Name: high-resolution cardiac positron emission tomography/computed tomography for small animals
Uploaded: 2022-12-16T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals at JoVE.com

Это исследование было частично поддержано проектом JPI-HDHL-INTIMIC «GUTMOM»: Материнское ожирение и когнитивная дисфункция у потомства: причинно-следственная роль GUT MicrobiOMe и ранняя диетическая профилактика (проект No INTIMIC-085, Министерство образования Италии, Университет и Указ об исследованиях No 946/2019).

Эксперименты на животных проводились в соответствии с рекомендациями Руководства по уходу за лабораторными животными и их использованию Международного руководства по обращению с лабораторными животными, требуемого Европейской директивой (Директива 86/609/ЕЕС 1986 года и Директива 2010/63/UE...

Протокол, представленный в этой статье, фокусируется на типичной экспериментальной процедуре трансляционных сердечно-сосудистых исследований на небольших животных моделях сердечной травмы с использованием ПЭТ/КТ-визуализации высокого разрешения. Представленные результаты свидете...

Модели мелких животных чрезвычайно важны для продвижения понимания сердечно-сосудистых заболеваний 1,2. Неинвазивные, диагностические инструменты визуализации произвели революцию в том, как мы смотрим на сердечную функцию в последние десятилетия, как в клинических, так и в доклинических условиях. Что касается моделей сердечных заболеваний на мелких животных, были разработаны специальные инструменты визуализации с очень высоким пространственно-временным разрешением. Таким образом, такие инструменты могут соответствовать необходимости точной количественной оценки соответствующих метаболических и кинетических параметров миокарда на очень маленьких и очень быстро движущихся сердцах мышей и крыс в конкретных моделях заболеваний, таких как сердечная недостаточность (HF)3 или инфаркт миокарда (MI)4. Для этой цели существует несколько модальностей, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Ультразвуковая (УЗИ) визуализация является наиболее широко используемой модальностью из-за ее большой гибкости, очень высокого временного разрешения и относительно низкой стоимости. Внедрение визуализации сердца в США у мелких животных значительно возросло с момента появления систем, использующих зонды со сверхвысокой частотой 5,6, с пространственным разрешением ниже 50 мкм.
Одним из основных недостатков УЗИ для полностью 3D-визуализации сердца является необходимость линейного сканирования вдоль оси сердца путем установки зонда на моторизованной стадии трансляции для создания полного стека динамических изображений B-режима всего сердца7. В конечном итоге эта процедура приводит (после точной пространственной и временной регистрации изображений, полученных в каждой позиции зонда) к 4D-изображению с различным пространственным разрешением между плоским и внеплоскостным направлениями. Та же проблема неравномерного пространственного разрешения возникает в сердечной МРТ (CMR)8, которая по-прежнему представляет собой золотой стандарт в функциональной визуализации сердца. Реальная изотропная 3D-визуализация может быть получена с использованием как компьютерной томографии (КТ), так и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ)9. ПЭТ обеспечивает очень чувствительный инструмент с точки зрения сигнала изображения на количество вводимого зонда (в наномолярном диапазоне), даже если он страдает от сниженного пространственного разрешения по сравнению с КТ, МРТ или УЗИ. Основным преимуществом ПЭТ является его способность отображать клеточные и молекулярные механизмы, лежащие в основе патофизиологии органа. Например, ПЭТ-сканирование после инъекции [18F]FDG позволяет реконструировать 3D-карту метаболизма глюкозы в организме. Сочетая это с динамическим (т.е. временным) сбором данных, трассирующее кинетическое моделирование может быть использовано для расчета параметрических карт метаболических скоростей поглощения глюкозы (MRGlu), которые предоставят важную информацию о жизнеспособности миокарда10.
КТ требует значительных объемов внешних контрастных веществ (СА) в высоких концентрациях (до 400 мг йода на мл) для обеспечения измеримого усиления соответствующих компонентов ткани (например, крови против мышц), но она превосходит пространственное и временное разрешение, особенно при использовании современных микро-КТ-сканеров, предназначенных для визуализации мелких животных. 11 Типичной моделью заболевания, в которой может быть применена сердечная ПЭТ/КТ, является экспериментальная оценка инфаркта миокарда и сердечной недостаточности и связанного с этим ответа на терапию. Распространенным способом индуцирования ИМ у мелких животных является хирургическая перевязка левой передней нисходящей (LAD) коронарной артерии12,13, а затем продольная оценка прогрессирования заболевания и ремоделирование сердца в последующие дни4. Тем не менее, количественная морфофункциональная оценка сердца у мелких животных в значительной степени применима и для других моделей заболеваний, таких как оценка влияния старения на сердечную функцию14 или измененную экспрессию рецепторов в моделях ожирения15. Представленный протокол визуализации не ограничивается какой-либо данной моделью заболевания и, следовательно, может представлять наибольший интерес в нескольких контекстах доклинических исследований с мелкими грызунами.
В этой статье мы представляем от начала до конца экспериментальный протокол для визуализации сердца с использованием интегрированных ПЭТ / КТ мелких животных. Несмотря на то, что представленный протокол предназначен для конкретного бимодального интегрированного сканера, ПЭТ и КТ части описанной процедуры могут быть выполнены независимо на отдельных сканерах разных производителей. В используемом ПЭТ/КТ сканере последовательность операций организована в заранее запрограммированном рабочем процессе. Основными ветвями каждого рабочего процесса являются один или несколько протоколов сбора; каждый протокол сбора может иметь одну или несколько ветвей для определенных протоколов предварительной обработки, и, в свою очередь, каждый протокол предварительной обработки может иметь одну или несколько ветвей для конкретных протоколов реконструкции. Описана как подготовка животного на визуализирующей кровати, так и подготовка внешних агентов, вводимых во время процедур визуализации. После завершения процедуры получения изображения приводятся примеры процедур количественного анализа изображений на основе общедоступных программных средств. Основной протокол специально разработан для моделей мышей; Несмотря на то, что мышь остается наиболее используемым видом в этой области, мы также показываем адаптацию протокола для визуализации крыс в конце основного протокола. Репрезентативные результаты показаны как для мышей, так и для крыс, демонстрируя тип выхода, который можно было бы ожидать с описанными процедурами. В конце этого документа проводится подробное обсуждение, чтобы подчеркнуть плюсы и минусы техники, критические моменты, а также то, как различные РАДИОИНДИКАТОРЫ ПЭТ могут быть использованы почти без изменений на подготовительных этапах и этапах приобретения/реконструкции.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.9% sterile saline</td>
			<td>Fresenius Kabi</td>
			<td></td>
			<td>0.9% sodium chloride for injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1025L Physiological Monitoring</td>
			<td>Small Animal Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Physiological monitoring system for small animal imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mL syringes</td>
			<td>Artsana</td>
			<td></td>
			<td>Syringes with needle for injection of PET tracer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomlab 500</td>
			<td>Else Nuclear</td>
			<td></td>
			<td>PET Dose calibrator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atrium software</td>
			<td>Inviscan</td>
			<td>Version 1.5.5</td>
			<td>PET/CT operating software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butterfly catheters</td>
			<td>Delta Med</td>
			<td></td>
			<td>27.5 G needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carimas software</td>
			<td>Turku PET Center</td>
			<td>Version 2.10</td>
			<td>Image analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fenestra VC</td>
			<td>Medilumine</td>
			<td></td>
			<td>Lipid emulsion iodinated contrast agent for small animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heat lamp</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Heat lamp with clamp and switch</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulin syringes</td>
			<td>Artsana</td>
			<td></td>
			<td>Syringes with needle for injection of CT CA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iomeron 400 mgI/mL</td>
			<td>Bracco</td>
			<td></td>
			<td>Iomeprol, vascular contrast agent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IRIS PET/CT</td>
			<td>Inviscan</td>
			<td></td>
			<td>PET/CT scanner for small animals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>Zoetis</td>
			<td></td>
			<td>Inhalation anesthetic, 250 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>OneTouch Glucometer</td>
			<td>Johnson&#38;Johnson Medical</td>
			<td></td>
			<td>Glucose meter kit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Osirix MD software</td>
			<td>Pixmeo</td>
			<td>Version 11</td>
			<td>Image analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen</td>
			<td>Air liquide</td>
			<td></td>
			<td>Compressed gas</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rectal probe for 1025L</td>
			<td>Small Animal Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Rectal probe with cable for SAII 1025L systems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Respiratory sensor for 1025L</td>
			<td>Small Animal Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Respiratory pillow with tubings for SAII 1025L systems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TJ-3A syringe pump</td>
			<td>Longer</td>
			<td></td>
			<td>Motorized syringe pump for CT CA injection</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-resolution cardiac positron emission tomography/computed tomography for small animals

Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и компьютерная томография (КТ) являются одними из наиболее используемых методов диагностической визуализации, и оба служат для понимания сердечной функции и метаболизма. В доклинических исследованиях используются специализированные сканеры с высокой чувствительностью и высоким пространственно-временным разрешением, предназначенные для удовлетворения высоких технологических требований, связанных с небольшим размером сердца и очень высокой частотой сердечных сокращений мышей и крыс. В этой статье описан протокол бимодальной визуализации сердца ПЭТ/КТ для экспериментальных моделей сердечных заболеваний на мышах и/или крысах, от подготовки животных и получения и реконструкции изображений до обработки и визуализации изображений.
В частности, 18F-меченые фтордезоксиглюкоза ([18F]FDG)-ПЭТ-сканирование позволяют измерять и визуализировать метаболизм глюкозы в различных сегментах левого желудочка (ЛЖ). Полярные карты являются удобными инструментами для отображения этой информации. Часть КТ состоит из 3D-реконструкции всего сердца с временным разрешением (4D-CT) с использованием ретроспективного гатинга без проводов электрокардиографии (ЭКГ), что позволяет проводить морфофункциональную оценку ЛЖ и последующую количественную оценку наиболее важных параметров сердечной функции, таких как фракция выброса (EF) и ударный объем (SV). Используя встроенный ПЭТ/КТ-сканер, этот протокол может быть выполнен в рамках одной и той же индукции анестезии без необходимости перемещать животное между различными сканерами. Следовательно, ПЭТ / КТ можно рассматривать как комплексный инструмент для морфофункциональной и метаболической оценки сердца в нескольких моделях сердечных заболеваний на мелких животных.

В этом разделе показаны типичные результаты как для ПЭТ, так и для КТ анализа в соответствии с процедурами, описанными до сих пор. На рисунке 6 показаны результаты автоматической сегментации полости миокарда и полости ЛЖ ПЭТ-сканирования [18F]FDG контрольной (здоровой...

Watch this Scientific Journal Video about High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals at JoVE.com

High-Resolution Cardiac Positron Emission Tomography/Computed Tomography for Small Animals

Здесь мы представляем экспериментальный протокол визуализации для количественной оценки сердечной функции и морфологии с использованием позитронно-эмиссионной томографии / компьютерной томографии высокого разрешения для мелких животных. Рассматриваются как мыши, так и крысы, обсуждая различные требования к контрастным агентам компьютерной томографии для двух видов.

Позитронно-эмиссионная томография сердца высокого разрешения / компьютерная томография для мелких животных

Positron emission tomography (PET) and computed tomography (CT) are among the most employed diagnostic imaging techniques, and both serve in understanding ...

Представленный протокол ПЭТ/КТ сердца полезен для получения функциональной и морфологической информации на различных моделях сердечных заболеваний мелких животных. Преимущества ПЭТ/КТ визуализации по сравнению с другими доклиническими методами визуализации включают, но не ограничиваются ими, высокую чувствительность и очень высокое пространственное временное разрешение, а также надежность, поскольку она не требует ручного позиционирования зондов операторами. Одной из основных моделей заболевания, которую можно изучить с помощью этого протокола, является инфаркт миокарда.Тем не менее, другие кардиометаболические заболевания, а также реакция на терапию могут быть исследованы. Например, наша группа интересуется ролью ожирения и диабета в сердечном метаболизме и функции. Шаги, включенные в этот протокол, могут быть легко выполнены пользователями без опыта.Тем не менее, некоторые этапы, такие как канюляция каудальных вен и забор крови, могут потребовать некоторой подготовки и опыта, которые должны быть выполнены воспроизводимо. Продемонстрировать процедуру будут Федерика Ла Роса, научный сотрудник нашей лаборатории, Федерико Гранциера, аспирант из Школы перспективных исследований Сант-Анна, и Домициана Терлицци, ветеринарный врач Fondazione Toscana Gabriele Monasterio. Для начала поместите мышь в положение лежа на спине головой сначала на ложе сканера томографа ПЭТ/КТ, засунув нос в маску для анестезии носа и осторожно заблокировав головку маски скотчем.Зафиксируйте верхнюю и нижнюю конечности на кровати сканера, чтобы предотвратить непроизвольные движения во время процедур визуализации, которые могут привести к артефактам движения. Контролируйте температуру тела с помощью ректального зонда и частоту дыхания с помощью дыхательной подушки. Для мышей вытяните от 100 до 150 микролитров 10 мегабеккерелей фтора-18 FDG с помощью инсулинового шприца.Если исходная концентрация индикатора во флаконе высока, разбавляют индикатор физиологическим раствором до концентрации от 50 до 100 мегабеккерелей на миллилитр. Используйте калибратор дозы ПЭТ для измерения фактической активности в шприце. Аннотируйте активность перед инъекцией и время измерения, так как эти значения будут использоваться позже с использованием специальных входных модулей графического пользовательского интерфейса ПЭТ-сканера.При использовании иомепрола устанавливают скорость инъекции до 10 миллилитров в час и объем до 0,5 миллилитра. Подключите шприц к шприцевому насосу и установите насос для фактического размера и диаметра шприца, затем подключите шприц к трубке CA и игле и предварительно заполните трубку CA. Установите скорость инъекции на уровне 10 миллилитров в час, ограничив объем инъекции до 0,5 миллилитра. Для инъекции иомепрола используйте шприцевой насос, позволяющий медленно впрыскивать с постоянной скоростью, с уже установленной скоростью впрыска 10 миллилитров в час.Ограничьте объем инъекции до 0,5 миллилитра, прекратите инъекцию через три минуты. После того, как трубка и игла предварительно заполнены СА, подключите иглу, прикрепленную к трубке СА, к канюле хвостовой вены. Начните инъекцию.Закройте крышку сканера и подготовьтесь к сканированию Cine-CT. Нажмите кнопку Продолжить в пользовательском интерфейсе томографа через 60 секунд с начала инъекции, чтобы начать сбор Cine-CT. Инъекция CA прекратится примерно одновременно с завершением сканирования Cine-CT.Откройте изображения DICOM динамического ПЭТ-сканирования. Выберите модуль сердечного плагина. Увеличьте изображение сердца мыши или крысы и выберите последний таймфрейм или сумму последних трех-пяти таймфреймов, для которых большая часть активности пула крови уже размыта.Следуйте инструкциям на экране, чтобы переориентировать изображение вдоль главной оси сердца животного. Делайте это в интерактивном режиме, перемещая отображаемые маркеры для основания и вершины сердца. Затем выберите инструмент Сегментация.Если результат автоматической сегментации не приемлем, уточните форму сегментированного миокарда или полости левого желудочка, включив ручной режим поиска ROI отключенным. В инструменте моделирования выберите подходящую кинетическую модель или динамический ПЭТ-анализ. В этом случае выберите графический, а затем Патлак, чтобы позволить анализу графика Патлака рассчитать скорость метаболизма поглощения глюкозы для каждого сердечного сектора.Затем в инструменте полярной карты выберите правильное количество отображаемых сегментов сердца. В этом случае выберите 17 сегментов. Теперь нажмите кнопку Fit, чтобы выполнить процедуру подгонки патлакского анализа.В конце процедуры подгонки обратите внимание на отображаемую полярную карту значений KI. Загрузите DICOM-изображения сканирования Cine-CT в программное обеспечение. Затем откройте динамический набор данных с помощью встроенного средства просмотра 4D.А с помощью многопользовательской 3D-функции реформации или инструмента MPR переориентируйте данные изображения вдоль короткой оси. Экспортируйте переориентированные данные в DICOM, гарантируя, что все 4D-данные экспортируются с сохраненной толщиной фрагмента и битовой глубиной изображения 16 бит на воксель. Откройте экспортированные изображения 4D MPR с помощью средства просмотра 4D, затем выберите таймфрейм, соответствующий конечной диастоле, и просмотрите все таймфреймы с помощью ползунка времени на главной панели инструментов, чтобы убедиться, что выбрана правильная сердечная фаза.На этом таймфрейме выберите инструмент аннотации закрытого полигона и вручную очертите стенку эндокарда левого желудочка. Сделайте то же самое для 10-20 срезов от основания до вершины, гарантируя, что все ROI имеют одно и то же имя. Далее в меню ROI выберите Объем ROI, а затем создайте недостающие ROI для создания ROI на всех коротких срезах оси путем интерполяции вручную нарисованных ROI.Затем выберите объем ROI, а затем вычислительный объем, чтобы вычислить объем группы ROI с тем же именем ROI. Затем просмотрите таймфреймы, выберите фазу, соответствующую конечной системе, и рассчитайте объем группы ROI с тем же именем ROI, которое было показано. Наконец, рассчитайте объем штриха и дробь выброса, используя уравнение, описанное в рукописи.Здесь показаны результаты автоматической сегментации полости миокарда и левого желудочка контрольной CD1 мыши. Даже у здоровых субъектов более низкие реконструированные значения вокруг вершины обычно наблюдаются в ПЭТ. Графический анализ Патлака продемонстрировал пример регионального КИ, точечного графика и линейного регрессионного анализа, а также значения наклона и перехвата линейной подгонки, выполненные на каждом отрезке, вместе с соответствующим коэффициентом определения.У здоровой крысы показаны различные формы и размеры левого желудочка для конечной диастолической и конечной систолической фаз. При 3D-реконструкции сегментированного объема левого желудочка расчет объемов привел к конечному диастолическому объему 0,361 миллилитра и конечному систолическому объему 0,038 миллилитра. Объемная визуализация одного и того же сердца крысы для конечной диастолы и конечной систолы позволяет изобразить йодные усиленные камеры и сосуды, поэтому их значение является более качественным, чем количественным.Поддерживать уровень анестезии и часто проверять физиологические параметры животного во время исследования. Более того, необходимо провести первоначальную проверку проходимости канюляции, чтобы избежать неудачных инъекций. Из-за неинвазивного характера этого исследования животное может быть восстановлено после процедуры и распада радиоактивного индикатора, так что практически может быть применен любой другой метод исследования.В противном случае, если животное будет усыплено после ПЭТ/КТ-визуализации, может быть выполнен весь стандартный анализ ex vivo на возбужденных тканях.

Research

JoVE Journal

Medicine

Basic Surgical Techniques in the G&ouml;ttingen Minipig: Intubation, Bladder Catheterization, Femoral Vessel Catheterization, and Transcardial Perfusion

Basic Surgical Techniques in the GÃƒÆ’Ã‚Â¶ttingen Minipig: Intubation, Bladder Catheterization, Femoral Vessel Catheterization, and Transcardial Perfusion

Основные Хирургические методы в Геттингене Minipig: интубация, катетеризация мочевого пузыря, бедренной катетеризации сосудов и перфузии Transcardial

The emergence of the G&ouml;ttingen minipig in research of topics such as neuroscience, toxicology, diabetes, obesity, and experimental surgery reflects ...

Quantification of Atherosclerotic Plaque Activity and Vascular Inflammation using [18-F] Fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography/Computed Tomography (FDG-PET/CT)

Quantification of Atherosclerotic Plaque Activity and Vascular Inflammation using [18-F] Fluorodeoxyglucose Positron Emission Tomography/Computed Tomography FDG-PET/CT

Количественная оценка активности атеросклеротического налета и воспаления сосудистой помощи [18 F] фтордезоксиглюкозы позитронно-эмиссионной томографии / компьютерной томографии (FDG-PET/CT)

Conventional non-invasive imaging modalities of atherosclerosis such as coronary artery calcium (CAC)1 and carotid intimal medial thickness (C-IMT)2 ...

Protocol for Long Duration Whole Body Hyperthermia in Mice

Протокол в течение длительного периода общей управляемой гипертермии у мышей

Hyperthermia is a general term used to define the increase in core body temperature above normal. It is often used to describe the increased core body ...

Computed Tomography-guided Time-domain Diffuse Fluorescence Tomography in Small Animals for Localization of Cancer Biomarkers

Компьютерная томография наведением во временной области диффузного флуоресцентная томография у мелких животных для локализации рака биомаркеров

Small animal fluorescence molecular imaging (FMI) can be a powerful tool for preclinical drug discovery and development studies1. However, light ...

Non-invasive Imaging and Analysis of Cerebral Ischemia in Living Rats Using Positron Emission Tomography with 18F-FDG

Non-invasive Imaging and Analysis of Cerebral Ischemia in Living Rats Using Positron Emission Tomography with 18F-FDG

Неинвазивная изображений и анализ церебральной ишемии в живых крысах с использованием позитронно-эмиссионной томографии с<sup&gt; 18</sup&gt; F-ФДГ

Stroke is the third leading cause of death among Americans 65 years of age or older1. The quality of life for patients who suffer from a stroke fails to ...

Human Brown Adipose Tissue Depots Automatically Segmented by Positron Emission Tomography/Computed Tomography and Registered Magnetic Resonance Images

Человек бурой жировой ткани склады Автоматически Географическая позитронно-эмиссионной томографии / компьютерной томографии и регистрации Магнитно-резонансная Изображения

Reliably differentiating brown adipose tissue (BAT) from other tissues using a non-invasive imaging method is an important step toward studying BAT in ...

Assessing Cortical Cerebral Microinfarcts on High Resolution MR Images

Оценка Кортикальные головного мозга микроинфарктов на высокое разрешение МРТ

Cerebral microinfarcts are frequent findings in the post-mortem human brain, and are related to cognitive decline and dementia. Due to their small sizes ...

Disposable Dosators for Pulmonary Insufflation of Therapeutic Agents to Small Animals

Одноразовые Дозаторы для легочного вдувания терапевтических агентов малых животных

Development of new therapeutic products requires efficacy testing in an animal model. The pulmonary route of administration can be utilized to deliver ...

Continuous Blood Sampling in Small Animal Positron Emission Tomography/Computed Tomography Enables the Measurement of the Arterial Input Function

Непрерывная выборка крови в малой животной позитронно-эмиссионной томографии / компьютерная томография позволяет измерения артериальной функции ввода

For quantitative analysis and bio-kinetic modeling of positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) data, the determination of the temporal ...

Tissue Preparation Techniques for Contrast-Enhanced Micro Computed Tomography Imaging of Large Mammalian Cardiac Models with Chronic Disease

Методы подготовки тканей для контрастно-усиленной микрокомпьютерной томографии моделей сердца крупных млекопитающих с хроническими заболеваниями

Structural remodeling is a common consequence of chronic pathological stresses imposed on the heart. Understanding the architectural and compositional ...