Tomografia por Emissão de Pósitrons Cardíacos de Alta Resolução/Tomografia Computadorizada para Animais de Pequeno Porte

Summary

Aqui, apresentamos um protocolo de imagem experimental para a quantificação da função cardíaca e morfologia utilizando tomografia por emissão de pósitrons de alta resolução/tomografia computadorizada para animais de pequeno porte. Tanto camundongos quanto ratos são considerados, discutindo os diferentes requisitos de agentes de contraste da tomografia computadorizada para as duas espécies.

Abstract

A tomografia por emissão de pósitrons (PET) e a tomografia computadorizada (TC) estão entre as técnicas de diagnóstico por imagem mais empregadas, e ambas servem na compreensão da função cardíaca e do metabolismo. Na pesquisa pré-clínica, são empregados scanners dedicados com alta sensibilidade e alta resolução espaço-temporal, projetados para lidar com os exigentes requisitos tecnológicos impostos pelo pequeno tamanho do coração e taxas cardíacas muito altas de camundongos e ratos. Neste trabalho, um protocolo bimodal de imagem PET/CT cardíaca para modelos experimentais de doenças cardíacas em camundongos e/ou ratos é descrito, desde o preparo animal e aquisição e reconstrução de imagens até o processamento e visualização de imagens.

Em particular, o ^examede 18 fluordesoxiglicose marcada com F ([¹⁸F]FDG)-PET permite a medição e visualização do metabolismo da glicose nos diferentes segmentos do ventrículo esquerdo (VE). Os mapas polares são ferramentas convenientes para exibir essas informações. A parte de TC consiste em uma reconstrução 3D com resolução temporal de todo o coração (TC-4D) por meio de gating retrospectivo sem eletrocardiografia (ECG), permitindo a avaliação morfofuncional do VE e a posterior quantificação dos parâmetros mais importantes da função cardíaca, como fração de ejeção (FE) e volume sistólico (SV). Usando um scanner PET/CT integrado, este protocolo pode ser executado dentro da mesma indução anestésica sem a necessidade de reposicionar o animal entre diferentes scanners. Assim, a PET/CT pode ser vista como uma ferramenta abrangente para a avaliação morfofuncional e metabólica do coração em vários modelos animais de pequeno porte de doenças cardíacas.

Introduction

Modelos de pequenos animais são de extrema importância para o avanço da compreensão das doenças cardiovasculares ^1,2. As ferramentas de diagnóstico por imagem não invasivas revolucionaram a maneira como olhamos para a função cardíaca nas últimas décadas, tanto em ambientes clínicos quanto pré-clínicos. No que diz respeito a pequenos modelos animais de doenças cardíacas, ferramentas de imagem específicas foram desenvolvidas com resolução espaço-temporal muito alta. Assim, tais instrumentos podem corresponder à necessidade de quantificação precisa dos parâmetros metabólicos e cinéticos miocárdicos relevantes nos corações muito pequenos e muito rápidos de camundongos e ratos em modelos específicos de doenças, como insuficiência cardíaca (IC)³ ou infarto do miocárdio (IM)⁴. Várias modalidades estão disponíveis para este fim, cada uma com seus próprios pontos fortes e fracos. A ultrassonografia (US) é a modalidade mais utilizada devido à sua grande flexibilidade, resolução temporal muito alta e custo relativamente baixo. A adoção da US de imagem cardíaca em animais de pequeno porte aumentou consideravelmente desde o advento de sistemas que utilizam sondas com frequência ultra-alta^5,6, com resoluções espaciais abaixo de 50 μm.

Entre as principais desvantagens da US para imagens cardíacas totalmente 3D está a necessidade de varreduras lineares ao longo do eixo cardíaco, montando a sonda em um estágio de tradução motorizada para criar uma pilha completa de imagens dinâmicas de modo B de todo o coração⁷. Eventualmente, este procedimento dá origem (após um registro espacial e temporal preciso das imagens adquiridas em cada posição de sonda) a uma imagem 4D com diferentes resoluções espaciais entre as direções no plano e fora do plano. O mesmo problema de resolução espacial não uniforme ocorre na RM cardíaca (RMC),⁸ que ainda representa o padrão-ouro na imagem funcional do coração. A imagem 3D isotrópica real pode ser obtida por meio da tomografia computadorizada (TC) e da tomografia por emissão de pósitrons (PET)⁹. O PET fornece uma ferramenta muito sensível em termos de sinal de imagem por quantidade de sonda injetada (na faixa nanomolar), embora sofra de uma resolução espacial reduzida em comparação com a TC, RM ou US. A principal vantagem da PET é a sua capacidade de exibir os mecanismos celulares e moleculares subjacentes à fisiopatologia do órgão. Por exemplo, uma tomografia por emissão de pósitrons (PET) após a injeção de [¹⁸F]FDG permite a reconstrução de um mapa 3D do metabolismo da glicose no corpo. Ao combinar isso com a aquisição de dados dinâmicos (ou seja, resolvidos no tempo), a modelagem cinética traçadora pode ser utilizada para calcular mapas paramétricos das taxas metabólicas de captação de glicose (MRGlu), o que fornecerá informações importantes sobre a viabilidade miocárdica¹⁰.

A TC requer volumes significativos de agentes de contraste externos (AC) em altas concentrações (até 400 mg de iodo por mL) para fornecer um aprimoramento mensurável dos componentes teciduais relevantes (por exemplo, sangue versus músculo), mas se destaca na resolução espacial e temporal, especialmente ao usar scanners de micro-TC de última geração projetados para imagens de pequenos animais. ¹¹ Um modelo típico de doença no qual a PET/TC cardíaca pode ser aplicada é a avaliação experimental do infarto do miocárdio e da insuficiência cardíaca e a resposta relacionada à terapia. Uma forma comum de induzir o IAM em animais de pequeno porte é por ligadura cirúrgica da artéria coronária descendente anterior esquerda (DAE)^12,13 e, em seguida^, avaliando-se longitudinalmente a progressão da doença e o remodelamento cardíaco nos dias subsequentes⁴. No entanto, a avaliação morfofuncional quantitativa do coração em pequenos animais é amplamente aplicável também para outros modelos de doenças, como a avaliação do efeito do envelhecimento sobre a função cardíaca¹⁴ ou a expressão alterada do receptor em modelos de obesidade¹⁵. O protocolo de imagem apresentado não se restringe a nenhum modelo de doença e, portanto, pode ser de maior interesse em diversos contextos de pesquisa pré-clínica com pequenos roedores.

Neste trabalho, apresentamos um protocolo experimental de início a fim para imagens cardíacas utilizando PET/CT integrado a pequenos animais. Embora o protocolo apresentado seja projetado para um scanner integrado bimodal específico, as partes PET e CT do procedimento descrito podem ser realizadas de forma independente em scanners separados de diferentes fabricantes. No scanner PET/CT em uso, a sequência de operações é organizada em um fluxo de trabalho pré-programado. As principais ramificações de cada fluxo de trabalho são um ou mais protocolos de aquisição; cada protocolo de aquisição pode ter uma ou mais ramificações para protocolos de pré-processamento específicos e, por sua vez, cada protocolo de pré-processamento pode ter uma ou mais ramificações para protocolos de reconstrução específicos. Tanto a preparação do animal no leito de imagem quanto a preparação dos agentes externos a serem injetados durante os procedimentos de imagem são descritas. Após a conclusão do procedimento de aquisição de imagens, são fornecidos procedimentos de exemplo para análise quantitativa de imagens com base em ferramentas de software comumente disponíveis. O protocolo principal é projetado especificamente para modelos de mouse; embora o camundongo continue sendo a espécie mais utilizada neste campo, também mostramos uma adaptação do protocolo para imagens de ratos ao final do protocolo principal. Resultados representativos são mostrados para camundongos e ratos, demonstrando o tipo de saída que pode ser esperada com os procedimentos descritos. Uma discussão aprofundada é feita no final deste artigo para enfatizar os prós e contras da técnica, pontos críticos, bem como como diferentes radiotraçadores PET poderiam ser usados com quase nenhuma modificação nas etapas preparatórias e de aquisição/reconstrução.

Protocol

As experiências com animais foram realizadas de acordo com as recomendações do Guia para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório das Diretrizes Internacionais sobre Manuseio de Animais de Laboratório, exigidas pela Diretiva Europeia (Diretiva 86/609/CEE de 1986 e Diretiva 2010/63/UE) e leis italianas (D.Lgs. 26/2014). 1. Configuração dos protocolos de imagem PET/CT e fluxo de trabalho NOTA: O protocolo aqui apresentado destina-se especificame…

Representative Results

Nesta seção, os resultados típicos são mostrados para a análise de PET e TC seguindo os procedimentos descritos até o momento. A Figura 6 mostra os resultados da segmentação automática do miocárdio e da cavidade do VE do exame de [18F]FDG PET de um camundongo CD-1 controle (saudável). Embora o ventrículo direito nem sempre seja visível nas imagens reconstruídas, os eixos de orientação baseados no cabeçalho DICOM podem ser utilizados para discriminar corretamente o…

Discussion

O protocolo apresentado neste artigo enfoca um procedimento experimental típico para pesquisa cardiovascular translacional em pequenos modelos animais de lesão cardíaca usando imagens PET/CT de alta resolução. Os resultados apresentados são indicativos do alto valor quantitativo e qualitativo das imagens PET e Cine-CT, fornecendo informações funcionais e estruturais de todo o coração sobre seu metabolismo da glicose, forma e dinâmica de sua contração. Além disso, todas as imagens obtidas são 3D, resolvidas…

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