Author Produced

Hybride μCT-FMT beeldvorming en beeldanalyse

* These authors contributed equally
Bioengineering
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Gremse, F., Doleschel, D., Zafarnia, S., Babler, A., Jahnen-Dechent, W., Lammers, T., Lederle, W., Kiessling, F. Hybrid µCT-FMT imaging and image analysis. J. Vis. Exp. (100), e52770, doi:10.3791/52770 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Fluorescentie-gemedieerde tomografie (FMT) maakt langs- en kwantitatieve bepaling van de fluorescentie distributie in vivo en kan worden gebruikt om de biodistributie van nieuwe probes te evalueren en aan ziekteprogressie bepalen gebruikmakend van gebruikelijke moleculaire probes of reportergenen. De combinatie met een anatomische modaliteit, bijvoorbeeld micro computed tomography (μCT), is gunstig voor beeldanalyse en fluorescentie reconstructie. We beschrijven een protocol voor multimodaal μCT-FMT beeldvorming waaronder de beeldverwerking stappen die nodig zijn om kwantitatieve metingen te extraheren. Na bereiding van de muizen en het uitvoeren van de beeldvorming worden de multimodale datasets geregistreerd. Vervolgens wordt een verbeterde fluorescentie reconstructie uitgevoerd, die de vorm van de muis uiting komen. Voor kwantitatieve analyse worden orgaan segmentatie gegenereerd op basis van de anatomische gegevens in onze Segmentation tool. Tenslotte, de biodistributie curves worden gegenereerd onder toepassing van een batch-verwerking functie. We tonen de toepasbaarheid van de werkwijze door beoordeling van de biologische verdeling van een bekende probe die bindt aan botten en gewrichten.

Introduction

Fluorescentie-gemedieerde tomografie, ook wel moleculaire fluorescentie tomografie (FMT), is een veelbelovende techniek om kwantitatief de fluorescentie verdeling diffuse weefsels, zoals verdoofde muizen of menselijk lichaamsweefsel, bijvoorbeeld borsten of vingergewrichten beoordelen. In tegenstelling tot niet-invasieve microscopische technieken, die beeldvorming van oppervlakkige doelen op subcellulaire resolutie 1 toestaan, FMT maakt driedimensionale reconstructie van fluorescerende bronnen in diepte van enkele centimeters, zij het ​​op een lagere resolutie 2. Vele specifieke fluorescerende probes zijn beschikbaar voor het angiogenese, apoptosis, ontsteking, en andere 2-5. Sommige probes zijn activeerbaar, bv door specifiek enzym splitsing leidt tot unquenching van fluorochromen.,. Bovendien kunnen reportergenen tot expressie fluorescerende eiwitten worden afgebeeld, bijvoorbeeld tumor celmigratie 6 volgen.

FMT profiteert sterk van de combinatie met een anatomische modaliteit, bijvoorbeeld μCT 2,7 of MRI 8. Terwijl de stand-alone FMT apparaten zijn in de handel verkrijgbaar 9, de fluorescentiebeelden moeilijk te interpreteren zonder anatomische referentiegegevens. Onlangs waren we in staat om aan te tonen, dat de gesmolten anatomische beeldgegevens maakt een meer robuuste analyse 10. De anatomische gegevens kunnen ook worden gebruikt om voorkennis verschaffen, zoals de buitenvorm van de muis, wat belangrijk is voor nauwkeurige optische modellering en fluorescentie reconstructie 11. Bovendien kan de optische verstrooiing en absorptie kaarten worden geschat met behulp van segmentatie van soorten weefsel en door het toekennen van klasse specifieke coëfficiënten 12,13. Voor nabij-infrarood licht, hemoglobine de voornaamste absorber in muizen, behalve melanine en bont 14. Aangezien de relatieve bloedvolume wordt regionaal door ordes van grootte, een absorptie kaart is vooral belangrijk voor Quantieve fluorescentie reconstructie 13.

Een voordeel van het gebruik van niet-invasieve beeldvorming is dat de muizen in langsrichting kan worden afgebeeld, dat wil zeggen op verschillende tijdstippen. Dit is belangrijk om het dynamische gedrag van probes, dat wil zeggen hun doel accumulatie, biodistributie en excretie 10,15 beoordelen of de ziekteprogressie 16 beoordelen. Bij beeldvorming verschillende muizen op verschillende tijdstippen, een grote hoeveelheid afbeeldingdatareeksen ontstaat. Om de vergelijkbaarheid mogelijk te maken, moeten deze worden verworven op een systematische manier, dat wil zeggen, met een goed gedefinieerd en gedocumenteerd protocol. Het grote aantal scans vormt een uitdaging voor beeldanalyse, die nodig is om kwantitatieve metingen van de beelddata te extraheren.

Het doel van ons onderzoek is om een gedetailleerde beschrijving van een μCT-FMT imaging protocol dat we hebben gebruikt en geoptimaliseerd in de hele verschillende studies 10,13,15,17,18. We beschrijvenhoe de datasets gegenereerd, verwerkt gevisualiseerd en geanalyseerd. Dit wordt gedemonstreerd met behulp van een gevestigde moleculaire probe, OsteoSense, dat bindt aan hydroxyapatiet 19 en kan worden gebruikt om beelden botziekten en remodellering 2. Alle procedures waarbij dieren werden goedgekeurd door de overheid toetsingscommissie op dierlijke zorg.

Protocol

Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van de volgende stappen: Eerst wordt fantomen en muizen en multimodale muis bed voorbereid imaging. Dan is een hele lichaam-scan wordt verworven in de μCT. Vervolgens wordt de muis bed wordt overgebracht naar de FMT waar twee scans (en omgekeerd) worden verkregen. Dit kan worden herhaald voor meerdere muizen op verschillende tijdstippen. Na afronding van de data-acquisitie, de gegevens moeten worden geëxporteerd en sorteren om geautomatiseerde segmentatie (die een Definiens softwarelicentie), evenals image fusion en fluorescentie reconstructie (waarvoor een Imalytics Preklinische softwarelicentie) in te schakelen. Tenslotte wordt aangetoond hoe het multimodale datasets worden gevisualiseerd en hoe organen interactief zijn gesegmenteerd aan de biodistributie van fluorescente probes kwantificeren.

1. Phantom Voorbereiding

OPMERKING: Phantoms zijn nuttig voor het beeldvormingssysteem te testen, maar ook om de kalibratie te bepalen factor een nieuwe probe.

  1. Bereid een oplossing van 200 ml water, 2% agarose, 1,8 g TiO 2 poeder, 50 ul trypan blauw. Na het koken, vul de oplossing in een rechthoekige vorm, van ongeveer 8 cm lang, 3 cm breed en 1,5 cm hoog.
  2. Bereid verschillende fluorescerende insluitsels in het fantoom met een pipet tips, met een mix van fluorescentie en μCT contrastmiddel. Om de insluitsels maken, snijd de pipet tips en verzegelen ze met een aansteker.
  3. Nadat de oplossing is gestold, plaatst u de insluitsels in de fantoom. Snijd sommige delen van het fantoom aan een onregelmatige vorm te bereiken en om het te passen aan de multimodale muis houder.
  4. Om de kalibratiefactor bepalen bij een nieuwe probe, sommige fantoom scans nodig. Hiervoor wordt de standaard FMT fantoom gebruikt in combinatie met bekende hoeveelheden van de sonde. Voor een grotere nauwkeurigheid, voeg 4% lipide-emulsie aan de oplossing dezelfde verstrooiingscoëfficiënt in de opneming ontvangen in derest van het fantoom. Voeg ook een kleine hoeveelheid (2%) van μCT contrastmiddel gemakkelijker beeldanalyse.

2. Muis Voorbereiding

OPMERKING: μCT-FMT imaging vereist speciale voorbereiding inclusief verdoving en ontharing.

  1. Plaats de muis op chlorofyl gratis eten 7 dagen voor de beeldvorming. Dit zal het achtergrondsignaal te verminderen en is bijzonder belangrijk voor FMT kanalen onder 750 nm.
  2. Alle dierproeven uitgevoerd onder verdoving. Om de anesthesie te starten, plaatst u de muis in een kamer gevuld met 2% isofluraan in de lucht (stroomsnelheid 5 l / min), totdat de muis is in slaap vallen. Bevestig de juiste verdoving door zachte teen of de huid knijpen en door het controleren van ontspanning van spiertonus (bijv., Kaak spier). Om de narcose in stand blijven de isofluraan applicatie met een buis die op de neus van de muis geplaatst (2% isofluraan in lucht, stroomsnelheid 1 l / min). Om oog drynes voorkomens Gebruik dierenarts zalf op verdoofde muizen.
  3. Om contrastmiddel te injecteren, bevestig de verdoofde muis op een verwarming pad met tape. Plaats een catheter (injectienaald bevestigd aan een buis) aan de staartader en injecteer het fluorescerende contrastmiddel (bijvoorbeeld 2 nmol, met maximale injectievolume van 5 ml / kg lichaamsgewicht, dat wil zeggen, 150 ul van een 30 g muis).
  4. Voor het scannen van een harige muis, het scannen gebied moet worden onthaard op voorhand. Gebruik hiervoor een scheerapparaat of ontharingscrème. Sommige stammen van muizen kunnen huiduitslag van de ontharingscrème ontwikkelen. Daarom controleren de muizen voor de veranderingen van de huid en contact met het diergeneeskundig personeel voor de zorg als dat nodig is. Ook het testen van de tolerantie op een klein aantal dieren bij het gebruik van nieuwe muis stammen.
  5. Houd de muis verdoofd tijdens μCT en FMT imaging (2% isofluraan in lucht, stroomsnelheid 1 l / min).

3. Mouse Bed Voorbereiding

LET OP: Voor μCT-FMT scannen, gebruik maken van een multimodalemuis bed, die zowel past in de μCT en FMT.

  1. Voor imaging, het reinigen van de muis bed met natte weefsels. Gebruik geen ethanol, omdat dit het acrylglas kan beschadigen. Zorg ervoor dat de markers vrij zijn van water, omdat dit de geautomatiseerde marker detectie kunnen beïnvloeden.
  2. Open de schroeven van de multimodale muis bed en verwijder het bovenste deel.
  3. Bevestig de verdoving gas buis op de muis bed en fixeer deze met tape.
  4. Plaats de verdoofde muis in de muis bed en zet de neus in de gasleiding. Zorg ervoor dat de kop van de muis aan de voorzijde indicator van de muis bed (figuur 1).
  5. Zorg ervoor dat de muis in het midden van de muis bed optimaal gebruik gezichtsveld van de FMT.
  6. Sluit de muis bed en draai de schroeven totdat de muis stevig wordt vastgehouden. Zorg ervoor dat de muis kan gestaag ademen door een visuele controle van de thoracale ademhaling bewegingen.

4. μCT Imaging

OPMERKING: Een whole-body scan wordt uitgevoerd met de μCT. De gegenereerde anatomische gegevens noodzakelijk is voor het fusie, voor een verbeterde fluorescentie wederopbouw en voor beeldanalyse.

  1. Plaats de muis bed met de muis in de μCT. Zorg ervoor dat de muis wordt geplaatst op een manier dat het gaat "tail-eerst" in de μCT. Dit is van belang voor de geautomatiseerde fusion.
  2. Om anesthesie houden wanneer de μCT-klep gesloten is, sluit de buizen naar de gaskanaal via het geval van de μCT. Los eerst de lange buis van de muis bed en bevestig deze aan de connector aan de buitenkant van de μCT. Bevestig vervolgens de resterende vrije einde aan de connector in de μCT.
  3. Rijd de muis bed in de μCT. Zorg ervoor dat het gas buis is niet los en kan niet gepakt door de roterende gantry. Eventueel fixeer met tape. Steek de buis in de uitsparing van de houder van de muis bed. Sluit de μCT en het verwerven van een topogram. Ten minste twee subscans een aanzienlijk deel van de muis en de muis bed, wat belangrijk is voor het fusie en reconstructie dekken.
  4. Selecteer de scan protocol μCT genaamd HQD-6565-360-90, die 720 projecties met 1032 x 1012 pixels verwerft gedurende één volledige omwenteling die een scantijd van 90 s per subscan. Buizen worden gebruikt bij 65 kV spanning en stroom 1,0 mA. Als alternatief, om de dosis en scannen straling duur te verminderen, selecteert u de scanprotocol SQD-6565-360-29 die 720 projecties met 516 x 506 pixels met de scantijd 29 s per subscan verwerft.
  5. Start de μCT scan. De blauwe balk geeft de voortgang. De subscans zullen vervolgens worden verworven. Onderkoeling en vochtverlies zijn geen probleem vanwege de korte scan duur van slechts enkele minuten. Het deksel van de μCT niet open tijdens het scannen omdat dit automatisch het scannen onderbreken om de gebruiker te beschermen tegenstraling.
  6. Wanneer het scannen is voltooid, opent u het deksel, de verdoving buis weer aan en maak de muis bed uit de houder om het te vervoeren naar de FMT.

5. FMT Imaging

OPMERKING: Direct na μCT scannen, de muis wordt gescand in de FMT in twee configuraties (en omgekeerd), die tezamen worden gebruikt om een ​​verbeterde fluorescentie reconstructie.

  1. Zet de verdoving gastoevoer (2% isofluraan in de lucht, debiet 1 l / min) voor het FMT voordat de muis bed in de FMT. Met behulp van de FMT control software, het creëren van een studiegroep met een geschikt aantal onderwerpen (dwz, muizen). Selecteer de probes die worden gebruikt voor beeldvorming (gebruik OsteoSense voor nieuwe probes die niet vermeld).
  2. Draag de multimodale muis bed met de muis om de FMT. De lange flexibele verdoving gas buis handhaaft de gasstroom. Voordat u de muis bed in de FMT, verwijder voorzichtig de buis, omdat hetis niet noodzakelijk in de FMT. Vermijd het draaien van de schroeven van de muis bed.
  3. Plaats de muis bed in de FMT met de rode indicator eerste ("head-first"). Dit is belangrijk voor de beeldfusie consistent met de μCT zijn.
  4. Sluit de FMT.
  5. Selecteer de juiste studiegroep en onderwerp. Selecteer het gewenste kanaal van de FMT (voor OsteoSense 750EX, gebruik maken van de 750 nm kanaal).
  6. Voeg een beschrijving, bijv., "Up" of "down" en het verwerven van een overzicht scan door op "Capture". Deze vangt een reflectie beeld van het gehele gezichtsveld. Zorg ervoor dat geen "Only reflectantie Images" gekozen, omdat anders niet kan verwerven 3D scant vervolgens.
  7. Pas de imaging parameters voor de 3D-scan. Vergroot het gezichtsveld om zoveel mogelijk van de muis hebben. Gewoonlijk zal de kop en de staart niet helemaal in het gezichtsveld echter. Klik op "Advanced221; en controleer de imaging-instellingen. Stel bemonsteringsdichtheid tot 3 mm, gevoeligheid voor de normale verlichting en min / max tot 5000 en 50000, respectievelijk.
  8. Klik op "toevoegen aan de wederopbouw wachtrij" en vervolgens op "Scannen" om de scan te starten FMT. Dit duurt ongeveer 5 tot 15 minuten, afhankelijk van de grootte en dikte van de muis, omdat langere belichtingstijden vereist voor dikkere voorwerpen. Het apparaat bevat een verwarmde imaging kamer om onderkoeling te voorkomen.
  9. Na de scan, flip de muis bed inclusief de muis ondersteboven en het verwerven van een scan. Dit levert extra gegevens over de fluorescentie wederopbouw.
  10. Wanneer de μCT en de FMT-scans zijn voltooid en de muis ontwaakt uit de narcose, laat het niet onbeheerd achter, totdat het voldoende bewustzijn, bv heeft herwonnen, om rond te lopen of te borstligging behouden.

6. Afbeelding Fusion en Wederopbouw

NB: Navoltooiing van de μCT FMT-scanning, bijvoorbeeld aan het einde van de studie, de verkregen gegevens moeten worden gesorteerd naar de geautomatiseerde beeldfusie en fluorescentie reconstructie mogelijk.

  1. Om de scans voor verdere verwerking te sorteren, een map voor de studie. Voor elke μCT-FMT scan, maak een submap waarvan de naam bevat de muis-ID en het tijdstip, bijv., M01_02h.
  2. Voor elke μCT-FMT scannen, exporteren de FMT scans (omhoog en omlaag) als FMT- bestanden en bewaar ze in de submap met bestandsnamen eindigend met ofwel "_up.fmt" of "_down.fmt". Elk FMT- file de verkregen ruwe data bevat, dat wil zeggen, de excitatie en emissie beelden opgenomen door de camera, de metagegevens, zoals de belichtingstijden en de fluorescentie reconstructie gegenereerd door de FMT.
  3. Met behulp van de μCT software, maken een reconstructie met isotrope voxel grootte van 35 micrometer. Selecteer een soepele reconstructie kernel (T10). Pas het gezichtsveld zodat het gehele muis bed inclusief de markeringen is bedekt. Selecteer MIFX / RAW als output-formaat en start de wederopbouw. Na de reconstructie wordt uitgevoerd, zet de μCT reconstructie bestanden in de submap van de μCT FMT-scan.
  4. De μCT en FMT gegevens te exporteren voor alle scans. Zorg ervoor dat elke submap bevat twee FMT- bestanden (omhoog en omlaag) en de μCT wederopbouw in de MIFX / RAW-formaat. Om te controleren op volledigheid selecteren Menu-> CT-FMT-> Controleer Volledigheid met behulp van de Imalytics Preklinische software. Een lijst met fouten zou kunnen verschijnen, zoals ontbrekende FMT- bestanden of μCT reconstructies. Bevestig de fouten en controleren op volledigheid, totdat alle fouten zijn opgelost.
  5. Met behulp van Menu-> CT-FMT-> Instellingen, controleert de server naam van de Definiens software en pas indien nodig. De standaard is http: // localhost: 8184, ervan uitgaande dat de Definiens software is geïnstalleerd op dezelfde computer. De Definiens software is vereist in de volgende stap om de au voerentomated segmentatie van de muis bed en markers.
  6. Klik op Menu-> CT-FMT-> Fuse groep in het Imalytics preklinisch software om geautomatiseerd μCT-FMT fusie uit te voeren voor de hele studie. Dit duurt een paar minuten per μCT-FMT scannen en de resultaten in een map met een achtervoegsel "Package" parallel aan de map studie. Dit bevat een kleinere deelverzameling van bestanden (het μCT data en gefuseerde leverancier ontvangen FMT reconstructie) die voor verdere analyse.
  7. Klik op Menu-> CT-FMT-> Reconstrueer groep (FMT) in de Imalytics Preklinische software om de fluorescentie reconstructie inclusief de generatie van absorptie en verstrooiing kaarten 13 te voeren. Hoewel de verwerking GPU versnelde 20, elk reconstructie vereist 1-4 uur afhankelijk van de grootte van de muis. De resultaten worden opgeslagen in de verpakking. Opmerking: Om een ​​hogere doorvoer mogelijk te maken, hebben we momenteel uitvoeren van deze reconstructies op een GPU cluster met 56 GPU's.

    7. Beeldanalyse

    OPMERKING: Om kwantitatieve metingen van de beeldgegevens te halen, is segmentatie van letsels en organen nodig.

    1. Zodra alle data sets zijn gesmolten en gereconstrueerd, het creëren van een segmentatie voor elke μCT-FMT scannen met de Imalytics Preklinische software.
    2. Laad een μCT bestand als onderlaag en de fluorescentie bestand als overlay. Druk op "3D" aan te zetten het volume rendering en inspecteer de dataset.
    3. Om het segment van de long, klik Menu-> Classes-> klasse toe en maak een klasse met de naam "tmp". Dit kan ook worden gedaan via het contextmenu. Het creëren van een nieuwe klasse stelt deze automatisch als output klasse voor latere segmentatie operaties.
      1. Voer een drempelen operatie om segment alle regio's met een lage intensiteit in de μCT dataset (klik Menu-> segmentatie> Thresholding-> Onder en voer 600). Nu is de tmp klasse bevat de lucht buiten de mogebruik maar ook het longweefsel.
      2. Maak een "Lung" class. Voer een "Fill Regio" operatie (klik met de rechtermuisknop in de longen en selecteer Menu-> Fill Regio-> Fill regio onbeperkt), om de longen te scheiden van de buitenlucht.
      3. Verwijder de tmp klasse, omdat het niet meer nodig is.
    4. Om segment convexe regio's, bv., De blaas, gebruik maken van de krabbel mode. Maak eerst een klasse "Blaas".
      1. Druk op F1 om alle krabbels verwijderen.
      2. Met behulp van de computer muis, trekken krabbels om de grenzen van de blaas af te bakenen.
      3. Druk op F3 om het gebied omsloten door de krabbels met een tijdelijk masker dat wordt weergegeven als rode overlay vullen. Iteratief voeg meer krabbels (in ieder slicing geaardheid) en druk op F3 totdat een voldoende nauwkeurigheid wordt bereikt. Kenmerkend krabbels in 10 schijfjes volstaan.
      4. Druk op F4 om de tijdelijke masker op te slaan als "Blaas".
      5. Ga als dit segmentandere convexe regio's, zoals het hart en de nieren. Veel regio, bv. De maag of de lever, kan worden benaderd door een aantal convexe regio.
    5. Om het segment van de wervelkolom, eerst een "Bone" class.
      1. Selecteer ContextMenu-> Thresholding-> Boven een drempelwaarden bewerking uit te voeren om alle heldere voxels classificeren (bijv., Boven 1.600) als "Bone".
      2. Een regio vuloperatie zou nalaten segment de wervelkolom, omdat het verbonden is met veel andere delen van het skelet, bijv., De ribben. Voer een paar snij-operaties door iteratief tekenen krabbels en op F2 te drukken aan de wervelkolom te scheiden van de schedel, de ribben en de sacrale bot.
      3. Tot slot, maak een class "Spine" en voer een regio vulling operatie aan de rug te krijgen (klik met de rechtermuisknop in de wervelkolom en selecteer ContextMenu-> Fill Regio-> Fill regio onbeperkt).
    6. Sla de segmentatie als een bestand in the submap van de μCT FMT-scan. Gebruik steeds dezelfde naam, bijvoorbeeld organs.seg, aan de batch verwerking mogelijk te maken.
    7. Selecteer Menu-> Statistics-> Class statistieken (overlay), een spreadsheet waarin de gemiddelde fluorescentie-intensiteit, het volume en het totale bedrag (product van gemiddelde en volume) voor elke klasse bevat genereren.
    8. Om een ​​enkele spreadsheet met de waarden voor alle regio's van alle μCT-FMT scans te genereren, klikt u Menu-> Batch-> Set batch instellingen en klik vervolgens op Menu-> Batch-> Batch statistieken. Dit vermijdt de moeite van het creëren en samenvoegen vele werkbladbestanden, namelijk één voor elke μCT FMT-scan.

    8. Probe Calibration

    1. Om de kalibratie factor voor een sonde te berekenen, meerdere μCT-FMT fantoom scans met verschillende bekende hoeveelheden van de sonde zijn verplicht (zie stap 1.4), bv., Met 100 pmol, 50 pmol, 25 pmol en 0 pmol.
    2. Scan de fantomen zoals beschreven inhoofdstukken 4 en 5. Ook voor phantom scans, omhoog en omlaag scans in het FMT zijn verplicht.
    3. De gegevens te exporteren en het uitvoeren van fusion en wederopbouw, zoals beschreven in hoofdstuk 6.
    4. Segment van de opname met behulp van de μCT gegevens voor elke scan door drempelvorming (boven 1200) en regio vullen.
    5. Genereer een spreadsheet met de gemeten fluorescentie bedragen en plot ze als functie van de bekende hoeveelheden. Bereken de helling van een lineaire regressie fit. Dit is de ijkfactor voor de probe.

Representative Results

We pasten de beschreven protocol om de biodistributie van een gerichte sonde, OsteoSense, die bindt aan hydroxyapatiet beoordelen. 3 muizen (C57BL / 6 Apoe - / - Ahsg - / - dubbele knockout muizen, 10 weken oud) werden afgebeeld vóór en 15 minuten, 2 uur, 4 uur, 6 uur en 24 uur na intraveneuze injectie van 2 nmol OsteoSense. Onze software automatisch markeringen ingebouwd in de multimodale muis bed gedetecteerd (figuur 1, figuur 2A, B), waarbij fusie van de anatomische gegevens μCT ingeschakeld met de fluorescentie reconstructie uitgevoerd door de FMT (figuur 2C, D). Aangezien OsteoSense een probe met een laag molecuulgewicht, een snelle renale excretie en dus hoog signaal in de urineblaas wordt verwacht. Fusie van de fluorescentie reconstructie van de FMT onthulde problemen zoals misplaatst signaal buiten de blaas (figuur 2C, D). Deze problemen optreden omdat de FMT kent niet de ware vorm van de muis en gaat uit van een blokvorm. Our reconstructie bepaalt de nauwkeurige vorm van het μCT data genereert verstrooiing en absorptie kaarten 13 teneinde een nauwkeuriger fluorescentie reconstructie met een betere signaal lokalisatie, wat met name voor de blaas (figuur 2E, F) mogelijk.

Om de gereconstrueerde fluorescentie passende gebieden wijzen wij interactief gesegmenteerd verscheidene organen met behulp van onze software (figuur 3). Voor elk van de 18 scans werden 7 gebieden gesegmenteerd op basis van de μCT data, bijv., Hart, long, lever, nier, wervelkolom, ingewanden en blaas. Vervolgens werd de software waarmee de gemiddelde fluorescentie concentratie voor elk van de 126 gebieden berekenen. Gelukkig biedt de software ladingsgewijs, waarbij alle waarden berekent en opslaan in een spreadsheet.

Om de fluorescentie verdeling visualiseren, werden 3D renderings gegenereerd voor elk tijdstip,gebruik makend van vergelijkbare windowing instelling (Figuur 4A-F). De gekwantificeerde waarden orgaan, de biodistributie werd berekend door het gemiddelde het orgaan berekend over drie muizen (Figuur 4G). De pre scans vóór injectie verkregen, vertoonden verwaarloosbare achtergrondsignaal. 15 min na injectie, het sterkste signaal verscheen in de urineblaas, vanwege de snelle renale excretie. In de daarop volgende tijdstippen, was de resterende sonde botten en gewrichten geaccumuleerd.

Figuur 1
Figuur 1. Multimodaal Mouse Bed. (A) De multimodale muis bed bevat twee plexiglas platen die stevig vasthouden van de muis. De aanscherping wordt aangepast met behulp van twee schroeven. De muis bed bevat markers (lege gaten) voor het kernfusie. Verdoving gas wordt toegevoerd via een flexibele buis die is gefixeerd met taap. (B) De muis bed is aan een metalen houder en gehouden in het centrum van de roterende μCT gantry. (C) Vermijd een kloof tussen muis bed en de metalen houder, omdat anders de markers kunnen worden onrechte toegewezen leiden tot onjuiste fusion. De verdoving gas buis moet aan de buis aansluiting worden bevestigd. (D) De muis bed dient in de FMT met de voorste eerste een correcte geautomatiseerd fusie mogelijk. (E) De markers zijn zichtbaar voor de FMT camera, die wordt gebruikt voor de automatische marker detectie en fusion. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Afbeelding Fusion en wederopbouw. ​​(A, B) Markers en de buitenste vorm van de mouse worden bepaald door de automatische segmentatie algoritme. (C, D) 15 min na injectie van OsteoSense, een aanzienlijke hoeveelheid van de probe reeds uitgescheiden in de urineblaas. Na het fuseren van de reconstructie-leverancier die bij de μCT data, problemen zichtbaar worden. Het merendeel van het signaal verschijnt rondom de blaas, maar niet in de blaas en sommige signaal verschijnt zelfs in de lucht. Dit gebeurt omdat de FMT veronderstelt een blokvormig muis. (E, F) Onze verbeterde fluorescentie wederopbouw, met behulp van de vorm van de muis afgeleid uit de μCT gegevens, resulteert in een betere lokalisatie van de fluorescentie in de blaas. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3
Figuur 3. Interactive Organ Segmentat. ion (A) Om de fluorescentie verdeling te kwantificeren, zijn verscheidene organen gesegmenteerd: hart (rood), long (roze), lever (bruin), maag (beige), rug (paars), nieren (geel), darm (groen) en urineblaas (goud). (B) de longen, die sterk contrast ten opzichte van het omringende weefsel, wordt gesegmenteerd gebruikt thresholding en omgeving vullen. (C) Rond organen, zoals de blaas, nieren en hart zijn gesegmenteerd met "krabbels". (D) Organen met een meer complexe vorm, bijvoorbeeld, lever en maag zijn gesegmenteerd stapsgewijs met krabbels. Segmenteren de rug, wordt een hoge drempel toegepast op alle segmenten botten. Dan sommige botten, bv., De ribben, worden weggesneden, totdat de wervelkolom blijft. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


Figuur 4. Biologische verdeling. Om de biodistributie te evalueren, worden de muizen gescand op verschillende tijdstippen (AF). (A) De pre scan vóór injectie, toont weinig achtergrondsignaal in het 750 nm kanaal. (B) 15 min na injectie, een aanzienlijke hoeveelheid van de probe reeds in de urineblaas. (C) Op 2 uur tijdspunt waren de muis urinated, waardoor bepaalde fluorescentie buiten de muis. Op latere tijdstippen (DF), wordt het signaal bij voorkeur op de botten en gewrichten, dwz., De wervelkolom en de knieën. (G) De gekwantificeerde fluorescentie concentratie wordt getoond geselecteerde organen.

Discussion

We beschrijven en een protocol toe te passen voor multimodaal μCT-FMT beeldvorming. We maken gebruik van in de handel verkrijgbare en op grote schaal gebruikt FMT en μCT apparaten 3,11,15 - 17,21. Terwijl het protocol vereist een specifieke FMT kan de μCT worden vervangen door een ander μCT met gelijke functionaliteit en vergelijkbare scanparameters, bijvoorbeeld moet het gezichtsveld groot genoeg om de muis bed waaronder merkers dekken.

De FMT is gebruikt voor biodistributie analyse, zonder combinatie met μCT of MRI 21, maar de anatomische gegevens gunstig om de reproduceerbaarheid te verhogen omdat de segmentering kan worden gebaseerd op het orgaan begrenzingswanden die zichtbaar is in het μCT data 10 zijn. Hoewel geïntegreerde μCT FMT-inrichtingen ontwikkeld 2,7, deze nog niet commercieel beschikbaar. Verder is het gebruik van twee afzonderlijke inrichtingen toestaat piping, dwz., De volgende muis can worden afgebeeld in de μCT terwijl de eerste muis nog in de FMT, om de doorvoer te verhogen.

Om de handmatige werklast te verminderen, voeren we automatische marker detectie en fusion. Bovendien wordt de muis vorm automatisch gesegmenteerd en deze informatie verbetert de fluorescentie reconstructie 11,13,22. Voor kwantitatieve fluorescentie wederopbouw, zijn absorptie en verstrooiing kaarten nodig 13,23. We leiden de verstrooiing kaart door automatische segmentatie van de μCT gegevens en toewijzen van bekende verstrooiing coëfficiënten van meerdere weefseltypen (longen, bot, huid, vet en overige weke delen) 24. Vervolgens reconstrueren een absorptie map van de optische ruwe gegevens hetgeen vooral van belang voor goed doorbloede organen zoals het hart en de lever 13,20.

Scannen verschillende muizen op verschillende tijdstippen snel resulteert in een groot aantal gegevens te analyseren. Voor biodisbijdrage studies, moeten verscheidene organen worden gesegmenteerd voor elke μCT FMT-scan. Helaas kan de segmentaties niet opnieuw worden gebruikt, omdat de muis is onlangs geplaatst in de muis bed herhaaldelijk. We maken gebruik van een hulpmiddel voor interactieve segmentatie, ontwikkeld in ons instituut, maar andere instrumenten zou ook geschikt 25 zijn. We genereren voxel-wise segmentaties, omdat deze wedstrijd beter om complexe organen dan eenvoudige vormen, zoals ellipsen en kubussen 26. Geautomatiseerde hele dier segmentatie zou nuttig zijn om de handmatige werkdruk 27 verder te verminderen, maar een interactief segmentatietool nog steeds nodig om te corrigeren voor segmentatie fouten. Verder kunnen geautomatiseerde segmentatie gereedschappen nauwelijks anticiperen op bijzondere gevallen, zoals pathologieën correct. Omdat we natieve μCT scans bepaalde organen zoals de milt zeer moeilijk segment zelfs handmatig. Contrastmiddelen zou helpen, maar dit met tolerantie en het is moeilijk om maintaina een gestage contrastmiddel verdeling in de longitudinale beeldvorming.

Onze phantom studie toont aan dat het signaal lokalisatie verbeterd bij gebruik van de vorminformatie voor fluorescentie reconstructie. In vivo een vergelijkbare verbetering is evident voor de vroege tijdstip (15 min na injectie), wanneer een grote hoeveelheid van de probe is reeds in de urineblaas. De hydroxyapatiet bindende probe accumuleert op botten en gewrichten. Opvallend is hoe snel dit gebeurt, namelijk het signaal al duidelijk op de rug 15 min na injectie. Dit wordt waarschijnlijk veroorzaakt door het lage molecuulgewicht van de probe, die een snelle extravasatie en diffusie zorgt de doelgebieden. De sonde bindt covalent aan zijn doel hydroxyapatiet en de ongebonden sonde wordt uitgescheiden. Voor de latere tijdstippen tussen 6 uur en 24 uur na injectie, de signaalintensiteit in de rug blijft relatief stabiel, waarschijnlijk omdat nauwelijks licht datpijn diep in de muis om de fluorescentie bleken. Voor ons onderzoek gebruikten we de 750 nm kanaal, waardoor lage achtergrondfluorescentie als evident voor de vóór injectie verkregen scans. Bij lagere golflengten, kan meer achtergrondinformatie signaal worden verwacht 28.

Samengevat beschrijven we een multimodale imaging protocol voor in de handel verkrijgbaar FMT en μCT apparaten. We tonen aan dat de combinatie levert voordelen op fluorescentie reconstructie. We illustreren de biodistributie curves van de grote hoeveelheid gegevens worden geëxtraheerd door middel van interactieve organen segmentatie en batchverwerking. We geloven dat deze gestandaardiseerde workflow nuttig voor de ontwikkeling van geneesmiddelen en andere beeldvormende studies met behulp van fluorescent gelabelde probes kunnen zijn.

Disclosures

Felix Gremse is oprichter en eigenaar van Gremse-IT, een startup bedrijf dat software en diensten biedt voor medische beeldanalyse in samenwerking met Philips en de afdeling Experimentele Moleculaire Beeldvorming van de RWTH Aachen University.

Acknowledgments

Wij danken Marek Weiler voor het uitvoeren van het fantoom experimenten. Dit werk werd ondersteund door de European Research Council (ERC Starting Grant 309.495: NeoNaNo), de Duitse deelstaat Noordrijn-Westfalen (NRW, High-Tech.NRW/EU-Ziel 2-Programm (EFRE); ForSaTum), de Duitse Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF) (financieringsprogramma's Virtual Lever (0.315.743), LungSys (0315415C), LungSys2 (0316042F), Photonik Forschung Deutschland (13N13355)), de RWTH Aachen University (I 3 TM Seed Fund), en Philips Research (Aken, Duitsland).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
FMT (Fluorescence molecular tomography) FMT2500 LX PerkinElmer FMT2000 Device for fluorescence molecular tomography
µCT (micro computed tomography) Tomoscope Duo CT Imaging GmbH Tomoscope Duo Device for micro computed tomography
Multimodal Mouse Bed CT Imaging GmbH Experimental builder Partially transparent animal holder
IsoFlo (isoflurane, USP) Abbott 05260-05 Isoflurane Inhalation anesthesia
Small animal anesthesia system Harvard apparatus 726419 Complete Isoflurane Table-Top System
Chlorophyll-free mouse food Ssniff E15051 low chlorophyll / low fluorescence food
OsteoSense 750EX PerkinElmer NEV10053EX Animal FMT contrast agent
Portex Fine Bore Polythene Tubing Smith medical 800/100/120 Tube for injection catheter
Sterican 30g BBraun 4656300 Hypodermic needle for catheter
Imeron Altana pharma INLA F.1/0203/3.5337.69 CT contrast agent for the phantom inclusions
Agarose Sigma 90-12-36-6 Agarose for phantom production
TiO2 Applichem A1900,1000 Titanium oxyde as phantom scattering agent
Trypan blue Fluka 93595 Trypan blue to adjust phantom light propagation
Cy7 Lumiprobe 15020 Fluorochrome for the phantom inclusions
Lipovenoes 20% Fresenius Kabi 3094740 Lipid emulsion, scattering agent for FMT contrast agents
Definiens Developer XD Server Definiens AG Server XD Software platform for automated segmentation
Imalytics Preclinical ExMI/Gremse-IT Version 2.0.1 Software for image fusion, reconstruction and analysis
NVIDIA Geforce Titan Asus GTXTITAN6GD5 High end computer graphics card, 6GB Memory

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hoffman, R. M., Yang, M. Subcellular imaging in the live mouse. Nature Protocols. 1, (2), 775-782 (2006).
  2. Ale, A., Ermolayev, V., Herzog, E., Cohrs, C., Angelis, M. H., Ntziachristos, V. FMT-XCT: in vivo animal studies with hybrid fluorescence molecular tomography-X-ray computed tomography. Nature Methods. 9, (9), 615-620 (2012).
  3. Eaton, V. L., Vasquez, K. O., Goings, G. E., Hunter, Z. N., Peterson, J. D., Miller, S. D. Optical tomographic imaging of near infrared imaging agents quantifies disease severity and immunomodulation of experimental autoimmune encephalomyelitis in vivo. Journal of Neuroinflammation. 10, (138), (2013).
  4. Lederle, W., Arns, S., et al. Failure of annexin-based apoptosis imaging in the assessment of antiangiogenic therapy effects. EJNMMI Research. 1, (26), (2011).
  5. Ntziachristos, V., Tung, C. -H., Bremer, C., Weissleder, R. Fluorescence molecular tomography resolves protease activity in vivo. Nature Medicine. 8, (7), (2002).
  6. Hoffman, R. M. The multiple uses of fluorescent proteins to visualize cancer in vivo. Nature Reviews Cancer. 5, (10), 796-806 (2005).
  7. Schulz, R. B., Ale, A., et al. Hybrid system for simultaneous fluorescence and x-ray computed tomography. IEEE Transactions on Medical Imaging. 29, (2), 465-473 (2010).
  8. Stuker, F., Baltes, C., et al. Hybrid small animal imaging system combining magnetic resonance imaging with fluorescence tomography using single photon avalanche diode detectors. IEEE Transactions on Medical Imaging. 30, (6), 1265-1273 (2011).
  9. Leblond, F., Davis, S. C., Valdés, P. A., Pogue, B. W. Preclinical Whole-body Fluorescence Imaging: Review of Instruments, Methods and Applications. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 98, (1), 77-94 (2010).
  10. Kunjachan, S., Gremse, F., et al. Noninvasive optical imaging of nanomedicine biodistribution. ACS Nano. 7, (1), 252-262 (2013).
  11. Radrich, K., Ale, A., Ermolayev, V., Ntziachristos, V. Improving limited-projection-angle fluorescence molecular tomography using a co-registered x-ray computed tomography scan. Journal of Biomedical Optics. 17, (12), 126011 (2012).
  12. Freyer, M., Ale, A., Schulz, R. B., Zientkowska, M., Ntziachristos, V., Englmeier, K. -H. Fast automatic segmentation of anatomical structures in x-ray computed tomography images to improve fluorescence molecular tomography reconstruction. Journal of Biomedical Optics. 15, (3), 036006 (2010).
  13. Gremse, F., Theek, B., et al. Absorption Reconstruction Improves Biodistribution Assessment of Fluorescent Nanoprobes Using Hybrid Fluorescence-mediated Tomography. Theranostics. 4, (10), 960-971 (2014).
  14. Cheong, W. -F., Prahl, S. A., Welch, A. J. A review of the optical properties of biological tissues. IEEE Journal of Quantum Electronics. 26, (12), 2166-2185 (1990).
  15. Doleschel, D., Mundigl, O., et al. Targeted near-infrared imaging of the erythropoietin receptor in human lung cancer xenografts. Journal of Nuclear Medicine: Official Publication, Society of Nuclear Medicine. 53, (2), 304-311 (2012).
  16. Al Rawashdeh, W., Arns, S., et al. Optical tomography of MMP-activity allows a sensitive non-invasive characterization of the invasiveness and angiogenesis of SCC-xenografts. Neoplasia. 16, (3), 235-246 (2014).
  17. Kunjachan, S., Pola, R., et al. Passive versus Active Tumor Targeting Using RGD- and NGR-Modified Polymeric Nanomedicines. Nano Letters. 14, (2), 972-981 (2014).
  18. Schober, A., Nazari-Jahantigh, M., et al. MicroRNA-126-5p promotes endothelial proliferation and limits atherosclerosis by suppressing Dlk1. Nature Medicine. 20, (4), 368-376 (2014).
  19. Aikawa, E., Nahrendorf, M., et al. Osteogenesis associates with inflammation in early-stage atherosclerosis evaluated by molecular imaging in vivo. Circulation. 116, (24), 2841-2850 (2007).
  20. Gremse, F., Höfter, A., Schwen, L., Kiessling, F., Naumann, U. GPU-Accelerated Sparse Matrix-Matrix Multiplication by Iterative Row Merging. SIAM Journal on Scientific Computing. C54-C71 (2015).
  21. Vasquez, K. O., Casavant, C., Peterson, J. D. Quantitative Whole Body Biodistribution of Fluorescent-Labeled Agents by Non-Invasive Tomographic Imaging. PLoS ONE. 6, (6), e20594 (2011).
  22. Theek, B., Gremse, F., et al. Characterizing EPR-mediated passive drug targeting using contrast-enhanced functional ultrasound imaging. Journal of Controlled Release. 182, (1), 83-89 (2014).
  23. Hyde, D., Schulz, R., Brooks, D., Miller, E., Ntziachristos, V. Performance dependence of hybrid x-ray computed tomography/fluorescence molecular tomography on the optical forward problem. Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science, and Vision. 26, (4), 919-923 (2009).
  24. Jacques, S. L. Optical properties of biological tissues: a review. Physics in Medicine and Biology. 58, (11), R37 (2013).
  25. Loening, A. M., Gambhir, S. S. AMIDE: a free software tool for multimodality medical image analysis. Molecular Imaging. 2, (3), 131-137 (2003).
  26. Gremse, F., Schulz, V. Qualitative and Quantitative Data Analysis. Small Animal Imaging. 363-378 (2011).
  27. Baiker, M., Milles, J., et al. Atlas-based whole-body segmentation of mice from low-contrast Micro-CT data. Medical Image Analysis. 14, (6), 723-737 (2010).
  28. Sevick-Muraca, E. M., Rasmussen, J. C. Molecular imaging with optics: primer and case for near-infrared fluorescence techniques in personalized medicine. Journal of Biomedical Optics. 13, (4), 041303 (2008).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics