Gebruik van 3D-robotechografie voor in vivo analyse van muizennieren
Summary
Dit protocol demonstreert robotische echografie (VS) als een praktisch, kosteneffectief en snel alternatief voor traditionele niet-invasieve beeldmodaliteiten.
Abstract
Veel voorkomende modaliteiten voor in vivo beeldvorming van knaagdieren zijn positronemissietomografie (PET), computertomografie (CT), magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en echografie (VS). Elke methode heeft beperkingen en voordelen, waaronder beschikbaarheid, gebruiksgemak, kosten, grootte en het gebruik van ioniserende straling of magnetische velden. Dit protocol beschrijft het gebruik van 3D robotic US voor in vivo beeldvorming van knaagdiernieren en -hart, daaropvolgende gegevensanalyse en mogelijke onderzoekstoepassingen. Praktische toepassingen van robotic US zijn de kwantificering van het totale niervolume (TKV), evenals de meting van cysten, tumoren en vasculatuur. Hoewel de resolutie niet zo hoog is als andere modaliteiten, maakt robotic US het mogelijk om meer praktische gegevensverzameling met hoge doorvoer mogelijk te maken. Bovendien kan met behulp van Amerikaanse M-modus beeldvorming de hartfunctie worden gekwantificeerd. Aangezien de nieren 20% -25% van de cardiale output ontvangen, is het beoordelen van de hartfunctie van cruciaal belang voor het begrip van nierfysiologie en pathofysiologie.
Introduction
De meest voorkomende modaliteiten voor in vivo beeldvorming van knaagdieren zijn positronemissietomografie (PET), optische beeldvorming (OI), computertomografie (CT), magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en echografie (VS). Deze technieken bieden in vivo beelden met een hoge resolutie, waardoor onderzoekers ziektemodellen niet-invasief kwantitatief kunnen beoordelen en longitudinaal kunnen volgen1. Hoewel elke beeldvormingsmodaliteit beperkingen heeft, bieden ze ook onschatbare hulpmiddelen voor preklinisch onderzoek.
Hier beschrijft de studie een Amerikaans systeem en presenteert het protocol voor robot- en 3D-knaagdierbeeldvorming. Amerikaanse golven worden geproduceerd door een sonde die een transducer wordt genoemd en die meestal in de hand wordt gehouden. Geluidsgolven worden teruggekaatst terwijl ze interageren met weefsels en de echo’s worden gereconstrueerd tot beelden2. Het hier beschreven protocol zal zich richten op nier- en hartbeeldvorming met behulp van een robotgestuurde transducer en met behulp van software die snelle 3D-reconstructie mogelijk maakt voor kwantitatieve beoordeling.
Robotic US is een snelle, betrouwbare en niet-invasieve beeldvormingsmodaliteit waarmee onderzoekers high-throughput en longitudinale studies kunnen uitvoeren. In vergelijking met draagbare Amerikaanse methoden is de robotachtige Amerikaanse methode tijdsefficiënt, omdat maximaal drie dieren binnen enkele minuten kunnen worden gescand. Hoge doorvoer voor niermetingen suggereert dat tot 20 muizen per uur in beeld kunnen worden gebracht. De robottransducers bevinden zich onder de akoestische membranen en bewegen onafhankelijk van het dier met twee vrijheidsgraden (figuur 1A). Hierdoor kunnen beginnende gebruikers afbeeldingen van hoge kwaliteit verkrijgen, terwijl amerikaanse methoden in de hand gevoeliger zijn voor gebruikersfouten. De gekoppelde software maakt een efficiënte, real-time 3D nierreconstructie mogelijk. Voorheen was magnetische resonantie beeldvorming (MRI) een gangbare methode voor niet-invasieve beeldvorming vanwege het uitstekende contrast van zacht weefsel, gebrek aan radioactiviteit en penetratiediepte. MRI vereist echter vaak lange acquisitietijden en is duur om uit te voeren. De VS is geëvalueerd als een betrouwbaar en sneller alternatief voor MRI bij het beoordelen van het totale niervolume (TKV)3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Echografie maakt gebruik van geluidsgolven en eventuele barrières voor de voortplanting van geluidsgolven zullen de beeldkwaliteit verstoren. Volledige ontharing van het in beeld te brengen gebied is dus van cruciaal belang. Het is ook belangrijk om ervoor te zorgen dat de ontharingscrème volledig wordt verwijderd, omdat dit brandwonden / irritatie van de huid van het dier kan veroorzaken en het transparante membraan van de scanner kan verkleuren. Voldoende waterstanden in de baaien zijn noodzakelijk voor een optimale geluidsgolfvoortplanting, dus vereist voor het verkrijgen van de hoogste beeldresolutie. Wanneer het dier zich echter in een buikligging bevindt, moet u ervoor zorgen dat de snuit van het dier boven het waterniveau ligt of dat het dier het risico loopt op waterinhalatie. Optimalisatie van beeldparameters, met name scherptediepte, is van cruciaal belang voor het verkrijgen van beelden van hoge kwaliteit. Wijzigingen in parameters kunnen nodig zijn voor individuele dieren.
Robotic US biedt veel voordelen ten opzichte van traditionele draagbare Amerikaanse modaliteiten. Ten eerste maakt het systeem gebruik van een eenvoudige point-and-click camera-gebaseerde interface. Deze functie pakt de complexiteit van conventionele VS aan en produceert consistente gegevens, zelfs wanneer deze wordt gebruikt door een beginnende gebruiker6. Ten tweede maakt het systeem het gebruik van water mogelijk in plaats van traditionele Amerikaanse gel als akoestisch medium. Eerder maakte het gebruik van Amerikaanse gel de vorming van bubbels mogelijk die de kwaliteitsbeeldacquisitie verstoorden. Ook is de Amerikaanse gel rommelig en biedt het uitdagingen voor het opruimen. Verder wordt het water verwarmd door de warmtelamp en helpt het de lichaamstemperatuur van het dier te handhaven. Ten derde is de robotachtige VS sneller, dus artefacten van ademhalingsbewegingen zijn niet problematisch. De verhoogde beeldsnelheid zorgt voor de praktische voltooiing van gegevensverzameling met hoge doorvoer. Ten vierde verkrijgt de robotachtige VS 3D-beelden en maakt daarom 3D-reconstructie van objecten eenvoudig (figuur 4). MRI en andere modaliteiten zijn duur, tijdrovend en niet altijd beschikbaar. Belangrijk is dat het robotsysteem van de VS op een tafel of bank past en kostenefficiënter is. Ten slotte toonde eerder werk aan dat robotic US vergelijkbare meetgegevens kon leveren als duurdere modaliteiten, zoals MRI3.
Hoewel de beeldkwaliteit en resolutie van het in dit werk beschreven amerikaanse robotsysteem voldoende waren voor de voorgestelde toepassing (figuur 7), zijn er verschillende manieren waarop de beeldkwaliteit in de toekomst kan worden verbeterd. Het gebruik van transducers met een hogere frequentie (bijvoorbeeld 50-70 MHz) zou bijvoorbeeld resulteren in afbeeldingen met een hogere resolutie en een betere functiedefinitie. Hoewel het gebruik van hogere frequenties zou resulteren in een slechtere penetratiediepte, zouden de beelden voldoende moeten zijn voor in vivo beeldvorming van oppervlakkige organen, zoals de muizennier. Net als bij andere beeldvormingsmodaliteiten kunnen contrastmiddelen worden gebruikt om specifieke kenmerken te verbeteren. Voor de VS betekent dit meestal het gebruik van iets dat geluidsgolven sterk weerspiegelt. Intravasculaire microbubbels waarin lipiden zeer kleine gasbellen omringen, zijn zo’n middel. De gasbellen ter grootte van micron zijn sterk reflecterend en geven zo een tweede duidelijk signaal dat zich vertaalt in een hoge resolutie van vasculatuur7. Hoewel deze akoestische contrasttechniek heel nuttig kan zijn, kan het verschillende nadelen hebben. Eerst moeten de microbubbels vers worden gemaakt en alleen in vivo gedurende 5-10 minuten aanhouden. Ten tweede vereist in vivo intravasculaire injectie meestal staartsluierkatheterisatie voor injectie, en dit kan technisch uitdagend zijn. Onder bepaalde omstandigheden en pulserende regimes kan microbubbelbeeldvorming zelf leiden tot niervaculatuurschade8.
Er zijn ook enkele meer algemene beperkingen van het specifieke Amerikaanse systeem dat wordt gebruikt. Ten eerste is slechts één lineaire array (gecentreerd op 18 MHz) opgenomen in het robotchassis, dus overschakelen naar sondes met een hogere of lagere frequentie is momenteel niet mogelijk. Dit kan van invloed zijn op de breedte van modellen (groter of kleiner) die met het systeem kunnen worden geëvalueerd. Toekomstige iteraties van het instrument moeten meerdere lineaire arrays omvatten om het volledige scala aan preklinische diermodellen te bestrijken. Ten tweede kan de transducerhoek ten opzichte van het dier niet worden gecontroleerd. Daarom vereist het uitvoeren van hoekafhankelijke beeldvormingstechnieken, zoals Doppler, of het bereiken van alternatieve in-plane weergaven van bepaalde organen (bijv. Lange asweergave van de nier) herpositionering van het dier en kan het moeilijk te bereiken zijn. Extra vrijheidsgraden kunnen worden toegevoegd aan de robotbeweging om deze uitdaging te verbeteren. Ten derde hebben we af en toe nagalmartefacten waargenomen die voortkomen uit het akoestische membraan dat het dier scheidt van de transducer die de visualisatie van oppervlakkige kenmerken en grenzen kan verdoezelen. In deze gevallen kan het gebruik van een gel standoff om het dier uit de buurt van het membraan te brengen de situatie verhelpen. Ten slotte is de temperatuurregeling via een warmtelamp onnauwkeurig en daarom moet er tijdens het beeldmateriaal veel aandacht worden besteed aan de kerntemperatuur van het dier. Meer gecontroleerde verwarmingsmechanismen, zoals een geïntegreerd verwarmingskussen, zullen waarschijnlijk het homeostasebeheer en de beeldvormingsdoorvoer verbeteren.
Het gebruik van robotic US kan van toepassing zijn op verschillende onderzoeksgebieden. Deze technologie maakt visualisatie van grove weefselstructuren mogelijk, dus kan worden gebruikt om tumorprogressie en potentiële therapieën6,9 te volgen, evenals renale morfologie zoals hier gepresenteerd. De mogelijkheid om de specifieke kenmerken van de afbeeldingen te segmenteren maakt het een aantrekkelijk hulpmiddel voor het bestuderen van modellen van polycystische nierziekte (PKD)3. M-modus beelden maken een eenvoudige kwantificering van vele belangrijke cardiale parameters mogelijk, waardoor in vivo beoordeling van de hartfysiologie mogelijk is. Aangezien de nieren 20% -25% van de cardiale output ontvangen10, is het belangrijk om de hartfunctie te begrijpen tijdens de longitudinale beoordeling van nierpathologie. Via deze Amerikaanse protocollen hebben we geprobeerd te illustreren dat Amerikaanse beeldvorming niet alleen praktisch is voor in vivo en longitudinale nierstudies, maar ook dat in toenemende mate Amerikaanse hulpmiddelen zowel morfologische als fysiologische beoordeling van muizen in preklinische studies mogelijk maken.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) en de Mayo Foundation.
Materials
| Electric Razor | Braintree Scientific, Inc | CLP-9868 14 | |
| C57bk6j | The Jackson laboratory | https://www.jax.org/ | |
| Cotton gauze pads | Fisher Scientific | ||
| Cotton tipped applicators | Fisher Scientific | ||
| Depilatory cream | N/a | N/a | This study used Nair |
| Heat lamp | Included with SonoVol Vega system | ||
| Robotic Ultrasound System | SonoVol Inc | SonoVol Vega system includes anesthesia system | |
| SonoEQ Software | SonoVol | Included with SonoVol Vega system | |
| TERRELL Isoflurane | Piramal Critical Care, Inc | NDC 66794-019-10 |
References
- Cunha, L., et al. Preclinical imaging: an essential ally in modern biosciences. Molecular Diagnostics & Therapy. 18 (2), 153-173 (2014).
- Ultrasound. NIBIB Available from: https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/ultrasound#pid-936 (2016)
- Beaumont, N. J., et al. Assessing polycystic kidney disease in rodents: Comparison of robotic 3d ultrasound and magnetic resonance imaging. Kidney360. 1 (10), 1128-1136 (2020).
- Hopp, K., et al. Functional polycystin-1 dosage governs autosomal dominant polycystic kidney disease severity. The Journal of Clinical Investigation. 122 (11), 4257-4273 (2012).
- Weiss, R. M., Ohashi, M., Miller, J. D., Young, S. G., Heistad, D. D. Calcific aortic valve stenosis in old hypercholesterolemic mice. Circulation. 114 (19), 2065-2069 (2006).
- Czernuszewicz, T. J., et al. A new preclinical ultrasound platform for widefield 3D imaging of rodents. Review of Scientific Instruments. 89 (7), 075107 (2018).
- Chong, W. K., Papadopoulou, V., Dayton, P. A. Imaging with ultrasound contrast agents: current status and future. Abdominal Radiology (NY). 43 (4), 762-772 (2018).
- Nyankima, A. G., Kasoji, S., Cianciolo, R., Dayton, P. A., Chang, E. H. Histological and blood chemistry examination of the rodent kidney after exposure to flash-replenishment ultrasound contrast imaging. Ultrasonics. 98, 1-6 (2019).
- Rojas, J. D., et al. Ultrasound measurement of vascular density to evaluate response to anti-angiogenic therapy in renal cell carcinoma. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 66 (3), 873-880 (2019).
- Boron, W. F., Boulpaep, E. L. . Medical Physiology. 3rd edn. , (2017).
