Fett-Wasser-Phantome für die Magnet-Resonanz-Tomographie-Validierung: eine Flexible und skalierbare Protokoll

Zusammenfassung

Das Ziel dieser Arbeit ist zu beschreiben, ein Protokoll für die Erstellung eine praktische Fett-Wasser-Phantom, die angepasst werden kann, um Phantome mit unterschiedlichen Körperfett Prozentsätze und Volumen zu erzeugen.

Zusammenfassung

Wie Bild Fettgewebe neue Techniken entwickelt werden, sind Methoden, um solche Protokolle überprüfen immer wichtiger. Phantome, experimentelle Repliken von einem Gewebe oder Organ von Interesse, bieten eine kostengünstige und flexible Lösung. Jedoch ohne Zugang zu teuer und spezialisierte Ausrüstung, bauen stabile Phantome mit hohem Fett Brüchen (zB., > 50 % Fett Anteil Ebenen wie die im braunen Fettgewebe) kann aufgrund des hydrophoben Charakters von Lipiden schwierig sein. Dieses Werk stellt eine detaillierte, low-cost Protokoll für die Erstellung von 5 x 100 mL Phantome mit Fett Bruchteilen von 0 %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 % mit grundlegenden Laborbedarf (Kochplatte, Becher, etc.) und leicht erreichbare Bestandteile (destilliertes Wasser, Agar, wasserlöslich Tensid, Natriumbenzoat, Kontrastmittel Gadolinium-Diethylenetriaminepentacetate (DTPA), Erdnussöl und öllösliche Tensid). Das Protokoll wurde entwickelt, um flexibel zu sein; Es kann verwendet werden, um Phantome mit verschiedenen fetten Fraktionen und eine Vielzahl von Volumes zu erstellen. Phantome, die mit dieser Technik erstellt wurden in der Machbarkeitsstudie ausgewertet, die die Fette Bruchteil Werte Fett-Wasser-Magnetresonanztomographie auf die Zielwerte in den konstruierten Phantoms verglichen. Diese Studie ergab einen Konkordanz Korrelationskoeffizienten von 0.998 (95 % Konfidenzintervall: 0.972-1.00). Zusammenfassend lässt sich sagen belegen diese Studien den Nutzen von Fett Phantome zur Validierung von Fettgewebe bildgebende Verfahren in einer Reihe von klinisch relevanten Gewebe und Organe.

Einleitung

Interesse an der Quantifizierung der Fettgewebe und Triglycerid-Inhalte mithilfe bildgebende Verfahren wie Magnetresonanztomographie (MRT), erstreckt sich über viele Bereiche. Forschungsgebiete umfassen die Untersuchung von weißen und braunen Fettgewebe-Depots und ektopische Lagerung von Lipid in Organen und Geweben wie der Leber¹, Bauchspeicheldrüse²und Skelettmuskulatur³. Nachdem diese neuartige Techniken für adipöse Quantifizierung entwickelt wurden, werden Methoden benötigt, zu bestätigen, dass bildgebende Parameter für Forschung und klinische Anwendungen gelten.

Phantome, experimentelle Repliken von einem Gewebe oder Organ, sind Low-Cost-, flexible und kontrollierte Tools zur Entwicklung und Validierung von bildgebenden Techniken⁴. Insbesondere können Phantome konstruiert werden, um bestehen aus Fett und Wasser in einem Verhältnis oder Fett Volumenanteil (FF) vergleichbar mit der des Gewebes der klinischen Interesse. Klinisch, FF Werte in Geweben und Organen können stark variieren: FF im braunen Fettgewebe fällt zwischen 29,7 % und 93.9 %⁵; die durchschnittliche Leber FF bei Steatose Patienten beträgt 18,1 ± 9,0 %⁶; Die Bauchspeicheldrüse FF bei Erwachsenen mit einem Risiko für Typ 2 Diabetes liegt zwischen 1,6 % und 22,2 %⁷; und in einigen Fällen von Krankheit voraus, können Patienten mit Duchenne-Muskeldystrophie FF Werte von fast 90 % in einigen Muskeln⁸haben.

Da nicht-polaren Moleküle wie Lipide nicht rechtzeitig Lösungen bestehend aus polare Moleküle wie Wasser auflösen, bleibt stabile Phantome zu schaffen, mit einem hohen Ziel FF eine Herausforderung. Für FF bis zu 50 %, viele vorhandene Methoden lässt sich Fett Wasser Phantome^9,10,11,12zu erstellen. Andere Methoden, die in der Regel höhere FFs zu erreichen erfordert teure Ausrüstung wie ein Homogenisator oder ein Ultraschall Zelle Disruptor^13,14. Obwohl diese Techniken eine Roadmap für hohe FF Phantome bieten, beschränken Ausrüstung Zwänge und unterschiedliche Mengen an experimentellen Details die Bemühungen um reproduzierbare und robuste Fett Wasser Phantome.

Aufbauend auf diese früheren Techniken, entwickelten wir eine Methode, um kostengünstige und stabile Fett Wasser Phantome über eine anpassbare Palette von FF-Werte zu konstruieren. Dieses Protokolldetails die erforderlichen Schritte zum 5 x 100 mL Fett Phantome mit FF-Werte von 0 %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 % mit einem einzigen Herdplatte stellen. Es kann leicht eingestellt werden, um verschiedene Mengen (10 bis 200 mL) und Körperfett Prozentsätze (0 bis 100 %) zu erstellen. Die Wirksamkeit der phantom-Technik wurde die Machbarkeit Studie vergleichen Fett-MRI FF Wasserwerte, FF Zielwerte in den konstruierten Phantoms evaluiert.

Protokoll

1. bereiten Sie die Workstation und Materialien

1. Alle Labor-Sicherheitsregeln einhalten. Tragen Sie Schutzbrille und Handschuhe. Lesen Sie das Sicherheitsdatenblatt für jede der Reagenzien verwendet und entsprechende Vorkehrungen zu treffen. Überprüfen Sie die Materialien und Ausrüstungsliste, chemische Handhabung und Glaswaren Vorsichtsmaßnahmen.
   Achtung: Dieses Protokoll erfordert den Einsatz einer Herdplatte bei hohen Temperaturen. Seien Sie vorsichtig und hitzebeständige Handschuhe beim Umgang mit heißen Behälter und berühren Sie nicht die Oberfläche der Kochplatte.
2. Deaktivieren Sie den Arbeitsbereich und reinigen Sie die Oberflächen mit einem Desinfektionsmittel. Waschen Sie Ihre Hände und ziehen Sie Handschuhe an.
3. Sterilisieren Sie alle Instrumente und die Innenseite der alle Gläser auf das potentielle Risiko einer Kontamination zu reduzieren und erhöhen die Langlebigkeit des Phantoms.
   Hinweis: Wenn das Phantom für mehr als ein paar Tage benutzt wird, in regelmäßigen Abständen reinigen Sie die Oberfläche des fertigen Phantom mit Ethanol, Bakterienwachstum zu verhindern.

2. bereiten Sie die Wasserlösung

1. Bereiten Sie den Arbeitsbereich für die Wasser-Lösung. Positionieren Sie die folgenden Materialien und Ausrüstung auf der Bank: Schloss, Zylinder, 400 mL-Becherglas, rühren Bar, Skala, 2 X wiegen Boote, Spachtel, 2 x 1,0 mL Spritzen mit Nadel, destilliertes Wasser, Kontrastmittel Gadolinium-Diethylenetriaminepentacetate (DTPA), Wasserlösliches Tensid, Agar und Natriumbenzoat.
   Hinweis: Spritzen können mit oder ohne Nadeln verwendet werden. Mit Nadeln wird jedoch verbessert die Genauigkeit der Messung und Splatter verhindern, wenn der Inhalt in Wasser oder Öl Lösungen hinzugefügt werden.
2. Legen Sie eine Stir Bar in eine 400 mL-Becherglas. Verwenden Sie einen 100 oder 200 mL Schloss Zylinder Messen 300 mL destilliertem Wasser und Gießen das Wasser in den Becher. Stellen Sie den Becher auf die Herdplatte und bei 90 ° C mit einer rühren-Rate von 100 u/min eingestellt.
   Hinweis: Hohe Temperaturen werden in diesem Protokoll verwendet, um schnelle Ergebnisse zu erzielen. Da die Lösungen nicht für längere Zeit auf der Herdplatte Links sind, spiegelt die Sollwert Temperatur für die Herdplatte nicht die Temperatur der Lösung.
3. Verwenden einer kalibrierten Skala zur Messung von 0,30 g Natriumbenzoat in wiegen Boot. Die Wasserlösung Natriumbenzoat hinzufügen.
4. Mithilfe einer Spritze um 0,6 mL wasserlösliches Tensid zu messen. Stellen Sie sicher, dass keine Luftblasen vorhanden sind. Halten Sie die Nadel ein paar Millimeter über der Mitte der Lösung, und lassen Sie langsam wasserlösliche Tensid um Splatter an den Wänden des Bechers zu vermeiden los.
5. Messen Sie mit einer sauberen Spritze, 0,24 mL des Kontrastmittels Gadolinium-DTPA. Fügen sie den Becher mit der gleichen Technik wie in Schritt 2.4.
   Hinweis: Gadolinium-DTPA wird verwendet, um das Phantom MRI Entspannung Eigenschaften diejenigen des Gewebes von Interesse entsprechend anpassen. Der Leser kann die Lautstärke des hinzugefügt Gadolinium-DTPA entsprechend besser die Entspannung Eigenschaften des Gewebes von Interesse.
6. Messen Sie 9,0 g Agar in ein Boot wiegen. Langsam Löffel Agar mit einem Spatel in das Becherglas mit Wasser.
7. Sobald alles Wasser-Lösung hinzugefügt wurde, erhöhen Sie die Herdplatte Temperatur auf 350 ° C und rühren Sie bar Geschwindigkeit auf 1100 u/min für ca. 5-10 min zu Agar schmelzen.
   1. Um zu überprüfen, ob die Agar geschmolzen ist, kurz entfernen Sie der Wasserlösung von der Herdplatte, stoppen Sie, rühren und überprüfen Sie die Farbe der Lösung. Geschmolzene Agar sollte klar (keine Streamer oder Klumpen) und gelb oder gelb in der Farbe sein.
8. Sobald der Agar vollständig geschmolzen ist, eine Spritze verwenden oder ein kleines Fläschchen ca. 3,5 mL der Wasserlösung Gießen. Wenn die Testlösung nicht festgelegt wird oder nach 5-10 min trennt, ist der Agar nicht geschmolzen. Die Herdplatte Temperatur wieder auf 350 ° C erhöhen und weiter die Heizlösung.
9. Wiederholen Sie Schritt 2,8 bis Wasserlösung in den Test Fläschchen richtig.
10. Lassen Sie die Wasserlösung auf der Herdplatte bei 50 ° C und 100 u/min. Reinigen Sie den Arbeitsbereich und die öllösung vorbereiten.
    1. Entfernen Sie die folgenden Materialien aus der Bank: Maßstab, 2 x wiegen Boote, Spachtel, 2 x 1,0 mL Spritzen mit Nadel (verwendet), destilliertes Wasser, Kontrastmittel Gadolinium-DTPA, wasserlösliches Tensid, Agar und Natriumbenzoat.
    2. Positionieren Sie die folgenden Materialien und Ausrüstung auf der Bank: 400 mL-Becherglas (sauber), Stir bar (sauber), 2,0 mL Spritze mit Nadel, Erdnussöl und öllösliche Tensid.

3. die Öllösung

1. Legen Sie eine neue Stir Bar in eine saubere 400 mL-Becherglas. Verwenden Sie einen Messzylinder, um 300 mL Erdnussöl zu messen und in das Becherglas gießen. Entfernen Sie den Becher mit Wasser-Lösung und stellen Sie den Öl-Lösung-Becher auf der Herdplatte. Eingestellt auf 90 ° C mit 100 u/min für 1 min rühren.
   Hinweis: Erdnuss-Öl wird verwendet, weil es ein ähnliches NMR-Spektrum im Vergleich zu Triglyceriden im menschlichen Fettgewebe¹⁵hat.
   1. Nicht unbeaufsichtigt lassen das Öl auf der Herdplatte. Wenn das Öl zu heiß wird und beginnt zu rauchen, von der Herdplatte entfernen und reduzieren Sie die Temperatur vor der Rückkehr des Öls in der Kochplatte.
2. 3,0 mL Maß der öllösliche Tensid mit einer sauberen Spritze. Das Becherglas mit der gleichen Technik im Schritt 2.4 beschrieben, öllösliche Tensid hinzufügen. Festlegen der Herdplatte bis 150 ° C und 1100 u/min für 5 min um die Öl-Lösung vollständig zu mischen.
3. Nehmen Sie die öllösung Ausschalten der Herdplatte und reinigen Sie den Arbeitsbereich in der Vorbereitung für die Erstellung der Phantom.
   1. Entfernen Sie die folgenden Materialien aus der Bank: 2,0 mL Spritze mit Nadel (verwendet), Erdnussöl und öllösliche Tensid.
   2. Positionieren Sie die folgenden Materialien und Ausrüstung auf der Bank: 250-mL-Erlenmeyerkolben, stir bar (sauber), volumetrische Pipetten, volumetrische Pipette Halter und 5 x 120 mL Gläsern.

4. Legen Sie Phantom-Emulsion

1. Volumetrische Pipetten für die Wasser und Öl Lösungen vorzubereiten. Pipetten sollten nur mit ihrer jeweiligen Lösung verwendet werden, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
   1. Passen Sie die Größe der Pipette auf das Volumen des Protokolls verwendet wird. Z. B. 2 x 50 mL Volumetrische Pipetten (Wasserlösung 50 mL + 50 mL-Öl-Lösung), erstelle ich eine 100 mL phantom mit einem Ziel FF 50 % Fett.
2. Die Warmhalteplatte der Wasserlösung aufsetzen und die Herdplatte bis 300 ° C und 1100 u/min eingestellt. Schalten Sie nach 4-5 min den Rührer aus.
3. Mit einer volumetrischen Pipette, überprüfen Sie, ob der Wasserlösung bereit für die Extraktion von teilweise füllen die Pipette mit einer kleinen Menge (5-10 mL) der Lösung und die Freigabe zurück in den Becher. Wenn der Wasserlösung kann leicht entfernt und ohne übermäßige Reste in der Pipette veröffentlicht, gehen Sie zum nächsten Schritt, ansonsten, lassen Sie es auf der Herdplatte und 2-3 min. wieder einchecken.
   Hinweis: Die Komponenten der Wasser-Lösung sind anfälliger für Einstellung und trennen, so ist es am besten, die Wasserlösung rühren bzw. so oft wie möglich warm zu halten. Wenn die Wasserlösung ist nicht erwärmt und gerührt vor der Übertragung, werden es sehr schwierig, genaue Mengen aufgrund der Tendenz des Nährbodens zu erstarren beim Abkühlen zu messen.
4. Fügen Sie eine saubere Stir Bar sorgfältig ein 250-mL-Erlenmeyerkolben hinzu. Nehmen Sie der Wasserlösung von der Herdplatte, Messen Sie die richtige Lautstärke (Tabelle 2) zu und übertragen Sie es auf dem Erlenmeyerkolben.
5. Legen Sie die Öl-Lösung auf der Herdplatte und legen bei 90 ° C und 1100 u/min um sicherzustellen, dass die Lösung homogen ist. Entfernen Sie nach 1-2 min die Öl-Lösung von der Herdplatte und ersetzen Sie es mit dem Erlenmeyerkolben.
6. Richtige Menge an Öl-Lösung (Tabelle 2) zu messen und die Wasserlösung in den Erlenmeyerkolben langsam hinzufügen.
7. Nachdem alle öllösung hinzugefügt wurde, erhöhen Sie die Temperatur auf 300 ° C und pflegen Sie das Rühren bei 1100 u/min. Rühren Sie die kombinierten Lösungen für 4 – 5 min (es sollte sein Wirbel von der Stir Bar). Die Emulsion sollte weiß, mit einer cremigen Textur sein.
8. Verwenden Sie einen magnetisches rühren Bar Retriever, um Stir Bar zu entfernen.
   Hinweis: Die Stir Bar Retriever sollte verwendet werden, alle zukünftigen Emulsionen rühren Bars entfernt. Zwischen jedem Gebrauch reinigen Sie gründlich.
9. Verwenden Sie hitzebeständige Handschuhe, um die Mischung in den Erlenmeyerkolben in einem sauberen 120 mL Glas gießen Sie vorsichtig. Den Teig langsam hinunter die Seite der das Glasgefäß, Luftblasen in der Mischung zu verhindern, wenn es abkühlt.
10. Reinigen Sie den Erlenmeyerkolben und Stir Bar, dann wiederholen Sie die Schritte 4.2-4.8, die Mengen von Wasser und Öl-Lösungen anpassen, bis alle Phantome erstellt werden.
    Hinweis: Stellen Sie sicher, dass das Glas vor der Reinigung kühl ist.

Ergebnisse

Wenn der Wasserlösung richtig vorbereitet wurde, sollte eine kleine Menge der Lösung in einer Küvette (Abbildung 1, Links) schnell erstarren. Wenn die Lösung (Abbildung 1, Rechts) trennt, sollte die Lösung wieder (wie in Schritt 3.8 des Protokolls angewiesen) vorbereitet werden. Wenn die Emulsion trennt (Beispiele in Abbildung 2, Links und recht...

Diskussion

Wir beschreiben eine robuste Methode um Fett Wasser Phantome geeignet für die Validierung der medizinischen bildgebenden Verfahren zur Quantifizierung von Fettgewebe und Triglycerid Inhalte in Vivozu erstellen. Durch die Schaffung von zwei Stauseen (eine für die Öl-Lösung) und eine für die Wasserlösung, entstanden stabile Phantome mit einer Vielzahl von FF Werte – auch Werte von mehr als 50 % – ohne die Notwendigkeit für teure Ausrüstung. Hohen FF Phantome (> 50 %) bieten das Dienstprogramm, um siche...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Distilled Water	Amazon	B000P9BY38	Base of water solution
Agar	Sigma Aldrich Incorporated	A1296-100G	Gelling agent
Water-Soluble Surfactant	Sigma Aldrich Incorporated	P1379-500ML	Surfactant/emulsifying agent
Gadolinium-DTPA Contrast Agent	Bayer Healthcare	50419-0188-01	Magnetic Resonance Imaging Contrast Agent.
Sodium Benzoate	Sigma Aldrich Incorporated	71300-250G	Preservative
Peanut Oil	Amazon	54782-LOU	Base of oil solution
Oil-Soluble Surfactant	Sigma Aldrich Incorporated	S6760-250ML	Surfactant/emulsifying agent
Hotplate w/ Stirrer	Fisher Scientific	07-770-152
Stir bars (Egg-Shaped)	Sigma Aldrich Incorporated	Z127116-1EA
400 mL Beaker	Sigma Aldrich Incorporated	CLS1003400-48EA
250 mL Erlenmeyer Flask	Sigma Aldrich Incorporated	CLS4450250-6EA
25 mL Glass Volumetric Pipette	Fisher Scientific	13-650-2P	Quantity = 2
50 mL Glass Volumetric Pipette	Fisher Scientific	13-650-2S	Quantity = 2
75 mL Glass Volumetric Pipette	Fisher Scientific	13-650-2T	Quantity = 2
3.0 mL Syringe	Sigma Aldrich Incorporated	Z248002-1PAK
1.0 mL Syringe	Sigma Aldrich Incorporated	Z230723-1PAK
Spatula	Sigma Aldrich Incorporated	S3897-1EA
Scale (100g X 0.01g Resolution)	Amazon	AWS-100-BLK
Weigh Boats	Sigma Aldrich Incorporated	Z740499-500EA
120 mL Glass Jars	McMaster Carr Supply Co	3801T73
Heat Resistant Gloves (pair)	Amazon	B075GX43MN
Syringe Needles	Sigma Aldrich Incorporated	Z192341-100EA
18" stir bar retriver	Fisher Scientific	14-513-70
1 Dram Clear Glass Vial	Fisher Scientific	03-339-25B