Summary

Hjertepositronemissionstomografi / computertomografi med høj opløsning til små dyr

Published: December 16, 2022
doi:

Summary

Her præsenterer vi en eksperimentel billeddannelsesprotokol til kvantificering af hjertefunktion og morfologi ved hjælp af positronemissionstomografi / computertomografi i høj opløsning til små dyr. Både mus og rotter overvejes og diskuterer de forskellige krav til computertomografikontrastmidler til de to arter.

Abstract

Positronemissionstomografi (PET) og computertomografi (CT) er blandt de mest anvendte diagnostiske billeddannelsesteknikker og tjener begge til at forstå hjertefunktion og metabolisme. I præklinisk forskning anvendes dedikerede scannere med høj følsomhed og høj spatio-temporal opløsning, designet til at klare de krævende teknologiske krav, der stilles af mus og rotters lille hjertestørrelse og meget høje hjertefrekvens. I dette papir beskrives en bimodal hjerte PET / CT-billeddannelsesprotokol til eksperimentelle muse- og / eller rottemodeller af hjertesygdomme, fra dyreforberedelse og billedoptagelse og rekonstruktion til billedbehandling og visualisering.

Især den 18 F-mærkede fluorodeoxyglucose ([18F] FDG)-PET-SCANNING GIVER MULIGHED FOR MÅLING OG VISUALISERING AF GLUKOSEMETABOLISME I DE FORSKELLIGE SEGMENTER AF VENSTRE VENTRIKEL (LV). Polarkort er praktiske værktøjer til at vise disse oplysninger. CT-delen består af en tidsopløst 3D-rekonstruktion af hele hjertet (4D-CT) ved hjælp af retrospektiv gating uden elektrokardiografi (EKG) ledninger, hvilket muliggør morfofunktionel evaluering af LV og den efterfølgende kvantificering af de vigtigste hjertefunktionsparametre, såsom udstødningsfraktion (EF) og slagvolumen (SV). Ved hjælp af en integreret PET/CT-scanner kan denne protokol udføres inden for samme anæstesiinduktion uden behov for at flytte dyret mellem forskellige scannere. Derfor kan PET/CT ses som et omfattende værktøj til morfofunktionel og metabolisk evaluering af hjertet i flere smådyrsmodeller af hjertesygdomme.

Introduction

Smådyrsmodeller er ekstremt vigtige for at fremme forståelsen af hjerte-kar-sygdomme 1,2. Ikke-invasive, diagnostiske billeddannelsesværktøjer har revolutioneret den måde, vi ser på hjertefunktion i de sidste årtier, både i kliniske og prækliniske omgivelser. Hvad angår smådyrsmodeller af hjertesygdomme, er der udviklet specifikke billeddannelsesværktøjer med meget høj spatiotemporal opløsning. Sådanne instrumenter kan således matche behovet for nøjagtig kvantificering af de relevante metaboliske og kinetiske myokardieparametre på mus og rotters meget små og meget hurtige hjerter i specifikke sygdomsmodeller, såsom hjertesvigt (HF)3 eller myokardieinfarkt (MI)4. Flere modaliteter er tilgængelige til dette formål, hver med deres egne styrker og svagheder. Ultralyd (US) billeddannelse er den mest anvendte modalitet på grund af dens store fleksibilitet, meget høje tidsmæssige opløsning og relativt lave omkostninger. Vedtagelsen af amerikansk hjertebilleddannelse hos små dyr er steget betydeligt siden fremkomsten af systemer, der bruger sonder med ultrahøj frekvens5,6, med rumlige opløsninger under 50 μm.

Blandt de største ulemper ved USA for fuld 3D-hjertebilleddannelse er behovet for lineære scanninger langs hjerteaksen ved at montere sonden på et motoriseret oversættelsestrin for at skabe en fuld stak dynamiske B-tilstandsbilleder af hele hjertet7. Til sidst giver denne procedure anledning (efter nøjagtig rumlig og tidsmæssig registrering af de billeder, der er erhvervet i hver sondeposition) til et 4D-billede med forskellige rumlige opløsninger mellem in-plane og out-of-plane retninger. Det samme problem med ikke-ensartet rumlig opløsning forekommer i hjerte-MR (CMR),8 som stadig repræsenterer guldstandarden i den funktionelle billeddannelse af hjertet. Ægte isotrop 3D-billeddannelse kan i stedet opnås ved hjælp af både computertomografi (CT) og positronemissionstomografi (PET)9. PET giver et meget følsomt værktøj med hensyn til billedsignal pr. mængde injiceret sonde (i nanomolarområdet), selvom det lider af en reduceret rumlig opløsning sammenlignet med CT, MR eller US. Den største fordel ved PET er dets evne til at vise de cellulære og molekylære mekanismer, der ligger til grund for organets patofysiologi. For eksempel tillader en PET-scanning efter injektion af [18F] FDG rekonstruktion af et 3D-kort over glukosemetabolismen i kroppen. Ved at kombinere dette med dynamisk (dvs. tidsopløst) dataindsamling kan sporstofkinetisk modellering bruges til at beregne parametriske kort over de metaboliske hastigheder for glukoseoptagelse (MRGlu), som vil give vigtige oplysninger om myokardielevedygtighed10.

CT kræver betydelige mængder eksterne kontrastmidler (CA) i høje koncentrationer (op til 400 mg jod pr. ml) for at give en målbar forbedring af de relevante vævskomponenter (f.eks. blod vs. muskler), men det udmærker sig i rumlig og tidsmæssig opløsning, især når man bruger avancerede mikro-CT-scannere designet til billeddannelse af små dyr. 11 En typisk sygdomsmodel, hvor hjerte-PET/CT kan anvendes, er den eksperimentelle evaluering af myokardieinfarkt og hjertesvigt og relateret respons på terapi. En almindelig måde at fremkalde MI hos små dyr er ved kirurgisk ligering af venstre forreste faldende (LAD) kranspulsåre12,13 og derefter langsgående evaluering af sygdommens progression og hjerteombygningen i de efterfølgende dage4. Ikke desto mindre er den kvantitative morfofunktionelle evaluering af hjertet hos små dyr i vid udstrækning også anvendelig for andre sygdomsmodeller, såsom evaluering af aldringens virkning på hjertefunktion14 eller ændret receptorekspression i modeller af fedme15. Den præsenterede billeddannelsesprotokol er ikke begrænset til en given sygdomsmodel og kan derfor være af den bredeste interesse i flere sammenhænge af præklinisk forskning med små gnavere.

I dette papir præsenterer vi en start-til-ende eksperimentel protokol til hjertebilleddannelse ved hjælp af smådyrsintegreret PET / CT. Selv om den fremlagte protokol er udformet til en specifik bimodal integreret scanner, kan PET- og CT-delene af den beskrevne procedure udføres uafhængigt på separate scannere fra forskellige producenter. I den anvendte PET/CT-scanner er operationssekvensen organiseret i en forprogrammeret arbejdsgang. Hovedgrenene i hver arbejdsgang er en eller flere anskaffelsesprotokoller; Hver anskaffelsesprotokol kan have en eller flere grene til specifikke forbehandlingsprotokoller, og til gengæld kan hver forbehandlingsprotokol have en eller flere grene til specifikke genopbygningsprotokoller. Både forberedelsen af dyret på billeddannelseslejet og forberedelsen af de eksterne midler, der skal injiceres under billeddannelsesprocedurerne, beskrives. Efter afslutningen af billedoptagelsesproceduren leveres eksempler på procedurer til kvantitativ billedanalyse baseret på almindeligt tilgængelige softwareværktøjer. Hovedprotokollen er specielt designet til musemodeller; Selvom musen stadig er den mest anvendte art på dette område, viser vi også en tilpasning af protokollen til rottebilleddannelse i slutningen af hovedprotokollen. Der vises repræsentative resultater for både mus og rotter, hvilket viser, hvilken type output der kan forventes med de beskrevne procedurer. I slutningen af dette papir diskuteres en grundig diskussion for at understrege fordele og ulemper ved teknikken, kritiske punkter, samt hvordan forskellige PET-radiotracere kunne bruges næsten uden ændring af forberedelses- og erhvervelses- / genopbygningstrinnene.

Protocol

Dyreforsøg blev udført i overensstemmelse med anbefalingerne i vejledningen om pleje og brug af forsøgsdyr i de internationale retningslinjer for håndtering af forsøgsdyr, der kræves i EU-direktivet (direktiv 86/609/EØF af 1986 og direktiv 2010/63/UE) og italiensk lovgivning (D.Lgs. 26/2014). 1. Opsætning af PET/CT-billedprotokoller og arbejdsgang BEMÆRK: Protokollen, der præsenteres her, er specielt designet til hjertebilleddannelse af muse…

Representative Results

I dette afsnit vises typiske resultater for både PET- og CT-analyser efter de hidtil beskrevne procedurer. Figur 6 viser resultaterne af den automatiske myokardie- og LV-hulrumssegmentering af [18F] FDG-KÆLEDYRSSCANNING AF EN KONTROL (SUND) CD-1-mus. Selvom højre ventrikel ikke altid er synlig i de rekonstruerede billeder, kan orienteringsakserne baseret på DICOM-overskriften bruges til korrekt at skelne interventrikulær septum fra de andre LV-vægge, som krævet for pålidel…

Discussion

Protokollen, der præsenteres i dette papir, fokuserer på en typisk eksperimentel procedure for translationel kardiovaskulær forskning på små dyremodeller af hjerteskade ved hjælp af PET / CT-billeddannelse i høj opløsning. De præsenterede resultater er vejledende for den høje kvantitative og kvalitative værdi af PET- og Cine-CT-billeder, der giver både funktionel og strukturel information om hele hjertet om dets glukosemetabolisme, form og dynamikken i dets sammentrækning. Desuden er alle de opnåede billede…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denne forskning blev delvist støttet af JPI-HDHL-INTIMIC “GUTMOM” -PROJEKTET: Maternal fedme og kognitiv dysfunktion hos afkom: Årsagsvirkningsrolle for GUT MicrobiOMe og tidlig diætforebyggelse (projekt nr. INTIMIC-085, det italienske ministerium for uddannelse, universitet og forskningsdekret nr. 946/2019).

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

References

  1. Zaragoza, C. Animal models of cardiovascular diseases. Journal of Biomedicine and Biotechnology. 2011, 497841 (2011).
  2. Russell, J. C., Proctor, S. D. Small animal models of cardiovascular disease: Tools for the study of the roles of metabolic syndrome, dyslipidemia, and atherosclerosis. Cardiovascular Pathology. 15 (6), 318-330 (2006).
  3. Riehle, C., Bauersachs, J. Small animal models of heart failure. Cardiovascular Research. 115 (13), 1838-1849 (2019).
  4. Menichetti, L., et al. MicroPET/CT imaging of αvß3 integrin via a novel 68Ga-NOTA-RGD peptidomimetic conjugate in rat myocardial infarction. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 40 (8), 1265-1274 (2013).
  5. Zhou, H., et al. Development of a micro-computed tomography-based image-guided conformal radiotherapy system for small animals. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 78 (1), 297-305 (2010).
  6. Di Lascio, N., Kusmic, C., Stea, F., Faita, F. Ultrasound-based pulse wave velocity evaluation in mice. Journal of Visualized Experiments. (120), e54362 (2017).
  7. Dann, M. M., et al. Quantification of murine myocardial infarct size using 2-D and 4-D high-frequency ultrasound. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 322 (3), 359-372 (2022).
  8. Espe, E. K. Novel insight into the detailed myocardial motion and deformation of the rodent heart using high-resolution phase contrast cardiovascular magnetic resonance. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 15 (1), 82 (2013).
  9. Vanhove, C., et al. Accurate molecular imaging of small animals taking into account animal models, handling, anaesthesia, quality control and imaging system performance. EJNMMI Physics. 2 (1), 31 (2015).
  10. Garcia, M. J., et al. State of the art: Imaging for myocardial viability: A scientific statement from the American Heart Association. Circulation: Cardiovascular Imaging. 13 (7), 000053 (2020).
  11. Panetta, D., et al. Cardiac computed tomography perfusion: Contrast agents, challenges and emerging methodologies from preclinical research to the clinics. Academic Radiology. 28 (1), 1-18 (2020).
  12. Kusmic, C. Up-regulation of heme oxygenase-1 after infarct initiation reduces mortality, infarct size and left ventricular remodeling: experimental evidence and proof of concept. Journal of Translational Medicine. 12 (1), 89 (2014).
  13. Muthuramu, I., Lox, M., Jacobs, F., De Geest, B. Permanent ligation of the left anterior descending coronary artery in mice: A model of post-myocardial infarction remodelling and heart failure. Journal of Visualized Experiments. (94), e52206 (2014).
  14. Fischer, M., et al. Comparison of metabolic and functional parameters using cardiac 18F-FDG-PET in early to mid-adulthood male and female mice. EJNMMI Research. 11 (1), 7 (2021).
  15. Valenta, I., et al. Feasibility evaluation of myocardial cannabinoid type 1 receptor imaging in obesity: A translational approach. JACC: Cardiovascular Imaging. 11 (2), 320-332 (2018).
  16. Fueger, B. J., et al. Impact of animal handling on the results of 18F-FDG PET studies in mice. Journal of Nuclear Medicine. 47 (6), 999-1006 (2006).
  17. . Carimas User Manual Available from: https://turkupetcentre.fl/carimas/files/archive/Html/a1.html (2022)
  18. Peters, A. M. Graphical analysis of dynamic data: The Patlak-Rutland plot. Nuclear Medicine Communications. 15 (9), 669-672 (1994).
  19. Choi, Y., et al. Parametric images of myocardial metabolic rate of glucose generated from dynamic cardiac PET and 2-[18F]fluoro-2-deoxy-d-glucose studies. Journal of Nuclear Medicine. 32 (4), 733-738 (1991).
  20. Laffon, E., Marthan, R. Is Patlak y-intercept a relevant metrics. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 48 (5), 1287-1290 (2021).
  21. Flores, J. E., McFarland, L. M., Vanderbilt, A., Ogasawara, A. K., Williams, S. -. P. The effects of anesthetic agent and carrier gas on blood glucose and tissue uptake in mice undergoing dynamic FDG-PET imaging: Sevoflurane and isoflurane compared in air and in oxygen. Molecular Imaging and Biology. 10 (4), 192-200 (2008).
  22. Ng, C. K. Sensitivity of myocardial fluorodeoxyglucose lumped constant to glucose and insulin. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 260 (2), 593-603 (1991).
  23. Shoghi, K. I., Welch, M. J. Hybrid image and blood sampling input function for quantification of small animal dynamic PET data. Nuclear Medicine and Biology. 34 (8), 989-994 (2007).
  24. Heuberger, J., Pixmeo, S., Rosset, A. OsiriX User Manual. Blurb. , (2017).
  25. Cerqueira, M. D., et al. Standardized myocardial segmentation and nomenclature for tomographic imaging of the heart. A statement for healthcare professionals from the Cardiac Imaging Committee of the Council on Clinical Cardiology of the American Heart Association. Circulation. 105 (4), 539-542 (2002).
  26. Kolanowski, T. J., et al. Multiparametric evaluation of post-MI small animal models using metabolic ([18F]FDG) and perfusion-based (SYN1) heart viability tracers. International Journal of Molecular Sciences. 22 (22), 12591 (2021).
  27. Guiducci, L., et al. Contribution of organ blood flow, intrinsic tissue clearance and glycaemia to the regulation of glucose use in obese and type 2 diabetic rats: A PET study. Nutrition Metabolism and Cardiovascular Diseases. 21 (9), 726-732 (2011).
  28. Tadinada, S. M., et al. Functional resilience of C57BL/6J mouse heart to dietary fat overload. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 321 (5), 850-864 (2021).
  29. Dreyfuss, A. D., et al. A novel mouse model of radiation-induced cardiac injury reveals biological and radiological biomarkers of cardiac dysfunction with potential clinical relevance. Clinical Cancer Research. 27 (8), 2266-2276 (2021).
  30. Hsu, B. PET tracers and techniques for measuring myocardial blood flow in patients with coronary artery disease. Journal of Biomedical Research. 27 (6), 452-459 (2013).
  31. Dinkel, J., et al. Intrinsic gating for small-animal computed tomography. Circulation: Cardiovascular Imaging. 1 (3), 235-243 (2008).
  32. Kuntz, J., et al. Fully automated intrinsic respiratory and cardiac gating for small animal CT. Physics in Medicine and Biology. 55 (7), 2069-2085 (2010).
  33. Li, Y., Zhang, W., Wu, H., Liu, G. Advanced tracers in PET imaging of cardiovascular disease. BioMed Research International. 2014, 504532 (2014).
  34. Kim, D. -. Y., Cho, S. -. G., Bom, H. -. S. Emerging tracers for nuclear cardiac PET imaging. Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 52 (4), 266-278 (2018).
  35. Maddahi, J., Packard, R. R. S. Cardiac PET perfusion tracers: Current status and future directions. Seminars in Nuclear Medicine. 44 (5), 333-343 (2014).
  36. Bentourkia, M. Kinetic modeling of PET data without blood sampling. IEEE Transactions on Nuclear Science. 52 (3), 697-702 (2005).
  37. Lammertsma, A. A. Forward to the past: The case for quantitative PET imaging. Journal of Nuclear Medicine. 58 (7), 1019-1024 (2017).
  38. Nahrendorf, M., et al. High-resolution imaging of murine myocardial infarction with delayed-enhancement cine micro-CT. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 292 (6), 3172-3178 (2007).
  39. Badea, C. T., Fubara, B., Hedlund, L. W., Johnson, G. A. 4-D micro-CT of the mouse heart. Molecular Imaging. 4 (2), 110-116 (2005).
  40. Technical Resources. MediLumine Available from: https://www.medilumine.com/technical-resources (2019)
  41. Nebuloni, L., Kuhn, G. A., Müller, R. A Comparative analysis of water-soluble and blood-pool contrast agents for in vivo vascular imaging with micro-CT. Academic Radiology. 20 (10), 1247-1255 (2013).
  42. Panetta, D., et al. Performance evaluation of the CT component of the IRIS PET/CT preclinical tomograph. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section A: Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 805, 135-144 (2016).
  43. Gu, J., et al. At what dose can total body and whole abdominal irradiation cause lethal intestinal injury among C57BL/6J mice. Dose-Response. 18 (3), 1559325820956783 (2020).
  44. Amirrashedi, M., Zaidi, H., Ay, M. R. Advances in preclinical PET instrumentation. PET Clinics. 15 (4), 403-426 (2020).
  45. Clark, D. P., Badea, C. T. Advances in micro-CT imaging of small animals. Physica Medica. 88, 175-192 (2021).
  46. Belcari, N., Del Guerra, A., Panetta, D., Grupen, C., Buvat, I. High-Resolution and Animal Imaging Instrumentation and Techniques. Handbook of Particle Detection and Imaging. , 1497-1535 (2021).
  47. Wang, G., Rahmim, A., Gunn, R. N. PET Parametric imaging: Past, present, and future. IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences. 4 (6), 663-675 (2020).
  48. Befera, N. T., Badea, C. T., Johnson, G. A. Comparison of 4D-microSPECT and microCT for murine cardiac function. Molecular Imaging and Biology. 16 (2), 235-245 (2014).
  49. van Deel, E., Ridwan, Y., van Vliet, J. N., Belenkov, S., Essers, J. In vivo quantitative assessment of myocardial structure, function, perfusion and viability using cardiac micro-computed tomography. Journal of Visualized Experiments. (108), e53603 (2016).
  50. Lee, C. -. L., et al. Assessing cardiac injury in mice with dual energy-microCT, 4D-microCT and microSPECT imaging following partial-heart irradiation. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 88 (3), 686-693 (2014).
  51. Harms, H., et al. Comparison of clinical non-commercial tools for automated quantification of myocardial blood flow using oxygen-15-labelled water PET/CT. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 15 (4), 431-441 (2013).
  52. Nesterov, S. V., et al. Myocardial perfusion quantitation with 15O-labelled water PET: High reproducibility of the new cardiac analysis software (CarimasTM). European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 36 (10), 1594-1602 (2009).
  53. Nesterov, S. V., et al. Myocardial perfusion quantification with Rb-82 PET: Good interobserver agreement of Carimas software on global, regional, and segmental levels. Annals of Nuclear Medicine. 36, 507-514 (2022).
  54. Nesterov, S. V., et al. One-tissue compartment model for myocardial perfusion quantification with N-13 ammonia PET provides matching results: A cross-comparison between Carimas, FlowQuant, and PMOD. Journal of Nuclear Cardiology. , (2021).
  55. Thackeray, J. T., Kuntner-Hannes, C., Haemisch, Y. Preclinical Multimodality Imaging and Image Fusion in Cardiovascular Disease. Image Fusion in Preclinical Applications. , 161-181 (2019).
  56. Vohra, R., Batra, A., Forbes, S. C., Vandenborne, K., Walter, G. A. Magnetic resonance monitoring of disease progression in mdx mice on different genetic backgrounds. The American Journal of Pathology. 187 (9), 2060-2070 (2017).
  57. Baehr, A., et al. Agrin promotes coordinated therapeutic processes leading to improved cardiac repair in pigs. Circulation. 142 (9), 868-881 (2020).
  58. Lalwani, K., et al. Contrast agents for quantitative microCT of lung tumors in mice. Comparative Medicine. 63 (6), 482-490 (2013).
  59. Bertoldo, A., et al. Evaluation of compartmental and spectral analysis models of [18F]FDG kinetics for heart and brain studies with PET. IEEE Transactions on Bio-medical Engineering. 45 (12), 1429-1448 (1998).
  60. Li, Y., Kundu, B. K. An improved optimization algorithm of the three-compartment model with spillover and partial volume corrections for dynamic FDG PET images of small animal hearts in vivo. Physics in Medicine and Biology. 63 (5), 055003 (2018).
  61. Mabrouk, R., Dubeau, F., Bentourkia, M., Bentabet, L. Extraction of time activity curves from gated FDG-PET images for small animals’ heart studies. Computerized Medical Imaging and Graphics. 36 (6), 484-491 (2012).
check_url/fr/64066?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
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).

View Video