Denne studien beskriver en omfattende CMR-protokoll (cardiovascular magnetic resonance imaging) for å kvantifisere de venstre ventrikulære funksjonelle parametrene til musehjertet. Protokollen beskriver anskaffelse, etterbehandling og analyse av CMR-bildene samt vurdering av ulike hjertefunksjonelle parametere.
Musemodeller har bidratt betydelig til å forstå genetiske og fysiologiske faktorer involvert i sunn hjertefunksjon, hvordan perturbasjoner resulterer i patologi, og hvordan myokardsykdommer kan behandles. Kardiovaskulær magnetisk resonansavbildning (CMR) har blitt et uunnværlig verktøy for en omfattende in vivo-vurdering av hjerteanatomi og funksjon. Denne protokollen viser detaljerte målinger av musehjerte venstre ventrikkelfunksjon, myokardstamme og hemodynamiske krefter ved hjelp av 7-Tesla CMR. For det første demonstreres dyreforberedelse og posisjonering i skanneren. Undersøkelsesskanninger utføres for planlegging av bildebehandlingsstykker i ulike kort- og langaksevisninger. En rekke potensielle EKG-utløste kortaksefilmer (ELLER CINE-bilder) er anskaffet som dekker hjertet fra topp til base, og fanger endesystoliske og enddiastoliske faser. Deretter anskaffes CINE-bilder med én skive i ettertid i en midtventricular SA-visning, og i 2-, 3- og 4-kammervisninger skal de rekonstrueres til CINE-bilder med høy temporal oppløsning ved hjelp av spesialbygd og åpen kildekode-programvare. CINE-bilder analyseres deretter ved hjelp av dedikert CMR-bildeanalyseprogramvare.
Avgrensende endomyokardiske og epikardiale grenser i SA endesystoliske og end-diastoliske CINE-bilder gjør det mulig å regne ut endesystoliske og enddiastoliske volumer, utkasterfraksjon og hjerteutgang. De midtventricular SA CINE-bildene avgrenses for alle hjerte tidsrammer for å trekke ut en detaljert volumtidskurve. Dens tidsderivat tillater beregning av diastolisk funksjon som forholdet mellom tidlig fylling og atriekontraksjonsbølger. Til slutt avgrenses venstre ventrikulære endokardvegger i visningene 2-, 3- og 4-kammer ved hjelp av funksjonssporing, hvorfra langsgående myokardstammeparametere og venstre ventrikulære hemodynamiske krefter beregnes. Til slutt gir denne protokollen detaljert in vivo-kvantifisering av musens hjerteparametere, som kan brukes til å studere temporale endringer i hjertefunksjon i ulike musemodeller av hjertesykdom.
Kardiovaskulær magnetisk resonans (CMR) hos små dyr gir en nøyaktig in vivo-måling av myokardfunksjon, noe som gjør CMR til et optimalt verktøy for preklinisk forskning på kardiovaskulær sykdom. På grunn av den høye romlige oppløsningen og den høye kontrasten mellom blod og myokardi i CMR-bilder, er det mulig å avgrense endo- og epikardialkonturene og beregne myokardmasse og ventrikulære volumer1,2. Til tross for de høye hjertefrekvensene på opptil 600 slag/min, tillater bruk av elektrokardiogram (EKG) og respiratorisk utløsning målinger av høy kvalitet av forskjellige hjertefaser (også kalt CINE-bilder) uten respiratoriske bevegelsesartefakter. På denne måten kan flere skiver brukes til å dekke hjertet fra topp til base for å trekke ut systoliske funksjonsparametere som utkasterfraksjon (EF), endesystolisk volum (ESV), end-diastolisk volum (EDV) og hjerteutgang (CO)3. Bortsett fra grunnleggende systolisk funksjonsvurdering, har ytterligere CMR-teknikker nylig blitt utviklet for å vurdere diastolisk dysfunksjon4, myokardstamme5og hemodynamiske krefter (HDF)6.
EKG-gating tillater synkronisering til hjertesyklusen ved å starte MR-signalanskaffelse etter påvisning av R-toppen og registrere et definert antall hjertefaser under R-R-intervallet. Antall hjertefaser (bildefrekvens) som kan anskaffes på denne måten, avhenger imidlertid av lavest mulig repetisjonstid (TR) systemet kan nå samtidig som det opprettholder et akseptabelt signal-til-støy-forhold (SNR) og romlig oppløsning4. Videre, fordi bruk av høye magnetiske feltgradienter midlertidig kan forvrenge EKG-signalet, stoppes oppkjøpet vanligvis før sluttdiastolisk fase. Begge faktorene begrenser bruken av slike skanninger til systoliske funksjonsvurderinger, da beregningen av andre hjertefunksjonelle parametere krever en bedre definisjon av venstre ventrikkel (LV) volumtidskurve.
CINE-bilder med høy bildefrekvens kan anskaffes ved retrospektiv gating, der MR-signal kontinuerlig anskaffes under skanning, og et inkorporert navigatørekko etter radiofrekvens (RF) eksitasjon oppdager hjerte- og åndedrettsbevegelse. Fordi CMR-oppkjøpet utføres asynkront med hjertebevegelsen, kan de oppkjøpte MR-signalene deretter tilordnes et retrospektivt valgt antall hjerterammer. På denne måten, hvis tilstrekkelige data samles inn, kan CINE-bilder med høy bildefrekvens rekonstrueres4,7. Dette muliggjør deretter diastolisk funksjonsvurdering, representert ved forholdet mellom topp tidlig fyllingsgrad (E’) og topp sen fyllingshastighet fra atriekontraksjon (A’).
I klinisk forskning kan CINE-bilder analyseres med CMR-funksjonssporing for å vurdere myokardstammen og HDF6,8. Myokardstamme er en hjertedeformasjonsparameter som måler forskjellen i prosenter mellom den opprinnelige lengden (vanligvis i enddiastolisk lengde) og maksimal lengde (vanligvis i end-systole) av et myokardsegment9. Myokardstammemålinger kan være av inkrementell verdi for å vurdere LV-funksjonen som strekkverdier kvantifisere myokardveggforkortelse og fortykning. En reduksjon i forkortingsfunksjonen kan være en indikasjon på subendokardiell fiberskade10. Endringer i myokardstamme kan forekomme uavhengig av EF og kan være en forløper for underliggende komplikasjoner.
Spesielt har den globale langsgående stammen (GLS) og den globale omkretsstammen (GCS) vist seg å være av merverdi ved karakterisering av hjertesykdom10,11,12. På samme måte har HDF blitt foreslått å være en potensiell ny parameter for å indikere endret hjertefunksjon6,13. Disse HDF- eller interventrikulære trykkgradientene (IVPG) driver blodbevegelsen under utkastelse og fylling av hjertet og påvirkes av momentumutvekslingen mellom blod og myokardi, inkludert aorta- og mitralventilen14,15.
I denne studien er en omfattende protokoll beskrevet for å utføre robuste CMR-målinger for små dyr for å kvantifisere LV-funksjon, myokardstamme og HDF av musehjerter. Den inneholder de nødvendige trinnene for dyreforberedelse, datainnsamling ved hjelp av både prospektivt og retrospektivt inngjerdede CINE-bilder av hjertet, samt analyse med dedikert programvare som er i stand til å beregne volumetriske målinger, E ‘/ A ‘ forhold, myokardstamme og HDF i hjertet. Denne protokollen kan brukes til omfattende vurdering av LV-funksjon i ulike musemodeller av kardiovaskulær sykdom.
Den presenterte protokollen beskriver bruken av CMR-avbildning for langsgående, ikke-invasive, in vivo-eksperimenter for å analysere hjertefunksjon hos mus. Disse resultatene er eksempler på friske dyr for å demonstrere muligheten for å bruke CINE-bilder for å kvantifisere hjerteparametrene. Metodene som er beskrevet, kan imidlertid brukes til ulike dyremodeller. Selv om spesifikke sykdomsmodeller kan kreve små endringer i protokollen, vil den grunnleggende strukturen for å vurdere de forskjellige hjertefunksjonelle parametrene være svært like. Et spesielt tilfelle verdt å nevne er en hjerteinfarktmodell der en del av hjertet har betydelig tap i kontraktilitet. Dette kan føre til lav kvalitet på hjertenavigatorsignalet i denne sektoren. I dette tilfellet vil et alternativt alternativ være å skaffe navigatøren fra en egen skive, som beskrevet i en tidligere studie av Coolen et al.16. CINE-bilder i forskjellige visninger rekonstrueres fra retrospektivt inngjerdede data ved hjelp av CS-algoritmer og analyseres ved hjelp av bildeanalyseprogramvare for å beregne belastnings- og HDF-verdiene.
Kvaliteten på de oppkjøpte bildene avhenger naturlig av alle forberedelsestrinn, som må utføres nøye før du starter hjerte-MR-protokollen. For eksempel, hvis det ikke ses klare EKG- og åndedrettssignaler når du plasserer dyret inne i MR-skanneren, vil dette sannsynligvis resultere i suboptimale oppkjøp og til og med økte skannetider på grunn av den ekstra effekten av magnetohydrodynamiske forvrengninger17. Det er viktig å innse at på grunn av sekvensiell planlegging av skiveretningene, kan dyrene ikke bare omplasseres mellom skanninger. Det er derfor ikke mulig å justere EKG-ledningene mellom skanninger, da dette vil endre musens posisjon i skanneren. Under skanning er temperaturkontroll avgjørende for å opprettholde et konstant hjerte- og åndedrettsintervall, noe som spesielt fordeler kvaliteten på de retrospektivt inngjerdede skanningene som er anskaffet over en lengre periode. Under denne høye syklusskanningen kan temperaturen på dyret øke jevnt og trutt, noe som fører til at hjertefrekvensen og luftveiene øker. Justering av temperaturen i varmesystemet og anestesi kan i stor grad bidra til å stabilisere luftveiene før eller under skanning.
Et kritisk trinn under analysen er konsistensen i konturtegningen. Mens automatisk segmentering fungerer bra for kliniske data, fungerer den ikke robust når det gjelder muse hjertedata (ikke testet for rotter). Den høye hjertefrekvensen og den høye blodstrømmen i spesifikke hjertefaser, spesielt ved starten av LV-fylling, kan forårsake intravokseldefaserings- og signalhull, noe som kompromitterer hjerteveggens avgrensning. Det anbefales derfor ikke å analysere hver ramme uavhengig, men visuelt inspisere bevegelsen av myokardveggen mellom rammer og ta hensyn til dette når du tegner konturene på tvers av alle rammer. Det anbefales å kopiere og justere endokardielle konturen mellom to påfølgende rammer for å opprettholde en mer naturlig kontraktil bevegelse i analysen. I denne protokollen er papillære muskler utelukket fra ventrikulær lumenvolum i SA-bildene for systolisk og diastolisk funksjonsvurdering, mens de er inkludert i 2CH-, 3CH- og 4CH-visningene for belastnings- og HDF-analyse fordi sistnevnte er avhengig av kunnskap om den nøyaktige bevegelsen til myokardveggen, i stedet for det nøyaktige volumet av ventrikulære lumen.
Mens systoliske og diastoliske funksjonsparametere er basert på måling av LV-volumer gjennom hele hjertesyklusen, er belastnings- og HDF-parametere også avhengig av bevegelsesmønstre i myokardveggen. For dette brukes funksjonssporingsteknikker der forskyvningen av myokardsegmentet kan vurderes ved å gjenkjenne tydelige anatomiske egenskaper og signalintensiteter mellom påfølgende CINE-faser. Den sterke kontrasten mellom blodbasseng og myokardi i CMR-bilder letter bruken av funksjonssporing for påfølgende belastning og HDF-analyse8. Før CMR-funksjonssporing ble den myokardbaserte stammen bestemt med flekksporingsikkografi og CMR-vevsmerking. CMR-funksjonssporing krever ikke ekstra skannetid sammenlignet med CMR-vevsmerking. Til tross for bruk av retrospektiv utløsning har CMR fortsatt en begrenset temporal oppløsning, noe som kan gjøre det vanskelig å vurdere raske deformasjoner i hjertesyklusen riktig.
Vurdering av HDF gjennom hele hjertesyklusen krever målinger av diameteren på mitral- og aortaventilene for å beregne HDF i apex-base og inferolateral-anteroseptal retninger ved hjelp av tidligere beskrevneligninger 18. Denne metoden har vist konsistente estimater av HDF sammenlignet med referansestandarden 4D-flow MR, som har begrenset tilgjengelighet i klinisk bruk på grunn av kompleksiteten6. Det er viktig å vite at robust estimering av ventildiametrene er vanskelig, og derfor bør ventildiametrene holdes konstante for en gruppe dyr og på tvers av gjentatte målinger i en langsgående studie, da variasjoner i denne parameteren ved feil beregninger lett kan overskygge subtile endringer i HDF-parametere. Den spesifikke programvaren som brukes til å beregne GLS- og HDF-parametere, er kanskje ikke tilgjengelig for alle brukere. Derfor kan man referere til Voigt et al.19 (GLS) samt Pedrizzetti et al.6,20 (HDF), som inneholder alle matematiske beskrivelser som danner grunnlaget for de respektive beregningene som utføres av analyseprogramvaren.
I denne studien ble protokollen evaluert hos friske dyr (N = 6). Et representativt sett med tidskurver for LV-volum, dV/dt, endoGLS og HDF vises i figur 5A–C. Gjennomsnittsverdier for flere hjertefunksjonelle parametere (EF, E’/A’-forhold, topp GLS og HDF) vises i figur 5D. Disse er godt enige med sammenlignbare protokoller som brukes i litteraturen21. Litteratur om GLS- og HDF-data hos mus er knapp. En gjennomsnittlig GLS-verdi på -22,8% ble målt, som er i samme område som kliniske data8, noe som indikerer at GLS-målinger oppnådd med den beskrevne metoden er gjennomførbare hos mus. HDF-kurver oppnådd hos mus viser også de samme distinkte fasene som sett i menneskelige data, og viser vellykket oversettelse av denne teknikken til preklinisk forskning. Mens HDF-parametere er hypoteset til å tjene som tidlige biomarkører for hjertedysfunksjon, er flere studier berettiget til å undersøke den diagnostiske og prediktive verdien av denne nye parameteren. Resultatene i denne protokollen viser at HDF- og GLS-resultatene forventes å være mer variable på tvers av dyr, noe som må tas i betraktning når subtile forskjeller i dyremodeller eller behandlingseffekter forventes.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker Dorita Dekkers og Fatimah Al Darwish for hjelp med musemålinger og dataanalyse.
Equipment | |||
AccuSens single and multi-channel signal conditioner | Opsens solutions inc., Canada | ACS-P4-N-62SC | Used with fiber optic temperature sensor to monitor body temperature |
Duratears eye ointment | Alcon Nederland B.V., Netherlands | ||
Mouse cell | Équipment Vétérinaire Minerve, France | referred to as mouse cradle | |
MR-compatible Monitoring & Gating System for Small animals | SA Intuments, Inc., United States | Model 1030 | ERT Module (ECG/respiratory interface module) , ERT Control/Gating Module, battery pack and subdermal ECG Electrode Set |
MRI scanner | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Model: MRS-7024 | Preclinical MRI System 7.0T/24 cm |
Multistation temperature control unit and High Flow PCA | Équipment Vétérinaire Minerve, France | Model: URT Multipostes | animal heating system |
Respiration Sensor | Graseby Medical Limited, United Kingdom | Ref 2005100 | |
RF coil | MR Solutions Ltd., United Kingdom | MRS-MVC | 38mm mouse volume RF coil for mouse body studies |
SF flowmeter | flow-meter, Italy | SF 3 | |
Vaporizer sigma delta Intermed | Penlon Ltd., United Kingdom | ||
Materials | |||
Isoflurane | AST farma, Netherlands | ||
Vaseline petroleum jelly | Unilever, United Kingdom | ||
Software | |||
BART toolbox | https://mrirecon.github.io/bart/ | ||
Mathematica 12.0 | Wolfram Research, Inc., United States | ||
MATLAB 2019a | The MathWorks,Inc., United States | ||
MEDIS Suite MR | Medis Medical Imaging Systems B.V. ,Netherlands | Image analysis software | |
PC-SAM | SA Intuments, Inc., United States | ||
Preclinical Scan | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Scanning software | |
Retrospective version 7.0 | Amsterdam UMC, the Netherlands | Reconstuction software: https://github.com/Moby1971?tab=repositories |