机械通气小鼠的超极化 129Xe 肺 MRI 和光谱学

Mariah  L. Costa; Joseph W. Plummer; Abdullah S. Bdaiwi; Brice J. Albert; Elizabeth M. Fugate; Peter J. Niedbalski; Diana M. Lindquist; Zackary I. Cleveland

doi:10.3791/66924

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摘要

超极化氙 MRI 可以量化转化研究和临床护理中的区域肺微观结构（气腔尺寸）和生理学（通气和气体交换）。尽管具有挑战性，但它可以在临床前研究中提供类似的肺部见解。该协议描述了在小鼠中执行常规氙肺 MRI 所需的基础设施和程序。

摘要

超极化（HP）氙 129 （¹²⁹Xe）是一种吸入式磁共振成像（MRI）造影剂，具有独特的光谱和物理特性，可用于量化肺生理学，包括通气、限制扩散（肺泡空腔大小）和气体交换。在人类中，它已被用于评估各种肺部疾病的疾病严重程度和进展，并在美国和英国被批准用于临床。除了临床应用之外， ¹²⁹Xe MRI 无创评估肺部病理生理学并提供空间分辨信息的能力对于临床前研究也很有价值。在动物模型中，由于转基因疾病模型的可及性，小鼠使用最广泛。在这里， ¹²⁹Xe MRI 作为一种微创、无辐射且敏感的技术很有前途，可用于纵向监测肺部疾病进展和治疗反应（例如，在药物发现中）。该技术可以通过结合 MRI 触发的自由呼吸装置或机械呼吸机来输送气体，从而扩展到临床前应用。在这里，我们描述了步骤并提供清单，以确保可靠的数据收集和分析，包括创建用于质量控制的热极化氙气模型、优化极化、动物处理（镇静、插管、通气和小鼠护理）以及通气、限制扩散和气体交换数据的方案。虽然临床前 ¹²⁹Xe MRI 可以应用于各种动物模型（例如，大鼠、猪、羊），但由于小鼠的小解剖结构带来的挑战，该协议侧重于小鼠，这与它们的可负担性和许多疾病模型的可用性相平衡。

引言

虽然肺部疾病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因¹，但在过去十年中，患者的预后有了显著改善。这些改进部分是由两个因素推动的。首先，III 期临床试验现在将肺功能的变化作为终点而不是死亡率，从而加速了药物试验 2,3,4,5。其次，改进的动物模型的进步为疾病机制提供了见解，并有助于治疗的发展 ^6,7。小鼠模型通常受到转化研究的青睐，因为它们具有与人类的生理相似性、可负担性和疾病发展速度快。基因工程扩大了可用模型的范围和质量，国际小鼠品系资源现在拥有超过 32,000 种小鼠品系⁸，而只有 4,218 种大鼠品系（大鼠基因组数据库⁹）。这些模型为研究一系列肺部疾病的机制驱动因素和治疗反应开辟了新途径，包括慢性阻塞性肺病（COPD） ¹⁰、囊性纤维化（CF）¹¹、....