Tomografía por emisión de positrones cardíacos de alta resolución/tomografía computarizada para animales pequeños

Summary

Aquí, presentamos un protocolo experimental de imagen para la cuantificación de la función cardíaca y la morfología utilizando tomografía por emisión de positrones de alta resolución / tomografía computarizada para animales pequeños. Se consideran tanto ratones como ratas, discutiendo los diferentes requisitos de los agentes de contraste de tomografía computarizada para las dos especies.

Abstract

La tomografía por emisión de positrones (PET) y la tomografía computarizada (TC) se encuentran entre las técnicas de diagnóstico por imágenes más empleadas, y ambas sirven para comprender la función cardíaca y el metabolismo. En la investigación preclínica, se emplean escáneres dedicados con alta sensibilidad y alta resolución espacio-temporal, diseñados para hacer frente a los exigentes requisitos tecnológicos planteados por el pequeño tamaño del corazón y las frecuencias cardíacas muy altas de ratones y ratas. En este artículo, se describe un protocolo bimodal de imágenes PET / CT cardíaco para modelos experimentales de ratón y / o rata de enfermedades cardíacas, desde la preparación animal y la adquisición y reconstrucción de imágenes hasta el procesamiento y visualización de imágenes.

En particular, la exploración PET de fluorodesoxiglucosa (^[18 F]FDG) marcada con ¹⁸F permite la medición y visualización del metabolismo de la glucosa en los diferentes segmentos del ventrículo izquierdo (VI). Los mapas polares son herramientas convenientes para mostrar esta información. La parte de TC consiste en una reconstrucción 3D resuelta en el tiempo de todo el corazón (4D-CT) mediante gating retrospectivo sin electrocardiografía (ECG), lo que permite la evaluación morfofuncional del VI y la posterior cuantificación de los parámetros de función cardíaca más importantes, como la fracción de eyección (FE) y el volumen sistólico (SV). Utilizando un escáner PET/CT integrado, este protocolo se puede ejecutar dentro de la misma inducción de anestesia sin necesidad de reposicionar al animal entre diferentes escáneres. Por lo tanto, la PET/CT puede verse como una herramienta integral para la evaluación morfofuncional y metabólica del corazón en varios modelos animales pequeños de enfermedades cardíacas.

Introduction

Los modelos animales pequeños son extremadamente importantes para el avance de la comprensión de las enfermedades cardiovasculares ^1,2. Las herramientas de diagnóstico por imágenes no invasivas han revolucionado la forma en que vemos la función cardíaca en las últimas décadas, tanto en entornos clínicos como preclínicos. En lo que respecta a los modelos animales pequeños de enfermedades cardíacas, se han desarrollado herramientas de imagen específicas con una resolución espaciotemporal muy alta. Por lo tanto, tales instrumentos pueden satisfacer la necesidad de cuantificación precisa de los parámetros metabólicos y cinéticos de miocardio relevantes en los corazones muy pequeños y de movimiento muy rápido de ratones y ratas en modelos de enfermedades específicas, como la insuficiencia cardíaca (IC)³ o el infarto de miocardio (IM)⁴. Hay varias modalidades disponibles para este propósito, cada una con sus propias fortalezas y debilidades. La imagen por ultrasonido (US) es la modalidad más utilizada debido a su gran flexibilidad, resolución temporal muy alta y costo relativamente bajo. La adopción de imágenes cardíacas estadounidenses en animales pequeños ha aumentado considerablemente desde el advenimiento de los sistemas que utilizan sondas con frecuencia ultra alta^5,6, con resoluciones espaciales inferiores a 50 μm.

Entre las principales desventajas de la ecografía para imágenes cardíacas totalmente 3D está la necesidad de exploraciones lineales a lo largo del eje cardíaco montando la sonda en una etapa de traducción motorizada para crear una pila completa de imágenes dinámicas en modo B de todo el corazón⁷. Eventualmente, este procedimiento da lugar (después de un registro espacial y temporal preciso de las imágenes adquiridas en cada posición de la sonda) a una imagen 4D con diferentes resoluciones espaciales entre las direcciones dentro y fuera del plano. El mismo problema de resolución espacial no uniforme ocurre en la RM cardíaca (RMC)⁸ , que todavía representa el estándar de oro en la imagen funcional del corazón. En cambio, se pueden obtener imágenes 3D isotrópicas reales utilizando tanto la tomografía computarizada (TC) como la tomografía por emisión de positrones (PET)⁹. El PET proporciona una herramienta muy sensible en términos de señal de imagen por cantidad de sonda inyectada (en el rango nanomolar), a pesar de que sufre de una resolución espacial reducida en comparación con CT, MR o US. La principal ventaja del PET es su capacidad para mostrar los mecanismos celulares y moleculares subyacentes a la fisiopatología del órgano. Por ejemplo, una exploración PET después de la inyección de [¹⁸F]FDG permite la reconstrucción de un mapa 3D del metabolismo de la glucosa en el cuerpo. Al combinar esto con la adquisición de datos dinámicos (es decir, resueltos en el tiempo), el modelado cinético del trazador se puede utilizar para calcular mapas paramétricos de las tasas metabólicas de captación de glucosa (MRGlu), que proporcionarán información importante sobre la viabilidad miocárdica¹⁰.

La TC requiere volúmenes significativos de agentes de contraste externos (AC) a altas concentraciones (hasta 400 mg de yodo por ml) para proporcionar una mejora medible de los componentes tisulares relevantes (por ejemplo, sangre frente a músculo), pero sobresale en resolución espacial y temporal, especialmente cuando se utilizan escáneres micro-CT de última generación diseñados para imágenes de animales pequeños. ¹¹ Un modelo típico de enfermedad en el que se puede aplicar la PET/TC cardíaca es la evaluación experimental del infarto de miocardio y la insuficiencia cardíaca y la respuesta relacionada con la terapia. Una forma común de inducir IM en animales pequeños es mediante la ligadura quirúrgica de la arteria coronaria descendente anterior izquierda (LAD)^12,13 y luego evaluando longitudinalmente la progresión de la enfermedad y la remodelación cardíaca en los días posteriores⁴. Sin embargo, la evaluación morfofuncional cuantitativa del corazón en animales pequeños es ampliamente aplicable también para otros modelos de enfermedad, como la evaluación del efecto del envejecimiento sobre la función cardíaca¹⁴ o la expresión alterada del receptor en modelos de obesidad¹⁵. El protocolo de imagen presentado no se limita a ningún modelo de enfermedad dado y, por lo tanto, podría ser del más amplio interés en varios contextos de investigación preclínica con roedores pequeños.

En este artículo, presentamos un protocolo experimental de principio a fin para imágenes cardíacas utilizando PET / CT integrado en animales pequeños. Aunque el protocolo presentado está diseñado para un escáner integrado bimodal específico, las partes PET y CT del procedimiento descrito podrían realizarse de forma independiente en escáneres separados de diferentes fabricantes. En el escáner PET/CT en uso, la secuencia de operaciones se organiza en un flujo de trabajo preprogramado. Las ramas principales de cada flujo de trabajo son uno o más protocolos de adquisición; Cada protocolo de adquisición puede tener una o más ramas para protocolos de preprocesamiento específicos y, a su vez, cada protocolo de preprocesamiento puede tener una o más ramas para protocolos de reconstrucción específicos. Se describen tanto la preparación del animal en el lecho de imagen como la preparación de los agentes externos que se inyectarán durante los procedimientos de imagen. Después de completar el procedimiento de adquisición de imágenes, se proporcionan procedimientos de ejemplo para el análisis cuantitativo de imágenes basado en herramientas de software comúnmente disponibles. El protocolo principal está diseñado específicamente para modelos de ratón; A pesar de que el ratón sigue siendo la especie más utilizada en este campo, también mostramos una adaptación del protocolo para imágenes de ratas al final del protocolo principal. Se muestran resultados representativos tanto para ratones como para ratas, lo que demuestra el tipo de resultado que podría esperarse con los procedimientos descritos. Se realiza una discusión exhaustiva al final de este documento para enfatizar los pros y los contras de la técnica, los puntos críticos, así como la forma en que se podrían usar diferentes radiotrazadores PET casi sin modificación en los pasos preparatorios y de adquisición / reconstrucción.

Protocol

Los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con las recomendaciones de la Guía para el cuidado y uso de animales de laboratorio de las Directrices internacionales sobre el manejo de animales de laboratorio, exigidas por la Directiva Europea (Directiva 86/609 / CEE de 1986 y Directiva 2010/63 / UE) y las leyes italianas (D.Lgs. 26/2014). 1. Configuración de los protocolos de imágenes PET/CT y flujo de trabajo NOTA: El protocolo presentado…

Representative Results

En esta sección, se muestran los resultados típicos para el análisis de PET y CT siguiendo los procedimientos descritos hasta ahora. La figura 6 muestra los resultados de la segmentación automática del miocardio y de la cavidad del VI de la TEP [18F]FDG de un ratón control (sano) CD-1. Aunque el ventrículo derecho no siempre es visible en las imágenes reconstruidas, los ejes de orientación basados en el encabezado DICOM pueden ser utilizados para discriminar correctamente…

Discussion

El protocolo presentado en este documento se centra en un procedimiento experimental típico para la investigación cardiovascular traslacional en modelos animales pequeños de lesión cardíaca mediante el uso de imágenes PET / CT de alta resolución. Los resultados presentados son indicativos del alto valor cuantitativo y cualitativo de las imágenes PET y Cine-CT, proporcionando información funcional y estructural de todo el corazón con respecto a su metabolismo de la glucosa, la forma y la dinámica de su contracc…

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