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このプロトコルは、G8 PET / CTスキャナーでBody Conforming Animal Molds(BCAM)を使用してマウスに in vivo PETイメージングを実行する手順を説明しています。適切な腫瘍移植、最適なポジショニング、BCAM支援PET/CT画像取得、データ解析など、マウス調製に関する技術的な詳細を提供します。
陽電子放出断層撮影法(PET)は、バイオマーカーの調節、受容体の占有率、目的の化合物の生体内分布など、多数の薬理学的問題を調査するために使用できる分子イメージングモダリティです。生体内分布研究では、実験対象を試験物を受け取った後に縦断的に画像化されることがよくあります。次に、画像を分析して、さまざまな時点のさまざまな臓器における化合物の分布プロファイルを導き出します。これは、治験薬の分布と潜在的に拘束力のあるプロファイルを理解するための医薬品開発における重要なステップです。しかし、PETイメージングベースの生体内分布分析の標準/手動法は、労働集約的で時間がかかり、多くの場合、オペレーター間のばらつきが大きくなります。さらに、異なる時点間で動物の位置を一定に保つことは困難です。これらの欠点に対処するために、一連のマウスBody Conforming Animal Molds(BCAM)を使用して、PET/CTイメージング取得中に動物の厳密で一貫した位置決めを可能にしました。さらに、クラウドベースの臓器確率マップ(OPM)と人工知能を活用したセグメンテーションツールで構成されるSaaS(Software-as-a-Service)プラットフォームを採用し、in vivo PETイメージングデータの信頼性と自動定量を可能にしました。ここで紹介するワークフローは、(1)BCAMによるイメージングのためのマウスの調製(型と適合する皮下腫瘍の適切な移植を含む)、(2)G8スキャナーを使用したBCAMによるPET/CT画像の取得、3)クラウドベースのSaaSを使用した自動臓器セグメンテーションおよび生体内分布解析の実行が含まれます。[18ファイル]ここではFDGが模範的なトレーサーとして使用されましたが、他のバイオマーカーや放射線標識化合物もワークフローに容易に適応させることができます。この手順は、最小限のトレーニングで正確かつ効果的に実行でき、自動化されたPETデータ分析により、手動の方法と一致する満足のいく結果が得られました。
In vivo 分子イメージング技術は、薬理学の 3 つの柱である生体内分布、標的関与、薬力学の調節 1,2,3 の評価を容易にするための医薬品開発における重要なツールです。陽電子放出断層撮影法(PET)は、その臨床的翻訳性と高感度により、臨床と前臨床の研究開発分野の両方で最も一般的に使用される分子イメージングモダリティの1つです。前臨床PETイメージングと放射線治療の開花分野は、腫瘍内因性治療薬、標的治療薬、および新規の免疫腫瘍学(IO)療法の両方の開発に価値があります。新しいImmuno-PET放射性トレーサーの継続的な出現と開発は、特定のカスタマイズされたIO薬物レジメンに影響を与え、レスポンダーとノンレスポンダーを特定する可能性があります4,5,6。一方、[18F]FDGや[18F]FLTなどの代謝特異的放射性トレーサーは、治療に対する腫瘍の反応をモニターすることができ、それぞれ腫瘍が活発に増殖しているかグルコースを消費しているか7、または腫瘍細胞が阻害によって細胞周期停止を受けているかどうかを明らかにすることができる8,9。
非侵襲的な in vivo イメージングは、従来の非イメージング薬理学的実験と比較して、複数の利点があります。例えば、イメージングでは、被験者全体における薬物の分布や薬理学的効果を全身的かつ総合的に評価することができ、これにより、標的部位での有効性のモニタリングだけでなく、予期せぬオフサイト活動の検出も可能になります。その非侵襲的な性質により、同じ動物のセットを異なる時点にわたって、および/または異なるバイオマーカーを用いて縦断的に評価し、異なる生物学的問題に対処することができる10。これにより、研究に必要な動物の数が大幅に減少するだけでなく、時点間での直交制御も可能になり、相関関係を改善し、個々のばらつきを減らすのに役立ちます。イメージングバイオマーカーのこのような有望な開発にもかかわらず、PETイメージングベースの生体内分布研究でin vivo で調査化合物を評価する必要性に直面していますが、分析のための効率的な自動化プロセスが不足しています。PET生体内分布研究は、化合物の動態、組織蓄積、結合、および代謝に関する貴重な情報を生成します。再現性の高い定量データを取得することは、医薬品の開発にとって非常に重要です。
自動PET画像解析におけるこれらの満たされていないニーズに対応するため、InVivo Analyticsは、マウスBody Conforming Animal Molds(BCAM)11のセットを設計しました。これらは、マウスの頭、胴体(および内臓)、尾、手足を事前に定義された硬直した位置に保持する3Dプリントされたプラスチック型です。動物の体重に応じて大きさの異なる型を選ぶことができ、肩や下腹部など特定の部位に切り欠きをして皮下腫瘍をはみ出させることができます。これらのBCAMで取得したPET/CT画像は、非常に均一であり、同社のクラウドベースの自動セグメンテーションプラットフォーム11によりバッチで解析することができる。この記事では、BCAMを使用して画像を物理的に取得し、SaaSによる画像のセグメンテーションと解析を実行する自動化された in vivo 生体内分布解析ワークフローを紹介します。
動物に対して行われるすべての手順は、規制と確立されたガイドラインに従い、ファイザーの動物管理委員会または倫理審査プロセスを通じて審査および承認されました。PETイメージング研究は、すべての施設の放射線安全プロトコルに従って実施されました。この研究では、体重が18〜26 gの10〜12週齢の雌C57BL / 6マウスが使用されました。使用した試薬や機器の詳細は 、資料表に記載されています。
1. 動物の準備とステージング
注:このステップには、BCAMテンプレートガイド下腫瘍移植によるPETイメージングのための動物の病期分類が含まれます。
2.放射線量の採取
3. 静脈内投与
4. PETイメージングのための動物の麻酔と位置決め
5. 画像取得
6. SaaSへの画像のアップロード
7. 自動データ分析
アップロードされたPETデータは、冠状、矢状、および横方向の画像のパネルとしてSaaS Webサイトで表示でき、OPMによって指示された選択した臓器ROIと重ね合わせられます(図3A)。ソフトウェアは個々の画像をロードできるだけでなく、グループまたは研究全体の複数のマウスを一度に1つの折りたたまれた画像として表示できます。この解析ウィンドウ内には、ROIの色、スケールバーの強度、およびその他の一般的なパラメーターをカスタマイズするオプションがあります。理想的な分析指標が選択されると、SaaSは選択した臓器のダウンロード可能な生体内分布棒グラフを生成します(図3B)。
OPMベースのSaaSプラットフォームのパフォーマンスを評価するために、自動分析の結果と経験豊富なイメージングアナリストが導き出した結果をゴールドスタンダードとして比較しました。適合線形回帰は、脳、心臓、腎臓(右)、および脾臓からの[18F]FDG取り込み値に対して実行されました。注目すべきは、このプラットフォームでは、骨格、脳、膀胱、心臓、腎臓(左右)、肝臓、脾臓、肺、大腿四頭筋(右と左)など、ユーザーが選択できる臓器の包括的なリストを提供していることです。上記の4つの臓器は、説明のみを目的としてこの研究で選択されました。さらに、移植された腫瘍のサイズ、形状、深さ/位置が異なるため、腫瘍は OPM の臓器として含まれていないため、この比較分析から除外されます。 図4に示すように、自動解析と手動解析では全体的に一貫した結果が得られ、脳の相関が最も高い(r2 = 0.8466)ことが示されました。これは、臓器のサイズが大きく、頭蓋骨内の脳の位置が非常に一定であるために予想されます。右腎臓と心臓も、それぞれ0.6874と0.4849の妥当なr2 値を示しました。対照的に、脾臓の相関分析では、r2 値は0.3922で、これは試験した臓器の中で最も低い値でした。脾臓は膵臓と脂肪組織にネストされており、明確な形態を欠いており、CTで同じ軟部組織密度を推定しているため、これは驚くべきことではありません。したがって、脾臓を手動でセグメンテーションすることは困難であり、OPMはこの臓器を区切るためのより正確な手段を提示する可能性があります(つまり、ゴールドスタンダードを上回っています)。これらの相関分析の傾きとY切片も 図4に示されています。r2 の値と一致するように、脳の傾きは1に最も近い(つまり、OPMと手動の結果との完全な相関関係)と最小のY切片(つまり、最小の全身バイアス)を持っていましたが、他の臓器は完全な相関から大きく変動する偏差を示しました。
図1:BCAMおよびテンプレートガイド下腫瘍移植 (A) プレクリップ(1)は、BCAM型(2)の底部に麻酔ライン(3)を接続して取り付けます。これが腫瘍の移植基盤として機能します。(B)標的インプラント部位(この場合は右肩)を剃ったマウスを、細胞注入前に麻酔下でベースに載置する。(C)腫瘍細胞接種の配置をガイドするための事前定義されたカットアウトを備えた腫瘍移植テンプレート(4)。(D)マウスの背側にテンプレート型を配置して、細胞注入前に一時的な参照マークを作成します。 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。
図2:BCAMでのマウスの配置。 (A)上面図 - 適切なサイズのBCAM(5)にマウスをぴったりと置きます。(B)側面図-テープを使用して、後足をプラットフォーム(6)に固定します。テールは、マウスの真下にあるテールプラットフォーム(7)にテープで固定されています。(c)マウスは、BCAMにおいて、イメージングシャトル(8)に挿入される。(D)マウス、BCAM、およびシャトルは、麻酔駆動ドッキングステーション(9)に接続されています。 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。
図3:SaaSツールで表示および分析された代表的な画像とデータ出力 。(A) SaaSウェブサイトに掲載されている代表的な画像です。PET/CT画像の冠状、矢状、および横方向のビューと、臓器確率マップ(OPM)から選択した臓器ROIを重ね合わせた画像。ピンク:脳;赤:ハート;ダークブルー:肺;サーモン:肝臓;オレンジ:腎臓(右)。腫瘍はOPMによって定義されていません。(B)自動分析から生成された代表的なダウンロード可能なグラフ。選択した臓器のリストは、左上のパネルで確認できます。ここでのデータは %ID/mL で報告されます。 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。
図4:手動分析とOPMベースの自動化ワークフローによって導き出された臓器[18F]FDG取り込み値を比較する線形回帰分析。 雌のC57BL/6マウスのPET/CTスキャンを10回使用した。r2 値、95% 信頼線、傾き、および Y 切片が、指定された各臓器のグラフに表示されます。 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。
本報告では、BCAM型を用いてマウス のin vivo PETイメージングを行い、自動SaaSツールを用いてデータを解析する手順について述べる。マウスの調製、イメージング取得、およびデータ処理に関するステップバイステップの説明が提供されます。この自動化ワークフローでは、手動分析と一致するデータも得られました。以下に、いくつかの重要な技術的考慮事項を示します。
腫瘍はOPMによって定義される器官の1つではありませんが、このプロトコルの重要なステップは、最終的に体腔内およびBCAM内のすべてのマウス臓器の最適なアライメントを確保するための皮下腫瘍の適切な移植です。OPMは、マウスの背骨が比較的まっすぐで、内臓が中立的に位置している場合にのみ、正確なデータを生成できます。腫瘍が大きすぎたり、位置がずれたりすると、マウスの姿勢に影響を与えて体腔に押し込まれ、内臓が移動する可能性があります。このシフトにより、OPMアルゴリズムから得られる定量分析が歪むことになります。他の研究者は、さまざまな画像診断法とセグメンテーションアルゴリズム13,14を使用して、不直進背椎が内臓の整列に与える影響を報告しています。したがって、テンプレートを使用して腫瘍の移植をガイドし、腫瘍の成長を綿密に監視して、腫瘍が適切に配置され、理想的なサイズ範囲にあることを確認することが重要です。
逸脱する可能性のある別の領域は、適切なサイズのBCAMの選択です。BCAMは、18〜26gの範囲で2gの積分で作成されます。ただし、体組成が異なるマウス(筋肉が多いマウスと脂肪が多いマウス)は、体重は同じでも体格が異なる場合があるため、体重を一般的な参考として使用しながら、最も適切なBCAMを選択することが重要です。試行錯誤しながらレベルアップまたはレベルダウンし、適切なアライメントが重要であることを覚えておいてください。大きすぎるBCAMを選択すると、マウスの内臓がベッドの底に「沈み込み」、特に腎臓や脊椎などの背側臓器の分析精度に影響を与えます。対照的に、小さすぎるBCAMにマウスを配置すると、マウスの体腔を圧迫したり、臓器の位置が歪んだり、呼吸が困難になる可能性があります。テープを使用して手足が足のプラットフォームに固定されていることを確認すると、セットアップとポジショニングに役立ちます。
この報告されたワークフローは、標準化され自動化されたPET画像解析を可能にしますが、現在のOPMは免疫適格なC57BL/6マウス系統と健康なマウスに基づいて構築されていることを指摘する価値があります。マウスの他の系統や健康状態は、アルゴリズムの追加の調整、最適化、および検証を必要とする異なる解剖学的特徴を示す場合があります。例えば、NSGやNCGなどの免疫不全株は、脾臓が小さくなります。同様に、同所性腫瘍インプラントを移植したマウスは、疾患状態に応じて内臓のサイズ、形状、および位置が異なる場合があります。このワークフローのもう1つの制限は、実験の取り込みフェーズにおける全体的なスループットです。これは主に、BCAMでマウスを適切にセットアップするために必要な追加の時間によるものです。トレーニングと練習により、適切な配置におけるオペレーターの効率を高めることができます。2 つ目のドッキングステーションを追加することで、全体的なスループットも向上し、1 つのドックは BCAM セットアップに、もう 1 つのドックはマウスをリカバリーケージに取り外すことができます。それにもかかわらず、スキャン前のBCAMセットアップに必要な時間が増えても、時間への投資はデータ分析側の時間を節約することで報われます。たとえば、本研究では、OPMが10枚の画像(4つのROI)を分析するのに10分もかからなかったのに対し、経験豊富なアナリストが同じ画像とROIのセットを手動でセグメント化して分析するのに3〜4時間かかりました。経験の浅いアナリストは、手動分析にさらに多くの時間を必要とします。SaaSプラットフォームでは、PETスキャンを大規模なバッチで分析することができ、データのアップロード後数分以内に完全な in vivo 生体内分布分析を完了することができます。これは、以下で説明するように、複数のグループや複数の時点にまたがる大量のデータを処理する場合に非常に便利な機能です。
1人の被験者の臓器の手動セグメンテーションは時間がかかる場合があり、通常、オペレーターの事前トレーニングが必要です。適切なトレーニングを行っても、手動分析は必然的にオペレーター間のばらつきに直面し、定量的な結果を歪める可能性があります15,16。対照的に、自動化されたセグメンテーションとデータ解析は、放射性トレーサーの全体的な生体内分布を正確かつ効率的に決定し、人間の操作に根ざした変動性を排除することができます。このような自動化の利点は、臨床画像解析と前臨床領域の両方で見られます。例えば、Sluisらは、AIクラウドベースの手法では30分かかるのに対し、1回のスキャンでは関心のある臓器をセグメント化するのに4時間かかることを実証した17。Nazariらによる別の研究も、肝臓と腎臓のアルゴリズムベースの分析が、2人の人間の医学物理学者と比較して7.0%以内の正確な結果を示したことを報告しています18。図4のデータは、SaaSベースのPETイメージング解析ワークフローの信頼性と、手動解析と比較して自動解析が一貫した結果をもたらすことを明確に示しています。
要約すると、この記事では、標準化された前臨床PET/CT画像取得とSaaS対応の自動PETデータ解析を容易にするためにBCAM金型を使用するワークフローについて説明します。このプラットフォーム技術は比較的簡単に採用でき、自動化で生成されたデータの品質は手動分析と一致していますが、大幅な時間節約のメリットを誇っていることが実証されています。したがって、このワークフローにより、研究者はデータ分析時間を数百時間節約し、オペレーター間のばらつきを標準化して削減できます。この手順は、モダリティや適応症を超えて多数の薬物化合物の開発を支援することができます。特に、治療用抗体、二重特異性抗体免疫細胞誘導剤、抗体-薬物複合体、さらにはナノ粒子などの高分子モダリティは、放射性金属(Zr-89、Cu-64など)で容易に標識でき、PETイメージングを介した生体内分布評価が可能になります19,20。同様に、このプラットフォーム技術は、マウス21における新規放射線治療薬の線量推定を決定するのに役立つ。この手順の適用は、医薬品開発に大きな付加価値をもたらします。
すべての著者は、Pfizer, Inc.の現在または過去の従業員です。
ファイザー・ラホヤ比較医学研究および技術スタッフに感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
[18F]FDG | PETNet Solutions, Culver City, CA | NA | Radiotracer used for PET imaging |
27 G needle | Becton, Dickinson and Company, San Diego, CA | 305136 | Used for cell injection |
app.invivo.ax/login | Invivo Analytics, Seattle, WA | NA | Software as a Service webpage |
Body Conforming Animal Molds | Invivo Analytics, Seattle, WA | NA | BCAMs with weight range of 18 - 26 g |
Dose Calibrator; CRC-55tw | Capintec, Florham Park, NJ | CRC-55tw | Measurement of radioactive doses |
G8 PET/CT scanner | Sofie Biosciences/Xodus Imaging, Torrence, CA | NA | Benchtop scanner with loading dock |
G8-Docking station | Sofie Biosciences/Xodus Imaging, Torrence, CA | NA | Docking station for staging |
Implantation Mold Template | Invivo Analytics, Seattle, WA | NA | Template for optimal tumor implantation |
Lubricant eye ointment | BAUSCH & LOMB, Ontario, Canada | Soothe Nighttime | Eye lube for mice |
Modified G8 shuttle | Invivo Analytics, Seattle, WA | NA | Shuttle for BCAM accommodation |
Mouse anesthesia Induction box | Patterson Scientific, Waukesha, WI | 78933388 | Used for anesthetizing a mouse |
PRE-Clip | Invivo Analytics, Seattle, WA | NA | BCAM adapter for anesthesia connection |
Premiere Slide warmer | LabScientific, Danvers, MA | XH-2001 | Adjustable temp warmer used for tail vein dilation and anesthesia induction |
Syringe (1 mL) | Becton, Dickinson and Company, San Diego, CA | 309659 | Used for cell injection |
Tail Vein injection platform | Braintree Scientific, Pembroke, MA | IL-300 | Restrainer used for administering intravenous injections. |
Vivoqaunt Software | Invicro, Needham, MA | NA | Software used for manual segmentation |
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