Hoge resolutie cardiale positronemissietomografie/computertomografie voor kleine dieren

Summary

Hier presenteren we een experimenteel beeldvormingsprotocol voor de kwantificering van de hartfunctie en morfologie met behulp van hoge resolutie positronemissietomografie / computertomografie voor kleine dieren. Zowel muizen als ratten worden overwogen en bespreken de verschillende vereisten van computertomografiecontrastmiddelen voor de twee soorten.

Abstract

Positronemissietomografie (PET) en computertomografie (CT) behoren tot de meest gebruikte diagnostische beeldvormingstechnieken en dienen beide bij het begrijpen van de hartfunctie en het metabolisme. In preklinisch onderzoek worden speciale scanners met een hoge gevoeligheid en een hoge spatio-temporele resolutie gebruikt, ontworpen om te voldoen aan de veeleisende technologische vereisten die worden gesteld door de kleine hartomvang en zeer hoge hartslag van muizen en ratten. In dit artikel wordt een bimodaal cardiaal PET/CT-beeldvormingsprotocol voor experimentele muis- en/of rattenmodellen van hartaandoeningen beschreven, van diervoorbereiding en beeldacquisitie en reconstructie tot beeldverwerking en visualisatie.

In het bijzonder maakt de ¹⁸F-gelabelde fluorodeoxyglucose ([¹⁸F] FDG) -PET-scan het mogelijk om het glucosemetabolisme in de verschillende segmenten van de linker ventrikel (LV) te meten en te visualiseren. Polar kaarten zijn handige hulpmiddelen om deze informatie weer te geven. Het CT-deel bestaat uit een tijd-opgeloste 3D-reconstructie van het hele hart (4D-CT) met behulp van retrospectieve gating zonder elektrocardiografie (ECG) leads, waardoor de morfofunctionele evaluatie van de LV en de daaropvolgende kwantificering van de belangrijkste hartfunctieparameters, zoals ejectiefractie (EF) en beroertevolume (SV) mogelijk is. Met behulp van een geïntegreerde PET/CT-scanner kan dit protocol worden uitgevoerd binnen dezelfde anesthesie-inductie zonder dat het dier tussen verschillende scanners hoeft te worden verplaatst. Daarom kan PET / CT worden gezien als een uitgebreid hulpmiddel voor de morfofunctionele en metabole evaluatie van het hart in verschillende kleine diermodellen van hartaandoeningen.

Introduction

Kleine diermodellen zijn uiterst belangrijk voor de vooruitgang van het begrip van hart- en vaatziekten ^1,2. Niet-invasieve, diagnostische beeldvormingstools hebben de afgelopen decennia een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we naar de hartfunctie kijken, zowel in klinische als preklinische omgevingen. Wat de kleine diermodellen van hartziekten betreft, zijn specifieke beeldvormingsinstrumenten ontwikkeld met een zeer hoge spatiotemporele resolutie. Dergelijke instrumenten kunnen dus overeenkomen met de behoefte aan nauwkeurige kwantificering van de relevante metabole en kinetische myocardiale parameters op de zeer kleine en zeer snel bewegende harten van muizen en ratten in specifieke ziektemodellen, zoals hartfalen (HF)³ of myocardinfarct (MI)⁴. Hiervoor zijn verschillende modaliteiten beschikbaar, elk met hun eigen sterke en zwakke punten. Echografie (VS) beeldvorming is de meest gebruikte modaliteit vanwege de grote flexibiliteit, zeer hoge temporele resolutie en relatief lage kosten. De acceptatie van Amerikaanse cardiale beeldvorming bij kleine dieren is aanzienlijk toegenomen sinds de komst van systemen met sondes met ultrahoge frequentie ^5,6, met ruimtelijke resoluties van minder dan 50 μm.

Een van de belangrijkste nadelen van de VS voor volledig 3D cardiale beeldvorming is de behoefte aan lineaire scans langs de hartas door de sonde op een gemotoriseerde vertaalfase te monteren om een volledige stapel dynamische B-modusbeelden van het hele hart te maken⁷. Uiteindelijk leidt deze procedure (na nauwkeurige ruimtelijke en temporele registratie van de beelden die in elke probepositie zijn verkregen) tot een 4D-beeld met verschillende ruimtelijke resoluties tussen de in-plane en out-of-plane richtingen. Hetzelfde probleem van niet-uniforme ruimtelijke resolutie doet zich voor bij cardiale MR (CMR),⁸ die nog steeds de gouden standaard vertegenwoordigt in de functionele beeldvorming van het hart. Echte isotrope 3D-beeldvorming kan in plaats daarvan worden verkregen met behulp van zowel computertomografie (CT) als positronemissietomografie (PET)⁹. PET biedt een zeer gevoelig hulpmiddel in termen van beeldsignaal per hoeveelheid geïnjecteerde sonde (in het nanomolaire bereik), ook al lijdt het aan een verminderde ruimtelijke resolutie in vergelijking met CT, MR of US. Het belangrijkste voordeel van PET is het vermogen om de cellulaire en moleculaire mechanismen weer te geven die ten grondslag liggen aan de pathofysiologie van het orgaan. Een PET-scan na de injectie van [¹⁸F]FDG maakt bijvoorbeeld de reconstructie mogelijk van een 3D-kaart van het glucosemetabolisme in het lichaam. Door dit te combineren met dynamische (d.w.z. tijd-opgeloste) data-acquisitie, kan tracer kinetische modellering worden gebruikt om parametrische kaarten van de metabole snelheden van glucoseopname (MRGlu) te berekenen, die belangrijke informatie zal opleveren over de levensvatbaarheid van myocardien¹⁰.

CT vereist aanzienlijke volumes externe contrastmiddelen (CA) bij hoge concentraties (tot 400 mg jodium per ml) om een meetbare verbetering van de relevante weefselcomponenten (bijv. Bloed versus spier) te bieden, maar het blinkt uit in ruimtelijke en temporele resolutie, vooral bij het gebruik van state-of-the-art micro-CT-scanners die zijn ontworpen voor beeldvorming van kleine dieren. ¹¹ Een typisch ziektemodel waarin het cardiale PET/CT kan worden toegepast, is de experimentele evaluatie van myocardinfarct en hartfalen en de daarmee samenhangende respons op therapie. Een veel voorkomende manier om MI bij kleine dieren te induceren is door chirurgische ligatie van de linker anterieur dalende (LAD) kransslagader^12,13 en vervolgens longitudinaal de progressie van de ziekte en de cardiale remodellering in de daaropvolgende dagen^{te evalueren 4}. Niettemin is de kwantitatieve morfofunctionele evaluatie van het hart bij kleine dieren grotendeels ook toepasbaar voor andere ziektemodellen, zoals de evaluatie van het effect van veroudering op hartfunctie¹⁴ of veranderde receptorexpressie in modellen van obesitas¹⁵. Het gepresenteerde beeldvormingsprotocol is niet beperkt tot een bepaald ziektemodel en kan daarom van het grootste belang zijn in verschillende contexten van preklinisch onderzoek met kleine knaagdieren.

In dit artikel presenteren we een start-to-end experimenteel protocol voor cardiale beeldvorming met behulp van kleindier geïntegreerde PET / CT. Hoewel het gepresenteerde protocol is ontworpen voor een specifieke bimodale geïntegreerde scanner, kunnen de PET- en CT-delen van de beschreven procedure onafhankelijk van elkaar worden uitgevoerd op afzonderlijke scanners van verschillende fabrikanten. In de gebruikte PET/CT-scanner wordt de volgorde van bewerkingen georganiseerd in een voorgeprogrammeerde workflow. De belangrijkste takken van elke workflow zijn een of meer acquisitieprotocollen; elk acquisitieprotocol kan een of meer vertakkingen hebben voor specifieke voorbewerkingsprotocollen en op zijn beurt kan elk voorbewerkingsprotocol een of meer vertakkingen hebben voor specifieke reconstructieprotocollen. Zowel de voorbereiding van het dier op het beeldvormende bed als de voorbereiding van de externe middelen die tijdens de beeldvormingsprocedures moeten worden geïnjecteerd, worden beschreven. Na het voltooien van de beeldacquisitieprocedure worden voorbeeldprocedures voor kwantitatieve beeldanalyse op basis van algemeen beschikbare softwaretools verstrekt. Het hoofdprotocol is speciaal ontworpen voor muismodellen; hoewel de muis de meest gebruikte soort op dit gebied blijft, tonen we ook een aanpassing van het protocol voor rattenbeeldvorming aan het einde van het hoofdprotocol. Representatieve resultaten worden getoond voor zowel muizen als ratten, wat het type output aantoont dat kan worden verwacht met de beschreven procedures. Een grondige discussie wordt gemaakt aan het einde van dit artikel om de voor- en nadelen van de techniek, kritieke punten te benadrukken, evenals hoe verschillende PET-radiotracers kunnen worden gebruikt met bijna geen wijziging van de voorbereidende en acquisitie / reconstructiestappen.

Protocol

Dierproeven werden uitgevoerd in overeenstemming met de aanbevelingen in de Gids voor de verzorging en het gebruik van proefdieren van de Internationale Richtlijnen voor het omgaan met proefdieren, vereist door de Europese richtlijn (Richtlijn 86/609/EEG van 1986 en Richtlijn 2010/63/UE) en de Italiaanse wetgeving (D.Lgs. 26/2014). 1. Instellen van de PET/CT-beeldvormingsprotocollen en -workflow OPMERKING: Het hier gepresenteerde protocol is speciaal …

Representative Results

In deze sectie worden typische resultaten getoond voor zowel PET- als CT-analyse volgens de tot nu toe beschreven procedures. Figuur 6 toont de resultaten van de automatische myocardiale en LV-holtesegmentatie van de [18F]FDG PET-scan van een control (gezonde) CD-1 muis. Hoewel de rechter ventrikel niet altijd zichtbaar is in de gereconstrueerde beelden, kunnen de oriëntatieassen op basis van de DICOM-header worden gebruikt om het interventriculaire septum correct te onderscheide…

Discussion

Het protocol dat in dit artikel wordt gepresenteerd, richt zich op een typische experimentele procedure voor translationeel cardiovasculair onderzoek naar kleine diermodellen van hartletsel met behulp van PET / CT-beeldvorming met hoge resolutie. De gepresenteerde resultaten zijn indicatief voor de hoge kwantitatieve en kwalitatieve waarde van PET- en Cine-CT-beelden en bieden zowel functionele als structurele informatie van het hele hart met betrekking tot het glucosemetabolisme, de vorm en de dynamiek van de contractie…

Materials

0.9% sterile saline	Fresenius Kabi		0.9% sodium chloride for injection
1025L Physiological Monitoring	Small Animal Instruments		Physiological monitoring system for small animal imaging
5 mL syringes	Artsana		Syringes with needle for injection of PET tracer
Atomlab 500	Else Nuclear		PET Dose calibrator
Atrium software	Inviscan	Version 1.5.5	PET/CT operating software
Butterfly catheters	Delta Med		27.5 G needle
Carimas software	Turku PET Center	Version 2.10	Image analysis software
Fenestra VC	Medilumine		Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals
Heat lamp			Heat lamp with clamp and switch
Insulin syringes	Artsana		Syringes with needle for injection of CT CA
Iomeron 400 mgI/mL	Bracco		Iomeprol, vascular contrast agent
IRIS PET/CT	Inviscan		PET/CT scanner for small animals
Isoflurane	Zoetis		Inhalation anesthetic, 250 mL
OneTouch Glucometer	Johnson&Johnson Medical		Glucose meter kit
Osirix MD software	Pixmeo	Version 11	Image analysis software
Oxygen	Air liquide		Compressed gas
Rectal probe for 1025L	Small Animal Instruments		Rectal probe with cable for SAII 1025L systems
Respiratory sensor for 1025L	Small Animal Instruments		Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems
TJ-3A syringe pump	Longer		Motorized syringe pump for CT CA injection