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ここでは、小動物を対象とした高解像度陽電子放射断層撮影/コンピュータ断層撮影法を用いて心機能と形態を定量化するための実験的イメージングプロトコルを紹介します。マウスとラットの両方を検討し、2つの種に対するコンピューター断層撮影造影剤の異なる要件について議論します。
陽電子放出断層撮影(PET)とコンピューター断層撮影(CT)は、最も採用されている画像診断技術の一つであり、どちらも心機能と代謝を理解するのに役立ちます。前臨床研究では、マウスやラットの心臓サイズが小さく、心拍数が非常に高いことによる厳しい技術的要件に対応するために、高感度と高時空間分解能を備えた専用スキャナーが採用されています。この論文では、動物の準備と画像の取得と再構成から画像処理と視覚化まで、心臓病の実験マウスおよび/またはラットモデルのためのバイモーダル心臓PET / CTイメージングプロトコルについて説明します。
特に、18 F標識フルオロデオキシグルコース([18F]FDG)-PETスキャンは、左心室(LV)のさまざまなセグメントにおけるグルコース代謝の測定と視覚化を可能にします。極座標地図は、この情報を表示するための便利なツールです。CT部分は、心電図(ECG)リードなしのレトロスペクティブゲーティングを使用した心臓全体の時間分解3D再構成(4D-CT)で構成されており、LVの形態機能評価と、その後の駆出率(EF)や脳卒中量(SV)などの最も重要な心機能パラメータの定量化を可能にします。統合されたPET/CTスキャナーを使用すると、このプロトコルは、異なるスキャナー間で動物を再配置することなく、同じ麻酔誘導内で実行できます。したがって、PET / CTは、心臓病のいくつかの小動物モデルにおける心臓の形態機能および代謝評価のための包括的なツールと見なすことができます。
小動物モデルは、心血管疾患の理解を進める上で極めて重要である1,2.非侵襲的な画像診断ツールは、臨床と前臨床の両方の設定で、過去数十年で心機能の見方に革命をもたらしました。心臓病の小動物モデルに関する限り、非常に高い時空間分解能を持つ特定のイメージングツールが開発されています。したがって、このような機器は、心不全(HF)3や心筋梗塞(MI)4などの特定の疾患モデルにおいて、マウスおよびラットの非常に小さく非常に動きの速い心臓に関する関連する代謝および運動心筋パラメータの正確な定量化の必要性に一致させることができます。この目的のためにいくつかのモダリティが利用可能であり、それぞれに長所と短所があります。超音波(US)イメージングは、その優れた柔軟性、非常に高い時間分解能、および比較的低コストにより、最も広く使用されているモダリティです。小動物における米国の心臓画像の採用は、50μm未満の空間分解能を特徴とする超高周波5,6のプローブを使用するシステムの出現以来、大幅に増加しています。
完全な3D心臓イメージングのための米国の主な欠点の中には、プローブを電動トランスレーションステージに取り付けて心臓全体の動的Bモード画像のフルスタックを作成することにより、心臓軸に沿って線形スキャンする必要があることです7。最終的に、この手順は、(各プローブ位置で取得された画像の正確な空間的および時間的登録後に)面内方向と面外方向の間で異なる空間分解能を持つ4D画像を生み出します。不均一な空間分解能の同じ問題は、心臓MR(CMR)8 でも発生し、心臓の機能イメージングにおけるゴールドスタンダードを表しています。代わりに、コンピューター断層撮影(CT)と陽電子放出断層撮影(PET)の両方を使用して、実際の等方性3Dイメージングを取得できます9。PETは、CT、MR、またはUSと比較して空間分解能が低下しているにもかかわらず、注入されたプローブの量あたりの画像信号(ナノモル範囲)に関して非常に感度の高いツールを提供します。PETの主な利点は、臓器の病態生理の根底にある細胞および分子メカニズムを表示できることです。たとえば、[18F]FDGの注射後のPETスキャンにより、体内のグルコース代謝の3Dマップを再構築できます。これを動的(すなわち、時間分解)データ取得と組み合わせることにより、トレーサー動態モデリングを使用して、グルコース取り込みの代謝率(MRGlu)のパラメトリックマップを計算することができ、これは心筋生存率に関する重要な情報を提供する10。
CTは、関連する組織成分(血液対筋肉など)の測定可能な増強を提供するために、高濃度(mLあたり最大400mgのヨウ素)で大量の外部造影剤(CA)を必要としますが、特に小動物イメージング用に設計された最先端のマイクロCTスキャナーを使用する場合、空間的および時間的分解能に優れています。11心臓PET / CTを適用できる典型的な疾患モデルは、心筋梗塞と心不全の実験的評価、および関連する治療への反応です。小動物でMIを誘導する一般的な方法は、左前下行(LAD)冠状動脈12,13の外科的結紮を行い、その後の数日間の疾患の進行と心臓リモデリングを縦断的に評価することです4。それにもかかわらず、小動物における心臓の定量的形態機能評価は、心機能に対する加齢の影響の評価14または肥満モデルにおける受容体発現の変化の評価など、他の疾患モデルにも大部分適用可能である15。提示されたイメージングプロトコルは、特定の疾患モデルに限定されないため、小さなげっ歯類を用いた前臨床研究のいくつかのコンテキストで最も幅広い関心事になる可能性があります。
本稿では、小動物統合PET/CTを用いた心臓イメージングの開始から終了までの実験プロトコルを提示する。提示されたプロトコルは特定のバイモーダル統合スキャナー用に設計されていますが、説明されている手順のPET部分とCT部分は、異なるメーカーの別々のスキャナーで独立して実行できます。使用中のPET/CTスキャナーでは、一連の操作は事前にプログラムされたワークフローで編成されています。各ワークフローの主なブランチは、1つ以上の取得プロトコルです。各収集プロトコルは、特定の前処理プロトコル用の1つ以上の分岐を持つことができ、次に、各前処理プロトコルは、特定の再構成プロトコル用の1つ以上の分岐を持つことができます。画像化床上での動物の調製および画像化手順の間に注入される外用剤の調製の両方が記載されている。画像取得手順の完了後、一般的に入手可能なソフトウェアツールに基づく定量的画像解析の手順例が提供される。メインプロトコルは、マウスモデル用に特別に設計されています。マウスはこの分野で最も使用されている種であり続けていますが、メインプロトコルの最後にラットイメージングのためのプロトコルの適応も示します。代表的な結果がマウスおよびラットの両方について示され、記載された手順で予想される出力のタイプを示す。この論文の最後には、この技術の長所と短所、重要なポイント、および準備および取得/再構築の手順をほとんど変更せずにさまざまなPET放射性トレーサーを使用する方法を強調するために、徹底的な議論が行われます。
動物実験は、欧州指令(1986年の指令86/609/EECおよび指令2010/63/UE)およびイタリアの法律(D.Lgs.26/2014)によって要求される実験動物の取り扱いに関する国際ガイドラインの実験動物の世話と使用に関するガイドの推奨事項に従って実施されました。
1. PET/CTイメージングプロトコルとワークフローのセットアップ
注:ここで紹介するプロトコルは、マウスモデルの心臓イメージング用に特別に設計されています。ラットでの作業は、主に動物のサイズが大きい(約10倍重い)ため、実際のプロトコルにいくつかの変更を加えることを意味する可能性があります。ラットイメージングのための変更は、ステップで具体的に言及されています。改変が言及されていない場合、マウスイメージングのための同じステップをラットに使用することができる。
2. PET / CTイメージングのための動物の準備
注:現在のプロトコルでは、すべての動物を一晩絶食させました。
3.PETトレーサーの投与量の準備
4. CT造影剤の調製
5.イメージング前の動物の位置合わせと予備操作
6.PETスキャン
図1:PETトレーサーの注入。 この操作は、PETスキャンの開始直後に実行されます。動物はPETの視野内にあります(頭を最初に、尾がオペレーター側に見えます)。略称:PET =陽電子放出断層撮影。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
7.CTスキャン
8. 内因性心肺ゲーティングを用いた心臓4DCT画像の再構成
注意: 画像検査が完了すると、標準のPETおよびCT再構成が自動的に実行されます。それにもかかわらず、4D(Cine)カーディオCTシーケンスの再構築は手動で実行する必要があり、ユーザーの操作が必要です。その後の形態機能心臓CT分析に必須のこの特別なタイプの再建については、このセクションで説明します。
図2:組み込みゲーティングのROI選択ツール この画像は、Cine-CT再構成フェーズ中に断層撮影装置のGUIに表示されます。ユーザーは、生のCT投影から固有のゲーティング信号(カイモグラム)を取得するROI(黄色の長方形)の位置を選択する必要があります。動物の胸部に重ね合わされた円形の物体は、研究中の生理学的モニタリングにのみ使用される呼吸枕です。略語:ROI =関心領域。CT =コンピュータ断層撮影;GUI = グラフィカル ユーザー インターフェイス。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ゲート信号の例(上のフレーム)と対応する周波数スペクトル(中央と下部)。 アトリウムソフトウェアの心臓同期モジュールで得られた画像。ユーザーは、呼吸(センターフレーム)と心臓運動(下部フレーム)の両方に適切な周波数帯域を選択する必要があります。これにより、ゲーティング信号上の呼吸器マーカーと心臓マーカーの識別が可能になり、4D再構成を進める前にユーザーが確認する必要があります。ピークの識別不良または誤った割り当て(例:.、呼吸器から心臓へ、またはその逆)は、誤った再建につながります。示されているデータは、健康な成体の雄のWistarラット(507 g)に2 mLのイオメプロール、200 mg / mLを0.4 mL / minの速度で5分間注射した4D Cine-CTスキャンの分析から得られたものです(上のグラフは、識別された心臓と呼吸の動きをよりよく視覚化できるように、取得の最初の22秒でズームインされています)。略語:CT =コンピュータ断層撮影。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
9.PET心臓分析
注:このセクションでは、小動物の左心室の動的[18F]FDGデータの速度論的分析を実行する方法を示します。分析はカリマスソフトウェアに基づいています。以下の手順は、ソフトウェアユーザーマニュアル17に代わるものではありません。以下に提示する手順は、動的PETデータ18のPatlakグラフィカル分析に基づいている。この分析の詳細については、「ディスカッション」セクションを参照してください。
図4:PET分析ソフトウェアの方向転換ツール。 3D 空間における 2 つの単純な線分の投影は、3 つの標準平面 (経軸、冠状、矢状) のそれぞれに表示されます。最初のセグメントでは、ユーザーは心臓の基部と頂点を選択でき、2番目のセグメントでは心臓の左側と右側を選択できます。このステップにより、新しい(補間された)PET画像(下の行)が作成され、心臓は標準のAHA表現に沿って再配置されます。画像は、体重51 gの健康な成人男性CD-1マウスからカリマスで取得され、10 MBqの[18F]FDGを注射しました。略語:PET =陽電子放出断層撮影;AHA = アメリカ心臓協会;FDG =フルオロデオキシグルコース。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
10.シネCT心臓分析
注:このセクションでは、Cine-CT心臓画像の定量分析を実行して、心機能のグローバルな定量データを収集する方法を示します。分析はOsirix MDソフトウェアに基づいています。以下の手順は、Osirixユーザーマニュアル24に代わるものではありません。
図5:多面変形ツールのグラフィカルインターフェイス。 このツールは、後続の機能分析のためにCine-CTデータの方向を変更するために使用されます。ユーザーは、心臓の短軸ビューが右側に表示されるように、画面の左側にある参照軸を回転および移動する必要があります。この手順の最後に、ユーザーは方向を変えたイメージを DICOM ファイル・セットとしてエクスポートできます。画像はOsirix MDで取得され、健康な成体雄のWistarラット(507 g)に2 mLのイオメプロール、200 mg / mLを0.4 mL / minの速度で5分間注射し、ボクセルサイズ0.24 mm3のフィルターバックプロジェクションで再構築したものです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
このセクションでは、これまでに説明した手順に従って、PET分析とCT分析の両方の典型的な結果を示します。 図6 は、対照(健常)CD-1マウスの[18F]FDG PETスキャンの自動心筋およびLV腔セグメンテーションの結果を示す。再構成された画像では右心室が常に見えるとは限りませんが、DICOMヘッダーに基づく方向軸を使用して、米国心臓協会(AHA)の推奨事項に従って標準...
この論文で提示されたプロトコルは、高解像度PET / CTイメージングを使用した、心臓損傷の小動物モデルでのトランスレーショナル心血管研究の典型的な実験手順に焦点を当てています。提示された結果は、PETおよびCine-CT画像の高い定量的および定性的価値を示しており、その糖代謝、形状、およびその収縮のダイナミクスに関する心臓全体の機能的および構造的情報の両方を提供します。?...
ダニエレ・パネッタは、Inviscan SasからマイクロCT装置の研究開発のための助成金を受け取りました。
この研究の一部は、JPI-HDHL-INTIMIC "GUTMOM"プロジェクト:子孫の母親の肥満と認知機能障害:GUT微生物の因果関係の役割と早期食予防(プロジェクト番号。 INTIMIC-085、イタリア教育省、大学および研究政令第946/2019号)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.9% sterile saline | Fresenius Kabi | 0.9% sodium chloride for injection | |
1025L Physiological Monitoring | Small Animal Instruments | Physiological monitoring system for small animal imaging | |
5 mL syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of PET tracer | |
Atomlab 500 | Else Nuclear | PET Dose calibrator | |
Atrium software | Inviscan | Version 1.5.5 | PET/CT operating software |
Butterfly catheters | Delta Med | 27.5 G needle | |
Carimas software | Turku PET Center | Version 2.10 | Image analysis software |
Fenestra VC | Medilumine | Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals | |
Heat lamp | Heat lamp with clamp and switch | ||
Insulin syringes | Artsana | Syringes with needle for injection of CT CA | |
Iomeron 400 mgI/mL | Bracco | Iomeprol, vascular contrast agent | |
IRIS PET/CT | Inviscan | PET/CT scanner for small animals | |
Isoflurane | Zoetis | Inhalation anesthetic, 250 mL | |
OneTouch Glucometer | Johnson&Johnson Medical | Glucose meter kit | |
Osirix MD software | Pixmeo | Version 11 | Image analysis software |
Oxygen | Air liquide | Compressed gas | |
Rectal probe for 1025L | Small Animal Instruments | Rectal probe with cable for SAII 1025L systems | |
Respiratory sensor for 1025L | Small Animal Instruments | Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems | |
TJ-3A syringe pump | Longer | Motorized syringe pump for CT CA injection |
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