Högupplöst hjärtpositronemissionstomografi/datortomografi för smådjur

Summary

Här presenterar vi ett experimentellt avbildningsprotokoll för kvantifiering av hjärtfunktion och morfologi med hjälp av högupplöst positronemissionstomografi/datortomografi för små djur. Både möss och råttor beaktas och diskuterar de olika kraven på datortomografikontrastmedel för de två arterna.

Abstract

Positronemissionstomografi (PET) och datortomografi (CT) är bland de mest använda diagnostiska avbildningsteknikerna, och båda tjänar till att förstå hjärtfunktion och metabolism. I preklinisk forskning används dedikerade skannrar med hög känslighet och hög spatio-temporal upplösning, utformade för att klara de krävande tekniska kraven som orsakas av den lilla hjärtstorleken och mycket höga hjärtfrekvenser hos möss och råttor. I denna uppsats beskrivs ett bimodalt hjärt-PET / CT-avbildningsprotokoll för experimentella mus- och / eller råttmodeller av hjärtsjukdomar, från djurberedning och bildförvärv och rekonstruktion till bildbehandling och visualisering.

I synnerhet möjliggör den 18 F-märkta fluorodeoxyglukosen ([¹⁸F] FDG) -PET-skanningen mätning och visualisering av glukosmetabolism i de olika segmenten av vänster ventrikel (LV). Polarkartor är praktiska verktyg för att visa denna information. CT-delen består av en tidsupplöst 3D-rekonstruktion av hela hjärtat (4D-CT) med hjälp av retrospektiv gating utan elektrokardiografi (EKG) -ledningar, vilket möjliggör morfofunktionell utvärdering av LV och efterföljande kvantifiering av de viktigaste hjärtfunktionsparametrarna, såsom utstötningsfraktion (EF) och slagvolym (SV). Med hjälp av en integrerad PET / CT-skanner kan detta protokoll utföras inom samma anestesiinduktion utan att djuret behöver placeras mellan olika skannrar. Därför kan PET/CT ses som ett omfattande verktyg för morfofunktionell och metabolisk utvärdering av hjärtat i flera smådjursmodeller av hjärtsjukdomar.

Introduction

Smådjursmodeller är oerhört viktiga för att öka förståelsen av hjärt- och kärlsjukdomar ^1,2. Icke-invasiva, diagnostiska bildverktyg har revolutionerat hur vi ser på hjärtfunktionen under de senaste decennierna, både i kliniska och prekliniska miljöer. När det gäller smådjursmodeller av hjärtsjukdomar har specifika avbildningsverktyg utvecklats med mycket hög spatiotemporal upplösning. Således kan sådana instrument matcha behovet av exakt kvantifiering av relevanta metaboliska och kinetiska myokardiella parametrar på de mycket små och mycket snabba hjärtan hos möss och råttor i specifika sjukdomsmodeller, såsom hjärtsvikt (HF)³ eller hjärtinfarkt (MI)⁴. Flera metoder finns tillgängliga för detta ändamål, var och en med sina egna styrkor och svagheter. Ultraljud (USA) avbildning är den mest använda modaliteten på grund av dess stora flexibilitet, mycket höga tidsupplösning och relativt låga kostnader. Antagandet av amerikansk hjärtavbildning hos små djur har ökat avsevärt sedan tillkomsten av system som använder sonder med ultrahög frekvens^5,6, med rumsliga upplösningar under 50 μm.

Bland de största nackdelarna med USA för helt 3D-hjärtavbildning är behovet av linjära skanningar längs hjärtaxeln genom att montera sonden på ett motoriserat översättningssteg för att skapa en full stack med dynamiska B-lägesbilder av hela hjärtat⁷. Så småningom ger denna procedur upphov (efter noggrann rumslig och tidsmässig registrering av de bilder som förvärvats i varje sondposition) till en 4D-bild med olika rumsliga upplösningar mellan riktningarna i och utanför planet. Samma problem med ojämn rumslig upplösning uppstår vid hjärt-MR (CMR),⁸ som fortfarande representerar guldstandarden i funktionell avbildning av hjärtat. Verklig isotrop 3D-avbildning kan istället erhållas med användning av både datortomografi (CT) och positronemissionstomografi (PET)⁹. PET ger ett mycket känsligt verktyg när det gäller bildsignal per mängd injicerad sond (i nanomolarområdet), även om den lider av en minskad rumslig upplösning jämfört med CT, MR eller US. Den största fördelen med PET är dess förmåga att visa de cellulära och molekylära mekanismerna som ligger till grund för organets patofysiologi. Till exempel, en PET-skanning efter injektion av [¹⁸F] FDG möjliggör rekonstruktion av en 3D-karta över glukosmetabolismen i kroppen. Genom att kombinera detta med dynamisk (dvs. tidsupplöst) datainsamling kan spårkinetisk modellering användas för att beräkna parametriska kartor över de metaboliska hastigheterna för glukosupptag (MRGlu), vilket kommer att ge viktig information om myokardiell livskraft¹⁰.

CT kräver betydande volymer av externa kontrastmedel (CA) vid höga koncentrationer (upp till 400 mg jod per ml) för att ge en mätbar förbättring av relevanta vävnadskomponenter (t.ex. blod kontra muskler), men det utmärker sig i rumslig och tidsmässig upplösning, särskilt när man använder toppmoderna mikro-CT-skannrar avsedda för smådjursavbildning. ¹¹ En typisk sjukdomsmodell där hjärt-PET / CT kan tillämpas är experimentell utvärdering av hjärtinfarkt och hjärtsvikt och relaterat svar på terapi. Ett vanligt sätt att inducera MI hos små djur är genom kirurgisk ligering av den vänstra främre nedåtgående (LAD) kransartären^12,13 och sedan longitudinellt utvärdera sjukdomsprogressionen och hjärtombyggnaden under de följande dagarna⁴. Icke desto mindre är den kvantitativa morfofunktionella utvärderingen av hjärtat hos små djur till stor del tillämplig även för andra sjukdomsmodeller, såsom utvärdering av åldrandets effekt på hjärtfunktion¹⁴ eller förändrat receptoruttryck i modeller av fetma¹⁵. Det presenterade avbildningsprotokollet är inte begränsat till någon given sjukdomsmodell och kan därför vara av det bredaste intresset i flera sammanhang av preklinisk forskning med små gnagare.

I denna uppsats presenterar vi ett start-till-slut-experimentellt protokoll för hjärtavbildning med hjälp av smådjursintegrerad PET / CT. Även om det presenterade protokollet är utformat för en specifik bimodal integrerad skanner, kan PET- och CT-delarna av det beskrivna förfarandet utföras oberoende på separata skannrar från olika tillverkare. I den PET/CT-skanner som används är operationssekvensen organiserad i ett förprogrammerat arbetsflöde. Huvudgrenarna i varje arbetsflöde är ett eller flera förvärvsprotokoll; Varje förvärvsprotokoll kan ha en eller flera grenar för specifika förbehandlingsprotokoll, och i sin tur kan varje förbehandlingsprotokoll ha en eller flera grenar för specifika rekonstruktionsprotokoll. Både beredningen av djuret på bildbädden och beredningen av de externa medel som ska injiceras under avbildningsförfarandena beskrivs. Efter avslutad bildförvärvsprocedur tillhandahålls exempelprocedurer för kvantitativ bildanalys baserad på allmänt tillgängliga programvaruverktyg. Huvudprotokollet är speciellt utformat för musmodeller; Även om musen fortfarande är den mest använda arten inom detta område, visar vi också en anpassning av protokollet för råttavbildning i slutet av huvudprotokollet. Representativa resultat visas för både möss och råttor, vilket visar vilken typ av utdata som kan förväntas med de beskrivna procedurerna. En grundlig diskussion görs i slutet av detta dokument för att betona fördelarna och nackdelarna med tekniken, kritiska punkter, samt hur olika PET-radiotracers kan användas med nästan ingen modifiering av förberedelse- och förvärvs- / rekonstruktionsstegen.

Protocol

Djurförsök utfördes i enlighet med rekommendationerna i Guide for the Care and Use of Laboratory Animals i de internationella riktlinjerna för hantering av försöksdjur, som krävs enligt det europeiska direktivet (direktiv 86/609/EEG från 1986 och direktiv 2010/63/UE) och italienska lagar (D.Lgs. 26/2014). 1. Inställning av PET / CT-bildprotokoll och arbetsflöde OBS: Protokollet som presenteras här är speciellt utformat för hjärtavbildnin…

Representative Results

I detta avsnitt visas typiska resultat för både PET- och CT-analys enligt de procedurer som hittills beskrivits. Figur 6 visar resultaten av den automatiska segmenteringen av myokardiell och LV-hålighet av [18F] FDG PET scan av en kontroll (frisk) CD-1-mus. Även om höger kammare inte alltid är synlig i de rekonstruerade bilderna, kan orienteringsaxlarna baserade på DICOM-huvudet användas för att korrekt skilja interventrikulär septum från de andra LV-väggarna, vilket k…

Discussion

Protokollet som presenteras i denna uppsats fokuserar på ett typiskt experimentellt förfarande för translationell kardiovaskulär forskning på smådjursmodeller av hjärtskada genom att använda högupplöst PET / CT-avbildning. De presenterade resultaten indikerar det höga kvantitativa och kvalitativa värdet av PET- och Cine-CT-bilder, vilket ger både funktionell och strukturell information om hela hjärtat om dess glukosmetabolism, form och dynamiken i dess sammandragning. Dessutom är alla erhållna bilder 3D, …

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