Användning av ultrahög Field MRI i Small Gnagare Modeller av polycystisk njursjukdom för<em> In Vivo</em> Fenotypning och narkotikamissbruk

Summary

The use of ultra-high field MRI as a non-invasive way to obtain phenotypic information of rodent models for polycystic kidney disease and to monitor interventions is described. Compared with the traditional histological approach, MRI images can be acquired in vivo, allowing for longitudinal follow-up.

Abstract

Several in vivo pre-clinical studies in Polycystic Kidney Disease (PKD) utilize orthologous rodent models to identify and study the genetic and molecular mechanisms responsible for the disease, and are very convenient for rapid drug screening and testing of promising therapies. A limiting factor in these studies is often the lack of efficient non-invasive methods for sequentially analyzing the anatomical and functional changes in the kidney. Magnetic resonance imaging (MRI) is the current gold standard imaging technique to follow autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) patients, providing excellent soft tissue contrast and anatomic detail and allowing Total Kidney Volume (TKV) measurements.A major advantage of MRI in rodent models of PKD is the possibility for in vivo imaging allowing for longitudinal studies that use the same animal and therefore reducing the total number of animals required. In this manuscript, we will focus on using Ultra-high field (UHF) MRI to non-invasively acquire in vivo images of rodent models for PKD. The main goal of this work is to introduce the use of MRI as a tool for in vivo phenotypical characterization and drug monitoring in rodent models for PKD.

Introduction

Polycystisk njursjukdom (PKD) innefattar en grupp av monogena störningar kännetecknade av att utveckla njurcystor. Bland dem är autosomalt dominant polycystisk njursjukdom (ADPKD) och autosomal-recessiv polycystisk njursjukdom (ARPKD), som representerar de vanligaste typerna ^1,2. ADPKD, den vanligaste formen av ärftliga njur cystiska sjukdomar, härrör från mutationer i PKD1 eller PKD2 gener. Den kännetecknas av sen debut, flera bilaterala njurarna, tillsammans med rörliga extra njurarna, samt hjärt-och muskelskelettmissbildningar. ARPKD, oftast drabbar nyfödda och småbarn, orsakas av mutationer i PKHD1 och kännetecknas av förstorade ekogeniska njurar och medfödd leverfibros ^3.

Viktigt är ADPKD kännetecknas av heterogenitet, både på den gen (framkallande) och mutation (allel) nivåer, vilket resulterar i betydande phenotypic variabilitet. Mutationer i PKD1 genen är förknippade med svår klinisk presentation (många cystor, tidig diagnos, högt blodtryck, och hematuri), liksom snabb progression till slut njursjukdom (20 år tidigare än patienter med PKD2 mutationer) ^4. Svår polycystiskt leversjukdom (PLD) och vaskulära avvikelser kan förknippas med mutationer i både PKD1 och PKD2 ^5. Majoriteten av njurkomplikationer av ADPKD uppstår främst som en följd av cysta expansionen tillsammans med tillhörande inflammation och fibros. Cysta utveckling börjar i livmodern och fortsätter genom patientens livstid. Njurar behålla vanligtvis sin reniform form trots att de kunde nå mer än 20 gånger den normala njurvolym. De flesta av patienterna nuvarande bilaterala distribution av njurarna, men i vissa ovanliga fall, cysta kan utvecklas i en ensidig eller asymmetrisk mönster.

En stor ChallenGE för nephrologists efter patienter med ADPKD eller genomföra behandlingar är naturhistoria av sjukdomen. Under större delen av sitt lopp, njurfunktionen är normal och när njurfunktionen börjar minska, de flesta av de njurar har ersatts av cystor. När behandlingar genomförs i ett senare skede, är det mindre sannolikt att bli framgångsrika eftersom patienten kanske redan har nått en punkt utan återvändo i kronisk njursjukdom. När däremot terapier startas i tidiga stadier, är det svårt att identifiera ett svar baserat enbart på glomerulär filtreringshastighet. Som ett resultat, fick begreppet njurvolym som en markör för sjukdomsprogression uppmärksamhet.

Konsortiet för radiologiska Imaging studier av polycystisk njursjukdom (CHIP) studie har visat att patienter med ADPKD ökningen av njur- och cysta volymer korrelerar direkt med nedsatt försämring funktionen, vilket understryker potentialen hos Total Kidney Volym (TKV) som somurrogate markör för sjukdomsprogression ^6,7. Följaktligen TKV närvarande används som primär eller sekundär endpoint i flera kliniska prövningar för ADPKD ^2,8,9.

Flera musmodeller inklusive spontana mutationer och genetiskt modifierade har belysa patogenesen av PKD ^10,11. PKD1 eller Pkd2 modeller (mutationer i antingen PKD1 eller Pkd2) har blivit den mest populära, eftersom de helt efterlikna den mänskliga sjukdomen. Dessutom har gnagarmodeller med mutationer i andra än PKD1 eller Pkd2 gener gener använts som en experimentell plattform för att belysa signalvägar relaterade till sjukdomen. Dessutom har flera av dessa modeller har använts för att testa potentiella behandlingar. Emellertid är en begränsande faktor i många studier på gnagare för PKD ofta bristen på effektiva icke-invasiva metoder för att sekventiellt analysera de anatomiska och funktionella förändringar i njuren.

Magnetisk resonance (MRT) är den nuvarande guldmyntfoten avbildningsteknik att följa ADPKD patienter, ger utmärkt mjukvävnadskontrast och anatomiska detaljer, och gör det möjligt TKV mätningar. Även om MRI är väl etablerad för anatomisk avbildning i större djur och människor, imaging smågnagare in vivo innebär ytterligare tekniska utmaningar, där förmågan att skaffa högupplösta bilder kan begränsa dess användbarhet. Med införandet av ultrahög fält (UHF) MRT (7-16,4 T) och utvecklingen av starkare gradienter, är det nu möjligt att uppnå högre signal-brusförhållande och rumslig upplösning på MRI-bilder med en diagnostisk kvalitet som liknar den erhållen i människor. Följaktligen har användningen av UHF MRI för in vivo avbildning av små gnagare modeller för PKD bli ett kraftfullt verktyg för forskare.

Protocol

Innan du börjar alla förfaranden med levande djur, bör experimentella protokoll skall godkännas av den institutionella djurvård och användning kommittén (IACUC). 1. Skanner Konfiguration Innan du börjar, se till att värmaren är i läge OFF. Välj mini imaging lutning och 38 mm RF-spole och mini imaging hållare. I det centrala hålet hos hållaren installera aggregatet variabel temperatur. 2. Animal Förberedelse <…

Representative Results

I detta manuskript, siktar vi på att visa nyttan av UHF MRI som ett verktyg för in vivo fenotypisk karakterisering eller läkemedelsövervakning i musmodeller för PKD och andra njursjukdomar. Alla experimenten var en del av försöksprotokoll som godkänts av IACUC. In vivo fenotypning av små gnagare modeller för PKD använder UHF MRI: Alla imaging studier utfördes på levande djur enligt isoflurananestesi, med en Bruker AVANCEIII-700 (16,4 T…

Discussion

Detta manuskript visar möjligheten att använda UHF MRI som ett verktyg för in vivo fenotypisk karakterisering eller läkemedelsövervakning i gnagarmodeller för PKD.

Vi beskriver experiment gjorda på 16,4 T med ett brett hål Avance III högupplöst NMR-spektrometer utrustad med mikro och mini imaging tillbehör. Spektrometern drevs av förvärv och programvara för TopSpin2.0PV styrs av Paravision 5.1 programvara avbildning. Eftersom gnagare storlek varierar i longitudinella s…

Materials

AVANCEIII-700 (16.4 T)	Bruker	BH067206	Wide-bore two channel multinuclear spectrometer equipped with mini and micro-imaging accessories for in vivo small rodent imaging
TopSpin2.0PV	Bruker	H9088TA2	Spectrometer processing software
Paravision 5.1	Bruker	T10314L5	Imaging sofware
VTU BVT 3000 digital	Bruker	W1101095	Temperature controller