Høyoppløselig hjertepositronemisjonstomografi/computertomografi for små dyr

Summary

Her presenterer vi en eksperimentell bildeprotokoll for kvantifisering av hjertefunksjon og morfologi ved bruk av høyoppløselig positronemisjonstomografi/computertomografi for små dyr. Både mus og rotter blir vurdert, og diskuterer de forskjellige kravene til kontrastmidler for computertomografi for de to artene.

Abstract

Positronemisjonstomografi (PET) og computertomografi (CT) er blant de mest brukte diagnostiske bildebehandlingsteknikkene, og begge tjener til å forstå hjertefunksjon og metabolisme. I preklinisk forskning benyttes dedikerte skannere med høy følsomhet og høy spatio-temporal oppløsning, designet for å takle de krevende teknologiske kravene som stilles av den lille hjertestørrelsen og svært høye hjertefrekvenser av mus og rotter. I dette papiret beskrives en bimodal hjerte PET / CT-bildebehandlingsprotokoll for eksperimentelle mus- og / eller rottemodeller av hjertesykdommer, fra dyreforberedelse og bildeoppkjøp og rekonstruksjon til bildebehandling og visualisering.

Spesielt tillater den 18 F-merkede fluorodeoksyglukose ([¹⁸F]FDG)-PET-skanningen måling og visualisering av glukosemetabolismen i de forskjellige segmentene av venstre ventrikel (LV). Polarkart er praktiske verktøy for å vise denne informasjonen. CT-delen består av en tidsoppløst 3D-rekonstruksjon av hele hjertet (4D-CT) ved hjelp av retrospektiv gating uten elektrokardiografi (EKG) ledninger, noe som muliggjør morfofunksjonell evaluering av LV og påfølgende kvantifisering av de viktigste hjertefunksjonsparametrene, som ejeksjonsfraksjon (EF) og slagvolum (SV). Ved hjelp av en integrert PET / CT-skanner kan denne protokollen utføres innenfor samme anestesiinduksjon uten å måtte flytte dyret mellom forskjellige skannere. Derfor kan PET / CT ses som et omfattende verktøy for morfofunksjonell og metabolsk evaluering av hjertet i flere små dyremodeller av hjertesykdommer.

Introduction

Små dyremodeller er ekstremt viktige for å fremme forståelsen av kardiovaskulære sykdommer ^1,2. Ikke-invasive, diagnostiske bildebehandlingsverktøy har revolusjonert måten vi ser på hjertefunksjon de siste tiårene, både i kliniske og prekliniske omgivelser. Når det gjelder smådyrmodeller av hjertesykdommer, er det utviklet spesifikke bildebehandlingsverktøy med svært høy spatiotemporal oppløsning. Dermed kan slike instrumenter matche behovet for nøyaktig kvantifisering av de relevante metabolske og kinetiske myokardparametrene på de svært små og svært raske hjertene til mus og rotter i spesifikke sykdomsmodeller, for eksempel hjertesvikt (HF)³ eller hjerteinfarkt (MI)⁴. Flere modaliteter er tilgjengelige for dette formålet, hver med sine egne styrker og svakheter. Ultralyd (US) bildebehandling er den mest brukte modaliteten på grunn av sin store fleksibilitet, svært høye tidsmessige oppløsning og relativt lave kostnader. Adopsjonen av amerikansk hjerteavbildning hos små dyr har økt betydelig siden adventen av systemer som bruker sonder med ultrahøyfrekvent^5,6, med romlige oppløsninger under 50 μm.

Blant de viktigste ulempene med USA for full 3D-hjerteavbildning er behovet for lineære skanninger langs hjerteaksen ved å montere sonden på et motorisert oversettelsestrinn for å lage en full stabel med dynamiske B-modusbilder av hele hjertet⁷. Til slutt gir denne prosedyren opphav (etter nøyaktig romlig og tidsmessig registrering av bildene som er oppnådd i hver sondeposisjon) til et 4D-bilde med forskjellige romlige oppløsninger mellom in-plane og out-of-plane retninger. Det samme problemet med ujevn romlig oppløsning forekommer i hjerte-MR (CMR),⁸ som fortsatt representerer gullstandarden i funksjonell avbildning av hjertet. Ekte isotropisk 3D-avbildning kan i stedet oppnås ved hjelp av både computertomografi (CT) og positronemisjonstomografi (PET)⁹. PET gir et svært følsomt verktøy når det gjelder bildesignal per mengde injisert sonde (i nanomolarområdet), selv om det lider av redusert romlig oppløsning sammenlignet med CT, MR eller US. Den største fordelen med PET er dens evne til å vise de cellulære og molekylære mekanismene som ligger til grunn for organets patofysiologi. For eksempel tillater en PET-skanning etter injeksjonen av [¹⁸F] FDG rekonstruksjon av et 3D-kart over glukosemetabolismen i kroppen. Ved å kombinere dette med dynamisk (dvs. tidsbestemt) datainnsamling, kan tracer kinetisk modellering brukes til å beregne parametriske kart over metabolske hastigheter av glukoseopptak (MRGlu), som vil gi viktig informasjon om myokard levedyktighet¹⁰.

CT krever betydelige mengder eksterne kontrastmidler (CA) ved høye konsentrasjoner (opptil 400 mg jod per ml) for å gi en målbar forbedring av de relevante vevskomponentene (f.eks. Blod vs. muskel), men det utmerker seg i romlig og tidsmessig oppløsning, spesielt ved bruk av toppmoderne mikro-CT-skannere designet for smådyravbildning. ¹¹ En typisk sykdomsmodell der hjertets PET/CT kan anvendes, er eksperimentell evaluering av hjerteinfarkt og hjertesvikt og relatert respons på behandlingen. En vanlig måte å indusere MI hos små dyr er ved kirurgisk ligering av venstre fremre synkende (LAD) koronararterie^12,13 og deretter langsgående evaluering av sykdomsprogresjonen og hjerteombyggingen i de påfølgende dagene⁴. Likevel er den kvantitative morfofunksjonelle evalueringen av hjertet hos små dyr i stor grad anvendelig også for andre sykdomsmodeller, for eksempel evaluering av effekten av aldring på hjertefunksjon¹⁴ eller endret reseptoruttrykk i modeller av fedme¹⁵. Den presenterte bildeprotokollen er ikke begrenset til en gitt sykdomsmodell og kan derfor være av største interesse i flere sammenhenger av preklinisk forskning med smågnagere.

I dette papiret presenterer vi en start-til-ende eksperimentell protokoll for hjerteavbildning ved hjelp av små dyr integrert PET / CT. Selv om den presenterte protokollen er designet for en bestemt bimodal integrert skanner, kan PET- og CT-delene av den beskrevne prosedyren utføres uavhengig av separate skannere fra forskjellige produsenter. I PET/CT-skanneren som brukes, er operasjonssekvensen organisert i en forhåndsprogrammert arbeidsflyt. Hovedgrenene i hver arbeidsflyt er en eller flere anskaffelsesprotokoller; Hver anskaffelsesprotokoll kan ha en eller flere grener for spesifikke forbehandlingsprotokoller, og i sin tur kan hver forbehandlingsprotokoll ha en eller flere grener for spesifikke rekonstruksjonsprotokoller. Både preparatet av dyret på bildesengen og forberedelsen av de eksterne midlene som skal injiseres under bildebehandlingsprosedyrene, er beskrevet. Etter at prosedyren for bildeopptak er fullført, tilbys eksempler på prosedyrer for kvantitativ bildeanalyse basert på allment tilgjengelige programvareverktøy. Hovedprotokollen er spesielt designet for musemodeller; Selv om musen fortsatt er den mest brukte arten på dette feltet, viser vi også en tilpasning av protokollen for rotteavbildning på slutten av hovedprotokollen. Representative resultater er vist for både mus og rotter, og viser hvilken type utgang som kan forventes med de beskrevne prosedyrene. En grundig diskusjon er gjort på slutten av denne artikkelen for å understreke fordeler og ulemper med teknikken, kritiske punkter, samt hvordan forskjellige PET-radiotracere kan brukes med nesten ingen modifikasjon av de forberedende og oppkjøps- / rekonstruksjonstrinnene.

Protocol

Dyreforsøk ble utført i samsvar med anbefalingene i Veiledning for stell og bruk av forsøksdyr i de internasjonale retningslinjene for håndtering av forsøksdyr, krevd av EU-direktivet (direktiv 86/609/EØF av 1986 og direktiv 2010/63/UE) og italienske lover (D.Lgs. 26/2014). 1. Oppsett av PET / CT-bildeprotokollene og arbeidsflyten MERK: Protokollen som presenteres her er spesielt utviklet for hjerteavbildning av musemodeller. Arbeid med rotter k…

Representative Results

I denne delen vises typiske resultater for både PET- og CT-analyse etter prosedyrene som er beskrevet så langt. Figur 6 viser resultatene av den automatiske myokard- og LV-hulromssegmenteringen av [18F]FDG PET-skanningen av en kontrollert (sunn) CD-1-mus. Selv om høyre ventrikkel ikke alltid er synlig i de rekonstruerte bildene, kan orienteringsaksene basert på DICOM-overskriften brukes til å diskriminere interventrikulær septum riktig fra de andre LV-veggene, etter behov fo…

Discussion

Protokollen som presenteres i denne artikkelen fokuserer på en typisk eksperimentell prosedyre for translasjonell kardiovaskulær forskning på smådyrmodeller av hjerteskade ved bruk av høyoppløselig PET / CT-bildebehandling. De presenterte resultatene indikerer den høye kvantitative og kvalitative verdien av PET- og Cine-CT-bilder, og gir både funksjonell og strukturell informasjon om hele hjertet angående glukosemetabolismen, formen og dynamikken i sammentrekningen. Videre er alle bildene som er oppnådd 3D, tid…

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