소형 동물을 위한 고해상도 심장 양전자 방출 단층 촬영/컴퓨터 단층 촬영
Summary
여기에서는 소형 동물을위한 고해상도 양전자 방출 단층 촬영 / 컴퓨터 단층 촬영을 사용하여 심장 기능 및 형태를 정량화하기위한 실험 이미징 프로토콜을 제시합니다. 마우스와 쥐 모두 고려되어 두 종에 대한 컴퓨터 단층 촬영 조영제의 다양한 요구 사항을 논의합니다.
Abstract
양전자 방출 단층 촬영 (PET)과 컴퓨터 단층 촬영 (CT)은 가장 많이 사용되는 진단 영상 기술 중 하나이며 둘 다 심장 기능과 신진 대사를 이해하는 데 도움이됩니다. 전임상 연구에서는 고감도 및 높은 시공간 해상도를 가진 전용 스캐너가 사용되어 생쥐와 쥐의 작은 심장 크기와 매우 높은 심박수로 인한 까다로운 기술 요구 사항에 대처하도록 설계되었습니다. 이 논문에서는 동물 준비 및 이미지 획득 및 재구성에서 이미지 처리 및 시각화에 이르기까지 심장 질환의 실험 마우스 및/또는 쥐 모델을 위한 바이모달 심장 PET/CT 이미징 프로토콜에 대해 설명합니다.
특히, 18 F- 표지 된 플루오로 데 옥시 글루코스 ([18F] FDG) -PET 스캔은 좌심실 (LV)의 다른 세그먼트에서 포도당 대사의 측정 및 시각화를 허용합니다. 극좌표 지도는 이 정보를 표시하는 편리한 도구입니다. CT 부분은 심전도(ECG) 리드가 없는 후향적 게이팅을 사용하여 전체 심장의 시간 분해 3D 재구성(4D-CT)으로 구성되어 LV의 형태 기능 평가와 박출률(EF) 및 뇌졸중 부피(SV)와 같은 가장 중요한 심장 기능 매개변수의 후속 정량화를 허용합니다. 통합 PET/CT 스캐너를 사용하여 이 프로토콜은 다른 스캐너 간에 동물을 재배치할 필요 없이 동일한 마취 유도 내에서 실행할 수 있습니다. 따라서 PET / CT는 심장 질환의 여러 작은 동물 모델에서 심장의 형태 기능 및 대사 평가를위한 포괄적 인 도구로 볼 수 있습니다.
Introduction
작은 동물 모델은 심혈관 질환 1,2에 대한 이해를 높이는 데 매우 중요합니다. 비침습적 진단 영상 도구는 지난 수십 년 동안 임상 및 전임상 환경 모두에서 심장 기능을 보는 방식에 혁명을 일으켰습니다. 심장 질환의 작은 동물 모델에 관한 한, 매우 높은 시공간 해상도로 특정 이미징 도구가 개발되었습니다. 따라서, 이러한 기기는 심부전 (HF)3 또는 심근 경색 (MI)4와 같은 특정 질병 모델에서 마우스 및 래트의 매우 작고 매우 빠르게 움직이는 심장에 대한 관련 대사 및 운동 심근 파라미터의 정확한 정량화의 필요성과 일치 할 수있다. 이 목적을 위해 각각 고유한 강점과 약점이 있는 여러 양식을 사용할 수 있습니다. 초음파(미국) 이미징은 뛰어난 유연성, 매우 높은 시간 해상도 및 상대적으로 저렴한 비용으로 인해 가장 널리 사용되는 방식입니다. 작은 동물에서 미국 심장 영상의 채택은 공간 해상도가 50μm 미만인 초고주파 5,6의 프로브를 사용하는 시스템의 출현 이후 상당히 증가했습니다.
완전 3D 심장 영상에 대한 미국의 주요 단점 중 하나는 전체 심장의 동적 B 모드 이미지의 전체 스택을 생성하기 위해 전동 변환 스테이지에 프로브를 장착하여 심장 축을 따라 선형 스캔이 필요하다는것입니다 7. 결국, 이 절차는 (각 프로브 위치에서 획득한 이미지의 정확한 공간 및 시간 등록 후) 평면 내 방향과 평면 외부 방향 사이에 서로 다른 공간 해상도를 갖는 4D 이미지를 발생시킵니다. 동일한 불균일 공간 해상도 문제가 심장 MR(CMR)에서도 발생하며,8 이는 여전히 심장의 기능적 영상에서 황금 표준을 나타냅니다. 실제 등방성 3D 이미징은 대신 컴퓨터 단층 촬영 (CT)과 양전자 방출 단층 촬영 (PET)을 모두 사용하여 얻을 수 있습니다 9. PET는 CT, MR 또는 US에 비해 공간 분해능이 감소하더라도 주입된 프로브의 양(나노몰 범위)당 이미지 신호 측면에서 매우 민감한 도구를 제공합니다. PET의 주요 장점은 장기의 병태생리학의 기초가 되는 세포 및 분자 메커니즘을 표시하는 능력입니다. 예를 들어, [18F]FDG 주입 후 PET 스캔을 통해 신체의 포도당 대사에 대한 3D 지도를 재구성할 수 있습니다. 이를 동적(즉, 시간 분해) 데이터 획득과 결합함으로써, 추적자 키네틱 모델링은 포도당 흡수의 대사율(MRGlu)의 파라메트릭 맵을 계산하는데 사용될 수 있으며, 이는 심근 생존력에 대한 중요한 정보를 제공할 것이다(10).
CT는 관련 조직 구성 요소(예: 혈액 대 근육)의 측정 가능한 향상을 제공하기 위해 고농도(mL당 최대 400mg의 요오드)에서 상당한 양의 외부 조영제(CA)가 필요하지만 특히 소형 동물 이미징용으로 설계된 최첨단 마이크로 CT 스캐너를 사용할 때 공간 및 시간 해상도가 뛰어납니다. 11 심장 PET/CT가 적용될 수 있는 전형적인 질병 모델은 심근경색 및 심부전 및 치료에 대한 관련 반응의 실험적 평가이다. 작은 동물에서 MI를 유도하는 일반적인 방법은 좌측 전방 하행 (LAD) 관상 동맥(12,13)의 외과 적 결찰에 의한 다음 질병의 진행 및 후속 날의 심장 리모델링을 종단 적으로 평가하는 것입니다4. 그럼에도 불구하고, 작은 동물에서 심장의 정량적 형태기능적 평가는 심장 기능14에 대한 노화의 영향의 평가 또는 비만 모델에서의 변경된 수용체 발현(15)과 같은 다른 질병 모델에도 대체로 적용될 수 있다. 제시된 이미징 프로토콜은 주어진 질병 모델에 국한되지 않으므로 작은 설치류를 사용한 전임상 연구의 여러 맥락에서 가장 광범위한 관심을 가질 수 있습니다.
이 논문에서는 작은 동물 통합 PET/CT를 사용한 심장 영상의 시작부터 끝까지 실험 프로토콜을 제시합니다. 제시된 프로토콜이 특정 바이모달 통합 스캐너용으로 설계되었음에도 불구하고 설명된 절차의 PET 및 CT 부분은 다른 제조업체의 개별 스캐너에서 독립적으로 수행될 수 있습니다. 사용 중인 PET/CT 스캐너에서 작업 순서는 사전 프로그래밍된 워크플로로 구성됩니다. 각 워크플로의 주요 분기는 하나 이상의 획득 프로토콜입니다. 각각의 획득 프로토콜은 특정 전처리 프로토콜에 대해 하나 이상의 브랜치를 가질 수 있고, 이어서 각각의 전처리 프로토콜은 특정 재구성 프로토콜에 대해 하나 이상의 브랜치를 가질 수 있다. 영상화 베드 상의 동물의 준비 및 영상화 절차 동안 주입될 외부 작용제의 제제 둘 모두가 기재되어 있다. 이미지 획득 절차가 완료된 후, 일반적으로 사용 가능한 소프트웨어 툴을 기반으로 한 정량적 이미지 분석을 위한 예제 절차가 제공됩니다. 기본 프로토콜은 마우스 모델을 위해 특별히 설계되었습니다. 마우스가이 분야에서 가장 많이 사용되는 종으로 남아 있지만, 우리는 또한 주 프로토콜의 끝에서 쥐 이미징을위한 프로토콜의 적응을 보여줍니다. 마우스와 래트 모두에 대한 대표적인 결과가 표시되며, 설명된 절차에서 예상할 수 있는 출력 유형을 보여줍니다. 이 논문의 끝 부분에서는 기술의 장단점, 임계점, 준비 및 획득 / 재구성 단계를 거의 수정하지 않고 다양한 PET 방사성 추적자를 사용할 수있는 방법을 강조하기 위해 철저한 논의가 이루어집니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 논문에 제시된 프로토콜은 고해상도 PET/CT 영상을 사용하여 심장 손상의 작은 동물 모델에 대한 중개 심혈관 연구를 위한 일반적인 실험 절차에 중점을 둡니다. 제시된 결과는 PET 및 Cine-CT 이미지의 높은 양적 및 질적 가치를 나타내며 포도당 대사, 모양 및 수축 역학에 관한 전체 심장의 기능적 및 구조적 정보를 제공합니다. 또한 얻은 모든 이미지는 3D, 시간 해상도 및 현재 등방성 픽셀 간격입…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 JPI-HDHL-INTIMIC “GUTMOM”프로젝트 : 자손의 모성 비만 및인지 기능 장애 : GUT MicrobiOMe의 인과 관계 역할 및 조기식이 예방 (프로젝트 번호. INTIMIC-085, 이탈리아 교육부, 대학 및 연구 법령 번호 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 |
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