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医学

小動物用高分解能心臓陽電子放出断層撮影/コンピュータ断層撮影

Published: December 16, 2022
doi:
10.3791/64066
, , , , , ,
1CNR Institute of Clinical Physiology, 2Sant’Anna School of Advanced Studies, 3Fondazione Regione Toscana/CNR “G. Monasterio”

Summary

ここでは、小動物を対象とした高解像度陽電子放射断層撮影/コンピュータ断層撮影法を用いて心機能と形態を定量化するための実験的イメージングプロトコルを紹介します。マウスとラットの両方を検討し、2つの種に対するコンピューター断層撮影造影剤の異なる要件について議論します。

Abstract

陽電子放出断層撮影(PET)とコンピューター断層撮影(CT)は、最も採用されている画像診断技術の一つであり、どちらも心機能と代謝を理解するのに役立ちます。前臨床研究では、マウスやラットの心臓サイズが小さく、心拍数が非常に高いことによる厳しい技術的要件に対応するために、高感度と高時空間分解能を備えた専用スキャナーが採用されています。この論文では、動物の準備と画像の取得と再構成から画像処理と視覚化まで、心臓病の実験マウスおよび/またはラットモデルのためのバイモーダル心臓PET / CTイメージングプロトコルについて説明します。

特に、18 F標識フルオロデオキシグルコース([18F]FDG)-PETスキャンは、左心室(LV)のさまざまなセグメントにおけるグルコース代謝の測定と視覚化を可能にします。極座標地図は、この情報を表示するための便利なツールです。CT部分は、心電図(ECG)リードなしのレトロスペクティブゲーティングを使用した心臓全体の時間分解3D再構成(4D-CT)で構成されており、LVの形態機能評価と、その後の駆出率(EF)や脳卒中量(SV)などの最も重要な心機能パラメータの定量化を可能にします。統合されたPET/CTスキャナーを使用すると、このプロトコルは、異なるスキャナー間で動物を再配置することなく、同じ麻酔誘導内で実行できます。したがって、PET / CTは、心臓病のいくつかの小動物モデルにおける心臓の形態機能および代謝評価のための包括的なツールと見なすことができます。

Introduction

小動物モデルは、心血管疾患の理解を進める上で極めて重要である1,2.非侵襲的な画像診断ツールは、臨床と前臨床の両方の設定で、過去数十年で心機能の見方に革命をもたらしました。心臓病の小動物モデルに関する限り、非常に高い時空間分解能を持つ特定のイメージングツールが開発されています。したがって、このような機器は、心不全(HF)3や心筋梗塞(MI)4などの特定の疾患モデルにおいて、マウスおよびラットの非常に小さく非常に動きの速い心臓に関する関連する代謝および運動心筋パラメータの正確な定量化の必要性に一致させることができます。この目的のためにいくつかのモダリティが利用可能であり、それぞれに長所と短所があります。超音波(US)イメージングは、その優れた柔軟性、非常に高い時間分解能、および比較的低コストにより、最も広く使用されているモダリティです。小動物における米国の心臓画像の採用は、50μm未満の空間分解能を特徴とする超高周波5,6のプローブを使用するシステムの出現以来、大幅に増加しています。

完全な3D心臓イメージングのための米国の主な欠点の中には、プローブを電動トランスレーションステージに取り付けて心臓全体の動的Bモード画像のフルスタックを作成することにより、心臓軸に沿って線形スキャンする必要があることです7。最終的に、この手順は、(各プローブ位置で取得された画像の正確な空間的および時間的登録後に)面内方向と面外方向の間で異なる空間分解能を持つ4D画像を生み出します。不均一な空間分解能の同じ問題は、心臓MR(CMR)8 でも発生し、心臓の機能イメージングにおけるゴールドスタンダードを表しています。代わりに、コンピューター断層撮影(CT)と陽電子放出断層撮影(PET)の両方を使用して、実際の等方性3Dイメージングを取得できます9。PETは、CT、MR、またはUSと比較して空間分解能が低下しているにもかかわらず、注入されたプローブの量あたりの画像信号(ナノモル範囲)に関して非常に感度の高いツールを提供します。PETの主な利点は、臓器の病態生理の根底にある細胞および分子メカニズムを表示できることです。たとえば、[18F]FDGの注射後のPETスキャンにより、体内のグルコース代謝の3Dマップを再構築できます。これを動的(すなわち、時間分解)データ取得と組み合わせることにより、トレーサー動態モデリングを使用して、グルコース取り込みの代謝率(MRGlu)のパラメトリックマップを計算することができ、これは心筋生存率に関する重要な情報を提供する10。

CTは、関連する組織成分(血液対筋肉など)の測定可能な増強を提供するために、高濃度(mLあたり最大400mgのヨウ素)で大量の外部造影剤(CA)を必要としますが、特に小動物イメージング用に設計された最先端のマイクロCTスキャナーを使用する場合、空間的および時間的分解能に優れています。11心臓PET / CTを適用できる典型的な疾患モデルは、心筋梗塞と心不全の実験的評価、および関連する治療への反応です。小動物でMIを誘導する一般的な方法は、左前下行(LAD)冠状動脈12,13の外科的結紮を行い、その後の数日間の疾患の進行と心臓リモデリングを縦断的に評価することです4。それにもかかわらず、小動物における心臓の定量的形態機能評価は、心機能に対する加齢の影響の評価14または肥満モデルにおける受容体発現の変化の評価など、他の疾患モデルにも大部分適用可能である15。提示されたイメージングプロトコルは、特定の疾患モデルに限定されないため、小さなげっ歯類を用いた前臨床研究のいくつかのコンテキストで最も幅広い関心事になる可能性があります。

本稿では、小動物統合PET/CTを用いた心臓イメージングの開始から終了までの実験プロトコルを提示する。提示されたプロトコルは特定のバイモーダル統合スキャナー用に設計されていますが、説明されている手順のPET部分とCT部分は、異なるメーカーの別々のスキャナーで独立して実行できます。使用中のPET/CTスキャナーでは、一連の操作は事前にプログラムされたワークフローで編成されています。各ワークフローの主なブランチは、1つ以上の取得プロトコルです。各収集プロトコルは、特定の前処理プロトコル用の1つ以上の分岐を持つことができ、次に、各前処理プロトコルは、特定の再構成プロトコル用の1つ以上の分岐を持つことができます。画像化床上での動物の調製および画像化手順の間に注入される外用剤の調製の両方が記載されている。画像取得手順の完了後、一般的に入手可能なソフトウェアツールに基づく定量的画像解析の手順例が提供される。メインプロトコルは、マウスモデル用に特別に設計されています。マウスはこの分野で最も使用されている種であり続けていますが、メインプロトコルの最後にラットイメージングのためのプロトコルの適応も示します。代表的な結果がマウスおよびラットの両方について示され、記載された手順で予想される出力のタイプを示す。この論文の最後には、この技術の長所と短所、重要なポイント、および準備および取得/再構築の手順をほとんど変更せずにさまざまなPET放射性トレーサーを使用する方法を強調するために、徹底的な議論が行われます。

Protocol

動物実験は、欧州指令(1986年の指令86/609/EECおよび指令2010/63/UE)およびイタリアの法律(D.Lgs.26/2014)によって要求される実験動物の取り扱いに関する国際ガイドラインの実験動物の世話と使用に関するガイドの推奨事項に従って実施されました。 1. PET/CTイメージングプロトコルとワークフローのセットアップ 注:ここで紹介するプロトコルは、…

Representative Results

このセクションでは、これまでに説明した手順に従って、PET分析とCT分析の両方の典型的な結果を示します。 図6 は、対照(健常)CD-1マウスの[18F]FDG PETスキャンの自動心筋およびLV腔セグメンテーションの結果を示す。再構成された画像では右心室が常に見えるとは限りませんが、DICOMヘッダーに基づく方向軸を使用して、米国心臓協会(AHA)の推奨事項に従って標準…

Discussion

この論文で提示されたプロトコルは、高解像度PET / CTイメージングを使用した、心臓損傷の小動物モデルでのトランスレーショナル心血管研究の典型的な実験手順に焦点を当てています。提示された結果は、PETおよびCine-CT画像の高い定量的および定性的価値を示しており、その糖代謝、形状、およびその収縮のダイナミクスに関する心臓全体の機能的および構造的情報の両方を提供します。?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究の一部は、JPI-HDHL-INTIMIC “GUTMOM”プロジェクト:子孫の母親の肥満と認知機能障害:GUT微生物の因果関係の役割と早期食予防(プロジェクト番号。 INTIMIC-085、イタリア教育省、大学および研究政令第946/2019号)。

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
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Keywords: Cardiac PET/CTSmall Animal ImagingMyocardial InfarctionCardiometabolic DiseasesCardiac MetabolismCardiac FunctionF-18 FDGIomeprolCaudal Vein CannulationBlood SamplingAnesthesiaTemperature MonitoringRespiration MonitoringMotion Artifacts
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Panetta, D., Guzzardi, M. A., La Rosa, F., Granziera, F., Terlizzi, D., Kusmic, C., Iozzo, P. High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals. J. Vis. Exp. (190), e64066, doi:10.3791/64066 (2022).
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