Tomographie cardiaque à émission de positons à haute résolution/tomodensitométrie pour petits animaux

Summary

Nous présentons ici un protocole d’imagerie expérimentale pour la quantification de la fonction cardiaque et de la morphologie à l’aide de la tomographie par émission de positons à haute résolution / tomodensitométrie pour les petits animaux. Les souris et les rats sont pris en compte, discutant des différentes exigences des agents de contraste par tomodensitométrie pour les deux espèces.

Abstract

La tomographie par émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) sont parmi les techniques d’imagerie diagnostique les plus utilisées, et les deux servent à comprendre la fonction cardiaque et le métabolisme. Dans la recherche préclinique, des scanners dédiés avec une sensibilité élevée et une résolution spatio-temporelle élevée sont utilisés, conçus pour faire face aux exigences technologiques exigeantes posées par la petite taille du cœur et la fréquence cardiaque très élevée des souris et des rats. Dans cet article, un protocole bimodal d’imagerie TEP/TDM cardiaque pour des modèles expérimentaux de maladies cardiaques chez la souris et/ou le rat est décrit, de la préparation animale et de l’acquisition et de la reconstruction d’images au traitement et à la visualisation d’images.

En particulier, le 18 fluorodésoxyglucose marqué F ([¹⁸F]FDG)-PET permet de mesurer et de visualiser le métabolisme du glucose dans les différents segments du ventricule gauche (VG). Les cartes polaires sont des outils pratiques pour afficher ces informations. La partie CT consiste en une reconstruction 3D résolue dans le temps de l’ensemble du cœur (4D-CT) à l’aide d’un déclenchement rétrospectif sans électrocardiographie (ECG), permettant l’évaluation morphofonctionnelle du VG et la quantification ultérieure des paramètres les plus importants de la fonction cardiaque, tels que la fraction d’éjection (FE) et le volume de l’AVC (SV). À l’aide d’un scanner TEP/TDM intégré, ce protocole peut être exécuté dans la même induction d’anesthésie sans qu’il soit nécessaire de repositionner l’animal entre différents scanners. Par conséquent, la TEP / TDM peut être considérée comme un outil complet pour l’évaluation morphofonctionnelle et métabolique du cœur dans plusieurs modèles animaux de maladies cardiaques.

Introduction

Les modèles de petits animaux sont extrêmement importants pour faire progresser la compréhension des maladies cardiovasculaires ^1,2. Les outils d’imagerie diagnostique non invasifs ont révolutionné la façon dont nous envisageons la fonction cardiaque au cours des dernières décennies, tant dans les milieux cliniques que précliniques. En ce qui concerne les modèles de maladies cardiaques chez les petits animaux, des outils d’imagerie spécifiques ont été développés avec une très haute résolution spatio-temporelle. Ainsi, de tels instruments peuvent répondre au besoin de quantification précise des paramètres métaboliques et cinétiques du myocarde pertinents sur les cœurs très petits et très rapides de souris et de rats dans des modèles de maladies spécifiques, tels que l’insuffisance cardiaque (IC)³ ou l’infarctus du myocarde (IM)⁴. Plusieurs modalités sont disponibles à cet effet, chacune avec ses propres forces et faiblesses. L’imagerie par ultrasons (US) est la modalité la plus utilisée en raison de sa grande flexibilité, de sa très haute résolution temporelle et de son coût relativement faible. L’adoption de l’imagerie cardiaque américaine chez les petits animaux a considérablement augmenté depuis l’avènement des systèmes utilisant des sondes à ultra-haute fréquence^5,6, avec des résolutions spatiales inférieures à 50 μm.

L’un des principaux inconvénients de l’US pour l’imagerie cardiaque entièrement 3D est la nécessité de balayages linéaires le long de l’axe cardiaque en montant la sonde sur une platine de translation motorisée pour créer une pile complète d’images dynamiques en mode B de l’ensemble du cœur⁷. Finalement, cette procédure donne lieu (après enregistrement spatial et temporel précis des images acquises dans chaque position de sonde) à une image 4D avec des résolutions spatiales différentes entre les directions dans le plan et hors plan. Le même problème de résolution spatiale non uniforme se produit dans l’IRM cardiaque (RMC)^,8 qui représente toujours l’étalon-or dans l’imagerie fonctionnelle du cœur. L’imagerie 3D isotrope réelle peut être obtenue à l’aide de la tomodensitométrie (TDM) et de la tomographie par émission de positons (TEP)⁹. Le PET fournit un outil très sensible en termes de signal d’image par quantité de sonde injectée (dans la gamme nanomolaire), même s’il souffre d’une résolution spatiale réduite par rapport à CT, MR ou US. Le principal avantage de la TEP est sa capacité à afficher les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à la physiopathologie de l’organe. Par exemple, une TEP après l’injection de [¹⁸F]FDG permet la reconstruction d’une carte 3D du métabolisme du glucose dans le corps. En combinant cela avec l’acquisition de données dynamiques (c’est-à-dire résolues dans le temps), la modélisation cinétique du traceur peut être utilisée pour calculer des cartes paramétriques des taux métaboliques d’absorption du glucose (MRGlu), qui fourniront des informations importantes sur la viabilité du myocarde¹⁰.

La TDM nécessite des volumes importants d’agents de contraste externes (AC) à des concentrations élevées (jusqu’à 400 mg d’iode par mL) pour fournir une amélioration mesurable des composants tissulaires pertinents (p. ex. sang vs muscle), mais elle excelle dans la résolution spatiale et temporelle, en particulier lors de l’utilisation de micro-tomodensitomètres de pointe conçus pour l’imagerie des petits animaux. ¹¹ Un modèle typique de maladie dans lequel la TEP/TDM cardiaque peut être appliquée est l’évaluation expérimentale de l’infarctus du myocarde et de l’insuffisance cardiaque et de la réponse connexe au traitement. Une façon courante d’induire l’IM chez les petits animaux consiste à procéder à une ligature chirurgicale de l’artère coronaire descendante antérieure gauche (DAL)^12,13, puis à évaluer longitudinalement la progression de la maladie et le remodelage cardiaque dans les jours suivants⁴. Néanmoins, l’évaluation morphofonctionnelle quantitative du cœur chez les petits animaux est largement applicable également à d’autres modèles de maladies, tels que l’évaluation de l’effet du vieillissement sur la fonction cardiaque¹⁴ ou l’expression altérée des récepteurs dans des modèles d’obésité¹⁵. Le protocole d’imagerie présenté n’est pas limité à un modèle de maladie donné et, par conséquent, pourrait présenter le plus grand intérêt dans plusieurs contextes de recherche préclinique sur de petits rongeurs.

Dans cet article, nous présentons un protocole expérimental du début à la fin pour l’imagerie cardiaque utilisant la TEP/TDM intégrée aux petits animaux. Même si le protocole présenté est conçu pour un scanner intégré bimodal spécifique, les parties TEP et CT de la procédure décrite pourraient être effectuées indépendamment sur des scanners distincts de différents fabricants. Dans le scanner TEP/TDM utilisé, la séquence des opérations est organisée dans un flux de travail préprogrammé. Les branches principales de chaque flux de travail sont un ou plusieurs protocoles d’acquisition ; Chaque protocole d’acquisition peut avoir une ou plusieurs branches pour des protocoles de prétraitement spécifiques, et à son tour, chaque protocole de prétraitement peut avoir une ou plusieurs branches pour des protocoles de reconstruction spécifiques. La préparation de l’animal sur le lit d’imagerie et la préparation des agents externes à injecter pendant les procédures d’imagerie sont décrites. Une fois la procédure d’acquisition d’images terminée, des exemples de procédures d’analyse quantitative d’images basées sur des outils logiciels couramment disponibles sont fournis. Le protocole principal est spécialement conçu pour les modèles de souris ; Même si la souris reste l’espèce la plus utilisée dans ce domaine, nous montrons également une adaptation du protocole pour l’imagerie du rat à la fin du protocole principal. Des résultats représentatifs sont présentés pour les souris et les rats, démontrant le type de résultat auquel on pourrait s’attendre avec les procédures décrites. Une discussion approfondie est faite à la fin de ce document pour souligner les avantages et les inconvénients de la technique, les points critiques, ainsi que la façon dont différents radiotraceurs TEP pourraient être utilisés sans presque aucune modification des étapes préparatoires et d’acquisition / reconstruction.

Protocol

Les expérimentations sur les animaux ont été réalisées conformément aux recommandations du Guide pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire des Directives internationales sur la manipulation des animaux de laboratoire, exigées par la directive européenne (directive 86/609/CEE de 1986 et directive 2010/63/UE) et les lois italiennes (D.Lgs. 26/2014). 1. Configuration des protocoles d’imagerie TEP/TDM et du flux de travail REMAR…

Representative Results

Dans cette section, les résultats typiques sont présentés pour l’analyse TEP et CT suivant les procédures décrites jusqu’à présent. La figure 6 montre les résultats de la segmentation automatique du myocarde et de la cavité VG de la TEP [18F]FDG d’une souris témoin (saine) CD-1. Même si le ventricule droit n’est pas toujours visible dans les images reconstruites, les axes d’orientation basés sur l’en-tête DICOM peuvent être utilisés pour distinguer corre…

Discussion

Le protocole présenté dans cet article se concentre sur une procédure expérimentale typique pour la recherche cardiovasculaire translationnelle sur de petits modèles animaux de lésions cardiaques en utilisant l’imagerie TEP/TDM à haute résolution. Les résultats présentés sont révélateurs de la valeur quantitative et qualitative élevée des images TEP et Ciné-CT, fournissant des informations fonctionnelles et structurelles de l’ensemble du cœur concernant son métabolisme du glucose, sa forme et la dyn…

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