In vivo kvantitativ bedömning av Myocardial struktur, funktion, perfusion och livskraft Använda Cardiac Micro-datortomografi

Bioengineering
 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

van Deel, E., Ridwan, Y., van Vliet, J. N., Belenkov, S., Essers, J. In Vivo Quantitative Assessment of Myocardial Structure, Function, Perfusion and Viability Using Cardiac Micro-computed Tomography. J. Vis. Exp. (108), e53603, doi:10.3791/53603 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Introduction

Ischemisk hjärtsjukdom (IHD) fortsätter att vara den enskilt största orsaken till sjuklighet och dödlighet för män och kvinnor över hela världen 1. På grund av komplexiteten och inbördes som finns mellan de organ och system på organismnivå, förblir användningen av hela djuret som en modell för IHD relevant inte bara för vår förståelse av sjukdomar patofysiologi, men också tillåter utvärdering av nya preventiva och terapeutiska strategier . Musmodeller, i synnerhet, har bidragit till vår kunskap om hjärt utveckling, patogenes av hjärtinfarkt, hypertrofi, myokardit, och aneurysmatisk skador 2-7. De parametrar som bestämmer hjärtprestanda och är användbara när det gäller prognos och val av terapeutisk intervention är hjärt massa och geometri, global och regional funktion, rumslig fördelning av myocardial blodflöde och myokardviabilitet.

Dock de flesta av traditional prövnings metoder som används i musmodeller av hjärtsjukdom innebär invasiva mätningar som kräver timmar för fullbordande, vilket djuret kan inte användas för upprepade mätningar, eller metoden kräver djuroffer 8-12. Till exempel för att mäta regional myocardial perfusion, radioaktivt eller fluorescerande mikrosfärer används där radioaktivt räkna eller fluorescerande signaler upptäcks på ett fysiskt dissekerade hjärta eller in situ 13,14.

På liknande sätt, utvärdering av infarktstorlek i djurmodeller för hjärtinfarkt är oftast utförs av trifenyltetrazoliumklorid (TTC) färgning, och för att bestämma tidsförloppet av infarktutveckling och effekten av terapeutiska ingrepp, kräver denna teknik att djuren behöver offras för hjärtat histopatologisk undersökning vid olika tidpunkter 15. Som sådana, icke-förstörande och humana metoder som skulle tillåta quantitative och longitudinell analys av hjärt morfologi, funktion, metabolism och livsduglighet är av största vikt. I detta sammanhang är preklinisk avbildning av stor relevans. Bland de för närvarande tillgängliga avbildningsmetoder magnetisk resonanstomografi (MRT) och ekokardiografi är den vanligaste 16,17,18.

Men, och trots det faktum att MRT anses modalitet referenspunkt i både kliniska och prekliniska arbetet, de höga kostnaderna för att förvärva och bibehålla särskilda små djur MRI system, samt komplexiteten av denna teknik för icke-avancerade användare att använda gör MRI oöverkomligt dyra för rutinmässig användning. Med avseende på ekokardiografi existerar det betydande nackdelar med det sätt hjärtfunktion mäts. De data som produceras av de flesta ekokardiografiska undersökningar är tvådimensionell, och för att härleda volymer, geometriska antaganden måste göras 19. Dessutom, dålig inom och mellan observatör reproducibility är en annan betydande begränsning av denna teknik. Radioisotop avbildning med single-photon emission computed tomography (SPECT) och positronemissionstomografi (PET) är främst används för bedömning av myocardial perfusion och metabolism 17,20,21. Men gör begränsad rumslig upplösning av dessa avbildningsmetoder hjärt avbildning i möss utmanande.

Å andra sidan, med tillkomsten av platt detektorteknologi som möjliggör bättre röntgenkänslighet och snabbare avläsning gånger, nuvarande toppmodern microCT system kan nu erbjuda kardiorespiratorisk gated tredimensionella (3D) och fyrdimensionella ( 4D) bilder av MRI-kvalitet. De är i stort sett underhållskostnader gratis och enkelt att använda icke-avancerade användare. Sålunda kan sådana microCT instrument vara väl lämpad för rutinundersökning av små djur som modeller av human sjukdom. Viktigast av allt, med utvecklingen av en ny preklinisk joderat kontrastmedel, simultaneous funktionell och metabolisk bedömning av hjärtat blev möjligt 22-24.

Denna kontrastmedlet innehåller en hög koncentration av jod (160 mg / ml), som producerar en stark blod-pool kontrast efter dess intravenösa administrering möjliggör in vivo-avbildning av vaskulaturen och hjärtats kammare. Inom en timme efter administrering, kan observeras en kontinuerlig ökning av myokardisk kontrast associerad med dess metaboliska upptag, alltså samma kontrastmedlet kan användas för utvärdering av myokardial bedövning och viabilitet.

Målet med den teknik som beskrivs i detta manuskript är att göra det möjligt för forskare att använda höghastighets microCT system med inneboende kardiorespiratorisk gating, i samband med blod pool joderat kontrastmedel, för att bestämma hjärtmuskel global och regional funktion tillsammans med myocardial perfusion och livskraft hos friska möss och i en hjärtischemi musmodell inducerad genom permanent ocklusionav den vänstra främre nedåtgående kransartären (LAD). Genom att använda denna djurmodell och bildteknik, kan utföras snabbt utvärdering av de viktigaste hjärtparametrar repetitivt med en enda avbildning modalitet och utan behov av invasiva procedurer eller behovet av att offra djuren. Tekniken kan utföras för att utvärdera nya förebyggande och terapeutiska strategier.

Protocol

Alla djur arbete i denna studie godkändes av Erasmus MC djur forskningsetik kommittén. Alltigenom experimenten djuren hålls i enlighet med Erasmus MC institutionella regler. Vid slutet av experimentet djuren avlivades med användning av en överdos av inhalant bedövningsmedel isofluran. Vänligen söka Institutional Animal Care och användning kommittén godkännande innan de börjar arbetet.

1. Framställning av hjärtischemi Modell

  1. Söva musen (C57BL6, 12 veckor gamla) genom inhalation av 4% isofluran. Intuberas djuret med användning av en 20 G kanyl och respirate musen på 100 andetag per minut med en toppinandningstryck av 18 cm H2O och ett positivt slututandningstryck av 4 cm H2O
    1. Använda en gasblandning av O2 / N2 (v / v = 1/2), som innehöll 2,5% isofluran för att upprätthålla anestesi och applicera ögondroppar för att förhindra uttorkning av ögonen under anestesi. Place musen på en värmedyna och mäta kroppstemperaturen rektalt för att bibehålla kroppstemperaturen vid 37 ° C under operation.
  2. Injicera buprenorfin (0,05 till 0,2 mg / kg) subkutant strax före operation och kontrollera tå nypa reflex för att säkerställa tillräcklig anestesidjupet innan det kirurgiska ingreppet. Vaxning musen bröstet använder hårborttagningskräm och applicera jod på huden.
  3. Utför ett snitt genom att göra ett litet snitt med en sax i huden mellan den 2: a och 3: e vänster revben. Dra pectoralis mindre och xiphihumeralis muskler samt latissimus dorsi åt sidan med små krokar att tillåta åtkomst till interkostal muskler.
  4. Skär försiktigt genom den 3: e interkostala muskeln utan att skada lungorna med hjälp av en böjd 2 mm bladfjädern sax. Tryck lungan undan med en liten bit av våt gasväv och spräcka hjärtsäcken.
    OBS: Var noga med att inte skada den vänstra phrenic nerv.
    1. Repositipå de små krokar som håller muskeln att inuti thorax och omplacera dem så att en stor del av den vänstra ventrikulära (LV) fria väggen och en del av vänster förmak är synliga.
  5. Sätt en 7-0 silke kirurgisk sutur under den vänstra kransartären och täppa till artären genom stadigt knyta suturen.
    OBS! Eftersom i de flesta möss kransartären inte är synlig, fastställa positionen för ligatur med användning av atrium och alltid ligera kransartären 2 mm under kanten av det vänstra förmaket i syfte att standardisera infarktstorlek.
  6. Kontrollera visuellt för framgångsrik induktion av infarkt genom att bekräfta plank av den vänstra kammar fria väggen. När plank inte observeras, utföra ett ytterligare försök att täppa till LAD.
  7. Stäng bröstet ordentligt med en 6-0 silke kirurgisk sutur.
    OBS: bröstkorgen bör stängas lufttätt för att tillåta oberoende andning efter återhämtning.
  8. Rengöra såret med koksaltlösning och stänga huden med hjälp avsilkessuturer. Applicera lindad spray på huden för att stimulera sårläkning och förhindra infektion.
  9. Stäng av isofluran och vänta tills djuret börjar andas av sig själv innan du tar bort ventilationsröret. Placera musen i en bur på en värmedyna för att tillfriskna.
    OBS: Lämna inte ett djur utan tillsyn tills den har återfått tillräcklig medvetenhet för att upprätthålla ventrala VILA. Skicka inte tillbaka ett djur som har opererats för sällskap med andra djur tills återhämtat sig helt.
  10. Administrera ytterligare doser av buprenorfin varje 8-12 timmar efter operation för efter operationen smärtlindring. Administrera Buprenorfin (50 ^ g / kg) intraperitonealt.
    OBS: Scan djuren genom microCT (avsnitt 3) 3-4 timmar efter operationen för första skanningen och 6-7 timmar efter operationen för den andra skanningen.

2. Injektion av microCT Kontrast

  1. För att förvärva anatomiska, funktionella och metabolisk information i två successive microCT avbildning sessioner, använder joderat kontrastmedel.
  2. Exponera och behandla gummit av proppen med hjälp av 70% alkohol. Med hjälp av en låg rymd spruta död, dra en önskad volym (5-10 ul / g kroppsvikt) av kontrastmedlet. För att förhindra risken för emboli under injektion, rensa luftbubblor, om något, genom att föra kolven fram och tillbaka och / eller knacka försiktigt på sidan av sprutan och sakta utvisa luften i sterilt absorberande vävnad tills vätska visas vid toppen av nål.
    Anmärkning: Injektion av microCT kontrast kan utföras i medvetna eller sederade djur. Fysiskt tvång bör utföras på medvetna djur. För att minimera stress, överväga lätt sedering eller allmän isoflurananestesi med ett inhalationsanestesi systemet.
  3. Före injektion, bomullstoppen svansen med 70% alkohol. Värm upp svansen med en lampa eller genom nedsänkning av svansen i varmt vatten (40-45 ° C) för att ge bättre kärl utvidgning. Injicera kontrastmedlet intravenously (t.ex. via en av de laterala svansvenerna) vid 5-10 ^ il / g kroppsvikt.
    Obs: Optimera den injicerade dosen för en viss djurmodell eller microCT instrumentets anskaffnings inställningar som kontrastförbättring kan påverkas av hälsa eller kost status djuret under studien och nivån av bildbrus.

3. microCT Imaging

  1. Före kontrast injektion, slå på microCT skannern genom att trycka på datorns strömbrytare. Starta microCT styrprogram, och värma upp röntgenröret genom att klicka på Warm-up-knappen visas i programvaran kontrollfönstret.
  2. Låt för Live Mode-knappen för att visas i styrmjukvaran indikerar att uppvärmningen är klar. Sätt den lilla hålet locket och placera små djur säng.
  3. Skapa eller välj lämplig databas, studier och ämne där bilddata sparas. För att skapa en ny databas klicka på Ny databas knappen fönstret Databasange ett namn som skulle ange den nya databasen, klicka på knappen Bläddra i dialogrutan som visas, navigera till den enhet där databasen ska sparas och klicka på OK. Observera den nya databasen i databasfönstret. För att ansluta till en befintlig databas genom att klicka på Anslut till databas-knappen i fönstret Databas och dubbelklicka på databasens namn.
  4. Ställ in skannings villkor genom att välja följande parametrar från rullgardinsmenyer av programvaran kontrollfönstret: röntgenrör spänning, 90 kV; CT röntgen rörström, 160 iA; Live röntgenrör ström, 80 iA; FOV, 20 mm; Gating teknik, kardiorespiratorisk; Avsökningsteknik, 4,5 min.
    OBS: Denna avbildning protokoll möjliggör återuppbyggnad av slutdiastoliska och slut systoliskt 3D dataset, var och en med en matris storlek 512 x 512 x 512, med en rekonstruerad isotrop voxelstorlek av 40 um.
  5. Efter injicering av djuret med kontrastmedlet, söva den i en induktionskammare genom inhalation av 4% isofluran.Placera djuret på djuret sängen av skannern med en noskon levererar 1,5-2,0% isofluran i en luftsyreblandning. Vid behov, justera flödet av isofluran att uppnå djurets stabila andningsaktivitet med ≤60 andetag per minut.
  6. Stäng instrument luckan genom att skjuta den åt höger för att aktivera säkerhetsspärren. Slå på Live läge genom att klicka på Live Mode knappen visas på fönstret styrprogram för att se motivet i realtid. Observera X-capture-fönstret och djuret.
    Obs: Instrumentet genererar inte röntgenstrålar om dörren är ordentligt stängd och säkerhetskedjan är inkopplad.
  7. Flytta djuret sängen för att anpassa musen bröstet inom synfältet (FOV) genom att trycka på scenen Z-axelstyrning och tillbaka knapparna på framsidan av instrumentet. Kontrollera att bröstkorgen är i centrum inom FOV. Använd djuret sängen styr vänster och höger pilarna ligger på framsidan av instrumentet för att placera tHan djur i den blå markeringsramen.
    1. Vrid portal genom att välja "90" från listrutan Rotation Control visat på fönsterstyrprogram och klicka på knappen Set. Se till att djuret stannar inom den blå markeringsramen av X-capture-fönstret. Om det är nödvändigt, rikta djuret med hjälp av djur säng kontroll uppåt- och nedåtpilarna ligger på framsidan av instrumentet.
      Obs: Endast bilddata inom den blå markeringsramen som visas på X-capture-fönstret kommer att användas för att rekonstruera 3D-volymen.
  8. I Xcapture fönstret, ändra storlek på kardiorespiratorisk regionen av intresse (ROI) med vänster musknapp och dra ROI kanter med muspekaren, så att kardiorespiratorisk spår syns tydligt i synkroniserings vyn. Säkerställa att ROI täcker membranet och den apikala partiet av hjärta i alla portal positioner. Vrid portal 90 ° som beskrivs i steg 3,6 för att säkerställa att den koftao-andnings spår är fortfarande klart synliga.
    OBS: För att undvika onödig exponering för joniserande strålning, minimera den tid under vilken djuret position och kardiorespiratorisk ROI justeras.
  9. Klicka på knappen CT Scan visas på fönstret styrprogram för att initiera förvärvet. CT Scan bekräftelsemeddelande visas. Klicka på JA-knappen som visas i CT Scan Bekräftelsemeddelande för att bekräfta. Klicka på NO för att avbryta skanningen. När JA-knappen trycks in, kommer den röda röntgenenergigivande indikation finns på instrument lysa
    OBS: Indikationen är också synlig med symbolen blinkande spänning statusrutan instrumentet i fönstret styrprogramvara. Skanningen kommer att slutföras i 4,5 minuter. Den röntgenröret stängs av automatiskt och den röda röntgenenergigivande indikation finns på instrument och på kontrollpanelen i fönstret styrprogramvara dämpas. Projektionerna kommer att sorteras automatiskt och progryck kommer att indikeras med de gröna förloppsindikatorer visas på GetSynchronizedRaw fönster. Volymuppsättningar som representerar slutdiastoliska och slutsystoliska faser av hjärtcykeln kommer automatiskt att rekonstrueras inom 2-3 ytterligare minuter.
    OBS: För att avbryta skanningen klickar du på nödstoppsknappen i kontrollpanelen av programvaran fönsterstyrning eller tryck på mekanisk nödstoppsknapp på frontpanelen på instrumentet.
  10. Beakta tranaxiellt, koronala och sagittala vyer av rekonstruktioner i 2D Viewer. Ta några sekunder för att granska kvaliteten på de förvärvade bilderna. Leta efter tecken på djurförflyttningar som kan orsakas av en otillräcklig anestesi. Om det är nödvändigt, göra nödvändiga ändringar och upprepa skanningen.
    OBS: Om strukturerna i bilden fördubblas, visas med dubbla kanter, eller visas med ränder, då dessa är de vanliga "röda flaggor" som kan tyda på att nivån av anestesi kan vara otillräckliga och attdjuret har flyttat under genomsökningen. I sådana fall bör nivån på anestesi justeras och skanningen bör åter förvärvas.
  11. Ta bort djuret från skannern och möjliggöra fullständig återhämtning från anestesi under övervakning.
  12. Förvärva ytterligare microCT scan under den metaboliska fasen av kontrastupptaget (3-6 timmar efter kontrastinjektionen).
    OBS: Mer information om medel myocardial förbättringsvärden för C57Bl / 6 och BALB / c-möss publicerades av Detombe et al och Ashton et al 22,23..

4. microCT Dataanalys

  1. Fyll båda slutdiastoliska och slut systoliska VOX filer i Analysera 12 programvara.
  2. Öppna varje laddad bild med de sneda avsnitten modulen och utför korta axial bild reformation.
  3. För att minimera bildbehandlings tid att överväga beskära bilderna med hjälp av underregionen / pad volym funktion av bild Calculator modulen. För båda volymer, upprätthålla identiska SubRegion låg och hög X, Y, Z dimensioner.
  4. Bifoga både volymer och öppna med volym Edit modulen. För bättre visualisering av strukturerna, justera bildintensiteten om så behövs.
  5. Utför endokardiell kontursegmentering. Från halvautomatisk fliken Volym Redigera modulen väljer objekt Extractor, ställa ett frö punkt i den vänstra kammaren (LV) och justera tröskelvärden, så att den vänstra ventrikulära håligheten avgränsas från hjärtmuskeln. För att bestämma tröskelvärdet, använder automatiska tröskelalgoritmer eller full bredd halv maxvärde (FWHM) bestäms med linjeprofil modulen.
    1. Rita en gräns längs mitralisklaffen broschyr plan för att förhindra att regionen sprider sig till aorta, klicka på Extract Object för att slutföra segmentering. Båda slutdiastoliska och slut systoliska volymer kommer att behandlas automatiskt. Namnge regionen (t.ex. LV Cavity) och spara objektet kartan till motsvarande filkatalogen.
  6. perform epikardiella kontursegmentering. Lägg ett nytt objekt och utföra segmenteringen av epikardiella hjärtytan med antingen halvautomatisk eller manuell segmente verktyg volym Redigera modulen. Se till att både slut diastoliska och slut systoliskt konturer korrekt identifierats. Om det är nödvändigt, utföra manuell justering. Namnge regioner (t.ex. LV hjärtmuskeln) och spara objektet kartan till motsvarande filkatalogen.
    Obs: bildfiltrering med Spatial Filter modulen kan dessutom genomföras för att förbättra hastigheten och kvaliteten på segmente.
  7. För att utvinna volymmätningar från objektet kartor (sparas) öppna bifogade volym med intresseområdet modul. Kontrollera den korrigerade kartan laddas öppnar prov Option fönstret, se till att både LV kaviteten och LV hjärtmuskeln objekt är markerade, och klicka på exempelbilder knappen. Spara loggfilen.
  8. För regional analys av hjärtfunktionen och metabolism använder Radial Dioperatör verktyg för intresseområdet modul för att ytterligare underindela segmente volymer.

5. Beräkning av global och regional hjärtparametrar

  1. Att beräkna den vänstra ventrikulära slagvolymen (LVSV), subtrahera den vänstra ventrikulära slutsystoliska volymen (LVESV) från den vänstra ventrikulära slutdiastoliska volym (LVEDV):
    LVSV = LVEDV - LVESV;
  2. För att beräkna vänsterkammarens ejektionsfraktion (LVEF), dela vänsterkammarslagvolym (LVSV) av den vänstra ventrikulära slutdiastoliska volym (LVEDV) och multiplicera med 100%:
    LVEF = LVSV / LVEDV * 100%;
  3. Att beräkna hjärtminutvolym (CO), multiplicera den vänstra ventrikulära slagvolymen (LVSV) av hjärtfrekvens (HR):
    CO = LVSV * HR;
  4. För att beräkna vänsterkammar myocardial massa (LVMM), subtrahera den vänstra ventrikulära hjärtmuskelväggvolym bunden av den endokardiala ytan (LVMV ENDO) från vänster ventricular myokardiell väggvolym bunden av den epikardiella ytan (LVMV EPI), och multiplicera med den specifika vikten hos myokardium, 1,05 g / cm 3:
    LVMM = (LVMV EPI - LVMV ENDO) * 1,05;
  5. För att beräkna vänsterkammar myocardial mass index (LVMMI), dela vänsterkammar myocardial massa (LVMM) av mus kroppsvikt (BW):
    LVMMI = LVMM / BW;
  6. Att beräkna den procentuella andelen av den vänstra ventrikulära hjärtmuskelinfarktstorlek (% LVMIS), dela upp det vänstra ventrikulära volymen av infarkt myokardium (LVMV Ml) med den totala vänsterkammar myokardial volym (LVMV TOTAL), och multiplicera med 100%:
    % LVMIS = LVMV MI / LVMV TOTALT * 100%;
    Obs! LVMM, LVMMI och% LVMIS beräkningar använder endo- och epikardiella volymmätningar från motsvarande slutdiastoliska eller slut systoliskt datamängder. Rapportera genomsnittliga slut systoliskt och slut diastolic index.
  7. Att beräkna segmentvänsterkammarväggen rörelse avvikelser (LVWM), subtrahera segmentvänsterkammarslut systoliska väggdiameter (LVESWD) från segmentvänsterkammar slutet diastoliska vägg diameter (LVEDWD):
    LVWM = LVEDWD - LVESWD;
    Visa resultaten som periferi polära kartor (Bulls eye polära tomter).
  8. För att beräkna segmentvänsterkammarvägg förtjockning (% LVWTh), subtrahera segmentvänsterkammar slutet diastoliska väggtjocklek (LVEDWTh) från segmentvänsterkammarslut systoliska väggtjocklek (LVESWTh), dividera med segmentvänsterkammar slutdiastoliska vägg tjocklek (LVEDWTh), och multiplicera med 100%:
    % LVWTh = (LVESWTh - LVEDWTh) / LVEDWTh * 100%;
    Visa resultaten som periferi polära kartor (Bulls eye polära tomter).
  9. För att beräkna den regionala ejektionsfraktion (% REF), subtrahera kvadraten på segmentvänsterkammarslut systoliskavägg diameter (LVESWD) från kvadraten på segmentvänsterkammar slutet diastoliska vägg diameter (LVEDWD), dividera med kvadraten på segmentvänsterkammar slutet diastoliska vägg diameter (LVEDWD), och multiplicera med 100%:
    % REF = (LVEDWD 2 - LVESWD 2) / LVEDWD 2 * 100%;
    Visa resultaten som periferi polära kartor (Bulls eye polära tomter).
  10. Att presentera regional myocardial perfusion och kontrastupptag, konvertera medelintensiteten värden i CT-nummer (Hounsfield-enheter, HU). Konvertera både slutdiastoliska och slutsystoliska datauppsättningar genom att skalas luft vald från den valda utanför djuret att regionen - 1000 HU, och vatten till 0 HU med användning av en vattenfylld liten radio-transparent rör. Visa resultaten som periferi polära kartor (Bulls eye polära tomter).

6. Statistisk analys

  1. Representera alla polära plot återgivningsdata som medelvärde ± standardavvikelse (SD). Bedöm statistical skillnad med användning av en-vägs variansanalys (ANOVA) eller någon annan lämplig teknik.

Representative Results

MicroCT Förvärv, bildrekonstruktion, och bildkvalitet bedömning.

Fyra C57BL / 6 möss, tre med permanenta LAD ocklusion och ett skenopererade, framgångsrikt återhämtat sig från operationen och avslutade bild protokoll som bestod av en enda kontrastmedel intravenös bolusadministrering och två 4,5-min kardiorespiratorisk microCT förvärv. Medelvärdet hjärtfrekvens under microCT studierna var 385 ± 18 slag per minut. Slutdiastoliska och slut systoliska bildrekonstruktion används egen inneboende bildbaserad gating, där dedikerade andnings- och hjärtövervakningsanordningar såsom EKG-avledningar och andnings pneumatisk sensor behövdes inte. Efter återuppbyggnaden, var bildkvaliteten hos både slutdiastoliska och slut systoliskt dataset förhandsgranskas hjälp av 2D Viewer. Bildkvaliteten befanns tillfredsställande och det fanns inget behovatt utföra ytterligare bildförvärv. Således var alla de rapporterade uppgifterna kommer från två scanningar per mus; den första avsökningen tagen 10 minuter efter injektion under blodpoolen fasen av kontrasten och den andra avsökningen förvärvat 3-4 timmar efter injektion under den metaboliska upptagningsfasen av kontrasten. Representativ blod-pool korta axiella slutdiastoliska och slut systoliskt tvärsnitt av en mus hjärta med hjärtinfarkt (Figur 1) och en mus hjärta utan hjärtinfarkt (Figur 2) visade utmärkt vänsterkammar hålighet avgränsning med lite bakgrundsljud , vilket möjliggör noggrann anatomisk och funktionell utvärdering. Områden av kontrast FÖRTUNNANDE motsvarande hjärtinfarkt var väl avgränsade på kort axiella bilder av mushjärta kastades LAD kransartärligering (Figur 1), men inte i den skenbetar djur (Figur 2).

kvantitativ bedömning av vänsterkammarfunktion.

Tröskelbaserad 3D segmente utfördes på både slut diastoliska och slut-systoliska volymer för att bestämma vänsterkammar enddiastolisk volym (LVEDV) och vänsterkammarslutslagvolym (LVESV) i varje djur. Vänsterkammarslagvolym (LVSV), vänster kammares ejektionsfraktion (LVEF) och hjärtminutvolym (CO) beräknades från LVEDV och LVESV enligt formlerna som beskrivs i avsnitt 5. Resultaten av volym och globala funktionella mätningar sammanfattas i tabell 1 . Tre timmar efter ligeringen, den normaliserade för djuret kroppsvikt betyda LVEDV var inte olika mellan hjärtinfarkt gruppen och skenopererade djur (2,8 ± 0,23 vs. 2,3). Men kroppsvikten normaliserad genomsnittlig LVESV var högre i hjärtinfarkt gruppen (2,1 ± 0,31 jämfört med 0,92). Motsvarandely, medelvärdet LVEF och hjärtminutvolym (CO) i möss med LAD kransartärtilltäppning var lägre i jämförelse med den skenopererade mus (23,1% ± 7,1% mot 60,5%, och 0,26 ml ± 0,08 ml vs. 0,55 ml respektive ).

Kvantitativ bedömning av LV Myocardial Massa och infarkt storlek.

Både vänsterkammar myocardial massa (LVMM) och vänsterkammar myocardial mass index (LVMMI) bestämdes baserat på epikardiella och endokardiella segmente inklusive papillära muskler och trabekelantal. Båda slutdiastoliska och slut systoliskt rekonstruktioner bearbetades och värdena för både hjärtinfarkt gruppen och skenopererade djur sammanfattas i tabell 1. Hjärtinfarkt volymer bestämdes baserat på kontrast FÖRTUNNANDE använder tröskelbaserad 3D volumetry. Såsom visas i tabell 1, tre timmar efter LAD coronary artär ligering områden med risk (AAR) i mus 1, 2, och 3 var 22,4%, 13,3% och 15,8% av LVMM respektive.

Myokardperfusionsscintigrafi (MPI).

Representativ slutdiastoliska och slut-systolisk periferi polära tomt skärmar (Bulls Eye polära tomter) av myocardial perfusion i en mus med hjärtinfarkt (Mouse 1) och en mus utan hjärtinfarkt (Mouse 4) visas i figurerna 3 och 4. Bilderna används för att producera de tomter förvärvades 10 minuter efter agenten administration kontrast och 3 timmar efter LAD ligation. De slutdiastoliska och slutsystoliska homosegmental värden erhållna från samma djur var inte annorlunda. Dock hypoenhancement observerades i mitten av främre, mitten inferolateral, mid-anterolateralt, apikal främre och apikala sido segment av en mus med hjärtinfarkt ifarction, visar försämringar i krans blodflödet orsakas av LAD artärocklusion (Figur 3). Ingen sådan försämring kunde observeras i hjärtat av skenopererade djur (Figur 4).

Myokardviabilitet och Metabolism.

Representativ slutdiastoliska och slut-systolisk periferi polära tomt skärmar (Bulls Eye polära tomter) av hjärtinfarkt metabolisk upptag i en mus med hjärtinfarkt (Mouse 1) och en mus utan hjärtinfarkt (Mouse 4) visas i figurerna 7 och 8. Bilderna används för att producera de tomter förvärvades 3-4 timmar efter kontrast administration och 5-6 timmar efter LAD ligatur. Olikt myocardial kontrastupptag kunde också observeras visuellt i korta axel tvärsnitt av en mus hjärta som genomgick LAD koronar artärocklusion ( (Figur 6). De slutdiastoliska och slutsystoliska homo-segmentvärden erhållna från samma djur var inte annorlunda. Periferi polära tomter visade segmentet specifika avvikelser (Figur 7) med liknande mönster som visas på myokardisk perfusion kartor (Figur 2). Inga kontrastupptagnings defekter sågs på omkrets polära tomter av skenopererade mus (Figur 8).

Kvantitativ bedömning av LV Regional funktion.

Bildkvaliteten var tillfredsställande att utföra visuell bedömning av vänsterkammar rörelse och förtjockning av slutdiastoliska och slut systoliskt rekonstruktioner i alla avbildade möss. LV vägg rörelse, förtjockning och regional Ejektionsfraktionen poäng för varje segment av en mus med och utan min ocardial infarkt ges i figur 9 och figur 10. Såsom förväntades, LAD kransartärligering resulterade i markerad minskning av LV regionala funktionella indexen (figur 9), medan ingen effekt observerades i skenopererade mus (fig 10).

Figur 1
Figur 1. Representant blod-pool kort axiell slutdiastoliska (A) och slutsystoliska (B) tvärsektioner av en mus hjärta med hjärtinfarkt (mus 1). Bilder förvärvades 3 timmar efter LAD kranskärls ocklusion och 10 min efter kontrast administration. Den negativa kontrast noterats av gula pilar beror på bristande kontrast grumling i infarktområdet.

/53603/53603fig2.jpg "/>
Figur 2. Representativa blod-pool kort axiell slutdiastoliska (A) och slut systoliska (B) tvärsnitt av en mus hjärta utan hjärtinfarkt (Mouse 4). Bilder förvärvades 3 timmar efter sken operation och 10 minuter efter kontrast administration. Kontrast grumling är jämnt i alla hjärt skivor.

Figur 3
Figur 3. Representativa slutdiastoliska och slut-systolisk periferi polära tomt skärmar (Bulls Eye polära tomter) av myocardial perfusion i en mus med hjärtinfarkt (mus 1). (A) Den vänstra kammare är uppdelad i basal, mid-hålighet, och apikala korta axiella delar enligt 17-segmentet AHA modell 25. Avvikande perfusion syns tydligt i mitten av främre, mid-inferolateral, mittenanterolateralt, apikal främre och apikala sido segment. Värden som visas representerar segment innebär i Hounsfield-enheter ± standardavvikelser. (B) myokardperfusion kartor visas utan uppdelning i 17 segment. I mitten av tomten som motsvarar hjärt spetsen (segment 17) visas inte.

figur 4
Figur 4. Representativa slutdiastoliska och slut-systolisk periferi polära tomt skärmar (Bulls Eye polära tomter) av myocardial perfusion i en mus utan hjärtinfarkt (mus 4). (A) Den vänstra kammare är uppdelad i basal, mid-hålighet, och apikala korta axiella delar enligt 17-segmentet AHA modell 25. Liknande perfusion förekommer i alla segment. Värden som visas representerar segment innebär i Hounsfield-enheter ± standardavvikelser. (B) myokardperfusion kartor visas utan uppdelning i 17 segment. I mitten av tomten som motsvarar hjärt spetsen (segment 17) visas inte.

figur 5
Figur 5. Representativa metabolisk upptag kort axiell slutdiastoliska (A) och slut systoliska (B) tvärsnitt av en mus hjärta med hjärtinfarkt (Mouse 1). Bilder förvärvades 6-7 timmar efter LAD kranskärls ocklusion och 3-4 timmar efter kontrast administration. Den negativa kontrast noterats av vita pilar beror på brist på kontrast metabolisk upptag i infarktregionen.

figur 6
Figur 6. Representativa metabolisk upptag kort axiell slutdiastoliska ( (B) tvärsektioner av en mus hjärta utan myokardinfarkt (Mouse 4). Bilder förvärvades 6-7 timmar efter sken operation och 3-4 timmar efter kontrast administration. Myocardial metabolisk upptag av kontrasten är jämnt i alla skivor.

figur 7
Figur 7. Representativa slutdiastoliska och slut systoliska periferi polära tomt skärmar (Bulls Eye polära tomter) av hjärtinfarkt metabolisk upptag i en mus med hjärtinfarkt. (A) Den vänstra kammare är uppdelad i basal, mid-hålighet, och apikala kort P-axiella partier enligt den 17-segmentet AHA-modellen 25. Avvikande metabolisk upptag syns tydligt i mitten av anterolateralt, apikala främre, apikal sämre, och apikala sido segment. Värden som visas representerar segment medel i Hounsfield units ± standardavvikelser. (B) Myocardial metabola upptags kartor visas utan uppdelning i 17 segment. I mitten av tomten som motsvarar hjärt spetsen (segment 17) visas inte.

Figur 8
Figur 8. Representativa slutdiastoliska och slut systoliska periferi polära tomt skärmar (Bulls Eye polära tomter) av hjärtinfarkt metabolisk upptag i en mus utan hjärtinfarkt. (A) Den vänstra kammare är uppdelad i basal, mid-hålighet, och apikala kort P-axiella partier enligt den 17-segmentet AHA-modellen 25. Avvikande metabolisk upptag syns tydligt i mitten av anterolateralt, apikala främre, apikal sämre, och apikala sido segment. Värden som visas representerar segment innebär i Hounsfield-enheter ± standardavvikelser. (B) Myocardial Metabolic upptag kartor visas utan uppdelning i 17 segment. I mitten av tomten som motsvarar hjärt spetsen (segment 17) visas inte.

figur 9
Figur 9. Representativa myokardisk väggrörelse (mm), väggförtjockning (%), och den regionala ejektionsfraktion (%) omkrets polära plot skärmar (tjurar Eye polära tomter) av en mus med hjärtinfarkt. (A) Den vänstra ventrikeln är uppdelat i basal, mid-hålighet, och apikala korta axel delar enligt 17-segmentet AHA modell 25. Förekomsten av hypokinetiska, akinetiska och dyskinetiska regioner i mitten av hålrummet och apikala delar betecknar omfattande hjärtinfarkt defekt. (B) De regionala myocardial mätnings kartor visas utan uppdelning i 17 segment. I mitten av tomten som motsvarar hjärt spetsen (segment 17) ärinte visad.

Figur 10
Figur 10. Representativa myokardisk väggrörelse (mm), väggförtjockning (%), och den regionala ejektionsfraktion (%) omkrets polära plot skärmar (tjurar Eye polära tomter) av en mus utan myokardinfarkt. (A) Den vänstra ventrikeln är uppdelat i basal, mid-hålighet, och apikala korta axel delar enligt 17-segmentet AHA modell 25. Ingen uppenbar avvikelse upptäcks. (B) De regionala myocardial mätnings kartor visas utan uppdelning i 17 segment. I mitten av tomten som motsvarar hjärt spetsen (segment 17) visas inte.

Bord 1
Tabell 1. vänsterkammarvolymer och globala funktionella index meas. eras i tre möss 3 timmar efter LAD kransartärtilltäppning och i en skenopererade mus * BPM, slag per minut; LVEDV, vänsterkammar enddiastolisk volym; LVESV, vänsterkammarslutslagvolym; LVSV, vänsterkammarslagvolym; LVEF, vänsterkammar ejektionsfraktion; CO, cardiac output; LVMV TOTALT, totalt vänster ventrikulär myokardial volym; LVMM, vänsterkammar myocardial massa; LVMMI, vänsterkammar myocardial mass index; LVMV MI, vänsterkammar hjärtinfarkt volym; % LVMIS% vänsterkammar hjärtinfarkt storlek.

Discussion

MicroCT har under de senaste åren blivit modalitet många undersökningar anses för karakterisering av hjärt struktur och funktion i små djur 26-29,30. Emellertid det instrument som används i den tidigare arbete var antingen specialbyggd eller inte längre är kommersiellt tillgänglig. Som sådan var denna studie syftar till att ge en enkel och omfattande protokoll för användningen av höghastighets microCT system med inneboende kardiorespiratorisk grind att bestämma hjärt global och regional funktion tillsammans med myocardial perfusion och lönsamhet i små djur som modeller för mänskligt hjärta sjukdom.

En av de viktigaste förutsättningarna för att studera hjärt struktur och funktion är skannerns förmåga att redogöra för fysiologiska hjärtrörelser. För detta ändamål, EKG-baserade prospektiva och retrospektiva grindningstekniker kan användas. Men förlitar prospektiv (steg och skjuta) grind på en förutbestämd intervall av hjärtcykeln, för examenpel under diastole, när hjärtat rörelsen är minst. Med detta tillvägagångssätt endast en bild per hjärtcykel erhålls och endast en fas av hjärtcykeln kan rekonstrueras. Som sådan, förutom att vara tidskrävande att generera, prospektivt gated rekonstruktioner producerar bara en datamängd, som berövas funktionell information. Retrospektiv gating, å andra sidan, gör det möjligt för rekonstruktion av flera dataset vid varje parti av hjärtcykeln, så att global och regional vänsterkammar funktionell analys.

Det pågående arbetet användes hjärt- rekonstruktioner med inneboende retrospektiv gating. Intrinsic retrospektiv grind använder egenutvecklade bildbaserad programvara för att rekonstruera slutdiastoliska och slut-systoliskt hjärt faser utan behov av dedikerade andnings- och hjärtövervakningsanordningar 29,31,32. En utmärkt överenskommelse inneboende retrospektiv och yttre EKG-beroende retrospektiv grind för studying hjärtfunktion hos möss och råttor visades av Dinkel et al. 29. Under denna nuvarande arbete, inre retrospektiv grind inte bara avsevärt minimerat den tid som behövs för att ställa in skanningen, men också elimineras beroende av övervakning hårdvara, såsom EKG-avled och andnings pneumatisk givare, samt ytterligare operatörs färdigheter för att korrekt ställa upp.

Efter återuppbyggnaden, var bildkvaliteten hos både slutdiastoliska och slut systoliskt dataset hittades tillfredsställande för hjärt analys. Vid granskning av bilder, ägnades särskild uppmärksamhet till rörelseartefakter som kan uppstå under en otillräcklig anestesi, strimmor artefakter som kan hända till följd av saknade prognoser i djur med hög andningsfrekvens, låg dämpning artefakter som ofta orsakas av benstrukturer och kan härma perfusion, och ring artefakter som kan uppstå från felaktig kalibrering eller fel på en eller flera detektor element.

Förmågan hos microCT att producera hjärt strukturell och funktionell information är också beroende av tillgången på lämplig intravaskulärt kontrastmedel. De flesta för närvarande kommersiellt tillgängliga microCT kontraster kan generellt delas in i partikel icke-metaboliserbara makrofager specifika och polydispersa metaboliserbara jod-baserade kontraster 23,33-36. Även om partikelformiga medel erbjuder större röntgen opacifiering på grund av deras högre atomnummer (barium, Z = 56; och guld, Z = 79), kan de inte användas för metabolisk bedömning. Dessutom är dessa medel betraktas som skadliga för organismen och avlägsnas av levern makrofager (Kupffer-celler), den eliminerande cellerna i det retikuloendoteliala systemet (RES). På grund av deras icke-metaboliserbar natur, dessa medel inducerar förändringar i levern mikro samtidigt med leverskada 37.

Metaboliserbara jodbaserade kontraster, å andra sidan, är inte targeTed för RES-specifika avlägsnande, vilket bör erbjuda bättre säkerhetsprofil och undvika levertoxicitet. Förutom deras bättre säkerhetsprofil, är dessa kontraster tas upp av metaboliskt aktiva vävnader, vilket kan användas för lönsamheten bedömning 22,23. För detta ändamål var joderat kontrastmedel ut för denna studie. Kontrasten administrerades vid en dos av 5 eller 10 | j, l per gram djurets kroppsvikt som en enda intravenös bolusinjektion. Även om båda doserna gett tillfredsställande förbättringsresultat, var en dosberoende ökning av vänster-ventrikulära och myokardiala kontrastnivåer observerades när 10 | il / g av kontrast injicerades. Av intresse, med den större dosen, varaktigheten av blodpoolen var långvarig och toppen av hjärtinfarkt kontrastupptag försenades. Ett djur (mus 1) följdes upp under 10 veckor efter operationen och under denna period är det avbildades varannan vecka. Av erfarenhet, inga negativa effekter i samband med kontrasten (totalt 5 ijections) eller relaterade till röntgenexponering (totalt 10 microCT skannar) observerades i denna mus under övervakningsperioden. En av de vanligaste rapporterade biverkningar av långvarig jod exponering är sköldkörteln störning som inte observerades makroskopiskt på obduktioner. Mannheim et al. Studerade tyroxinnivåer efter 3 kontrast förvaltningar i rad och fann ingen skillnad när nivåerna jämfördes med kontrollerna 37. Med användningen av samma microCT dataset ades inga tecken på strålningsinducerad lungfibros detekteras i detta djur (data ej visade), som överensstämmer säkerheten av förfarandet.

Bedömning av global och regional kammarhjärtfunktion anses vara den starkaste faktorn för hjärtprestanda och betydelse för prognos och val av terapeutisk intervention 38,39. De globala vänstra ventrikulära funktionella index omfattar vänster kammar enddiastolisk volym (LVEDV), vänsterkammarslutslagvolym (LVESV), vänsterkammarslagvolym (LVSV), vänster kammares ejektionsfraktion (LVEF) och hjärtminutvolym (CO). Tidigare microCT studier bekräftade att kvantitativ utvärdering av den globala hjärtfunktion är möjlig i musmodeller hjärt-kärlsjukdom och att uttalad minskning av den globala hjärtfunktion sker strax efter LAD artärocklusion. Dessa upptäckter är i överensstämmelse med tidigare rapporter i det markant minskning i LVSV, LVEF, och CO inträffade redan på dag 1 efter ocklusion 29,40-43. Det är anmärkningsvärt att nämna att hjärt funktionella prestanda är beroende av typen och graden av anestesi, vilket för noggranna mätningar av hjärtfrekvensen under bildtagning bör hållas så fysiologisk som möjligt 44.

Kvantitativ bedömning av vänsterkammar myocardial massa (LVMM) är viktig för utvärdering av vänsterkammarhypertrofi och främst genomförs med hjälp av MRI 11,43,45,46. LVMM ofta korrigeras för kroppsvikt och presenteras som vänsterkammar myocardial mass index (LVMMI) för att möjliggöra normalisering av hjärtvikten bland möss av olika ålder och habitus. Noggrann uppskattning av dessa parametrar är viktigt, eftersom möss med hjärtinfarkt utveckla betydande LV hypertrofi 47. Bedömning av LVMM, LVMMI, och LV geometri är också viktigt för diagnostik av hjärthypertrofi och dysplasi 11. Som sådan kommer bestämningen av dessa parametrar dessutom vara fördelaktigt att skilja tillstånd såsom koncentriska hypertrofi, excentrisk hypertrofi, eller koncentriska ombyggnad. I föreliggande arbete, var båda LVMM och LVMMI värden bestämdes i möss som utsatts för LAD artär ligering och i skenopererade djur. Därefter bestämdes storleken av hjärtinfarkt identifierades och användes för att beräkna den procentuella andelen av infarktstorlek. Även under operationen ligaturen till LAD kransartären var Applied på samma nivå, på ocklusion genereras infarkter med viss variabilitet: 13,3%, 15,8%, och 22,4% (Tabell 1). En möjlig förklaring till denna variation kan härröra från skillnader i kranskärls anatomi och deras territoriella blodtillförsel mellan djuren, och i överensstämmelse med tidigare rapporter 48. Det vanligaste sättet att infarktstorlek bedömning i en musmodell av hjärtinfarkt är av ex vivo trifenyl tetrazoliumklorid (TTC) färgning, den teknik som inte skulle tillåta längsgående övervakning av sjukdomen i samma djur. I samband med tidigare arbeten av al. Ashton et 22 och denna närvarande är det anmärkningsvärt att microCT i samband med joderat kontrastmedel kan ge ett alternativ och icke-förstörande metod för bestämning av infarktstorleken i längdled.

En ytterligare fördel med den microCT tekniken ligger i den mycket noggrann bestämning av regional ischemi. like hos människor den vänstra kransartären hos musen delar sig i en nedåtgående artär (LAD) och en septal gren (LCX). Men i möss, anatomi sido grenar av LAD och LCX skiljer sig avsevärt mellan djur 48. Stora grenar av LCX ibland noga parallellt LAD och eftersom kransartärerna hos möss är inom hjärtinfarkt och därför inte syns, sido hängslen i LCX är ibland misstag men oundvikligen ingår i krans ocklusion under mus-infarkt förfarande. Som sådan, kan circumferentional polära kartan erhålls efter microCT användas för att bestämma exakt vilka kransartärer var tilltäppta, eftersom perfusion och kontrastupptag i sektorer 2, 3, 8 och 9 påverkas av LCX medan sektorer 7, 10, 11, 12 , 13, 15, 16 och 17 tillhandahålls av LAD. Följaktligen är den polära kartan till stor nytta för noggrann bestämning av tilltäppta artärer och därmed hjälper viktigare i den korrekta tolkningen av effekterna av myocardial infarkt av hjärtfunktion och sjukdomsprogression.

Den hjärtinfarkt musmodell användes höggradigt härmar den humana kliniska situation där kranskärlen blir plötsligt tilltäppt på grund av en akut plackbristning och är som sådan till stor nytta för att studera sjukdomen utvecklingen av infarkt hjärtat 49. Även i den utvecklade västvärlden behandling av patienter som lider av hjärtinfarkt riktar sig snabbt återställa recirkulation av kranskärlet, vid många tillfällen, särskilt i mindre ekonomiskt utvecklade länder där förekomsten av hjärtinfarkt ökar snabbt, kan ocklusion inte annulerades i tid 1,50. Detta framkallar i stora kammarinfarkter som oftast leder till kronisk hjärtsvikt och är en enorm börda för folkhälsan. Följaktligen längsgående icke-invasiva diagnostiska metoder med hjälp av en hjärtinfarkt modell med en permanent kranskärls occlusion och en stor kammarinfarkt är av stor betydelse för att utveckla nya behandlingsstrategier mot denna sjukdom.

Myocardial CT perfusion imaging är en snabbt växande teknik som möjliggör kvantitativ bedömning av regionala koronarblodflödes avvikelser och deras relevans för hjärtats funktion och livsduglighet. Nyare små djurstudier minskade gapet mellan microCT och SPECT, modalitet valet för perfusion och livskraft bedömning 22. Med målet att utvärdera graden av regional njurfunktion blodflödet orsakas av LAD kransartärtilltäppning ades microCT uppgifterna utvärderades också för myokardial perfusion information. Det ligerade LAD artären är känt att förse blodtillförseln till den fria väggen, en del av skiljeväggen, och den apikala området av den vänstra ventrikeln. Myocardial perfusion (hypoenhanced områden) från mus 1 visas i ett polärt koordinatsystem och självklart i mitten av främre, mitten inferolateral, mid-anterolateralt, apikalfrämre och apikala sido segment, resultaten överensstämmer med samma krans utgåvan (Figur 3). Ingen skillnad mellan perfusion härrör från slutdiastoliska och slut systoliskt bilder hittades i homosegments. Slut diastoliska och slut-systolisk myocardial perfusion polära kartvisning av skenopererade djur visas i Figur 4. Små skillnader i myocardial blodflöde mellan segmenten i kontrolldjuret är obetydlig på båda slutdiastoliska och slut systoliskt representationer . Intressant nog kan områdena hypoenhancement visuellt sett på kort axiella tvärsektionsbilder (Figur 1) och kan lätt kvantifieras såsom visas i figur 3. Detta var inte möjligt i studien av Befeda et al., Och kan förklaras av större bullret från microCT instrument som används 22. I syfte att visuellt urskilja, måste de signalskillnader vara minst tre till fem gånger störreän buller (standardavvikelse) i bilden 51. Låg ljudnivå av microCT användes i denna studie tillåten detektering av en liten signal skillnad mellan nedsatt och normalt perfusion hjärtmuskeln (127HU ± 23HU vs 217HU ± 29HU), vilket möjliggör framgångsrik bedömning av myokardisk perfusion mönster defekter.

En av de stora fördelarna med att använda joderat kontrastmedel är förmågan att bedöma myokardviabilitet och ämnesomsättning på grund av kontrasten relaterade hjärtmuskelförbättring. Såvitt vi vet, var kontrasten förmåga att förbättra hjärtmuskulaturen som först beskrevs av et al. Detombe 23 och dess första användning för hjärtinfarkt avbildning rapporterades av Ashton et al. 22. Trots att gruppen indikerade att perfunderad hjärtmuskeln i möss med hjärtinfarkt visade förbättring liknar kontrollerna, och att infarkthjärtmuskeln visade ingen förbättring, kvantitativ bedömning av segment myocardial enhancement rapporterades inte. För att ytterligare undersöka om myocardial förbättring kan kvantitativt utvärderas, alla mössen återavbildas användning av samma avbildning protokoll 3 - 4 timmar efter kontrast administration, när myocardial förbättring i förhållande till håligheten var maximal.

Myocardial kontrast upptagnings defekter observerades visuellt på kort axiell ände-diastoliska och slut-systolisk tvärsnitt bilder av en mus hjärta med hjärtinfarkt (Figur 5), men inte i den skenopererade djur (Figur 6). Myocardial upptag kvantitativt utvärderas i varje myocardial segment från både slut diastoliska och slut systoliskt rekonstruktioner och presenteras i ett polärt koordinatsystem (figur 7 och 8). De slutdiastoliska och slutsystoliska homosegmental värden erhållna från samma djur var inte annorlunda. Men de perifera polära tomter visade segmentsspecifika avvikelser (Figure 7) med liknande mönster som de som visas på myokardisk perfusion kartor (Figur 2). Inga kontrastupptagnings defekter sågs på omkrets polära tomter av skenopererade mus (Figur 8). De hjärtupptagningsdata var av tillräcklig kvalitet för att utföra globala funktionsanalys och kvantitativ bedömning av LV hjärtmuskelmassan och infarktstorlek (ej visad). Även om det inte är relevant för den aktuella använda modellen med permanent LAD kranskärls ocklusion, tror vi att kontrasten myocardial extraktion kan relateras inte bara till förändringar i regional myocardial blodflöde, men också till status av hjärtmuskelceller (t.ex. ärrade, bedövas och ide myokardium) . För att testa denna hypotes, kommer det framtida arbetet använda modellen med tillfällig myokardischemi och reperfusion.

Aktiv sammandragning av hjärtmuskeln resulterar i hjärtinfarkt väggrörelse och förtjockning som är viktiga markörer för systoliskt fsmörjelse och myokardviabilitet. Bedömning av regional väggrörelse, förtjockning, och ejektionsfraktion hjälper till att urskilja passiva systoliska vägg rörelse från aktiv myocardial kontraktion. För att möjliggöra standardiserad kvantifiering av omfattningen och svårighetsgraden av skadan, väggrörelse, vägg förtjockning och regionala fraktioner utstötnings vanligen avbildas i polära kartor. Avvikelser i regional ventrikulära väggen rörelse är viktiga markörer för myokardischemi som oftast bedöms av MRI 52. De LV väggrörelse, förtjocknings-och regional Ejektionsfraktionen poängen för varje segment av en mus med och utan hjärtinfarkt presenteras i figur 9 och figur 10. Såsom förväntades, LAD kransartärligering resulterade i markerad minskning av LV regionala funktionella indexen ( figur 9), medan ingen effekt observerades i skenopererade mus (figur 10). Dessa resultat är i överensstämmelse medtidigare rapporterade data.

Sammanfattningsvis har detta arbete visat den första framgångsrika användningen av en höghastighets microCT system för omfattande bestämning av hjärt globala och regionala funktionella parametrar samt bedömning av myocardial perfusion och livskraft i friska och i en musmodell av hjärtinfarkt. Detta arbete kan förlängas ytterligare mot karakterisering av andra modeller av hjärt-kärlsjukdom, vilket möjliggör noggrann och icke-förstörande utvärdering av hjärt funktionella och patofysiologiska förändringar, och för utvärdering av nya preventiva och terapeutiska strategier.

Disclosures

ED van D., RR, JE förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen. SB är en betald anställd PerkinElmer, som tillverkar avbildningsinstrument. Kostnader för publicering för denna video artikeln betalades av PerkinElmer.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Stichting Lijf en Leven, projekt utvidga kontra stenoserande arteriell sjukdom.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Quantum FX MicroCT Imaging System PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA Micro Computed Tomography System
XGI-8 Anesthesia System PerkinElmer, Hopkinton, MA, USA Cat. No. 118918 Gas Anesthesia System
Analyze 12.0 Software Analyze Direct, Overland Park, KS, USA Visualization and Analysis Software for Imaging
eXIA160 MicroCT Contrast Binitio Biomedical, Ottawa, ON, CANADA Cat. No. eXIA160-01; eXIA160-02; eXIA160-03; eXIA160-04; eXIA160-05 Iodine based Radiocontrast for MicroCT Imaging
Isoflurane Pharmachemie BV,
Haarlem, Netherlands
Cat. No. 45.112.110 inhalation anesthesia
1/2CC U-100 28G1/2 Insulin Syringe Becton Dickinson and Company,
USA
Cat. No. 329461 Insulin syringes with sterile interior
Leica microscope type M80 Leica Microsystems BV, Eindhoven, Netherlands Stereo zoom microscope

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Finegold, J. A., Asaria, P., Francis, D. P. Mortality from ischaemic heart disease by country, region, and age: statistics from World Health Organisation and United Nations. Int J Cardiol. 168, 934-945 (2013).
  2. Briaud, S. A., et al. Leukocyte trafficking and myocardial reperfusion injury in ICAM-1/P-selectin-knockout mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 280, H60-H67 (2001).
  3. Heymans, S., et al. Inhibition of plasminogen activators or matrix metalloproteinases prevents cardiac rupture but impairs therapeutic angiogenesis and causes cardiac failure. Nat Med. 5, 1135-1142 (1999).
  4. Kaijzel, E. L., et al. Multimodality imaging reveals a gradual increase in matrix metalloproteinase activity at aneurysmal lesions in live fibulin-4 mice. Circ Cardiovasc Imaging. 3, 567-577 (2010).
  5. MacLellan, W. R., Schneider, M. D. Genetic dissection of cardiac growth control pathways. Annu Rev Physiol. 62, 289-319 (2000).
  6. Michael, L. H., et al. Myocardial ischemia and reperfusion: a murine model. Am J Physiol. 269, H2147-H2154 (1995).
  7. Zhang, D., et al. TAK1 is activated in the myocardium after pressure overload and is sufficient to provoke heart failure in transgenic mice. Nat Med. 6, 556-563 (2000).
  8. Feldman, M. D., et al. Validation of a mouse conductance system to determine LV volume: comparison to echocardiography and crystals. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 279, H1698-H1707 (2000).
  9. Kolwicz, S. C., Tian, R. Assessment of cardiac function and energetics in isolated mouse hearts using 31P NMR spectroscopy. J Vis Exp. (2010).
  10. Kubota, T., et al. End-systolic pressure-dimension relationship of in situ mouse left ventricle. J Mol Cell Cardiol. 30, 357-363 (1998).
  11. Lorell, B. H., Carabello, B. A. Left ventricular hypertrophy: pathogenesis, detection, and prognosis. Circulation. 102, 470-479 (2000).
  12. Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Batkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and rats. Nat Protoc. 3, 1422-1434 (2008).
  13. Buckberg, G. D., et al. Some sources of error in measuring regional blood flow with radioactive microspheres. J Appl Physiol. 31, 598-604 (1971).
  14. Krueger, M. A., Huke, S. S., Glenny, R. W. Visualizing regional myocardial blood flow in the mouse. Circ Res. 112, e88-e97 (2013).
  15. Vivaldi, M. T., Kloner, R. A., Schoen, F. J. Triphenyltetrazolium staining of irreversible ischemic injury following coronary artery occlusion in rats. Am J Pathol. 121, 522-530 (1985).
  16. Johnson, K. Introduction to rodent cardiac imaging. ILAR J. 49, 27-34 (2008).
  17. Buonincontri, G., et al. MRI and PET in mouse models of myocardial infarction. J Vis Exp. e50806 (2013).
  18. Respress, J. L., Wehrens, X. H. Transthoracic echocardiography in mice. J Vis Exp. (2010).
  19. Gao, S., Ho, D., Vatner, D. E., Vatner, S. F. Echocardiography in Mice. Curr Protoc Mouse Biol. 1, 71-83 (2011).
  20. Stillman, A. E., Wilke, N., Jerosch-Herold, M. Myocardial viability. Radiol Clin North Am. 37, 361-378 (1999).
  21. Lahoutte, T. Monitoring left ventricular function in small animals. J Nucl Cardiol. 14, 371-379 (2007).
  22. Ashton, J. R., et al. Anatomical and functional imaging of myocardial infarction in mice using micro-CT and eXIA 160 contrast agent. Contrast Media Mol Imaging. 9, 161-168 (2014).
  23. Detombe, S. A., Dunmore-Buyze, J., Drangova, M. Evaluation of eXIA 160 cardiac-related enhancement in C57BL/6 and BALB/c mice using micro-CT. Contrast Media Mol Imaging. 7, 240-246 (2012).
  24. Prajapati, S. I., Keller, C. Contrast enhanced vessel imaging using microCT. J Vis Exp. (2011).
  25. Cerqueira, M. D., et al. Standardized myocardial segmentation and nomenclature for tomographic imaging of the heart. A statement for healthcare professionals from the Cardiac Imaging Committee of the Council on Clinical Cardiology of the American Heart Association. Circulation. 105, 539-542 (2002).
  26. Badea, C. T., Fubara, B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. 4-D micro-CT of the mouse heart. Mol Imaging. 4, 110-116 (2005).
  27. Bartling, S. H., et al. Retrospective motion gating in small animal CT of mice and rats. Invest Radiol. 42, 704-714 (2007).
  28. Clark, D., Badea, A., Liu, Y., Johnson, G. A., Badea, C. T. Registration-based segmentation of murine 4D cardiac micro-CT data using symmetric normalization. Phys Med Biol. 57, 6125-6145 (2012).
  29. Dinkel, J., et al. Intrinsic gating for small-animal computed tomography: a robust ECG-less paradigm for deriving cardiac phase information and functional imaging. Circ Cardiovasc Imaging. 1, 235-243 (2008).
  30. Drangova, M., Ford, N. L., Detombe, S. A., Wheatley, A. R., Holdsworth, D. W. Fast retrospectively gated quantitative four-dimensional (4D) cardiac micro computed tomography imaging of free-breathing mice. Invest Radiol. 42, 85-94 (2007).
  31. Boileau, C., et al. TGFB2 mutations cause familial thoracic aortic aneurysms and dissections associated with mild systemic features of Marfan syndrome. Nat Genet. 44, 916-921 (2012).
  32. Kachelriess, M., Sennst, D. A., Maxlmoser, W., Kalender, W. A. Kymogram detection and kymogram-correlated image reconstruction from subsecond spiral computed tomography scans of the heart. Med Phys. 29, 1489-1503 (2002).
  33. Boll, H., et al. Comparison of Fenestra LC, ExiTron nano 6000, and ExiTron nano 12000 for micro-CT imaging of liver and spleen in mice. Acad Radiol. 20, 1137-1143 (2013).
  34. Ford, N. L., et al. Time-course characterization of the computed tomography contrast enhancement of an iodinated blood-pool contrast agent in mice using a volumetric flat-panel equipped computed tomography scanner. Invest Radiol. 41, 384-390 (2006).
  35. Hainfeld, J. F., Smilowitz, H. M., O'Connor, M. J., Dilmanian, F. A., Slatkin, D. N. Gold nanoparticle imaging and radiotherapy of brain tumors in mice. Nanomedicine (Lond). 8, 1601-1609 (2013).
  36. Willekens, I., et al. Time-course of contrast enhancement in spleen and liver with Exia 160, Fenestra LC, and VC. Mol Imaging Biol. 11, 128-135 (2009).
  37. Mannheim, J. G., Schlichthärle, T., Pichler, B. J. Possible toxicological side effects after i.v. administration of iodine CT contrast agents. World Molecular Imaging Conference. Dublin, P400 (2012).
  38. White, H. D., et al. Left ventricular end-systolic volume as the major determinant of survival after recovery from myocardial infarction. Circulation. 76, 44-51 (1987).
  39. Sheehan, F. H., et al. Advantages and applications of the centerline method for characterizing regional ventricular function. Circulation. 74, 293-305 (1986).
  40. Nahrendorf, M., et al. High-resolution imaging of murine myocardial infarction with delayed-enhancement cine micro-CT. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 292, H3172-H3178 (2007).
  41. Sheikh, A. Y., et al. Micro-CT for characterization of murine CV disease models. JACC Cardiovasc Imaging. 3, 783-785 (2010).
  42. Young, A. A., Barnes, H., Davison, D., Neubauer, S., Schneider, J. E. Fast left ventricular mass and volume assessment in mice with three-dimensional guide-point modeling. J Magn Reson Imaging. 30, 514-520 (2009).
  43. Young, A. A., et al. Reperfused myocardial infarction in mice: 3D mapping of late gadolinium enhancement and strain. J Cardiovasc Magn Reson. 8, 685-692 (2006).
  44. Roth, D. M., Swaney, J. S., Dalton, N. D., Gilpin, E. A., Ross, J. Jr Impact of anesthesia on cardiac function during echocardiography in mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 282, H2134-H2140 (2002).
  45. Dall'Armellina, E., et al. Improved method for quantification of regional cardiac function in mice using phase-contrast MRI. Magn Reson Med. 67, 541-551 (2012).
  46. Shapiro, E. P. Evaluation of left ventricular hypertrophy by magnetic resonance imaging. Am J Card Imaging. 8, 310-315 (1994).
  47. Michael, L. H., et al. Myocardial infarction and remodeling in mice: effect of reperfusion. Am J Physiol. 277, 660-668 (1999).
  48. Salto-Tellez, M., et al. Myocardial infarction in the C57BL/6J mouse: a quantifiable and highly reproducible experimental model. Cardiovasc Pathol. 13, 91-97 (2004).
  49. van Deel, E. D., et al. Extracellular superoxide dismutase protects the heart against oxidative stress and hypertrophy after myocardial infarction. Free Radic Biol Med. 44, 1305-1313 (2008).
  50. Forouzanfar, M. H., et al. Assessing the global burden of ischemic heart disease, part 2: analytic methods and estimates of the global epidemiology of ischemic heart disease in 2010. Glob Heart. 7, 331-342 (2012).
  51. Rose, A. The sensitivity performance of the human eye on an absolute scale. J Opt Soc Am. 38, 196-208 (1948).
  52. Befera, N. T., Badea, C. T., Johnson, G. A. Comparison of 4D-microSPECT and microCT for murine cardiac function. Mol Imaging Biol. 16, 235-245 (2014).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics