在多囊肾小型啮齿动物模型采用超高场磁共振成像<em&gt;在体内</em&gt;表型和药物监测

摘要

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.

摘要

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.

引言

多囊肾（PKD），包括一组特征是肾囊肿发展单基因疾病。其中包括常染色体显性多囊肾病（ADPKD）和常染色体隐性多囊肾病（ARPKD），它代表了最常见的类型^1,2。多囊肾，遗传性肾囊肿性疾病的最常见形式，起源由PKD1或PKD2基因突变。它的特点是迟发性，多发性双侧肾囊肿，伴随可变外肾囊肿，以及心血管和肌肉骨骼异常。 ARPKD，最常见的影响新生儿和幼儿，是通过突变PKHD1引起，其特征在于放大回声肾脏和先天性肝纤维化^3。

重要的是，多囊肾的特征在于异质性，无论是在基因（基因）和突变（等位基因）的水平，这将导致大量的phenotypic变异。在PKD1基因突变与严重临床表现（无数囊肿，早期诊断，高血压和血尿），以及快速进展到终末期肾病（20岁之前的患者PKD2突变）相关联^4。严重多囊肝（PLD）和血管异常可与在两个PKD1与PKD2 ⁵突变相关联。多数ADPKD的肾脏并发症的出现主要是由于囊肿扩张连同相关的炎症和纤维化的结果。囊肿发展开始在子宫内 ，并通过患者生存期仍在继续。肾脏通常保持自己的肾形的形状，即使他们可能达到20倍以上的正常肾脏体积。大多数肾囊肿的患者当前两国的分布，但在某些特殊情况下，可以囊肿发展单边或不对称的格局。

一个主要的查林GE为以下肾病ADPKD患者或实施治疗的是疾病的自然史。在它的大部分，当然​​，肾功能保持正常和肾功能开始下降的时间，大部分的肾脏已替换囊肿。当疗法在稍后阶段实现，这是不太可能成功，因为患者可能已经达到了一个点的慢性肾脏疾病没有返回。相反，当治疗在早期阶段被启动，它是难以确定仅仅基于肾小球滤过率的响应。其结果是，肾脏体积作为疾病进展的标志物的概念受到关注。

该联合体多囊肾病（CRISP）研究的放射影像学研究表明，在ADPKD患者的增加肾和囊肿的卷直接与肾功能恶化相关，强调总肾体积（TKV），为作为潜在urrogate标志为疾病进展^6,7。因此，TKV目前用作在用于ADPKD ^2,8,9多个临床试验初级或次级端点。

多个小鼠模型包括自发突变和基因工程已经阐明了PKD ^10,11的发病轻。 PKD1 PKD2或模型（无论是在Pkd1基因或突变PKD2）已经成为最流行 ​​的，因为他们完全模拟人类疾病。另外，啮齿动物模型中，在基因比Pkd1基因或PKD2基因其它突变已被用来作为实验平台来阐明信令相关的疾病的途径。此外，几个这些模型已经用于测试潜在疗法。然而，对于PKD的限制因素，在许多啮齿类动物的研究通常是缺乏有效的非侵入性的方法，以顺序地分析在肾脏解剖和功能的变化。

磁 - [Resonance成像（MRI）是当前的金标准的成像技术来遵循ADPKD患者，提供优良的软组织对比度和解剖细节，并允许TKV测量。尽管MRI是公认的解剖成像在较大的动物和人类，成像小老鼠体内需要额外的技术挑战，其中获得高分辨率图像的能力可能会限制其实用性。在引入超高场（UHF）核磁共振（7-16.4 T）和强梯度的发展，现在有可能实现更高的信号 - 噪声比，并与一个诊断质量的空间MRI图像的分辨率相似的在人类获得。因此，采用UHF MRI对体内成像的小啮齿动物模型为PKD已经成为一个强大的工具，为研究人员。

研究方案

开始用活的动物的任何步骤之前，实验方案应该由机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准。

1.扫描仪配置

1. 在开始之前，确保加热器处于OFF位置。
2. 选择迷你成像梯度和38毫米射频线圈和迷你成像架。
3. 在保持器的中心孔安装在变温装配。

2.动物的制备

1. 对于MRI实验中，使用异氟醚蒸发达到最佳的麻醉。麻醉诱导，将动物感应室衬有吸水的组织。调整异氟烷蒸发器的流量计以2.0-2.5升/分钟，并且异氟烷至3％的氧。
2. 删除在这个阶段任何金属标签或其它金属物体。适用于动物的眼睛兽医药膏，以防止干燥，而在麻醉下。
3. 一旦动物已达到麻醉的手术平面（ 即撤退反射到脚趾捏的损失），将动物与它的鼻子插入鼻锥的持有者。设置麻醉气流在探头2.0-2.5毫升/分钟，在异氟醚浓度为1.5-2.0％的氧。麻醉将通过鼻锥在手术过程中被递送。定期调整异氟醚的浓度取决于动物的年龄和体重，保持40 BPM的〜一呼吸速率。
4. 使用动物持有者，以确保动物到位并防止在MRI实验期间运动。变化要扫描视体区域动物保持器的类型。
   注意:从实验室塑料（聚丙烯，聚四氟乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯）定制持有者可以容纳特定的实验并以适合动物大小（从新生小鼠到160克大鼠）。
5. 将直肠温度计在动物以监测动物的体温。在EXPeriment，保持动物在35-37℃下，用暖空气流。调节空气的温度（30-38℃）和基于动物的体温反馈流量（1,200-2,000升/小时）。
6. 附加气球呼吸压力传感器动物的腹部来监测呼吸速率。
7. 固定动物在RF线圈的中心和小心地将射频线圈与动物进入MRI扫描器。

3. MRI实验

1. 调整和射频线圈开始实验，以尽量减少RF功率使用，并最大限度信噪比之前匹配。要启动匹配/调谐:
   1. 通过点击工具图标，打开光谱仪控制工具。
   2. 在光谱仪控制工具单击采集→摆盘。一个ACQ / RECO窗口将打开显示摆动曲线。
   3. 或者调整调谐和匹配电容器（使用调谐和匹配杆）的小步骤，直到反射射频功率被最小化。的目标是要看到以最小的曲线在位于零，在水平轴上，垂直轴。
   4. 当线圈的校准已经成功地实现了，打了ACQ / RECO窗口中的停止按钮。
2. 收购侦察图像在三个正交平面创建轴位，冠状面及矢状面上。使用快速的图像序列，例如门内部快速低角度拍摄（IG-FLASH）来获取图像侦察兵^12。使用图像侦察设置适当的几何体实际的成像。
3. 根据特定的研究目的，选择合适的图像序列和参数，并开始与一个红绿灯扫描。这将校准RF信道，垫片的共振磁体，设置载波频率为水和调整接收机增益，全部自动。
   1. 解剖研究和T2加权像，收购二维多片或3D模式。为了缩短实验时间为一个给定的空间分辨率，保持田间-of-视角（FOV）尽可能小，但足够大以避免回绕工件（2.56-3.2厘米）。
4. 保持选择的序列比动物的呼吸周期稍短的周期通过适当选择的重复时间（TR）和/或切片的数量。这保证了数据在动物的平静期被收集。
   1. 例如，对于腹部图像，保持动物的呼吸频率在30〜BPM;那就是每次呼吸约2000毫秒。使用涡轮增压快速采集弛豫增强（RARE）序列，并获得11-19冠状切片，用TR / TE九分之一千五百毫秒，稀有因子8（矩阵256×256，FOV 2.56 x2.56厘米，层厚0.75mm）组合。
      注:通过调整TR到1500毫秒，并保持动物的呼吸频率〜30 BPM（每呼吸2000毫秒），我们确保数据在动物的平静期被收集。
5. 毕竟图像采集已经完成，将扫描的动物在加热垫和监控，直至卧床。恢复后，返回的动物笼子和至少返回到动物设施之前监测1小时。

结果

在这个手稿中，我们的目标是展示UHF MRI的效用并在体内的表型特征或药物监测的啮齿动物模型为PKD和其他肾脏疾病的工具。所有的实验都是批准的IA​​CUC实验方案的一部分。

在小型啮齿动物模型使用UHF MRI PKD 体内表型:

所有成像研究是异氟烷麻醉下对活的动物进行的，用Bruker AVANCEIII-700（16.4 T）的垂直孔两种通道多核光谱仪，配备有?...

讨论

这份手稿显示了使用UHF MRI检查体内的表型特征或啮齿动物模型PKD药物监测工具的可行性。

我们描述的实验，在完成16.4 T搭配大口径的Avance III高分辨率核磁共振谱仪配微型和小型成像配件。该光谱仪主要得益于通过Paravision 5.1图像处理软件TopSpin2.0PV控制的采集和处理软件。由于啮齿类动物大小在纵向研究不同，我们使用了小型成像配件与38毫米RF线圈和小型成像支架​​...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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