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本稿では、二相様式放射性核種イメージングを利用したマウスの生体内における気道粘膜クリアランス(MCC)を評価するためのプロトコルについて説明する。このプロトコルは、デュアルSPECT/CTシステムでマウス全身(MWB)コリメータを使用した単一光子放射コンピュータ断層撮影(SPECT)およびコンピュータ断層撮影プロトコル用に設計されています。
呼吸性繊毛は、細胞の専門の小器官であり、気道を裏打ちする上皮細胞の上端表面を並べる。メタクロナル、シンクロナル様式で殴打することにより、これらの複数の、運動性、アクチンベースのオルガネラは、吸入汚染物質および病原体の気道をクリアするセファラッド流体流れを生成する。環境汚染の増加に伴い、新しいウイルス病原体および新たな多剤耐性菌は、繊毛発生粘液性クリアランス(MCC)が肺の健康維持に不可欠である。MCCはまた、原発性毛様体異性症、嚢胞性線維症、ならびに慢性閉塞性肺疾患のような後天性障害のような複数の先天性疾患でうつ病である。これらすべての障害は、いくつかのケースでは、複数のマウスモデルを確立しています。本稿では、少量の放射能とデュアルモダリティSPECT/CTイメージングを用いて、生体内マウスのMCCを正確かつ再現的に測定する方法について詳述する。この方法は、イメージング後のマウスの回収を可能にし、連続測定を可能にし、時間の経過とともに長い間潜在的な治療薬をテストする。野生型マウスのデータは、細部に十分な注意が払われ、プロトコルが厳密に付着している限り、MCC測定の再現性を示す。
繊毛は、藻類からヒトまでの進化史を通じて保存された微小管ベースの細胞小器官である。それらは細胞表面から発せられると多くの機能を有する1、局所的な環境感覚信号の認識から運動性、ヒトから初期の単細胞真核生物にまでさかのぼることができる機能2、3に至るまで。Ciliaは非運動性であり、環境信号を処理するセルの特殊なアンテナとして単一の役割を果たすことができます。またはモチルと倍数、同期して叩く、転移波は、卵管の内層や上下気道など流体の流れを発生させる、1、2に至る末端気管支を除く。
気道の広範な上皮表面は、潜在的に危険な汚染物質および病原体の形で汚染の絶え間ない集中砲火にさらされ、防御を必要とする。1つの重要な防御機構は気管気管支柱の粘液性装置であり、気管気管支上皮細胞の有端な表面を裏打ちする複数のモチル繊毛の叩きによって、分泌された粘液の連続的な流れが気道から機械的に運び出される。吸入された汚染物質を捕捉するこれらの機能、およびそれらの連続的な、同期の鼓動を通して、それらをセファルド4、5を輸送する。
繊毛は、胚発生における左右のパターン形成の発達などにおいて重要な役割を果たしていることが実証されており、胚節のモチル繊毛は対称性を破る6。繊毛関連遺伝子の変異は、心臓の非対称構造による先天性心疾患(CHD)などの疾患に関連している。最近の研究では、CHD患者の気道における毛様機能不全の発生率が高く、また、上気道および下部気道7、8、9、10における術後呼吸器合併症および慢性気道症状の有病率の増加が報告されている。CHDおよび毛様機能不全を有する患者は、ヘテロタキシーの有無にかかわらず、術後の呼吸合併症および陰性呼吸転帰のリスクが5、8、10に増加することが実証されている。シグナリングと発達における彼らの役割を超えて、気道繊毛の重要性は、主要な毛様体異形成(PCD)である毛様症によって実証されている。PCDは、運動性呼吸器繊毛に影響を及ぼす多数の突然変異に起因する先天性障害であり、再発性肺感染症、気管支拡張症、および肺移植の必要性を引き起こす可能性がある11。さらに、嚢胞性線維症(CF)において繊毛が正常であるにもかかわらず、白人集団において最も一般的な先天性障害は、CFTR遺伝子12の突然変異に起因する厚い粘膜粘液が厚いために障害される。PCDとCFの複数のマウスモデルと、CHDのモデルが増え続けています。最終的に繊毛は多くの重要な役割を持つ多目的な構造であり、生体内の運動性呼吸繊毛の機能を評価する方法は、前臨床研究に有用であり、突然変異および粘膜クリアランス(MCC)13に対する薬物の影響を評価する方法である。この方法は、これらのマウスモデルにおけるMCCに対する新規薬物、遺伝子治療または介入の影響を評価する上でも価値がある。
MCC の評価に使用されているさまざまなモデルがあります。1つの注目すべき方法は、気管支に植え付けられたメチレンブルー染料を使用することを含み、色素運動14の光ファイバー測定によって測定されたクリアランスを有する。この方法は、前臨床マウスモデルよりもヒトでより日常的である色素の動きを観察する能力によって制限される。もう一つの注目すべき方法は、放射光相対位X線イメージング(PCXI)であり、気道内の個々の粒子を追跡するために使用することができます。この方法は比較的新しく、広くアクセスできない15です。ビデオ顕微鏡用気管を切除することによって気道を評価する数多くのex vivo方法がありますが、これらのモデルはヒト患者16にはほとんど有用性を提供しません。光コヘレンス断層撮影などの繊毛イメージングの高解像度技術は、同じように17に制限されている。
本稿では、無数の動物モデルにおける肺クリアランスの測定に用いられてきたMCC in vivoを測定する再現性のある方法を提示するとともに、慢性閉塞性肺疾患におけるMCCの研究と免疫抑制薬18,19の効果を評価する。この方法は、肺への注入後に、不溶性微粒子放射性トレーサーである放射性医薬品99mテクネチウム硫黄コロイド(99mTc-Sc)のクリアランスを追跡する。放射性核種は、単一光子放出コンピュータ断層撮影(SPECT)18,20を使用して追跡することができる。我々は、肺への放射性同位元素数の共局在化とデュアルモダリティSPECTとコンピュータ断層撮影(CT)イメージングを使用して、6時間にわたってこれらのカウントの減少を測定することにより、MCCを測定するためのこの技術をさらに洗練しました。二重モダリティイメージングは、CT画像とSPECT画像の共登録により、対象領域である肺に対する放射線数の正確な局在化を可能にします。マウスにおけるMCC測定法については詳細に説明するが、プロトコルはラットのMCCを研究するように調整することができる。コリメーターは放射線量と同様に調整する必要があります。我々の見解では、マウスMCCスキャンは、小さな動物の大きさのために技術的に困難であるが、多くのヒト障害の確立されたマウスモデルの数が多いため、ラットよりも有用である。さらに、動物コロニーの低コストとメンテナンスコストのために、より大きなサンプルサイズはマウスでより実行可能です。
ピッツバーグ大学の制度的動物管理および使用委員会は、これらの動物実験のいずれかを行う前に、この出版物に指定されたすべての動物プロトコルを承認しました。
注:このプロトコルは、デュアルモダリティSPECT / CTスキャナを用いた放射性核種イメージングを利用した生体内粘液構造クリアランス研究の実施方法を詳述しています。実証された技術は、システム較正の実行、マウスの麻酔、マウスの気管挿管、肺への同位体の植え付け、デュアルモダリティイメージング、これらの画像の共同登録、および分析です。
1. SPECT/CT システムのセットアップ
2. マウス挿管とインスティレーション
3. スペクター/CTイメージング
4. 分析
このプロトコルを用いて、イオブルランチャンバー内のマウスを麻酔した(図1A)。十分なレベルの麻酔を達成した後、マウスを垂直支持に置き(図1B)、発声コードを照らされたガイドワイヤーを使用して可視化した(図1C-1D)。マウスを挿管し、カニューレを介して10μLの体積で0.2 mCi 99mTc-Scを植え付け、マウスは肺に自発的に吸入することを許した(図1E-1F)。画像の取得と処理の後、CT画像とSPECT画像をランドマークとして使用して共局化した(図2A)。肺のマスクは、CT画像(図2C)から生成され、0(図2D)および6時間(図2E-2F)で分析するために右肺の周りにROIを描くために使用した。プロトコルの再現性をテストするために、同じ実験条件を持つ異なる日に合計8匹のマウスを2回スキャンし、繰り返しスキャンの間に有意な差を示さないペアのt検定を用いた分析(p値=0.9904)(図3A)。さらに2匹のマウスを同一の実験条件で異なる日に3回スキャンし、一方向ANOVAを用いた分析では、反復スキャン間の有意な一致を示す(図3B)。計8匹のマウスをスキャンし、2つの代表的な画像を表示した(図4)。
図1:マウス挿管と同位体の内挿。気道に同位体を挿管し、植え付けるために必要なステップの画像。 A) マウスはチャンバー内で麻酔を受ける。 B)麻酔マウスを垂直支持に置き、フロント切歯によって吊り下げ。 C)ガイドワイヤとして機能する光ファイバーワイヤを照射した0.5mmの光ファイバーワイヤーは、20 Gカニューレを通してそれを実行することによって準備されます。 D)マウスの口は鉗子を使って開き、照明付きガイドワイヤーを使って声帯を視覚化する。 E)カニューレは声帯を横切って押され、ガイドワイヤーは取り外される。 F)可溶性同位体はピペットを用いてカニューレに植え付け、マウスは自発的に同位体を肺に吸い込む。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: MCC スキャンの SPECT/CT イメージA) CT イメージと共にローカライズされた SPECT イメージ。 B)共局化に使用された可視幻のチューブを持つCT画像。 C)CT画像を二値化し、zスタックの合計投影を行うことによって導出される気道のマスク。 D)SPECT イメージと共にローカライズされた CT マスク。右肺の周囲に分析用のROIが描かれています。 E)6時間で気道のマスク。 F)分析用ROIと6時間の気道のCTおよびSPECTの共局化画像。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:複数のスキャンで同じマウスのクリアランス測定。A)実験条件に変化のない8匹のマウスについて2個の反復クリアランスを測定した。ペアのt検定では、p値0.9904の繰り返しスキャンに有意な差がないことを示した。 B)実験条件に変化のない2匹のマウスについて3つの個別の反復クリアランスを測定した。一方向の分散分析は、p値0.0041の繰り返しスキャンの間に有意な一致があることを示した。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:右肺を概説する0時間と6時間でROIを描いた2匹のマウスにおける0時間および6時間の気道の共局化されたSPECT/CT画像。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1:呼吸効果を可視化した光ファイバーワイヤーで照らされた声帯の映像。こちらをダウンロードしてください。
病気と発達の両方における運動性呼吸繊毛の役割は進化し続け、より良く評価される。気管気管支樹を裏打つ細胞の有頂端表面上の複数のモチル繊毛の同期的なメタクロナル拍動は、粘膜クリアランスまたはMCCを産生するセファラッド流を生成する。MCCは、PCD22のようなシリオパシーで危険にさらされ、COPD18のような病気を獲得し、その重要性は伝統的に繊毛症であるとは考えられてはいえないCHDで認識されている。最近のデータは、ヘテロタキシー23 とヘテロタキシー7のない両方のCHDで呼吸毛様機能不全を示している。このようなモチル繊毛機能不全は、より大きな呼吸症状9 ならびにより大きな術後罹患率8に変換することが示された。これらの疾患のほとんどは、すべてではないにしても、利用可能なマウスモデルを持っており、マウスのMCCを測定するためのプロトコルは、潜在的な治療法をテストするために利用できる貴重なツールです。
動物モデルは、病気を理解し、治療法の開発のための有用性を提供します。In vivo動物イメージングは、動物を犠牲にすることなく、同じ動物から複数のデータポイントを取得する機能を提供し、研究者が治療効果の研究と同様に病気の縦方向の経過をたどることを可能にする。MCCのマウスモデルは、複数の研究者によって数十年にわたって開発され、当初は平面シンチグラフィーを用いてビーグル犬に対して行われている、2次元核画像化技術24である。この技術は10年後にマウスでの使用に適応され、その後25,26の10年後にSPECTイメージングに適応した。マウスモデルにおけるこの技術の開発は、毛様体機能が大幅に変化するPCDのようなヒト疾患の複数のマウスモデルの入手可能性のために、この技術の関連性における大きな発展であった。MCCは、肺脱用および免疫抑制のマウスモデルにおいて評価されており、他のモデル19,26と組み合わせて使用される可能性を有する。CF、喘息、PCD、およびCHDに関連する繊毛症などの気道疾患を有するヒト患者におけるMCC測定試験が行われ、この技術が肺生理学および治療効果13の両方の研究を助けることができるという結果を生み出した。
このプロトコルの重要な部分は、正確な画像を定量化するために正しいイメージングパラメータを使用して取得を設定することです。SPECT取得設定を設計する際には、使用するコリメータ、回転あたりの射影数、回転ステップサイズなど、多くの要因が重要です。コリメータ選択は、取得の感度と分解能の主要な要因であり、そして取得設定は、使用されているコリメータ27に合わせて調整する必要がある場合があります。あるいは、ラットのような大きな動物を使用する場合、コリメーターを調整する必要があります。例えば複数のピンホールコリメータは、より敏感であるが、重なり合う突起を避けるためにステップサイズを選択する際には注意が必要であり、これは再構成アーティファクト25を引き起こす可能性のある画像のあいまいさを犠牲にして取得の感度をさらに高めることができる。再構成セットアップは、定量化可能な画像を生成する上でも重要です。MAP3Dは一般的に使用される反復再構成アルゴリズムであり、PSFは一般的な再構成モデルである。どちらもイメージの再構築に対して信頼性がありますが、反復回数とサブセット数を設定する際には注意が必要です。反復回数が多いほど、再構築に必要な計算時間が増加し、さらに増加するとリターンが減少して再構築の質が向上します。
ImageJ で画像を定量化するために使用する理想的な測定ツールは、選択範囲内のピクセルの合計値を出力する RawIntDen です。異なるサイズの肺ROI間でSPECTデータを定量化する場合、RawIntDenを使用すると、カウントの絶対的な尺度を提供し、平均測定が21と同様にROIの面積に対する測定の調整を回避します。
この手法には、この手法を適用する際に調査員が認識する必要がある、関連する多数のエラーの原因があります。注目すべきコンファウンダーは、麻酔薬の使用です。イオブルランは、マウスが取得完了後に急速に回復する速い作用、吸入麻酔薬です。しかし、マウスにケージ内で回復するのに十分な時間を与え、必要以上に麻酔を受けないように注意する必要があります。私たちの個人的な経験(未発表のデータ)では、0時間から6時間の間に吸入イオブルランを使用して麻酔を連続的に維持されたマウスは、無視できるクリアランスを示した。同様に、迅速な回復を確実にするためには、麻酔薬の制御用量も必要です。画像処理のために動物をパレットに固定する場合、人工物が肺と重ならないように、共同登録に使用される幻の管を胃の上に低く保つ必要があります。同様に、CT 画像の品質を確保するために、マウスから金属タグを取り除き、X線散乱からアーチファクトを避けるように注意してください。
現在のMCCプロトコルは無数の動物モデルに適用することができる。この技術は、スキャンされた動物の健康にごくわずかな影響を及ぼし、マウスによって十分に許容され、このため既に繊細なマウスの健康を危険にさらすことなく疾患モデルで使用することができる。この方法論の強さは、ビデオ顕微鏡のために気管を切除するために動物を犠牲にすることなく気道機能の一貫した反復可能な測定値を取得することを可能にするin vivo技術であることから来る、ex vivoモデルは26を必要とする。同じ動物の複数のスキャンで反復可能な測定を生成するこの技術の一貫性は、同じ動物が異なる薬剤または潜在的な治療で治療されることを可能にし、そして任意の動物モデルに内在する生物学的変動性を減少させるために同じ動物間で行われた統計的比較を可能にし、それによって統計的に有意な差を示すために必要なサンプルサイズを減少させる。
MCC技術を用いた気道機能の評価は、さまざまな動物モデルに調整し、気道の健康の多くの異なるモデルに適用するだけでなく、新しい治療法をテストすることができます。PCDのマウスモデルの気道は、この技術だけでなく、COPDのモデルを使用して評価することができます。また、一般的な臨床使用のMCCに対する様々な麻酔薬の差動効果を研究するためにも利用できます。最後に、このモデルを用いて、気道に対する治療剤の効果を評価することもできる。先に述べたように、繰り返しクマ, それはインビボ測定であるため、それは病気の過程で繰り返しMCC評価を可能にします, だけでなく、時間の経過と共に治療介入のテストの利点.さらに、マウスはヒト疾患を模倣/研究するために使用される最も一般的な実験動物であり、場合によっては、ヒト疾患の複数のトランスジェニックマウスモデルから選択できる。
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M.Z.とK.S.F.とこの研究は、ピットイノベーションチャレンジ(PInCh)の下で授与された助成金、ピッツバーグ大学臨床およびトランスレーショナルサイエンス研究所、およびNHLBI R01助成金HL153407によって支えられ、M.Zに授与されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
500 µm Unjacketed Fiber Optic Wire | Edmund Optics | 02-532 | |
99mTechnecium-Sulfur Colloid | Cardinal Health | ||
Anesthesia Vaporizer | Vetland Medical | A13480 | |
Durmont #5 Forceps | Fine Science Tools | 99150-20 | |
FIJI ImageJ 2.0.0-rc-65/1.52p Software | |||
Introcan Safety Catheters 20G 1inch | Fisher Scientific | NC1534477 | |
Isoflurane | Henry Schein | 118-2097 | |
Mouse Intubation Stand | Kent Scientific | ETI-MSE-01 | |
Siemens Inveon dual-modality SPECT/CT | Siemens | ||
Single Channel Anesthesia Stand | Summit Anesthesia Solutions | 22860 |
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