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We describe a protocol for hybrid imaging, combining fluorescence-mediated tomography (FMT) with micro computed tomography (µCT). After fusion and reconstruction, we perform interactive organ segmentation to extract quantitative measurements of the fluorescence distribution.
荧光介导的断层摄影(FMT)使纵向和定量测定体内的荧光分布的,并且可以用来评估的新颖的探针的生物分布和使用已建立的分子探针或报道基因,以评估疾病进展。用解剖形态, 例如所述的组合,微计算机断层扫描(μCT),有利于图像分析和荧光重建。我们描述了一个协议,用于多μCT-FMT成像,包括必要的提取定量测量的图像处理步骤。制备小鼠和执行成像后,多峰数据集被注册。随后,改进荧光重建被执行时,它考虑到鼠标的形状。对于定量分析,器官分割是基于使用我们的交互式分割工具的解剖数据生成。最后,将生物分布立方米使用间歇处理特征生成rves。我们表明了该方法的适用性通过评估一个众所周知的探针结合于骨和关节的生物分布。
荧光介导的断层扫描,也称为荧光分子断层摄影术(FMT),是一种有前途的技术,以定量评估弥漫组织,如麻醉小鼠甚至人体组织, 例如 ,乳房或指关节的荧光分布。与此相反,以非侵入性的显微技术,其允许浅表目标成像在亚细胞分辨率1,格式化允许荧光光源在深度几厘米,尽管三维重建在较低的分辨率2。许多靶向荧光探针可用来图像的血管生成,细胞凋亡,炎症,和其他2 - 5。有些探头激活, 例如通过特定酶切割导致荧光的unquenching。此外,表达荧光蛋白的报告基因可以被成像, 例如 ,以跟踪肿瘤细胞迁移6。
FMT强烈受益于结合解剖形态, 例如 ,μCT2,7或MRI 8。而独立的FMT装置是市售装置9中,荧光图像是困难而不解剖参考的信息以解译。最近,我们能够显示,该熔融解剖图像数据能够更可靠的分析10。解剖数据还可以用于提供先验知识,例如鼠标,这对精确的光学建模和荧光重建11重要的外部形状。此外,光散射和吸收的地图可使用组织类型的分割来估计并通过分配类特定系数12,13。对于近红外光,血红蛋白的主要吸收在小鼠中,除了黑色素和毛皮14。由于相对血容量数量级区域而变化,一个吸收图是用于全特别重要titative荧光重建13。
使用非侵入性的成像装置的一个优点是,可使小鼠纵向进行成像, 即,在多个时间点。这是重要的,以评估探针的动态特性, 即,它们的目标积累,生物分布和排泄10,15,或评估疾病进展16。当在多个时间点成像几个小鼠中,大量的图像数据集产生。启用可比性,这些应以系统的方式, 即获得,具有良好定义和记录协议。大量扫描构成图像分析,这是需要提取的图象数据的定量测量是一个挑战。
我们研究的目的是要提供使用了的和优化的μCT-FMT成像协议的详细描述,在整个几个研究10,13,15,17,18。我们描述如何生成数据集,处理,可视化,并进行分析。此使用证明已建立的分子探针,OsteoSense,结合羟基磷灰石19,并可以用于图像骨骼疾病和重塑2。所有涉及动物的程序批准了关于动物保护的政府审查委员会。
该协议包含以下步骤的详细描述:首先,幻影或小鼠和多峰鼠标床是用于成像制备。然后一个全身扫描中的μCT获得。随后鼠标床转移到两个扫描采集(和倒置)的FMT。这可以重复多鼠标在多个时间点。数据采集完成后,需要将数据导出和排序,以使自动分割(需要Definiens的软件许可证),以及图像融合和荧光重建(需要一个Imalytics临床前软件许可)。最后,示出了如何将多峰数据集可视化,以及如何器官交互式分割来量化荧光探针的生物分布。
1.准备幻影
注:幻影是有用测试的成像系统,还确定校准事实上r代表一个新的探头。
2.鼠标准备
注:μCT-FMT成像需要特别的准备,包括麻醉和脱毛。
3.鼠标床准备
注:对于μCT-FMT扫描,使用多式联运鼠标床,既适合的μCT和FMT。
4.我μCTmaging
注意:使用μCT被执行的全身扫描。所产生的解剖数据所需的图像融合,对改进的荧光重建和图像分析。
5. FMT成像
注意:直接μCT扫描后,鼠标被扫描在FMT两种配置(向上和颠倒),它们一起用于一种改进的荧光重建。
6.图像融合与重构
注:后的μCT-FMT扫描, 例如 ,在研究结束时完成,需要将所获得的数据进行排序,以使自动图像融合和荧光重建。
7.图像分析
注意:要提取的图像数据的定量测量,病变和器官的分割是必需的。
8.探头校准
我们应用所描述的协议,以评估靶向探针,OsteoSense,其结合羟基磷灰石的生物分布。 3只小鼠(C57BL / 6 APOE - / - AHSG - / - 双敲除小鼠10周龄)进行成像之前和15分钟,2小时,4小时,6小时,和iv注射2纳摩尔OsteoSense后24小时。我们的软件自动检测内置于多峰鼠标床的标记物( 图1,图2A,B),这使融合的解剖μCT数据与由FMT( 图2C,D)执行的荧光重建。因为OsteoSense是具有低分子量,快速肾排泄,因此高的信号中的膀胱的探针的预期。该FMT的荧光重建的融合显示问题,如膀胱( 图2C,D)的外错位的信号。发生,因为FMT并不知道鼠标的真实形状,并且假定一个块的形状,这些问题。欧ř重建确定准确形状从μCT数据并产生散射和吸收,以使更精确的荧光重建具有更好信号定位,这是膀胱( 图2E,F)尤其明显映射13。
分配重建荧光适当的区域,我们交互分段使用我们的软件( 图3)多个器官。对于每个18扫描,7个地区的基础上的μCT数据, 即 ,心脏,肺,肝,肾,脊柱,肠和膀胱进行分割。随后,该软件用于计算对于每个126区域的平均荧光浓度。幸运的是,该软件提供了一个批处理模式,它计算所有的值,并将其保存在一个单一的电子表格。
为了显现荧光分布,对于每个时间点生成3D效果图,使用可比窗口设置( 图4A-F)。使用量化的器官值,该生物分布计算通过平均三个小鼠( 图4G)的器官值。预扫描,注射前获得的,可以忽略不计显示出背景信号。 15分钟注射后,最强的信号出现,因为快速肾排泄在泌尿膀胱。在随后的时间点,其余的探针已经积累在骨骼和关节。
图1.多式联运鼠标床。(A)多模式鼠标床包含两个有机玻璃板指紧紧握住鼠标。紧缩是用两个螺丝调整。鼠标床包含标记(空洞)的图像融合。麻醉气体被使用柔性管,其被固定用叔供给猿。 (B)中的小鼠床附着到金属支架和在旋转的μCT机架的中心举行。 (℃)避免鼠标床和金属支架之间的间隙,因为否则,标记可能被错误地分配,导致不正确的融合。麻醉气体管应连接到管连接器。 (D)中的小鼠床应插入FMT与前先以使得正确的自动融合。 (E)的标志是可见的FMT摄像头,用于自动标记检测和融合。 请点击此处查看该图的放大版本。
图2.图像融合与重构。(A,B)标记和谅解备忘录的外形本身是由自动分割算法来确定。 (C,D)注射OsteoSense的15分钟后,有相当数量的探针已被排泄到尿膀胱。用μCT数据融合的供应商提供的重建后,问题变得更明显。大部分的信号的周围出现膀胱但膀胱不内侧和一些信号甚至会出现在空气中。这是因为FMT假定一个块形鼠标。 (E,F)我们改进的荧光重建,使用从μCT数据得出鼠标的形状,产生更好的本地化膀胱内的荧光。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3.互动器官分割,。离子( 一 )量化荧光分布,多个器官被分割:心脏(红色),肺(粉红色),肝(棕色),胃癌(米色),脊柱(紫色),肾脏(黄色),肠(绿色)和膀胱(金)。 (B)中的肺,其强烈的对比与周围组织相比,使用阈值和区域填充分段。 (C)的圆形的器官,如膀胱,肾脏和心脏都用"涂鸦"分段。 ( 四)机关处理更复杂的形状, 例如 ,肝,胃是分段逐步使用涂鸦。为了段脊椎,一个高门槛被应用到段的所有骨骼。然后一些骨头, 比如 ,肋骨,被切掉,直到脊柱仍然存在。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4.生物分布。为了评估的生物分布,小鼠被扫描在几个时间点(AF)。 ( 一 )预扫描,注射前,显示在750纳米通道点点的背景信号。注射后(B)的 15分钟,有相当数量的探针已经是在泌尿膀胱。 (C)在2小时的时间点,鼠标撒了尿,这导致在小鼠以外的一些荧光。在稍后的时间点(DF),信号主要出现在骨骼和关节, 即 ,在脊椎和膝盖。 (G)的量化荧光浓度显示为选定的器官。
我们描述和应用协议多式联运μCT-FMT成像。我们用市售的和广泛使用的裂变材料条约和μCT设备3,11,15 - 17,21。而该协议需要特定的格式化,所述μCT可以被另一个μCT具有类似功能和可比扫描参数,例如被取代,视场应足够大,以覆盖鼠标床包括标记。
该FMT是用于生物分布分析,而没有用μCT或MRI 21结合,但是,所述解剖数据是有益的,以增加可重复性,因为该分割可以基于器官边界;这些都是μCT数据10可见。而集成的μCT-FMT设备已经开发2,7,这些都不是市售呢。此外,使用两个单独的设备允许管道, 即 ,下一个鼠标钙N为成像在μCT而第一鼠标仍然在格式化,以增加吞吐量。
为了减少人工工作量,我们执行自动标记检测和融合。此外,鼠标的形状被自动分段并且此信息显著改善了荧光重建11,13,22。用于定量荧光的重建,需要吸收和散射映射13,23。我们推导散射地图由μCT数据的自动分段和分配几个组织类型的已知散射系数(肺,骨,皮肤,脂肪,和剩余的软组织)24。随后,我们重构吸收图从光的原始数据是用于良好灌注器官,如心脏和肝脏13,20尤为重要。
在多个时间点在扫描几个小鼠很快导致大量的数据集进行分析。对于biodistribution研究,几种器官需要被分割为每个μCT-FMT扫描。不幸的是,分割不能重复使用,因为鼠标新反复定位到小鼠床。我们使用交互式分割工具,在我们研究所开发的,然而,其它的工具也可能是适当的25。我们生成素明智的分割,因为这些搭配好复杂的器官不是简单的形状,如椭圆和立方体26。自动全动物分割将是有用的,以进一步减少手工工作量27,但是交互式分割工具仍需要以校正分割误差。此外,自动分割工具很难预料的特殊情况下,如病理正确。由于我们使用本地μCT扫描,一些器官如脾脏是非常困难的,甚至细分手动。造影剂会有所帮助,但有问题的耐受性,这是难以maintai纵贯全境成像呐稳定造影剂分布。
我们的幻像的研究表明,该信号定位是使用形状信息为荧光重建时改善。 在体内 ,有类似的改进是显而易见的早期时间点(注射后15分钟),当大量的探针在已经是膀胱。羟基磷灰石结合探头积聚在骨骼和关节。值得注意的是如何快速发生这种情况, 即 ,该信号已经在注射后脊柱15分钟清晰可见。这大概是由探头,它可以快速外渗并扩散到目标区域的低分子量导致的。该探针结合共价与其靶羟基磷灰石和未结合的探针被排出体外。对于稍后的时间点,6小时和注射后24小时之间,在脊柱的信号强度保持相对稳定,很可能是因为几乎没有任何重光酸痛深入到鼠标漂白的荧光。对于我们的研究中,我们使用的750纳米通道,这导致在低背景荧光的明显对于注射前获得的扫描。在较低的波长,更多的背景信号可以预期28。
总之,我们描述了用于市售FMT和μCT装置多模式成像协议。我们表明,该组合提供了荧光重建的好处。我们说明如何的生物分布曲线是从大量的图像数据的由交互式器官分割和批量处理装置提取。我们认为,这一标准化工作流可以是用于药物开发和使用荧光标记的探针等影像学很有帮助。
菲利克斯Gremse是创始人Gremse-IT,一个初创公司,提供软件和服务的合作,与飞利浦和部亚琛工业大学实验分子影像医学图像分析和所有者。
我们感谢马雷克韦勒进行幻像实验。这项工作是由欧洲研究委员会(ERC启动格兰特309495:NeoNaNo)的支持下,北莱茵 - 威斯特法伦州的德国联邦州(NRW; High-Tech.NRW/EU-Ziel 2 PROGRAMM(EFRE); ForSaTum),德国教育部和研究部(BMBF)(资助方案虚拟肝(0315743),LungSys(0315415C),LungSys2(0316042F),Photonik Forschung德国(13N13355)),亚琛工业大学(我TM 3种子基金),以及飞利浦研究(亚琛,德国)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
FMT (Fluorescence molecular tomography) FMT2500 LX | PerkinElmer | FMT2000 | Device for fluorescence molecular tomography |
µCT (micro computed tomography) Tomoscope Duo | CT Imaging GmbH | Tomoscope Duo | Device for micro computed tomography |
Multimodal Mouse Bed | CT Imaging GmbH | Experimental builder | Partially transparent animal holder |
IsoFlo (isoflurane, USP) | Abbott | 05260-05 | Isoflurane Inhalation anesthesia |
Small animal anesthesia system | Harvard apparatus | 726419 | Complete Isoflurane Table-Top System |
Chlorophyll-free mouse food | Ssniff | E15051 | low chlorophyll / low fluorescence food |
OsteoSense 750EX | PerkinElmer | NEV10053EX | Animal FMT contrast agent |
Portex Fine Bore Polythene Tubing | Smith medical | 800/100/120 | Tube for injection catheter |
Sterican 30g | BBraun | 4656300 | Hypodermic needle for catheter |
Imeron | Altana pharma | INLA F.1/0203/3.5337.69 | CT contrast agent for the phantom inclusions |
Agarose | Sigma | 90-12-36-6 | Agarose for phantom production |
TiO2 | Applichem | A1900,1000 | Titanium oxyde as phantom scattering agent |
Trypan blue | Fluka | 93595 | Trypan blue to adjust phantom light propagation |
Cy7 | Lumiprobe | 15020 | Fluorochrome for the phantom inclusions |
Lipovenoes 20% | Fresenius Kabi | 3094740 | Lipid emulsion, scattering agent for FMT contrast agents |
Definiens Developer XD Server | Definiens AG | Server XD | Software platform for automated segmentation |
Imalytics Preclinical | ExMI/Gremse-IT | Version 2.0.1 | Software for image fusion, reconstruction and analysis |
NVIDIA Geforce Titan | Asus | GTXTITAN6GD5 | High end computer graphics card, 6GB Memory |
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