Bruk av Ultra-high Feltet MR i smågnager modeller av Polycystisk nyresykdom for<em> I Vivo</em> Fenotyping and Drug Monitoring

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 nyresykdom (PKD) omfatter en gruppe av monogene sykdommer preget av utviklingen av nyrecyster. Blant dem er autosomal-dominant polycystisk nyresykdom (ADPKD) og autosomal recessive-polycystisk nyresykdom (ARPKD), som representerer de mest vanlige typene ^1,2. ADPKD, den hyppigste formen for arvelige nyre cystisk sykdommer, er stammer av mutasjoner i PKD1 eller PKD2 gener. Det er preget av sen-utbruddet, flere bilaterale nyrecyster, ledsaget av variable ekstra nyrecyster, samt hjerte- og muskelskjelett unormalt. ARPKD, oftest påvirker nyfødte og små barn, er forårsaket av mutasjoner i PKHD1 og er preget av forstørrede ekkogene nyrer og medfødt hepatisk fibrose ^tre.

Viktigere er ADPKD karakterisert ved heterogenitet, både genet (kallende) og mutasjon (allelisk) nivåer, noe som resulterer i vesentlig phenotypic variabilitet. Mutasjoner i PKD1 genet er assosiert med alvorlig klinisk presentasjon (cyster, tidlig diagnose, hypertensjon og hematuri), samt rask progresjon til utgangen av nyresykdom (20 år tidligere enn pasienter med PKD2 mutasjoner) ^4. Alvorlig polycystisk leversykdom (PLD) og karlidelser kan forbindes med mutasjoner i både PKD1 og PKD2 ^5. Flertallet av renale komplikasjoner av ADPKD oppstår hovedsakelig som en følge av cysten ekspansjon sammen med tilknyttet inflammasjon og fibrose. Cyste utvikling starter i utero og fortsetter gjennom pasientens levetid. Nyrene vanligvis opprettholde sin reniform form, selv om de kunne nå mer enn 20 ganger normal nyre volum. Mesteparten av pasientene bilaterale distribusjon av nyrecyster, men i noen uvanlige tilfeller cyste kan utvikle seg i en ensidig eller asymmetrisk mønster.

En stor Challenge for nephrologists følgende pasienter med ADPKD eller gjennomføring terapi er den naturlige historie av sykdom. Gjennom mesteparten av sin gang, forblir nyrefunksjon normalt og etter den tid nyrefunksjon begynner å avta, de fleste av nyrene har blitt erstattet av cyster. Når behandling er gjennomført på senere stadier, er det mindre sannsynlig å være vellykket ettersom pasienten kanskje allerede har nådd et punkt of no return i kronisk nyresykdom. I kontrast, når behandling er startet på et tidlig stadium, er det vanskelig å identifisere et svar basert utelukkende på glomerulusfiltrasjon. Som et resultat, er forestillingen om nyre volum som en markør for sykdomsutvikling fått oppmerksomhet.

The Consortium for radiologiske Imaging studier av Polycystisk nyresykdom (CRISP) studie har vist at pasienter med ADPKD økningen i nyre og cyste volumer korrelerer direkte med nyrefunksjonen forverring, og understreker potensialet i Total Kidney Volume (TKV) så somurrogate markør for sykdomsprogresjon ^6,7. Følgelig er TKV dag brukt som primær eller sekundær endepunkt i flere kliniske studier for ADPKD ^2,8,9.

Flere murine modeller inkludert spontane mutasjoner og genetisk konstruert har belyse patogenesen av PKD ^10,11. PKD1 eller Pkd2 modeller (mutasjoner i enten PKD1 eller Pkd2) har blitt den mest populære, så de perfekt etterligner menneskelig sykdom. I tillegg har gnagermodeller med mutasjoner i andre enn PKD1 eller Pkd2 gener gener blitt brukt som en eksperimentell plattform for å belyse signalveier knyttet til sykdommen. I tillegg har flere av disse modellene er benyttet for å teste potensielle terapier. Imidlertid er en begrensende faktor i mange gnagere for PKD ofte av mangel på effektive ikke-invasive metoder for å analysere sekvensielt de anatomiske og funksjonelle forandringer i nyrene.

Magnetic resonance imaging (MRI) er dagens gullstandard avbildningsteknikk å følge ADPKD pasienter, gir utmerket bløtvev kontrast og anatomiske detaljer, og slik TKV målinger. Selv om MR er godt etablert for anatomisk avbildning i større dyr og mennesker, bildebehandling smågnagere in vivo innebærer flere tekniske utfordringer, hvor evnen til å skaffe høy oppløsning kan begrense nytten sin. Med introduksjonen av Ultra-high-feltet (UHF) MR (7 til 16,4 T) og utvikling av sterkere gradienter, er det nå mulig å oppnå høyere signal-støy-forhold og romlig oppløsning på MR-bilder med en diagnostisk kvalitet lik som oppnås i mennesker. Følgelig har bruken av UHF MR for in vivo avbildning av små gnagermodeller for PKD blitt et kraftig verktøy for forskere.

Protocol

Før du starter noen prosedyrer med levende dyr, skal forsøksprotokoller godkjennes av institusjonelle dyr omsorg og bruk komité (IACUC). 1. Scanner Configuration Før du starter, må du kontrollere apparatet er i AV-posisjon. Velg mini bilde gradient og 38 mm RF coil og mini bildeholder. I den sentrale boring i holderen installere variabel temperatur sammenstillingen. 2. Animal Forberedelse For MRI eksperimenter,…

Representative Results

I dette manuskriptet, vi tar sikte på å vise nytten av UHF MR som et verktøy for in vivo fenotypisk karakterisering eller legemiddelmonitorering i gnagermodeller for PKD og andre nyresykdommer. Alle eksperimentene ble en del av eksperimentelle protokoller som er godkjent av IACUC. In vivo fenotyping av små gnagere modeller for PKD bruker UHF MRI: Alle imaging studier ble utført på levende dyr i henhold isoflurananestesi, med et Bruker AVANCEI…

Discussion

Dette manuskriptet viser muligheten for å bruke UHF MR som et verktøy for in vivo fenotypisk karakterisering eller legemiddelmonitorering i gnagermodeller for PKD.

Vi beskriver eksperimenter gjort på 16,4 T med et bredt boring Avance III høyoppløselig NMR-spektrometer utstyrt med mikro- og mini bildebehandling tilbehør. Spektrometeret ble drevet av innsamling og prosessering programvare TopSpin2.0PV kontrollert av Paravision 5.1 bildebehandlingsprogrammer. Fordi gnager større…

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