In vivo Near Infrared fluorescência de imagem intravascular (NIRF) Molecular da placa inflamatória, uma Abordagem Multimodal para imagem da Aterosclerose

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Summary

Detalhamos um novo infravermelho próximo de fluorescência cateter (NIRF) para 2-dimensional imagem intravascular molecular da biologia placa

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Calfon, M. A., Rosenthal, A., Mallas, G., Mauskapf, A., Nudelman, R. N., Ntziachristos, V., Jaffer, F. A. In vivo Near Infrared Fluorescence (NIRF) Intravascular Molecular Imaging of Inflammatory Plaque, a Multimodal Approach to Imaging of Atherosclerosis. J. Vis. Exp. (54), e2257, doi:10.3791/2257 (2011).

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Abstract

A resposta vascular a lesão é uma resposta bem orquestrada inflamatório desencadeado pelo acúmulo de macrófagos na parede dos vasos, levando a um acúmulo de lipídios-laden placa intra-luminal, a proliferação de células musculares lisas e estreitamento progressivo da luz do vaso. A formação de tais placas vulneráveis ​​propensos a ruptura subjacente à maioria dos casos de infarto agudo do miocárdio. A cascata molecular e celular inflamatória complexa é orquestrado pelo recrutamento de linfócitos T e macrófagos e seus efeitos parácrinos em células endoteliais e musculares lisas 1.

A imagem molecular na aterosclerose tem evoluído para uma importante ferramenta clínica e de pesquisa que permite visualização em vivo de inflamação e outros processos biológicos. Diversos exemplos recentes demonstram a capacidade de detectar placas de alto risco nos pacientes e avaliar os efeitos da farmacoterapia na aterosclerose. 4 Enquanto uma série de abordagens de imagem molecular (em especial de ressonância magnética e PET) podem aspectos biológicos imagem de grandes vasos como a carótida artérias, existem opções escassas para geração de imagens das artérias coronárias. 2 O advento de alta resolução estratégias de imagem óptica, de fluorescência do infravermelho próximo particular (NIRF), juntamente com ativável sondas fluorescentes, têm maior sensibilidade e levou ao desenvolvimento de novas estratégias intravascular para melhorar a imagem biológica de aterosclerose coronária humana.

Infravermelho próximo de fluorescência (NIRF) imagem molecular utiliza luz de excitação com uma largura de banda definida (650-900 nm) como fonte de fótons que, quando entregues a um agente de contraste óptico ou sonda fluorescente, emite fluorescência na janela NIR que pode ser detectado utilizando um filtro de emissão adequadas e uma alta sensibilidade da câmera charge-coupled. Em oposição à luz visível, luz NIR penetra profundamente no tecido, é marcadamente menos atenuada pela absorção de fótons de lipídeos endógenos como a hemoglobina, e água, e permite alta-alvo para background-razões, devido à reduzida autofluorescência na janela NIR. Imagem dentro de "janela" do NIR pode melhorar substancialmente o potencial de imagem em vivo. 2,5

Cisteína proteases inflamatórios têm sido bem estudada usando sondas ativável NIRF 10, e desempenham um papel importante na aterogênese. Via degradação da matriz extracelular, proteases de cisteína contribuem de forma importante para a progressão e as complicações da aterosclerose 8. Em particular, a protease cisteína, catepsina B, é altamente expressa e colocalizes com macrófagos em camundongos experimental, coelho, e ateromatosas humana. 3,6,7 Além disso, a atividade catepsina B em placas podem ser detectados in vivo utilizando um descrito anteriormente um -D intravascular tecnologia do infravermelho próximo de fluorescência 6, em conjunto com um agente injetável nanosensor que consiste de uma espinha dorsal do polímero poli-lisina derivatizado com fluorocromos múltiplas NIR (VM110/Prosense750, ex / em 750/780nm, VisEn Medical, Woburn, MA) que resulta na extinção intramolecular forte no início. 10 Após alvo clivagem enzimática de proteases de cisteína, como catepsina B (conhecido por colocalize com os macrófagos da placa), a fluorocromos distintos, resultando em amplificação substancial do sinal NIRF. Detecção intravascular de NIR sinal de fluorescência pelo romance 2D utilizado cateter intravascular NIRF agora permite alta resolução, geometricamente precisos na detecção in vivo de atividade catepsina B na placa inflamado.

In vivo de imagem molecular da aterosclerose utilizando cateter-baseado 2D NIRF de imagem, em oposição a uma prévia 1 D-abordagem espectroscópicas, 6 é um romance e promissora ferramenta que utiliza a atividade protease aumentada em macrófagos ricos em placa para detectar a inflamação vascular 11,12. O protocolo de pesquisa a seguir descreve o uso de um cateter intravascular NIRF 2-dimensional para a imagem e caracterizar a estrutura da placa utilizando os principais aspectos da biologia placa. É uma plataforma traduzíveis que, quando integradas com as actuais tecnologias de imagem clínica, incluindo angiografia e ultra-som intravascular (IVUS), oferece uma única e nova técnica de imagem molecular multimodal integrado que distingue ateromatosas inflamatórias, e permite a detecção de sinais intravascular NIRF em humanos porte artérias coronárias .

Protocol

In vivo Modelo Animal: Geração da Aterosclerose Experimental aortoilíaca

1) Linha de Base e Angiografia Denudation Balloon

  1. Antes da obtenção de linha de base angiografia e desnudação do balão, uma Nova Zelândia coelho branco é alimentado um colesterol elevado (1%) dieta por uma semana. Este animal é utilizado para a relevância de translação como: 1) os vasos aorto-ilíacas de coelhos são mesmo calibre de artérias coronárias humanas (2,5 3,5 mm) e 2) a hiperlipidemia, o modelo de balão de lesão gera aterosclerose inflamado tendo similares células inflamatórias (macrófagos ) e moléculas (catepsinas) como na aterosclerose humana.
  2. Após a alimentação de colesterol, o animal é anestesiado com propofol e cetamina. A one-inch incisão cervical mediana ventral é feita usando usando um tamanho de 15 lâmina de bisturi. Usando técnicas de dissecção romba, os músculos debaixo da fáscia no lado direito da traquéia está exposto. O músculo sternocephalicus esquerdo é separado ao longo de sua junção do tecido conjuntivo, ea artéria carótida comum direita é exposta. A artéria é separado do nervo vago. Loops de sutura proximal e distal são colocados sobre a artéria para permitir a retração e oclusão. A 1 a 2mm chanfrado arteriotomia é feita através das quais a 5 (diâmetro externo 1,67 milímetros) Francês bainha vascular é inserido e heparina (1000μ/mL, ~ 150units/kg) é administrado via intra-arterial da bainha.
  3. Corante de contraste (Ultravist) é então injetada (1 a 2 mL) durante um período de 2 segundos para obter um angiograma controle da aorta distal e ambas as artérias ilíacas.
  4. As artérias femoral e aorta são, então, ferido por desnudação endotelial. Usando métodos padrão fluoroscopia, um cateter de embolectomia 3FR Fogarty é colocado na artéria femoral distal e inflado com 0,3 a 0,5 cc de contraste (50% contrast/50% salina) ou ar. O cateter é então retirado proximalmente em seu estado inflado uma distância ao longo da ilíaca direita e aorta distal até o take-off da artéria renal. Após a desnudação do balão, a angiografia é repetido para documentar a permeabilidade do vaso. Após a angiografia, todos os cateteres e bainhas são removidos ea artéria carótida proximal direito comum é ligada, o músculo e fáscia são suturada com fio de 4 / 0 absorvível, ea incisão na pele fechada com um 4 / 0 de sutura não absorvível.
  5. O animal é então autorizado a recuperar com a administração de um antibiótico de dose (cefazolina, 0,5 gramas IM). Medicamentos para a dor, incluindo 0,01 mg / kg IM de buprenorfina (duas vezes por dia, conforme necessário). Os animais são então continuou sobre o colesterol 1% para 4 semanas desnudação pós-balão. Na semana 5, os animais são a transição para dieta de colesterol 0,3%.

Imagens Multi-modal integrado de coelho ateromatosas

2 Labeling) de proteoliticamente ativa placa inflamado usando nanosensor injetável; angiografia, ultra-som intravascular (IVUS), e in vivo intravascular NIRF imagem do coelho ateroma

  1. Oito semanas após a lesão por balão e 24 horas antes da imagem, o coelho é injetado com intravenosa 500 nmol / kg Prosense/VM110 (PerkinElmer) pela veia da orelha.
  2. Vinte e quatro horas após a injeção, os animais são anestesiados e acesso arterial é obtida através da artéria carótida comum esquerda (veja o passo 1.2). Intra-arterial de heparina é administrada (150 unidades / kg). Linha de base é obtida como a angiografia acima.
  3. Um cateter ultra-som intravascular é carregado em um clínica da artéria coronária 0.014 capaz polegadas e inserido na bainha. Usando orientação fluoroscópica, a ponta do fio radiopaco está posicionado distalmente na artéria ilíaca direita. O cateter ultra-som intravascular é então avançado para a artéria ilíaca proximal usando um padrão de técnica monorail clínico.
  4. A retirada de 100 mm é iniciado e as imagens são gravadas. Reconstrução longitudinal da embarcação é obtida e placa luminal é identificado.
  5. O cateter NIRF 11,12 é carregado no fio de 0,014 polegadas (monorail do sistema), eo cateter é cuidadosamente inserido na bainha e cabeça de imagens está posicionado distalmente em artéria ilíaca direita.
  6. Múltiplas pullbacks automatizado (1 mm / seg pullback longitudinal, 30 tiros por minuto) são realizadas e os sinais de fluorescência dentro das zonas de aterosclerose são anotados. As imagens são gravadas e posterior processamento, com escala adequada e janelas com o alcance do sinal é alcançado.

Eutanásia 3) e isolamento de ex vivo de tecido aorto-ilíaca

  1. A eutanásia é realizada com 1cc de agente de eutanásia (390mg de sódio solução de pentobarbital sódico fenitoína e 50 mg), injeção, intravenosa única.
  2. A árvore arterial é perfundido com solução salina 0,9% até a veia cava inferior é claro de sangue. As artérias aorta e ilíaca aterosclerótica são identificadas e dissecadas livre dos tecidos circundantes. Além disso, pequenos pedaços 2 x 2 cm de liver, rins, baço e coração também são obtidos.
  3. Ex vivo NIRF imagem com o cateter intravascular imagem NIRF pode ser feito nesta fase. O navio é alongado eo cateter NIRF é re-inserido na aorta proximal até que a cabeça de imagem é posicionada na artéria ilíaca direita ou bifurcação. Múltiplas pullbacks automatizados são realizados como descrito acima (ver 2.6).

4) Ex vivo de fluorescência Reflectância Imaging (FRI) da aorta dissecada e artérias ilíacas

  1. Tecidos dissecados é colocado em 10-20 cc de soro fisiológico e transportados para análises sex (Imagem Kodak Estação 4000mm Pro, Carestream Health, Inc.).
  2. Vasos aorta, ilíacas são alongadas para aproximar tempo real comprimentos e as imagens são obtidas em vários comprimentos de onda [luz branca, o canal verde fluorescente (ex 495 nm, empregando 515 nm), Cy5 (ex 565 nm, empregando 670 nm) e Cy7 (ex 650 nm, empregando 760 nm)] canais. Uma série de tempos de exposição são utilizados para cada comprimento de onda (0.1-30s) e imagens adquiridas são exportados como DICOM ou 16 bits TIFF arquivos fora de escala para análises posteriores. Como controles positivos e negativos, os órgãos (fígado, baço, rim e coração) são gravadas em canais similares e tempos de exposição.
  3. Áreas de sinal aumentado no canal infravermelho próximo (780nm +) são anotadas nas artérias ateroscleróticas.

5) Incorporação de tecido para análise de corte e imuno-histoquímico

  1. Áreas de normal (sem lesão tecidual; artéria ilíaca ou seja, à esquerda) e áreas de placa são identificados e pequenos anéis de 5-10 mm de tecido são incorporados em outubro (Temperatura ideal de corte) de mídia. Blocos são armazenadas a -80 C até o corte.
  2. Técnicas padronizadas para análises de corte e imuno-histoquímica são executadas. Hematoxilina e eosina, Ram-11 e catepsina B coloração são executadas.

Análise e Integração de multi-modal Imagens (angiografia, IVUS, NIRF e sex.)

6) Processamento de imagens NIRF e sex.

  1. Arquivos DICOM que contém dados de imagem de NIRF e sex (tomadas no canal infravermelho próximo nm 780) pullbacks são processados ​​usando MATLAB e software OsiriX, respectivamente. Janelas adequado para mostrar gama completa de intensidade do sinal é alcançado. Imagens finais são exportados como arquivos TIFF.
  2. Os arquivos são importados para o software de processamento de imagem padrão (Keynote pode ser usado). As imagens são alinhadas com base em pontos de referência (ou seja, vértebras na angiografia, bifurcação ilíaca, e da artéria renal). Áreas de navio normal e placa são identificados.
  3. Regiões de interesse (ROI) são manualmente traçado (para tecido normal e áreas de placa) e média intensidades de sinal são adquiridos por meio OsiriX e MATLAB, respectivamente, para ambos os sex e imagens NIRF. Para orientar o rastreio adequado, a imagem longitudinal IVUS do navio é usado e identificação da embarcação normal e placa são facilmente identificados.
  4. Alvo de fundo (TBR) rácios são calculados para as zonas de placa.

Resultados representativos:

Após a conclusão do protocolo acima, podemos identificar e caracterizar as áreas de atividade aumentada protease catepsina na placa inflamatória dentro da aorta e vasos ilíacos. Injeção de um nanosensor ativável (Prosense/VM110) nos permite identificar a placa proteoliticamente ativo. Estes aparecem como sinal luminoso ou zonas de intenso quando fotografada usando sex no canal infravermelho próximo (750 nm). O pullbacks NIRF se correlacionam com a intensidade de sinal aumentado em sex e alinhamentos com IVUS que permitem o registo de sinais anatômicos NIRF. TBR placa calculados, obtidos a partir de sex e NIRF foram semelhantes (ver Figura 3: média NIRF TBR 4.2, significa sex TBR 2.9). Análise imuno-histoquímica de placa luminosa confirma presença intensa de RAM-11 e atividade catepsina B em áreas de placa (dados não mostrados).

Figura 1
Figura 1. Esquemática de 2D Cateter NIRF Para ampliar o potencial clínico de uma abordagem 1D sensoriamento NIRF 6, construímos um romance 2-D NIRF cateter para imagens intravascular. 11,12 cateter A custom-built consiste em uma fibra óptica (125 mícron de diâmetro alojada em tubos de polietileno: 2.9F) que ilumina usando uma fonte de excitação 750 nm laser. Luz laser é emitido em um ângulo de 90 graus em relação ao eixo da fibra. O sistema utiliza dois motores automatizados (rotação e translação) para permitir a imagem grau concomitante 360 ​​e recuo longitudinal para a obtenção de imagens 2D verdade. Imagens usadas com permissão da referência 11.

Figura 2
Figura 2. Esquemático demonstrando a ativação da protease mediada do nanosensor, Prosense/VM110. Imagem usada com permissão da referência 10.

Tabela 1 Figura 3. In vivo e ex vivo TBRs placa (alvo de relações de fundo)

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Discussion

Inflamado placas de alto risco ou vulneráveis ​​são provavelmente responsáveis ​​para a maioria dos infartos do miocárdio. A identificação das placas, antes da aparecimento dos sintomas tem importantes implicações clínicas tanto na previsão de resultados e orientar a terapia médica. Convencionais coronária arterial modalidades de imagem, como raio-x angiografia geralmente se concentram na caracterização dos estreitamentos luminais ao invés de iluminar os perfis biológicos subjacentes de alto risco, geralmente não-estenóticas lesões. Intravascular NIRF molecular imaging oferece uma abordagem de laboratório cateterismo cardíaco traduzíveis que incorpora a biologia de inflamação placa utilizando nanosensores que identificam macrófagos ativos dentro da placa, uma marca de celular de uma placa inflamado propensos à ruptura. 9

O protocolo a seguir descrito acima utiliza uma abordagem integradora multimodal combinando angiografia, IVUS e NIRF imagens para identificar placas inflamadas. Este romance 2D cateter NIRF capitaliza sobre as propriedades ópticas favoráveis ​​da largura de banda do infravermelho próximo de fluorescência para detectar assinaturas moleculares através do sangue, e é uma promissora abordagem in vivo a imagem molecular. O Prosense/VM110 nanosensor é acoplado a fluorocromos que emitem fluroescence em 780 nm e utilizar auto-extinguindo, na ausência de clivagem proteolítica ou ativação pela enzima catepsina B (altamente expressa em macrófagos residentes). Na detecção de sinal de fluorescência vivo pelo cateter NIRF permite a identificação de macrófagos carregados de placa (TBR 2.9). O uso de ex vivo de fluorescência de reflectância de imagem (FRI) confirma a presença de NIR sinal de fluorescência dentro das áreas de placa (TBR 4.2). Coloração imuno-histoquímica de RAM-11 e catepsina dentro das áreas de placa confirmar a intensa infiltração de macrófagos catepsina-B positivo (dados não mostrados).

A incorporação de IVUS e sinal NIRF podem ser fundidas a intensidade do sinal mapa dentro de placa visível ao longo do comprimento da embarcação (dados não mostrados) e oferece uma oportunidade única para elucidar melhor a morfologia da placa luminal e conteúdo de macrófagos. Limitações atuais da técnica acima incluem a incapacidade de exatamente co-registrar o IVUS e pullbacks NIRF. Retirada simultânea através de um cateter duplo-modal integrado aumentaria a precisão da localização do sinal e, potencialmente, permitir a resolução da localização do sinal dentro da parede dos vasos (ou seja, profundidade de sinal dentro do lúmen, mídia ou adventícia). Dupla modal NIRF / IVUS ou NIRF / tomografia de coerência óptica cateteres (OCT) de fusão são antecipados, portanto, uma melhor definição, de sinal e incorporam a arquitetura de placa com a biologia.

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Disclosures

FAJ - ex-consultor, VisEn Médica; honorários, Boston Scientific

Acknowledgments

Suporte para este trabalho foi fornecida pelo National Institutes of Health conceder # R01 HL 108229, American Heart Association Scientist Desenvolvimento Grant # 0830352N, Howard Hughes Medical Institute Award de Desenvolvimento de Carreira, Broadview Ventures, o Programa da Comunidade Europeia Quadro (FP7/2007-2013 sob concessão # 235689 acordo), e do MGH William Schreyer Fellowship.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Prosense 750 Visen Medical VM110 500 nmol/kg IV injection
Heparin Sodium APP Pharmaceuticals 401586D
Cephazolin NovaPlus 46015683
Lidocaine HCL 2% Hospira Inc. NDC 0409-4277-01
Buprenorphine Bedford Laboratories NDC 55390-100-10
Ketamine Hospira Inc. NDC 0409-2051-05
High Cholesterol Diet 1% Research Diets C30293
HIgh Cholesterol Diet 0.3% Research Diets C30255

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References

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Comments

5 Comments

  1. I need project image processor by html.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    October 22, 2011 - 6:21 AM
  2. Hello, can you please clarify your question. Farouc

    Reply
    Posted by: Anonymous
    October 22, 2011 - 9:19 AM
  3. Dear Dr Jaffer,
    Congratulations on what I believe will be a seminal paper.
    I would be grateful for a PDF reprint of any of your papers that describe this protocol in any more detail than is included in your JACC paper.
    Many thanks
    Saqib Chowdhary MD PhD

    Reply
    Posted by: Anonymous
    December 14, 2011 - 8:50 AM
  4. Some amazing work here! Would be also very gratefull for a pdf explaining better on what was done. Thanks and best regards,
    Ariadna
    Ariadna Costa Mugica, MSc.

    Reply
    Posted by: Anonymous
    January 5, 2012 - 11:47 AM
  5. Thank you for the nice comment. - my email is fjaffer@partners.org

    Reply
    Posted by: Anonymous
    January 5, 2012 - 1:37 PM

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