Tomografia cardiaca ad emissione di positroni ad alta risoluzione/tomografia computerizzata per piccoli animali

Summary

Qui, presentiamo un protocollo sperimentale di imaging per la quantificazione della funzione cardiaca e della morfologia utilizzando la tomografia ad emissione di positroni ad alta risoluzione / tomografia computerizzata per piccoli animali. Vengono considerati sia i topi che i ratti, discutendo i diversi requisiti degli agenti di contrasto della tomografia computerizzata per le due specie.

Abstract

La tomografia ad emissione di positroni (PET) e la tomografia computerizzata (TC) sono tra le tecniche di diagnostica per immagini più utilizzate ed entrambe servono a comprendere la funzione cardiaca e il metabolismo. Nella ricerca preclinica vengono impiegati scanner dedicati con elevata sensibilità e alta risoluzione spazio-temporale, progettati per far fronte ai severi requisiti tecnologici posti dalle piccole dimensioni del cuore e dalle frequenze cardiache molto elevate di topi e ratti. In questo articolo, viene descritto un protocollo di imaging PET/CT cardiaco bimodale per modelli sperimentali di malattie cardiache su topi e/o ratti, dalla preparazione degli animali e dall’acquisizione e ricostruzione delle immagini all’elaborazione e visualizzazione delle immagini.

In particolare, la ^scansione18 fluorodesossiglucosio marcata F ([¹⁸F]FDG)-PET consente la misurazione e la visualizzazione del metabolismo del glucosio nei diversi segmenti del ventricolo sinistro (LV). Le mappe polari sono strumenti utili per visualizzare queste informazioni. La parte TC consiste in una ricostruzione 3D risolta nel tempo dell’intero cuore (4D-CT) utilizzando il gating retrospettivo senza elettrocardiografia (ECG), consentendo la valutazione morfofunzionale del ventricolo sinistro e la successiva quantificazione dei più importanti parametri della funzione cardiaca, quali la frazione di eiezione (EF) e il volume dell’ictus (SV). Utilizzando uno scanner PET/CT integrato, questo protocollo può essere eseguito all’interno della stessa induzione anestesiologica senza la necessità di riposizionare l’animale tra diversi scanner. Quindi, la PET / CT può essere vista come uno strumento completo per la valutazione morfofunzionale e metabolica del cuore in diversi piccoli modelli animali di malattie cardiache.

Introduction

I piccoli modelli animali sono estremamente importanti per il progresso della comprensione delle malattie cardiovascolari ^1,2. Gli strumenti di diagnostica per immagini non invasivi hanno rivoluzionato il modo in cui guardiamo alla funzione cardiaca negli ultimi decenni, sia in ambito clinico che preclinico. Per quanto riguarda i piccoli modelli animali di malattie cardiache, sono stati sviluppati strumenti di imaging specifici con risoluzione spaziotemporale molto elevata. Pertanto, tali strumenti possono soddisfare la necessità di una quantificazione accurata dei parametri miocardici metabolici e cinetici rilevanti sui cuori molto piccoli e in rapido movimento di topi e ratti in specifici modelli di malattia, come l’insufficienza cardiaca (HF) ³ o l’infarto miocardico (MI) ⁴. A tale scopo sono disponibili diverse modalità, ognuna con i propri punti di forza e di debolezza. L’imaging a ultrasuoni (US) è la modalità più utilizzata grazie alla sua grande flessibilità, risoluzione temporale molto elevata e costo relativamente basso. L’adozione dell’imaging cardiaco statunitense nei piccoli animali è aumentata considerevolmente dall’avvento dei sistemi che utilizzano sonde ad altissima frequenza^5,6, con risoluzioni spaziali inferiori a 50 μm.

Tra i principali svantaggi di US per l’imaging cardiaco completamente 3D c’è la necessità di scansioni lineari lungo l’asse cardiaco montando la sonda su uno stadio di traslazione motorizzato per creare una pila completa di immagini dinamiche B-mode dell’intero cuore⁷. Alla fine, questa procedura dà origine (dopo un’accurata registrazione spaziale e temporale delle immagini acquisite in ciascuna posizione della sonda) a un’immagine 4D con diverse risoluzioni spaziali tra le direzioni in-plane e out-of-plane. Lo stesso problema di risoluzione spaziale non uniforme si verifica nella RM cardiaca (CMR)^,8 che rappresenta ancora il gold standard nell’imaging funzionale del cuore. L’imaging 3D isotropo reale può invece essere ottenuto utilizzando sia la tomografia computerizzata (TC) che la tomografia ad emissione di positroni (PET)⁹. La PET fornisce uno strumento molto sensibile in termini di segnale di immagine per quantità di sonda iniettata (nell’intervallo nanomolare), anche se soffre di una risoluzione spaziale ridotta rispetto a CT, MR o US. Il principale vantaggio della PET è la sua capacità di mostrare i meccanismi cellulari e molecolari alla base della fisiopatologia dell’organo. Ad esempio, una scansione PET dopo l’iniezione di [¹⁸F]FDG consente la ricostruzione di una mappa 3D del metabolismo del glucosio nel corpo. Combinando questo con l’acquisizione dinamica dei dati (cioè risolta nel tempo), la modellazione cinetica del tracciante può essere utilizzata per calcolare mappe parametriche dei tassi metabolici di assorbimento del glucosio (MRGlu), che forniranno importanti informazioni sulla vitalità miocardica¹⁰.

La TC richiede volumi significativi di agenti di contrasto esterni (CA) ad alte concentrazioni (fino a 400 mg di iodio per ml) per fornire un miglioramento misurabile dei componenti tissutali rilevanti (ad esempio, sangue rispetto al muscolo), ma eccelle nella risoluzione spaziale e temporale, specialmente quando si utilizzano scanner micro-CT all’avanguardia progettati per l’imaging di piccoli animali. ¹¹ Un tipico modello di malattia in cui può essere applicata la PET/TC cardiaca è la valutazione sperimentale dell’infarto miocardico e dell’insufficienza cardiaca e la relativa risposta alla terapia. Un modo comune di indurre l’infarto miocardico nei piccoli animali è la legatura chirurgica dell’arteria coronaria discendente anteriore sinistra (LAD)^12,13 e quindi valutando longitudinalmente la progressione della malattia e il rimodellamento cardiaco nei giorni successivi⁴. Tuttavia, la valutazione morfofunzionale quantitativa del cuore in piccoli animali è ampiamente applicabile anche per altri modelli di malattia, come la valutazione dell’effetto dell’invecchiamento sulla funzione cardiaca¹⁴ o l’alterata espressione del recettore in modelli di obesità¹⁵. Il protocollo di imaging presentato non è limitato a nessun modello di malattia e, quindi, potrebbe essere di più ampio interesse in diversi contesti di ricerca preclinica con piccoli roditori.

In questo articolo, presentiamo un protocollo sperimentale start-to-end per l’imaging cardiaco utilizzando PET / CT integrata per piccoli animali. Anche se il protocollo presentato è progettato per uno specifico scanner integrato bimodale, le parti PET e CT della procedura descritta potrebbero essere eseguite indipendentemente su scanner separati di diversi produttori. Nello scanner PET/CT in uso, la sequenza di operazioni è organizzata in un flusso di lavoro preprogrammato. I rami principali di ogni flusso di lavoro sono uno o più protocolli di acquisizione; Ogni protocollo di acquisizione può avere uno o più rami per protocolli di pre-elaborazione specifici e, a sua volta, ogni protocollo di pre-elaborazione può avere uno o più rami per protocolli di ricostruzione specifici. Vengono descritte sia la preparazione dell’animale sul letto di imaging che la preparazione degli agenti esterni da iniettare durante le procedure di imaging. Dopo il completamento della procedura di acquisizione delle immagini, vengono fornite procedure di esempio per l’analisi quantitativa delle immagini basate su strumenti software comunemente disponibili. Il protocollo principale è specificamente progettato per i modelli di mouse; Anche se il topo rimane la specie più utilizzata in questo campo, mostriamo anche un adattamento del protocollo per l’imaging dei ratti alla fine del protocollo principale. Risultati rappresentativi sono mostrati sia per i topi che per i ratti, dimostrando il tipo di output che ci si potrebbe aspettare con le procedure descritte. Alla fine di questo articolo viene fatta una discussione approfondita per sottolineare i pro e i contro della tecnica, i punti critici, nonché come diversi radiotraccianti PET potrebbero essere utilizzati con quasi nessuna modifica alle fasi preparatorie e di acquisizione / ricostruzione.

Protocol

Gli esperimenti sugli animali sono stati eseguiti in conformità con le raccomandazioni contenute nella Guida per la cura e l’uso degli animali da laboratorio delle Linee guida internazionali sulla manipolazione degli animali da laboratorio, richieste dalla Direttiva Europea (Direttiva 86/609/CEE del 1986 e Direttiva 2010/63/UE) e dalle leggi italiane (D.Lgs. 26/2014). 1. Impostazione dei protocolli di imaging PET/CT e del flusso di lavoro NOTA: Il pr…

Representative Results

In questa sezione, i risultati tipici sono mostrati sia per l’analisi PET che TC seguendo le procedure descritte finora. La Figura 6 mostra i risultati della segmentazione automatica della cavità miocardica e LV della scansione PET [18F]FDG di un topo CD-1 di controllo (sano). Anche se il ventricolo destro non è sempre visibile nelle immagini ricostruite, gli assi di orientamento basati sull’intestazione DICOM possono essere utilizzati per discriminare correttamente il setto int…

Discussion

Il protocollo presentato in questo articolo si concentra su una tipica procedura sperimentale per la ricerca cardiovascolare traslazionale su piccoli modelli animali di danno cardiaco utilizzando l’imaging PET / TC ad alta risoluzione. I risultati presentati sono indicativi dell’alto valore quantitativo e qualitativo delle immagini PET e Cine-CT, fornendo informazioni sia funzionali che strutturali di tutto il cuore per quanto riguarda il suo metabolismo del glucosio, la forma e la dinamica della sua contrazione. Inoltre…

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