Cell Mol Biol. 56 (5), 667-679 (2017).
  14. Gomez-Arroyo, J., et al. A brief overview of mouse models of pulmonary arterial hypertension: problems and prospects. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 302 (10), L977-L991 (2012).
  15. Dignam, J. P., Scott, T. E., Kemp-Harper, B. K., Hobbs, A. J. Animal models of pulmonary hypertension: Getting to the heart of the problem. Br J Pharmacol. 179 (5), 811-837 (2022).
  16. Woodrow, J. S., Sheats, M. K., Cooper, B., Bayless, R. Asthma: The use of animal models and their translational utility. Cells. 12 (7), 1091(2023).
  17. Van de Velde, G., et al. Longitudinal in vivo microcomputed tomography of mouse lungs: No evidence for radiotoxicity. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 309 (3), L271-L279 (2015).
  18. Mata, J. F., et al. Evaluation of emphysema severity and progression in a rabbit model: comparison of hyperpolarized 3He and 129Xe diffusion MRI with lung morphometry. J Appl Physiol (1985). 102 (1985), 1273-1280 (2007).
  19. Boudreau, M., Xu, X., Santyr, G. E. Measurement of 129Xe gas apparent diffusion coefficient anisotropy in an elastase-instilled rat model of emphysema. Magn Reson Med. 69 (1), 211-220 (2013).
  20. Cleveland, Z. I., et al. 3D MRI of impaired hyperpolarized 129Xe uptake in a rat model of pulmonary fibrosis. NMR Biomed. 27 (12), 1502-1514 (2014).
  21. Kimura, A., et al. Inflammation during lung cancer progression and ethyl pyruvate treatment observed by pulmonary functional hyperpolarized 129Xe MRI in mice. Contrast Media Mol Imaging. 2021, 9918702(2021).
  22. Kimura, A., et al. Treatment response of ethyl pyruvate in a mouse model of chronic obstructive pulmonary disease studied by hyperpolarized 129Xe MRI. Magn Reson Med. 78 (2), 721-729 (2017).
  23. Ouriadov, A., et al. Early stage radiation-induced lung injury detected using hyperpolarized 129Xe Morphometry: Proof-of-concept demonstration in a rat model. Magn Reson Med. 75 (6), 2421-2431 (2016).
  24. Willmering, M. M., et al. Improved pulmonary 129Xe ventilation imaging via 3D-spiral UTE MRI. Magn Reson Med. 84 (1), 312-320 (2020).
  25. Kaushik, S. S., et al. Single-breath clinical imaging of hyperpolarized 129Xe in the airspaces, barrier, and red blood cells using an interleaved 3D radial 1-point Dixon acquisition. Magn Reson Med. 75 (4), 1434-1443 (2016).
  26. Zanette, B., Munidasa, S., Friedlander, Y., Ratjen, F., Santyr, G. A 3D stack-of-spirals approach for rapid hyperpolarized 129Xe ventilation mapping in pediatric cystic fibrosis lung disease. Magn Reson Med. 89 (3), 1083-1091 (2023).
  27. Zanette, B., Stirrat, E., Jelveh, S., Hope, A., Santyr, G. Physiological gas exchange mapping of hyperpolarized 129Xe using spiral-IDEAL and MOXE in a model of regional radiation-induced lung injury. Med Phys. 45 (2), 803-816 (2018).
  28. Collier, G. J., et al. Dissolved 129Xe lung MRI with four-echo 3D radial spectroscopic imaging: Quantification of regional gas transfer in idiopathic pulmonary fibrosis. Magn Reson Med. 85 (5), 2622-2633 (2021).
  29. Qing, K., et al. Assessment of lung function in asthma and COPD using hyperpolarized 129Xe chemical shift saturation recovery spectroscopy and dissolved-phase MRI. NMR Biomed. 27 (12), 1490-1501 (2014).
  30. Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Mugler, J. P. Probing lung physiology with xenon polarization transfer contrast (XTC). Magn Reson Med. 44 (3), 349-357 (2000).
  31. Kern, A. L., et al. Investigating short-time diffusion of hyperpolarized 129Xe in lung air spaces and tissue: A feasibility study in chronic obstructive pulmonary disease patients. Magn Reson Med. 84 (4), 2133-2146 (2020).
  32. Amzajerdian, F., et al. Simultaneous quantification of hyperpolarized xenon-129 ventilation and gas exchange with multi-breath xenon-polarization transfer contrast (XTC) MRI. Magn Reson Med. 90 (6), 2334-2347 (2023).
  33. Perron, S., et al. Application of a 2D frequency encoding sectoral approach to hyperpolarized 129Xe MRI at low field. J Magn Reson. 336, 107159(2022).
  34. Loza, L. A., et al. Quantification of ventilation and gas uptake in free-breathing mice with hyperpolarized 129Xe MRI. IEEE Trans Med Imaging. 38 (9), 2081-2091 (2019).
  35. Imai, H., et al. Regional fractional ventilation mapping in spontaneously breathing mice using hyperpolarized 129Xe MRI. NMR Biomed. 28 (1), 24-29 (2015).
  36. Friedlander, Y., et al. Effect of inhaled oxygen concentration on 129Xe chemical shift of red blood cells in rat lungs. Magn Reson Med. 86 (3), 1187-1193 (2021).
  37. Virgincar, R. S., et al. A portable ventilator with integrated physiologic monitoring for hyperpolarized 129Xe MRI in rodents. J Magn Reson. 295, 63-71 (2018).
  38. Nouls, J., Fanarjian, M., Hedlund, L., Driehuys, B. A constant-volume ventilator and gas recapture system for hyperpolarized gas MRI of mouse and rat lungs. Concepts Magn Reson Part B Magn Reson Eng. 39B (2), 78-88 (2011).
  39. Niedbalski, P. J., et al. Preclinical hyperpolarized 129Xe MRI: ventilation and T2* mapping in mouse lungs at 7 T using multi-echo flyback UTE. NMR Biomed. 33 (7), e4302(2020).
  40. Akinyi, T. G. An Affordable Open-Source Small Animal MR and Hyperpolarized Gas Compatible Ventilator: Feasibility in Preclinical Imaging. , University of Cincinnati. Master's thesis (2017).
  41. Smith, L. J., et al. The assessment of short and long term changes in lung function in CF using 129Xe MRI. Eur Respir J. 6, 2000441(2020).
  42. Svenningsen, S., et al. Reproducibility of hyperpolarized 129Xe MRI ventilation defect percent in severe asthma to evaluate clinical trial feasibility. Acad Radiol. 28 (6), 817-826 (2021).
  43. Kirby, M., et al. Hyperpolarized 3He and 129Xe MR imaging in healthy volunteers and patients with chronic obstructive pulmonary disease. Radiology. 265 (2), 600-610 (2012).
  44. Virgincar, R. S., et al. Quantitative analysis of hyperpolarized 129Xe ventilation imaging in healthy volunteers and subjects with chronic obstructive pulmonary disease. NMR Biomed. 26 (4), 424-435 (2013).
  45. Ebner, L., et al. Multireader determination of clinically significant obstruction using hyperpolarized 129Xe-ventilation MRI. AJR Am J Roentgenol. 212 (4), 758-765 (2019).
  46. Driehuys, B., et al. 3He MRI in mouse models of asthma. Magn Reson Med. 58 (5), 893-900 (2007).
  47. Mistry, N. N., Thomas, A., Kaushik, S. S., Johnson, G. A., Driehuys, B. Quantitative analysis of hyperpolarized 3He ventilation changes in mice challenged with methacholine. Magn Reson Med. 63 (3), 658-666 (2010).
  48. Costa, M., et al. Noninvasive assessment of in vivo mouse lung microstructural changes due to aging and PEEP. Am J Respir Crit Care Med. 207, A4713(2023).
  49. Sukstanskii, A. L., Yablonskiy, D. A. Lung morphometry with hyperpolarized 129Xe: theoretical background. Magn Reson Med. 67 (3), 856-866 (2012).
  50. Chan, H. F., Stewart, N. J., Norquay, G., Collier, G. J., Wild, J. M. 3D diffusion-weighted 129Xe MRI for whole lung morphometry. Magn Reson Med. 79 (6), 2986-2995 (2018).
  51. Bier, E. A., et al. Noninvasive diagnosis of pulmonary hypertension with hyperpolarised 129Xe magnetic resonance imaging and spectroscopy. ERJ Open Res. 8 (2), 00035(2022).
  52. Bier, E. A., et al. A protocol for quantifying cardiogenic oscillations in dynamic 129Xe gas exchange spectroscopy: The effects of idiopathic pulmonary fibrosis. NMR Biomed. 32 (1), e4029(2019).
  53. Wang, Z., et al. Diverse cardiopulmonary diseases are associated with distinct xenon magnetic resonance imaging signatures. Eur Respir J. 54 (6), 1900831(2019).
  54. Freeman, M. S., Cleveland, Z. I., Qi, Y., Driehuys, B. Enabling hyperpolarized 129Xe MR spectroscopy and imaging of pulmonary gas transfer to the red blood cells in transgenic mice expressing human hemoglobin. Magn Reson Med. 70 (5), 1192-1199 (2013).
  55. Iguchi, S., et al. Direct imaging of hyperpolarized 129Xe alveolar gas uptake in a mouse model of emphysema. Magn Reson Med. 70 (1), 207-215 (2013).
  56. Imai, H., et al. Noninvasive detection of pulmonary tissue destruction in a mouse model of emphysema using hyperpolarized 129Xe MRS under spontaneous respiration. Magn Reson Med. 64 (4), 929-938 (2010).
  57. Silk, S. B., Hampton, L. L., Brown, P. A. What investigators need to know about the use of animals. ILAR J. 54 (3), 324-328 (2014).
  58. Cereda, M., et al. Mild loss of lung aeration augments stretch in healthy lung regions. J Appl Physiol. 120 (1985), 444-454 (2016).
  59. Constantinides, C., Murphy, K. Molecular and integrative physiological effects of isoflurane anesthesia: The paradigm of cardiovascular studies in rodents using magnetic resonance imaging. Front Cardiovasc Med. 3, 23(2016).
  60. Irwin, M. R., Curay, C. M., Choi, S., Kiyatkin, E. A. Basic physiological effects of ketamine-xylazine mixture as a general anesthetic preparation for rodent surgeries. Brain Res. 1804, 148251(2023).
  61. Roth, D. M., Swaney, J. S., Dalton, N. D., Gilpin, E. A., John Ross, J. Impact of anesthesia on cardiac function during echocardiography in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 282 (6), H2134-H2140 (2002).
  62. Massey, C. A., Richerson, G. B. Isoflurane, ketamine-xylazine, and urethane markedly alter breathing even at subtherapeutic doses. J Neurophysiol. 118 (4), 2389-2401 (2017).
  63. Janssen, B. J. A., et al. Effects of anesthetics on systemic hemodynamics in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 287 (4), H1618-H1624 (2004).
  64. Lenzarini, F., Di Lascio, N., Stea, F., Kusmic, C., Faita, F. Time course of isoflurane-induced vasodilation: A Doppler ultrasound study of the left coronary artery in mice. Ultrasound Med Biol. 42 (4), 999-1009 (2016).
  65. Mondonedo, J. R., et al. Volatile anesthetics and the treatment of severe bronchospasm: A concept of targeted delivery. Drug Discov Today Dis Models. 15, 43-50 (2015).
  66. Nolan, J. P. Anaesthesia and Neuromuscular Block. Clinical Pharmacology. , Churchill Livingstone. 295-310 (2012).
  67. Arras, M., Autenried, P., Rettich, A., Spaeni, D., Rülicke, T. Optimization of intraperitoneal injection anesthesia in mice: drugs, dosages, adverse effects, and anesthesia depth. Comp Med. 51 (5), 443-456 (2001).
  68. Navarro, K. L., et al. Mouse anesthesia: The art and science. ILAR J. 62 (1-2), 238-273 (2021).
  69. Das, S., MacDonald, K., Chang, H. Y., Mitzner, W. A simple method of mouse lung intubation. J Vis Exp. (73), e50318(2013).
  70. Thomas, J. L., et al. Endotracheal intubation in mice via direct laryngoscopy using an otoscope. J Vis Exp. (86), e50269(2014).
  71. Slutsky, A. S., Ranieri, V. M. Ventilator-induced lung injury. N Engl J Med. 369 (22), 2126-2136 (2013).
  72. Matute-Bello, G., et al. An official American thoracic society workshop report: features and measurements of experimental acute lung injury in animals. Am J Respir Cell Mol Biol. 44 (5), 725-738 (2011).
  73. Kulkarni, H. S., et al. Update on the features and measurements of experimental acute lung injury in animals: An official American thoracic society workshop report. Am J Respir Cell Mol Biol. 66 (2), e1-e14 (2022).
  74. Tsuchida, S., et al. Atelectasis causes alveolar injury in nonatelectatic lung regions. Am J Respir Crit Care Med. 174 (3), 279-289 (2006).
  75. Fan, E., et al. An official American thoracic society/European society of intensive care medicine/society of critical care medicine clinical practice guideline: Mechanical ventilation in adult patients with acute respiratory distress syndrome. Am J Respir Crit Care Med. 195 (9), 1253-1263 (2017).
  76. Santos, R. S., Silva, P. L., Pelosi, P., Rocco, P. R. Recruitment maneuvers in acute respiratory distress syndrome: The safe way is the best way. World J Crit Care Med. 4 (4), 278-286 (2015).
  77. Mekontso Dessap, A., et al. Conflicting physiological and genomic cardiopulmonary effects of recruitment maneuvers in murine acute lung injury. Am J Respir Cell Mol Biol. 46 (4), 541-550 (2012).
  78. García-Fernández, J., et al. Recruitment manoeuvres in anaesthesia: How many more excuses are there not to use them. Rev Esp Anestesiol Reanim (Engl Ed). 65 (4), 209-217 (2018).
  79. Allen, G. B., Suratt, B. T., Rinaldi, L., Petty, J. M., Bates, J. H. Choosing the frequency of deep inflation in mice: balancing recruitment against ventilator-induced lung injury. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 291 (4), L710-L717 (2006).
  80. da Silva, A. C. L., et al. Sigh maneuver protects healthy lungs during mechanical ventilation in adult Wistar rats. Exp Biol Med. 245 (15), 1404-1413 (2020).
  81. Riva, D. R., et al. Recruitment maneuver: RAMP versus CPAP pressure profile in a model of acute lung injury. Respir Physiol Neurobiol. 169 (1), 62-68 (2009).
  82. Schwarte, L. A., Zuurbier, C. J., Ince, C. Mechanical ventilation of mice. Basic Res Cardiol. 95 (6), 510-520 (2000).
  83. Joelsson, J. P., Ingthorsson, S., Kricker, J., Gudjonsson, T., Karason, S. Ventilator-induced lung-injury in mouse models: Is there a trap. Lab Anim Res. 37 (1), 30(2021).
  84. Jameson, C. J., Jameson, A. K., Hwang, J. K. Nuclear spin relaxation by intermolecular magnetic dipole coupling in the gas phase. 129Xe in oxygen. J Chem Phys. 89 (7), 4074-4081 (1988).
  85. Kelley, M., Branca, R. T. Theoretical models of spin-exchange optical pumping: Revisited and reconciled. J Appl Phys. 129 (15), 1-16 (2021).
  86. Norquay, G., Leung, G., Stewart, N. J., Wolber, J., Wild, J. M. 129Xe chemical shift in human blood and pulmonary blood oxygenation measurement in humans using hyperpolarized 129Xe NMR. Magn Reson Med. 77 (4), 1399-1408 (2017).
  87. Norquay, G., Collier, G. J., Rao, M., Stewart, N. J., Wild, J. M. 129Xe-Rb spin-exchange optical pumping with high photon efficiency. Phys Rev Lett. 121 (15), 153201(2018).
  88. Ball, J. E., Wild, J. M., Norquay, G. Investigating Rubidium density and temperature distributions in a high-throughput 129Xe-Rb spin-exchange optical pumping polarizer. Molecules. 28 (1), 11(2022).
  89. Plummer, J. W., et al. A semi-empirical model to optimize continuous-flow hyperpolarized 129Xe production under practical cryogenic-accumulation conditions. J Magn Reson. 320, 106845(2020).
  90. Nikolaou, P., et al. Near-unity nuclear polarization with an open-source 129Xe hyperpolarizer for NMR and MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (35), 14150-14155 (2013).
  91. Robertson, S. H., et al. Optimizing 3D noncartesian gridding reconstruction for hyperpolarized 129Xe MRI-focus on preclinical applications. Concepts Magn Reson Part A Bridg Educ Res. 44 (4), 190-202 (2015).
  92. Thomas, A. C., et al. A robust protocol for regional evaluation of methacholine challenge in mouse models of allergic asthma using hyperpolarized 3He MRI. NMR Biomed. 22 (5), 502-515 (2009).
  93. Niedbalski, P. J., et al. Protocols for multi-site trials using hyperpolarized 129Xe MRI for imaging of ventilation, alveolar-airspace size, and gas exchange: A position paper from the 129Xe MRI clinical trials consortium. Magn Reson Med. 86 (6), 2966-2986 (2021).
  94. Woodhouse, N., et al. Combined helium-3/proton magnetic resonance imaging measurement of ventilated lung volumes in smokers compared to never-smokers. J Magn Reson Imaging. 21 (4), 365-369 (2005).
  95. Brown, R. W., Cheng, Y. C. N., Haacke, E. M., Thompson, M. R., Venkatesan, R. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design. , Wiley. (2014).
  96. Levitt, M. H. Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance. , Wiley. (2013).
  97. Salerno, M., et al. Emphysema: hyperpolarized helium 3 diffusion MR imaging of the lungs compared with spirometric indexes—initial experience. Radiology. 222 (1), 252-260 (2002).
  98. Niedbalski, P. J., et al. Validating in vivo hyperpolarized 129Xe diffusion MRI and diffusion morphometry in the mouse lung. Magn Reson Med. 85 (4), 2160-2173 (2021).
  99. Bdaiwi, A. S., et al. Improving hyperpolarized 129Xe ADC mapping in pediatric and adult lungs with uncertainty propagation. NMR Biomed. 35 (3), e4639(2022).
  100. Ruppert, K., Brookeman, J. R., Hagspiel, K. D., Driehuys, B., Mugler, J. P. NMR of hyperpolarized 129Xe in the canine chest: spectral dynamics during a breath-hold. NMR Biomed. 13 (4), 220-228 (2000).
  101. Driehuys, B., et al. Imaging alveolar-capillary gas transfer using hyperpolarized 129Xe MRI. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (48), 18278-18283 (2006).
  102. Nakamura, K., et al. 129Xe spectra from the heads of rats with and without ligation of the external carotid and pterygopalatine arteries. Magn Reson Med. 53 (3), 528-534 (2005).
  103. Kershaw, J., et al. Confirming the existence of five peaks in 129Xe rat head spectra. Magn Reson Med. 57 (4), 791-797 (2007).
  104. Chen, R. Y., et al. Tissue-blood partition coefficient for xenon: temperature and hematocrit dependence. J Appl Physiol. 49 (2), 178-183 (1980).
  105. Möller, H. E., et al. Magnetic resonance angiography with hyperpolarized 129Xe dissolved in a lipid emulsion. Magn Reson Med. 41 (5), 1058-1064 (1999).
  106. Norquay, G., et al. Relaxation and exchange dynamics of hyperpolarized 129Xe in human blood. Magn Reson Med. 74 (2), 303-311 (2015).
  107. Zhang, L., et al. Absolute thermometry of human brown adipose tissue by magnetic resonance with laser polarized 129Xe. Commun Med. 3 (1), 147(2023).
  108. Barshishat-Kupper, M., et al. Protein oxidation in the lungs of C57BL/6J mice following X-irradiation. Proteomes. 3 (3), 249-265 (2015).
  109. Olsson, L. E., et al. Measurement of MR signal and T2* in lung to characterize a tight skin mouse model of emphysema using single-point imaging. J Magn Reson Imaging. 25 (3), 488-494 (2007).
  110. Crowle, A. J. Delayed hypersensitivity in mice. J Allergy. 30 (2), 151-164 (1959).
  111. Guo, J., Cao, X., Cleveland, Z. I., Woods, J. C. Murine pulmonary imaging at 7T: T2* and T1 anisotropic UTE. Magn Reson Med. 79 (4), 2254-2264 (2018).
  112. Sonobe, T., et al. Imaging of the closed-chest mouse pulmonary circulation using synchrotron radiation microangiography. J Appl Physiol. 111 (1), 75-80 (2011).
  113. Wang, W., et al. Imaging lung microstructure in mice with hyperpolarized 3He diffusion MRI. Magn Reson Med. 65 (3), 620-626 (2011).
  114. Ouriadov, A. V., et al. Application of a stretched-exponential model for morphometric analysis of accelerated diffusion-weighted 129Xe MRI of the rat lung. Magn Reson Mater Phy. 34 (1), 73-84 (2021).
  115. O'Halloran, R. L., Holmes, J. H., Altes, T. A., Salerno, M., Fain, S. B. The effects of SNR on ADC measurements in diffusion-weighted hyperpolarized He-3 MRI. J Magn Reson. 185 (1), 42-49 (2007).
  116. Moller, H. E., Cleveland, Z. I., Driehuys, B. Relaxation of hyperpolarized 129Xe in a deflating polymer bag. J Magn Reson. 212 (1), 109-115 (2011).
  117. Reiss, L. K., Kowallik, A., Uhlig, S. Recurrent recruitment manoeuvres improve lung mechanics and minimize lung injury during mechanical ventilation of healthy mice. PLoS One. 6 (9), e24527(2011).
  118. Cagle, L. A., et al. Effects of positive end-expiratory pressure and recruitment maneuvers in a ventilator-induced injury mouse model. PLoS One. 12 (11), e0187419(2017).
  119. Cannizzaro, V., et al. Lung volume recruitment maneuvers and respiratory system mechanics in mechanically ventilated mice. Respir Physiol Neurobiol. 169 (3), 243-251 (2009).
  120. Hohlbaum, K., et al. Impact of repeated anesthesia with ketamine and xylazine on the well-being of C57BL/6JRj mice. PLoS One. 13 (9), e0203559(2018).
  121. Blevins, C. E., Celeste, N. A., Marx, J. O. Effects of oxygen supplementation on injectable and inhalant anesthesia in C57BL/6 mice. J Am Assoc Lab Anim Sci. 60 (3), 289-297 (2021).
  122. Cannizzaro, V., et al. Impact of supplemental oxygen in mechanically ventilated adult and infant mice. Respir Physiol Neurobiol. 165 (1), 61-66 (2009).
  123. Sembroski, E., Sanghavi, D. K., Bhardwaj, A. Inverse Ratio Ventilation. StatPearls Publishing. , Treasure Island, FL. (2023).
  124. Boros, S. J. Variations in inspiratory:expiratory ratio and airway pressure wave form during mechanical ventilation: the significance of mean airway pressure. J Pediatr. 94 (1), 114-117 (1979).
  125. Zheng, W., Cleveland, Z. I., Moller, H. E., Driehuys, B. Gradient-induced longitudinal relaxation of hyperpolarized noble gases in the fringe fields of superconducting magnets used for magnetic resonance. J Magn Reson. 208 (2), 284-290 (2011).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Hiperpolarize Ksenon MRGKsenon 129 MRGPulmoner FizyolojiGaz De i imiK s tl Dif zyonMekanik VentilasyonFare ModeliPreklinik G r nt lemeManyetik Rezonans Spektroskopisi
Video yakında

İlgili makaleler