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方法文章

小鼠心肌梗死模型中的磁共振成像与正电子发射断层扫描

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DOI：

10.3791/50806

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2013年12月19日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Wolfson Brain Imaging Centre, Department of Clinical Neurosciences, Unversity of Cambridge, 2Department of Medicine, University of Cambridge, 3Behavioural and Clinical Neurosciences Institute, University of Cambridge

本文内容

摘要

我们介绍了如何对小鼠心脏进行磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）成像。该方案专为评估心肌梗死和心力衰竭模型中治疗效果而设计。

摘要

心肌梗死是西方国家的主要死亡原因之一。由于小鼠心脏与人类心脏具有高度相似性，因此已成为测试新型治疗策略的理想模型。

体内磁共振成像（MRI）能够无创地清晰显示心脏的解剖结构细节，可用于准确评估心脏功能。对比剂可提供组织存活性的基本信息，但缺乏特异性。正电子发射断层扫描（PET）是一种高度特异性的分子成像互补技术，但缺乏MRI的解剖细节。将这两种技术结合使用，可为疾病状态下以及治疗后恢复期的心脏评估提供一种敏感、特异且定量的工具。

本文介绍了在急性心肌梗死小鼠模型中实施这些方法的具体步骤。文中所述操作流程旨在评估潜在的保护性药物治疗效果。我们采用磁共振成像（MRI）结合晚期钆增强技术测量收缩功能和梗死面积，并利用氟脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射断层扫描（PET）评估梗死区域的代谢功能。本文重点讨论了切片规划、精确门控、药物递送、图像分割以及多模态图像配准等实际操作要点。所介绍的方法在保持高通量的同时，实现了良好的重复性和准确性。

引言

为了在临床前研究中评估心肌梗死（MI）新治疗策略的有效性，需要对急性期以及长期预后进行评估。1组织病理学、心内导管等方法2，以及 离体 心脏模型3 常用于小鼠的临床前研究。然而，无法对治疗进行后续跟踪 离体 或高度侵入性方法。非侵入性测量技术作为 体内 磁共振成像（MRI）和正电子发射断层扫描（PET）可实现对单个受试对象进行疾病分期的纵向实验设计。电影磁共振成像（Cine-MRI）可用于获取左心室质量（LVM）、射血分数（EF）和心输出量（CO）等整体功能参数。此外，在注射钆对比剂后，由于梗死区域存在灌注受损及清除延迟，可通过延迟钆增强（LGE）MRI评估组织存活性。互补地，PET能够灵敏检测放射性标记分子，以评估组织代谢情况。这些技术的高精确度显著减少了针对心肌梗死（MI）新药研发所需的实验动物数量。

PET 和 MRI 检测过程较为复杂，若无精心设计的方案，难以保证可重复性。临床上为患者建立的检测流程在用于小鼠时需要进行大量修改，原因是小鼠的心率显著更快，且心脏尺寸更小4。个体间在基线水平以及对诱导损伤的反应方面均存在较大差异，因此需要使用较大量的小鼠才能确定治疗效果。

在本报告中，我们描述了对小鼠心脏进行连续PET/MRI成像的方法。两种成像方式均使用经尾静脉注射的静脉对比剂。MRI包括采用Cine-MRI的标准评估5 采用我们先前研究所述的LGE最佳方案6整个MRI过程持续30分钟。我们已为仪器的床体设计了统一的适配装置，因此可在不同设备间转移动物，转移平台配备相同的监测和麻醉输送装置。PET扫描持续45分钟，伴随 原位 扫描开始后进行注射。最后一步是在完成图像配准后，从MRI和PET图像中测量相关参数。

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方案

本研究的所有实验步骤均依照英国《1986年动物（科学程序）法案》进行，并获得剑桥大学伦理审查委员会的批准。

1. 动物准备

  1. 通过外科手术诱导梗死7,8。若需测量急性期，应在手术干预后24小时进行成像。
  2. 准备一根细的注射管路，一端连接25 G针头用于给药，另一端连接带有25 G针头的注射器。管路长度应足以从磁体孔外进行注射（约 1.5 m）。
  3. 将Gadovist用生理盐水稀释，配制成溶液，并根据小鼠体重调整剂量至3 mmol/kg，用注射器抽取相应体积的溶液。注射体积应保持在50–100 µl之间。
  4. 用Gadovist溶液预充满管路。为防止血液凝固，将靠近套管端的管路末端用肝素生理盐水填充。
  5. 将小鼠置于麻醉诱导盒中，以1 L/min的流速给予3%异氟烷（O2 ），持续3–5分钟，必要时调整。合适的麻醉深度可通过呼吸频率减慢来判断，呼吸频率应降至70次/分钟以下。
  6. 使用先前准备的管路穿刺尾静脉，并用医用胶带固定针头，防止术中移位。

2. 动物体位安置与监测

  1. 将小鼠置于MRI床面上，以1 L/min的氧气流速输送1-2%异氟烷2 根据需要维持麻醉。保持呼吸频率在20-70次/分钟之间。
  2. 确保MRI线圈的中心位于小鼠心脏位置上方。
  3. 将呼吸感应垫传感器置于膈肌下方稍低位置以监测呼吸。使用带有预润滑盖片的直肠温度计监测核心体温。确保扫描期间体温保持在37±2 °C恒定水平。
  4. 进行心电图监测时，将三个电极分别置于前肢和左后肢的足掌上，确保脚趾掌面完全张开。选择信号质量最佳的一对电极用于获取心电图。将心电图导线相互绞合，以防止其在磁共振成像的共振频率下形成谐振电路，否则在运行脉冲序列时会严重干扰心电图信号。
  5. 确保使用胶带将电极牢固地固定在实验台上。电极和鼻部固定器将在整个实验过程中固定动物的位置。
  6. 将水浴加热垫置于小鼠上方，包裹住监测设备和线圈导线，以维持小鼠体温。
  7. 将床的激光与心脏位置对齐；以前脚趾连线作为解剖标志。使用自动床将此位置置于磁体等中心。
  8. 运行 MRI 系统的标准校准程序。
  9. 将监测设备设置为检测心电图中的R波。针对每只小鼠及每次成像过程，调整阈值，以确保触发的可靠性。

3. 磁共振成像

  1. 获取一幅定位像，用于规划多平面定位像。
  2. 在图像中识别心脏，最简便的方法是通过血流伪影。如果图像显示小鼠在线圈或等中心位置未居中，则撤回床体并重新调整位置。
  3. 采集一幅快速梯度回波（GE）图像，每个方向采集五层，视野（FOV）为3 cm ，并开启心电门控。
  4. 运行一次以心脏为中心的无门控3D扫描，用于PET图像配准（扫描参数见表1）。在该扫描进行的同时，规划后续扫描。
  5. 规划四腔心（4 ch）视图扫描（扫描参数见表1）。该切面应穿过心尖以及三尖瓣和二尖瓣，显示全部四个心腔。
  6. 规划两腔心（2 ch）视图扫描（扫描参数见表1）。该切面应穿过心尖和三尖瓣，显示左心房和左心室。
  7. 交叉核对两个长轴视图的几何位置。若层面规划不理想，需重复扫描。
  8. 规划一组垂直于四腔心和两腔心视图的短轴层面（扫描参数见表1），覆盖整个心脏，从第一个无血池的最心尖层面开始，至第一个无右心室的基底部层面结束。各层面应等间距排列，不得留有间隙。

4. 晚期钆增强

  1. 增加门控的空白时间以采集每隔一次的心跳（TR = 550–750 毫秒）。必须设置延迟，使采集在心电图（ECG）的舒张末期进行。
  2. 在注射前执行一次低分辨率的LGE序列扫描（扫描参数见表1），以确认门控正确且无血流伪影。若在舒张期存在血流伪影，可略微增加延迟时间（即在收缩期极早期成像）以消除伪影。
  3. 在15秒内缓慢而稳定地注射Gadovist溶液。
  4. 注射后启动LGE成像（扫描参数见表1）。在注射后15分钟内成像可获得良好的对比度。

5. PET 成像

  1. 将MRI检查床转移至PET扫描仪处，保持接收器位置不变，并将其牢固固定在PET检查床支架上。连接麻醉和监护设备。
  2. 将心脏置于PET视野中心，仅沿轴向移动床面。
  3. 使用锗源获取单次透射扫描。
  4. 用注射器从容器中抽取10-30 Mbq放射性标记的FDG。操作放射性物质时应采取必要的防护措施。使用井型计数器测量放射性活度。小鼠的适宜注射体积为50-100 µl；若体积过小，可用生理盐水稀释溶液。
  5. 开始发射扫描，设置为采集列表模式门控PET，持续45分钟。同时，在15秒内缓慢而稳定地注射示踪剂。用足量生理盐水冲洗管路，以确保全部放射性示踪剂被输送至体内。
  6. 为保障动物健康，三次注射的总体积不得超过 300 µl（即 加多利道、氟脱氧葡萄糖、冲洗
  7. 将注射器放回井式计数器中以测量残留放射活性。
  8. 严格遵守当地关于放射性物质处理的规定。

6. MRI 分割

  1. 在 Segment v1.9 9 中加载电影磁共振成像（Cine-MRI）图像。
  2. 运行自动分割工具。从心室内的一个点开始，这些工具将膨胀估计的心室壁，直到找到最佳匹配。
  3. 在收缩末期（ES）和舒张末期（ED）手动勾画左心室（LV）和右心室（RV），其中 ES 和 ED 分别定义为左心室整体容积最大和最小的图像帧。全程排除乳头肌和肌小梁。请勿调整图像对比度，因为对比度不一致会导致对部分容积效应的不同解释。
  4. 如图6所示，在 ES 和 ED 时相手动勾画心外膜，用于左心室质量计算。心肌组织不可压缩，因此左心室质量在 ES 和 ED 时相应保持一致。若两者差异超过 5%，可能存在操作者误差，应重新核查。
  5. 在心室基底部，使用一条直线区分心室与心房，如图6所示，并借助长轴切面图像确定该层面的角度。
  6. 在长轴切面图像上交叉核对分割结果。
  7. 在延迟强化（LGE）图像上手动勾画瘢痕区域。将瘢痕体积除以电影成像所得的左心室质量，得到瘢痕占左心室质量的百分比。

7. PET 分析与 MRI 共配准

  1. 使用三维滤波反投影算法重建PET图像，并将数据显示标准摄取值的数据导出为Nifti格式（http://nifti.nimh.nih.gov/）。
  2. 利用PET与MRI系统之间的固定变换矩阵对所有PET图像进行转换。如果该矩阵未知，可使用放射性物质填充几何体模，先进行MRI扫描，然后将床面移至PET设备并进行发射扫描。由此获得的将PET图像转换至MRI图像的变换矩阵即为从PET系统到MRI系统的标准矩阵。
  3. 使用SPM-mouse整体配准工具10将平均PET图像与三维MRI图像进行配准。
  4. 堆叠Cine-MRI的切片以获得三维重建图像，并进行插值处理以达到0.3 mm的各向同性分辨率。使用SPM-Mouse配准工具将舒张末期的PET容积图像与舒张末期的MRI容积图像进行配准，并将同一变换矩阵应用于其他所有心脏时相。
  5. 为评估PET梗死范围，选择心脏内最大强度的50%作为阈值，以区分梗死与非梗死体素。将梗死体素表示为左心室（LV）总体积的百分比。

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结果

使用磁共振成像（MRI）的一个优势在于可采用纵向研究设计对疾病进行分期。这在评估新型化合物时尤为重要，因为其作用的时间进程可能尚不明确。图4展示了同一动物在疾病进展过程中心脏容积的变化。该图清晰地显示了心肌梗死后心室重构的效应。

正确的切面几何形状对于心脏磁共振成像实验的成功至关重要。本文报告了多种磁共振扫描中具有代表性的切面规划及其相应的几何形状。 图5两个MRI短轴切面的分割结果如图所示 图6我们的电影磁共振成像（Cine-MRI）方法在左心室质量（LV mass）上达到了4%的精度，舒张末期容积（EDV）为3%，收缩末期容积（ESV）为5%，每搏输出量（SV）为2%，射血分数（EF）为2%，梗死面积为4%（变异系数，基于测量结果） n = 4只野生型小鼠，均重复进行2次数据采集和分割处理（每只动物重复2次）。

PET 可用于测量特定示踪剂在整个体内的结合情况。图7显示了...

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讨论

PET/MRI 是一种综合性的测量方法，可用于对心肌梗死小鼠模型的收缩功能、组织存活性及特异性代谢标志物进行无创且纵向的评估。本文介绍了一种依次进行 MRI 和 PET 检测的实验方案，通过在不同系统间转移相同的扫描床实现简化的图像配准。该策略也被临床系统制造商所采用11，无需使用集成式的 PET/MRI 扫描仪，仅需常规设备即可完成。在测定两套系统之间的固定变换矩阵后，PET 与 MRI 数据可通过轴向平移实现配准。这种简化方法在心脏研究中尤为实用，因为心脏成像中的运动使得图像配准过程更为复杂。

该方案可使用多种市售的扫描仪进行。只要能够将MRI床与PET设备正确连接以实现精确定位，即可使用不同的PET相机。如果对脉冲序列进行适当调整，则还可以在不同磁场强度12-15,下进行MRI测量，适用于小口径以及临床系统16。尽管在4.7 T时通过谨慎放置电极可保证ECG信号质量，但在更高磁场强度下，这种方法可能并不总是有效，此时可能需要自门控技术17。

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致谢

我们感谢英国心脏基金会对TK的资助，以及英国医学研究理事会为GB提供的研究生研究奖学金。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
加多利珠Bayer Schering PharmaPL 00010/0535
氟代脱氧葡萄糖（FDG）IBA Molecular
设备
Bruker BioSpec 47/40Bruker
Bruker 小鼠床Bruker该小鼠床包含用于麻醉输送和废气清除的管路。
直径为 12 cm 的鸟笼式发射线圈BrukerT5346
直径为 2 cm 的表面接收线圈BrukerT7027
Red Dot 新生儿监测电极3M货号：2330
监测设备SA Systems监测套件包括用于呼吸监测的呼吸垫和用于体温测量的直肠探针。
麻醉设备General Anesthetic Services
诱导箱Vet Tech Solutions LTD
剑桥分体式磁体 PET/MRI 扫描仪剑桥大学使用自行研制的 PET/MRI 扫描仪22进行 PET 成像，其 PET 性能与 F120 micropet 扫描仪23相似
Segment 软件Medviso, 隆德大学免费提供
SPM-mouse剑桥大学免费提供

参考文献

  1. Borst, O., et al. Methods employed for induction and analysis of experimental myocardial infarction in mice. Cell. Physiol. Biochem. 28, 1-12 (2011).
  2. Pacher, P., Nagayama, T., Mukhopadhyay, P., Bátkai, S., Kass, D. A. Measurement of cardiac function using pressure-volume conductance catheter technique in mice and. 3, 1422-1434 (2008).
  3. Larsen, T. S., et al. The isolated working mouse heart: methodological considerations. Pflügers Arch. 437, 979-985 (1999).
  4. Epstein, F. H. MR in mouse models of cardiac disease. NMR Biomed. 20, 238-255 (2007).
  5. Schneider, J. E., Wiesmann, F., Lygate, C. A., Neubauer, S. How to perform an accurate assessment of cardiac function in mice using high-resolution magnetic resonance imaging. J. Cardiov. Magn. Reson. 8, 693-701 (2006).
  6. Buonincontri, G., Methner, C., Krieg, T., Carpenter, T. A., Sawiak, S. J. A fast protocol for infarct quantification in mice. J. Magn. Reson. Imaging. , (2013).
  7. Methner, C., Schmidt, K., Cohen, M. V., Downey, J. M., Krieg, T. Both A2a and A2b adenosine receptors at reperfusion are necessary to reduce infarct size in mouse hearts. Am. J. Physiol. 299, 1262-1264 (2010).
  8. Methner, C., et al. Protection through postconditioning or a mitochondria-targeted S-nitrosothiol is unaffected by cardiomyocyte-selective ablation of protein kinase. , in press (2013).
  9. Heiberg, E., et al. Design and validation of Segment--freely available software for cardiovascular image analysis. BMC Med. Imaging. 10, 1 (2010).
  10. Sawiak, S. J., Wood, N. I., Williams, G. B., Morton, A. J., Carpenter, T. A. Voxel-based morphometry in the R6/2 transgenic mouse reveals differences between genotypes not seen with manual 2D morphometry. Neurobiol. Dis. 33, 20-27 (2009).
  11. Zaidi, H., et al. Design and performance evaluation of a whole-body Ingenuity TF PET-MRI system. Phys. Med. Biol. 56, 3091-3106 (2011).
  12. Thomas, D., et al. T1-weighted cine FLASH is superior to IR imaging of post-infarction myocardial viability at 4.7T. J. Cardiov. Magn. Reson. 8, 345-352 (2006).
  13. Protti, A., Sirker, A., Shah, A. M., Botnar, R. Late gadolinium enhancement of acute myocardial infarction in mice at 7T: cine-FLASH versus inversion recovery. J. Magn. Reson. Imaging. 32, 878-886 (2010).
  14. Bohl, S., et al. Advanced methods for quantification of infarct size in mice using three-dimensional high-field late gadolinium enhancement MRI. Am. J. Physiol. 296, 1200-1208 (2009).
  15. Chapon, C., Herlihy, A. H., Bhakoo, K. K. Assessment of myocardial infarction in mice by late gadolinium enhancement MR imaging using an inversion recovery pulse sequence at 9.4T. J. Cardiov. Magn. Reson. 10, 6 (2008).
  16. Price, A. N., et al. Cardiovascular magnetic resonance imaging in experimental models. The open cardiov medicine journal. 4, 278-292 (2010).
  17. Hiba, B., Richard, N., Thibault, H., Janier, M. Cardiac and respiratory self-gated cine MRI in the mouse: comparison between radial and rectilinear techniques at 7T. Magn. Reson. Med. 58, 745-753 (2007).
  18. Buonincontri, G., et al. PET/MRI in the infarcted mouse heart with the Cambridge split magnet. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. , (2012).
  19. Büscher, K., et al. Isochronous assessment of cardiac metabolism and function in mice using hybrid PET/MRI. J. Nucl. Med. 51, 1277-1284 (2010).
  20. Berr, S. S., et al. Images in cardiovascular medicine. Serial multimodality assessment of myocardial infarction in mice using magnetic resonance imaging and micro-positron emission tomography provides complementary information on the progression of scar formation. Circulation. 115, 428-429 (2007).
  21. Lee, W. W., et al. PET/MRI of inflammation in myocardial infarction. J. Am. Coll. Cardiol. 59, 153-163 (2012).
  22. Lucas, A. J., et al. Development of a combined microPET-MR system. Technol. Cancer Res. Treat. 5, 337-341 (2006).
  23. Hawkes, R. C., Fryer, T. D., Siegel, S., Ansorge, R. E., Carpenter, T. A. Preliminary evaluation of a combined microPET-MR system. Technol. Cancer Res. Treat. 9, 53-60 (2010).

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