A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
هنا ، نقدم بروتوكول تصوير تجريبي لتحديد وظيفة القلب ومورفولوجيته باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني عالي الدقة / التصوير المقطعي المحوسب للحيوانات الصغيرة. يتم النظر في كل من الفئران والجرذان ، ومناقشة المتطلبات المختلفة لعوامل تباين التصوير المقطعي المحوسب للنوعين.
يعد التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) والتصوير المقطعي المحوسب (CT) من بين أكثر تقنيات التصوير التشخيصي استخداما ، وكلاهما يعمل في فهم وظيفة القلب والتمثيل الغذائي. في الأبحاث قبل السريرية ، يتم استخدام ماسحات ضوئية مخصصة ذات حساسية عالية ودقة مكانية زمانية عالية ، مصممة للتعامل مع المتطلبات التكنولوجية الصعبة التي يفرضها حجم القلب الصغير ومعدلات ضربات القلب المرتفعة جدا للفئران والجرذان. في هذه الورقة ، تم وصف بروتوكول تصوير القلب ثنائي النمط PET / CT لنماذج الفئران التجريبية و / أو الفئران لأمراض القلب ، من إعداد الحيوانات والحصول على الصور وإعادة بنائها إلى معالجة الصور والتصور.
على وجه الخصوص ، يسمح فحص 18 F-labeled fluorodeoxyglucose ([18F] FDG) - PET بقياس وتصور استقلاب الجلوكوز في الأجزاء المختلفة من البطين الأيسر (LV). الخرائط القطبية هي أدوات ملائمة لعرض هذه المعلومات. يتكون جزء التصوير المقطعي المحوسب من إعادة بناء ثلاثية الأبعاد للقلب بأكمله (4D-CT) باستخدام بوابات بأثر رجعي بدون خيوط تخطيط القلب الكهربائي (ECG) ، مما يسمح بالتقييم المورفولوجي الوظيفي ل LV والقياس الكمي اللاحق لأهم معلمات وظيفة القلب ، مثل الكسر القذفي (EF) وحجم السكتة الدماغية (SV). باستخدام ماسح ضوئي مدمج PET / CT ، يمكن تنفيذ هذا البروتوكول ضمن نفس تحريض التخدير دون الحاجة إلى إعادة وضع الحيوان بين الماسحات الضوئية المختلفة. وبالتالي ، يمكن اعتبار التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب كأداة شاملة للتقييم المورفولوجي الوظيفي والتمثيل الغذائي للقلب في العديد من النماذج الحيوانية الصغيرة لأمراض القلب.
نماذج الحيوانات الصغيرة مهمة للغاية لتعزيز فهم أمراض القلب والأوعية الدموية 1,2. أحدثت أدوات التصوير التشخيصي غير الغازية ثورة في الطريقة التي ننظر بها إلى وظيفة القلب في العقود الماضية ، سواء في الإعدادات السريرية أو قبل السريرية. فيما يتعلق بنماذج الحيوانات الصغيرة لأمراض القلب ، تم تطوير أدوات تصوير محددة بدقة زمانية مكانية عالية جدا. وبالتالي ، يمكن لهذه الأدوات أن تتطابق مع الحاجة إلى تحديد كمي دقيق لمعلمات عضلة القلب الأيضية والحركية ذات الصلة على قلوب الفئران والجرذان الصغيرة جدا وسريعة الحركة في نماذج مرضية محددة ، مثل قصور القلب (HF)3 أو احتشاء عضلة القلب (MI)4. وهناك عدة طرائق متاحة لهذا الغرض، ولكل منها نقاط قوتها وضعفها. التصوير بالموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة) هو الطريقة الأكثر استخداما نظرا لمرونته الكبيرة ودقته الزمنية العالية جدا وتكلفته المنخفضة نسبيا. ازداد اعتماد تصوير القلب الأمريكي في الحيوانات الصغيرة بشكل كبير منذ ظهور الأنظمة التي تستخدم مجساتذات تردد فائق 5,6 ، تتميز بدقة مكانية أقل من 50 ميكرومتر.
من بين العيوب الرئيسية للولايات المتحدة لتصوير القلب 3D بالكامل هي الحاجة إلى مسح خطي على طول محور القلب عن طريق تركيب المسبار على مرحلة ترجمة آلية لإنشاء مجموعة كاملة من الصور الديناميكية B-mode للقلب كله7. في النهاية ، يؤدي هذا الإجراء (بعد التسجيل المكاني والزماني الدقيق للصور التي تم الحصول عليها في كل موضع مسبار) إلى صورة 4D بدقة مكانية مختلفة بين الاتجاهات داخل الطائرة وخارجها. تحدث نفس مشكلة الدقة المكانية غير المنتظمة في التصوير بالرنين المغناطيسي للقلب (CMR) ،8 والذي لا يزال يمثل المعيار الذهبي في التصوير الوظيفي للقلب. يمكن الحصول على التصوير الحقيقي 3D الخواص بدلا من ذلك باستخدام كل من التصوير المقطعي المحوسب (CT) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)9. يوفر التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني أداة حساسة للغاية من حيث إشارة الصورة لكل كمية من المسبار المحقون (في نطاق النانومولية) ، على الرغم من أنه يعاني من انخفاض الدقة المكانية مقارنة بالتصوير المقطعي المحوسب أو الرنين المغناطيسي أو الولايات المتحدة. الميزة الرئيسية ل PET هي قدرته على عرض الآليات الخلوية والجزيئية الكامنة وراء الفيزيولوجيا المرضية للجهاز. على سبيل المثال ، يسمح فحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني بعد حقن [18F] FDG بإعادة بناء خريطة 3D لاستقلاب الجلوكوز في الجسم. من خلال الجمع بين هذا مع الحصول على البيانات الديناميكية (أي التي تم حلها بمرور الوقت) ، يمكن استخدام النمذجة الحركية للتتبع لحساب الخرائط البارامترية لمعدلات الأيض لامتصاص الجلوكوز (MRGlu) ، والتي ستوفر معلومات مهمة حول صلاحية عضلة القلب10.
يتطلب التصوير المقطعي المحوسب كميات كبيرة من عوامل التباين الخارجية (CA) بتركيزات عالية (تصل إلى 400 مجم من اليود لكل مل) لتوفير تعزيز قابل للقياس لمكونات الأنسجة ذات الصلة (على سبيل المثال ، الدم مقابل العضلات) ، ولكنه يتفوق في الدقة المكانية والزمانية ، خاصة عند استخدام أحدث أجهزة التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة المصممة لتصوير الحيوانات الصغيرة. 11 نموذج المرض النموذجي الذي يمكن فيه تطبيق التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب للقلب هو التقييم التجريبي لاحتشاء عضلة القلب وفشل القلب والاستجابة ذات الصلة للعلاج. من الطرق الشائعة لإحداث MI في الحيوانات الصغيرة عن طريق الربط الجراحي للشريان التاجي الأمامي الأيسر النازل (LAD)12,13 ثم تقييم طوليا لتطور المرض وإعادة تشكيل القلب في الأيام اللاحقة4. ومع ذلك ، فإن التقييم المورفولوجي الوظيفي الكمي للقلب في الحيوانات الصغيرة ينطبق إلى حد كبير أيضا على نماذج الأمراض الأخرى ، مثل تقييم تأثير الشيخوخة على وظيفة القلب14 أو التعبير المتغير للمستقبلات في نماذج السمنة15. لا يقتصر بروتوكول التصوير المقدم على أي نموذج مرض معين ، وبالتالي ، يمكن أن يكون ذا أهمية واسعة في العديد من سياقات البحث قبل السريري مع القوارض الصغيرة.
في هذه الورقة ، نقدم بروتوكولا تجريبيا من البداية إلى النهاية لتصوير القلب باستخدام PET / CT متكامل للحيوانات الصغيرة. على الرغم من أن البروتوكول المقدم مصمم لماسح ضوئي متكامل ثنائي النمط محدد ، إلا أنه يمكن إجراء أجزاء PET و CT من الإجراء الموصوف بشكل مستقل على ماسحات ضوئية منفصلة من جهات تصنيع مختلفة. في الماسح الضوئي PET / CT المستخدم ، يتم تنظيم تسلسل العمليات في سير عمل مبرمج مسبقا. الفروع الرئيسية لكل سير عمل هي واحد أو أكثر من بروتوكولات الاستحواذ. يمكن أن يحتوي كل بروتوكول اكتساب على فرع واحد أو أكثر لبروتوكولات معالجة مسبقة محددة، وفي المقابل، يمكن أن يكون لكل بروتوكول معالجة مسبقة فرع واحد أو أكثر لبروتوكولات إعادة بناء محددة. يتم وصف كل من إعداد الحيوان على سرير التصوير وإعداد العوامل الخارجية التي سيتم حقنها أثناء إجراءات التصوير. بعد الانتهاء من إجراء الحصول على الصور ، يتم توفير أمثلة على إجراءات التحليل الكمي للصور بناء على أدوات البرامج المتاحة بشكل شائع. تم تصميم البروتوكول الرئيسي خصيصا لنماذج الماوس ؛ على الرغم من أن الفأر لا يزال أكثر الأنواع استخداما في هذا المجال ، إلا أننا نعرض أيضا تكيفا لبروتوكول تصوير الفئران في نهاية البروتوكول الرئيسي. يتم عرض النتائج التمثيلية لكل من الفئران والجرذان ، مما يدل على نوع الناتج الذي يمكن توقعه مع الإجراءات الموصوفة. يتم إجراء مناقشة مستفيضة في نهاية هذه الورقة للتأكيد على إيجابيات وسلبيات التقنية ، والنقاط الحرجة ، وكذلك كيف يمكن استخدام مقتفيات الإشعاع PET المختلفة دون أي تعديل تقريبا على الخطوات التحضيرية واكتساب / إعادة البناء.
تم إجراء التجارب على الحيوانات وفقا للتوصيات الواردة في دليل رعاية واستخدام المختبر للمبادئ التوجيهية الدولية بشأن التعامل مع المختبر ، التي يتطلبها التوجيه الأوروبي (التوجيه 86/609 / EEC لعام 1986 والتوجيه 2010/63 / UE) والقوانين الإيطالية (D.Lgs. 26/2014).
1. إعداد بروتوكولات التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب وسير العمل
ملاحظة: البروتوكول المقدم هنا مصمم خصيصا لتصوير القلب لنماذج الفئران. قد ينطوي العمل مع الفئران على بعض التعديلات على البروتوكول الفعلي ، ويرجع ذلك أساسا إلى الحجم الأكبر للحيوان (أثقل 10 مرات تقريبا). تم ذكر التعديلات الخاصة بتصوير الفئران على وجه التحديد في الخطوات ؛ إذا لم يتم ذكر أي تعديلات ، فيمكن استخدام نفس الخطوات لتصوير الماوس للفئران.
2. إعداد الحيوانات للتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب
ملاحظة: بالنسبة للبروتوكول الحالي ، تم صيام جميع الحيوانات بين عشية وضحاها.
3. إعداد جرعة التتبع PET
4. إعداد عامل التباين CT
5. محاذاة الحيوانات والعمليات الأولية قبل التصوير
6. التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني
الشكل 1: حقن متتبع التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. يتم تنفيذ هذه العملية مباشرة بعد بدء فحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. الحيوان داخل مجال رؤية PET (الرأس أولا ، مع ذيله مرئي على جانب المشغل). اختصار: PET = التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
7. الأشعة المقطعية
8. إعادة بناء صور القلب 4DCT باستخدام البوابات القلبية التنفسية الداخلية
ملاحظة: عند الانتهاء من دراسة التصوير ، يتم إجراء إعادة بناء PET و CT القياسية تلقائيا. ومع ذلك ، يجب إجراء إعادة بناء تسلسل التصوير المقطعي المحوسب للقلب 4D (Cine) يدويا ويتطلب بعض تفاعل المستخدم. تتم مناقشة هذا النوع الخاص من إعادة البناء ، وهو إلزامي لتحليل التصوير المقطعي المحوسب للقلب المورفولوجي الوظيفي اللاحق ، في هذا القسم.
الشكل 2: أداة اختيار عائد الاستثمار للبوابات الجوهرية. تظهر هذه الصورة في واجهة المستخدم الرسومية للتصوير المقطعي أثناء مرحلة إعادة بناء Cine-CT. يجب على المستخدم تحديد موضع عائد الاستثمار (المستطيل الأصفر) الذي يتم الحصول على إشارة البوابة الجوهرية (kymogram) من توقعات التصوير المقطعي المحوسب الخام. الكائن الدائري الشكل المتراكب على صندوق الحيوان هو وسادة الجهاز التنفسي المستخدمة فقط للمراقبة الفسيولوجية أثناء الدراسة. الاختصارات: عائد الاستثمار = منطقة الاهتمام ؛ CT = التصوير المقطعي المحوسب ؛ واجهة المستخدم الرسومية = واجهة المستخدم الرسومية. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: مثال إشارة البوابة (الإطار العلوي) وطيف التردد المقابل (المركز والأسفل). الصور التي تم الحصول عليها باستخدام وحدة بوابات القلب لبرنامج Atrium. يجب على المستخدم تحديد نطاقات التردد المناسبة لكل من الجهاز التنفسي (الإطار المركزي) وحركة القلب (الإطار السفلي). سيسمح ذلك بتحديد علامات الجهاز التنفسي والقلب على إشارة البوابة ، والتي يجب فحصها من قبل المستخدم قبل الشروع في إعادة بناء 4D. سيؤدي التحديد السيئ للقمم أو التعيين الخاطئ (على سبيل المثال ، الجهاز التنفسي إلى القلب ، أو العكس) إلى إعادة بناء غير صحيحة. تم الحصول على البيانات المعروضة من تحليل فحص 4D Cine-CT لفأر Wistar ذكر بالغ سليم (507 جم) تم حقنه ب 2 مل من iomeprol ، 200 mg / mL ، بمعدل 0.4 مل / دقيقة لمدة 5 دقائق (يتم تكبير الرسم البياني في الأعلى على أول 22 ثانية من الاستحواذ للسماح بتصور أفضل لحركة القلب والجهاز التنفسي المحددة). اختصار: CT = التصوير المقطعي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
9. تحليل القلب PET
ملاحظة: يوضح هذا القسم كيفية إجراء تحليل حركي لبيانات FDG الديناميكية [18F] للبطين الأيسر للحيوان الصغير. يعتمد التحليل على برنامج Carimas. لا يقصد من الإرشادات أدناه أن تكون بديلا لدليل مستخدم البرنامج17. يعتمد الإجراء المعروض أدناه على تحليل Patlak الرسومي لبيانات PET الديناميكية18. ارجع إلى قسم المناقشة للحصول على تفاصيل حول هذا التحليل.
الشكل 4: أداة إعادة التوجيه لبرنامج تحليل PET. يظهر إسقاط قطعتين مستقيمتين بسيطتين في مساحة 3D على كل من المستويات القياسية الثلاثة (عبر المحور ، الإكليلي ، والسهمي). يسمح الجزء الأول للمستخدم بتحديد قاعدة القلب والقمة ، بينما يسمح الجزء الثاني باختيار الجانبين الأيسر والأيمن من القلب. ينتج عن هذه الخطوة صورة PET جديدة (محصورة) (الصف السفلي) ، مع إعادة توجيه القلب على طول تمثيل AHA القياسي. تم الحصول على الصور باستخدام Carimas من فأر CD-1 بالغ يتمتع بصحة جيدة يزن 51 جراما وتم حقنه ب 10 ميجابايت من [18F] FDG. الاختصارات: PET = التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ؛ AHA = جمعية القلب الأمريكية ؛ FDG = فلوروديوكسي جلوكوز. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
10. تحليل القلب Cine-CT
ملاحظة: يوضح هذا القسم كيفية إجراء التحليل الكمي لصورة القلب Cine-CT لجمع البيانات الكمية العالمية لوظيفة القلب. يعتمد التحليل على برنامج Osirix MD. لا يقصد من الإرشادات أدناه أن تكون بديلا لدليل مستخدم Osirix24.
الشكل 5: واجهة رسومية لأداة الإصلاح متعدد المستويات. تستخدم هذه الأداة لإعادة توجيه بيانات Cine-CT للتحليل الوظيفي اللاحق. يجب على المستخدم تدوير وترجمة المحاور المرجعية على الجانب الأيسر من الشاشة بحيث يظهر عرض المحور القصير للقلب على اليمين. في نهاية هذا الإجراء ، يمكن للمستخدم تصدير الصور المعاد توجيهها كمجموعة ملفات DICOM. تم الحصول على الصور باستخدام Osirix MD وتشير إلى ذكر فأر Wistar بالغ سليم (507 جم) تم حقنه ب 2 مل من iomeprol ، 200 مجم / مل ، بمعدل 0.4 مل / دقيقة لمدة 5 دقائق ، أعيد بناؤه باستخدام Filtered BackProjection بحجم فوكسل 0.24 مم3. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
في هذا القسم ، يتم عرض النتائج النموذجية لكل من تحليل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني والتصوير المقطعي المحوسب باتباع الإجراءات الموضحة حتى الآن. يوضح الشكل 6 نتائج التجزئة التلقائية لتجويف عضلة القلب والجهد المنخفض لفحص التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني [18
يركز البروتوكول المقدم في هذه الورقة على إجراء تجريبي نموذجي لأبحاث القلب والأوعية الدموية الانتقالية على نماذج الحيوانات الصغيرة لإصابات القلب باستخدام التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني / التصوير المقطعي المحوسب عالي الدقة. تشير النتائج المقدمة إلى القيمة الكمية والنوعية العالية ...
تلقت دانييل بانيتا منحا للبحث والتطوير لأجهزة التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة من Inviscan Sas.
تم دعم هذا البحث جزئيا من قبل مشروع "GUTMOM" JPI-HDHL-INTIMIC: سمنة الأمهات والخلل المعرفي في النسل: دور السبب والنتيجة لميكروبيوم الأمعاء والوقاية الغذائية المبكرة (المشروع رقم. INTIMIC-085 ، وزارة التعليم الإيطالية ، الجامعة ومرسوم البحث رقم 946/2019).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
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 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved