Verwendung von 3D-Roboterultraschall für die In-vivo-Analyse von Mausnieren
Summary
Dieses Protokoll demonstriert Roboterultraschall (US) als praktische, kostengünstige und schnelle Alternative zu herkömmlichen nicht-invasiven Bildmodalitäten.
Abstract
Übliche Modalitäten für die In-vivo-Bildgebung von Nagetieren sind Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT) und Ultraschall (US). Jede Methode hat Einschränkungen und Vorteile, einschließlich Verfügbarkeit, Benutzerfreundlichkeit, Kosten, Größe und die Verwendung von ionisierender Strahlung oder Magnetfeldern. Dieses Protokoll beschreibt die Verwendung von 3D-Roboter-US für die In-vivo-Bildgebung von Nagetiernieren und -herzen, die anschließende Datenanalyse und mögliche Forschungsanwendungen. Praktische Anwendungen von Robotic US sind die Quantifizierung des Gesamtnierenvolumens (TKV) sowie die Messung von Zysten, Tumoren und Gefäßsystemen. Obwohl die Auflösung nicht so hoch ist wie bei anderen Modalitäten, ermöglicht Robotic US eine praktischere Datenerfassung mit hohem Durchsatz. Darüber hinaus kann mit Hilfe der US-amerikanischen M-Mode-Bildgebung die Herzfunktion quantifiziert werden. Da die Nieren 20% -25% des Herzzeitvolumens erhalten, ist die Beurteilung der Herzfunktion entscheidend für das Verständnis der Nierenphysiologie und Pathophysiologie.
Introduction
Zu den gebräuchlichsten Modalitäten für die In-vivo-Bildgebung von Nagetieren gehören die Positronen-Emissions-Tomographie (PET), die optische Bildgebung (OI), die Computertomographie (CT), die Magnetresonanztomographie (MRT) und der Ultraschall (US). Diese Techniken liefern hochauflösende In-vivo-Bilder , die es den Forschern ermöglichen, Krankheitsmodelle nicht-invasiv quantitativ zu bewerten und longitudinal zu verfolgen1. Während jede Bildgebungsmodalität Einschränkungen aufweist, bieten sie auch unschätzbare Werkzeuge für die präklinische Forschung.
Hier beschreibt die Studie ein US-System und stellt das Protokoll für die Roboter- und 3D-Nagetierbildgebung vor. US-Wellen werden von einer Sonde erzeugt, die als Wandler bezeichnet wird und typischerweise in der Hand gehalten wird. Schallwellen werden zurückreflektiert, wenn sie mit Geweben interagieren, und die Echos werden in Bilder rekonstruiert2. Das hier beschriebene Protokoll konzentriert sich auf die Nieren- und Herzbildgebung unter Verwendung eines robotergesteuerten Wandlers und unter Verwendung einer Software, die eine schnelle 3D-Rekonstruktion für die quantitative Bewertung ermöglicht.
Robotic US ist eine schnelle, zuverlässige und nicht-invasive Bildgebungsmodalität, die es Forschern ermöglicht, Hochdurchsatz- und Längsschnittstudien durchzuführen. Im Vergleich zu tragbaren US-Methoden ist die robotergestützte US-Methode zeiteffizient, da bis zu drei Tiere in wenigen Minuten gescannt werden können. Ein hoher Durchsatz für Nierenmessungen deutet darauf hin, dass bis zu 20 Mäuse pro Stunde abgebildet werden können. Die Roboterwandler befinden sich unter den akustischen Membranen und bewegen sich unabhängig vom Tier mit zwei Freiheitsgraden (Abbildung 1A). Dies ermöglicht es unerfahrenen Benutzern, qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten, während tragbare US-Methoden anfälliger für Benutzerfehler sind. Die gekoppelte Software ermöglicht eine effiziente Echtzeit-3D-Nierenrekonstruktion. Bisher war die Magnetresonanztomographie (MRT) aufgrund des hervorragenden Weichteilkontrasts, der fehlenden Radioaktivität und der Eindringtiefe eine weit verbreitete Methode für die nicht-invasive Bildgebung. Die MRT erfordert jedoch oft lange Erfassungszeiten und ist teuer in der Durchführung. DIE USA wurden als zuverlässige und schnellere Alternative zur MRT bei der Beurteilung des Gesamtnierenvolumens (TKV)3 bewertet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ultraschall verwendet Schallwellen, und alle Barrieren für die Ausbreitung von Schallwellen beeinträchtigen die Bildqualität. Daher ist eine vollständige Haarentfernung des abzubildenden Bereichs von entscheidender Bedeutung. Es ist auch wichtig, die vollständige Entfernung der Enthaarungscreme sicherzustellen, da dies zu Verbrennungen / Reizungen der Haut des Tieres führen und die transparente Membran des Scanners verfärben kann. Ausreichende Wasserstände in den Buchten sind für eine optimale Schallwellenausbreitung notwendig und somit erforderlich, um die höchste Bildauflösung zu erhalten. Wenn sich das Tier jedoch in bauchiger Position befindet, stellen Sie sicher, dass sich die Schnauze des Tieres über dem Wasserstand befindet oder das Tier gefahrlos ist, dass Wasser eingeatmet wird. Die Optimierung der Bildgebungsparameter, insbesondere der Fokustiefe, ist entscheidend für die Erzielung qualitativ hochwertiger Bilder. Für einzelne Tiere können Änderungen der Parameter erforderlich sein.
Robotic US bietet viele Vorteile gegenüber herkömmlichen HANDHELD-US-Modalitäten. Erstens verwendet das System eine einfache Point-and-Click-Kamera-basierte Schnittstelle. Diese Funktion adressiert die Komplexität herkömmlicher USA und erzeugt konsistente Daten, selbst wenn sie von einem unerfahrenen Benutzer bedient wird6. Zweitens ermöglicht das System die Verwendung von Wasser anstelle von herkömmlichem US-Gel als akustisches Medium. Zuvor ermöglichte die Verwendung von US-Gel die Bildung von Blasen, die die Bildqualität beeinträchtigten. Außerdem ist das US-Gel unordentlich und bietet Herausforderungen für die Reinigung. Außerdem wird das Wasser durch die Wärmelampe erwärmt und hilft, die Körpertemperatur des Tieres aufrechtzuerhalten. Drittens ist die Roboter-USA schneller, so dass Artefakte aus Atembewegungen nicht problematisch sind. Die erhöhte Bildgebungsgeschwindigkeit ermöglicht die praktische Durchführung der Datenerfassung mit hohem Durchsatz. Viertens erhält der Roboter US 3D-Bilder und vereinfacht daher die 3D-Rekonstruktion von Objekten (Abbildung 4). MRT und andere Modalitäten sind teuer, zeitaufwendig und nicht immer verfügbar. Wichtig ist, dass das US-Robotersystem auf einen Tisch oder eine Bank passt und kostengünstiger ist. Schließlich zeigten frühere Arbeiten, dass Roboter-USA vergleichbare Messdaten wie teurere Modalitäten wie MRT3 liefern können.
Während die Bildqualität und Auflösung des in dieser Arbeit beschriebenen US-Robotersystems für die vorgeschlagene Anwendung ausreichend waren (Abbildung 7), gibt es mehrere Möglichkeiten, wie die Bildqualität in Zukunft verbessert werden kann. Zum Beispiel würde die Verwendung von Wandlern mit höherer Frequenz (z. B. 50-70 MHz) zu Bildern mit höherer Auflösung und besserer Merkmalsdefinition führen. Während die Verwendung höherer Frequenzen zu einer schlechteren Eindringtiefe führen würde, sollten die Bilder für die In-vivo-Bildgebung von oberflächlichen Organen wie der Mausniere ausreichen. Wie bei anderen Bildgebungsmodalitäten können Kontrastmittel verwendet werden, um bestimmte Merkmale zu verbessern. Für die USA bedeutet dies in der Regel, etwas zu verwenden, das Schallwellen stark reflektiert. Intravaskuläre Mikrobläschen, in denen Lipide sehr kleine Gasblasen umgeben, sind ein solches Mittel. Die mikrometergroßen Gasblasen sind stark reflektierend und liefern somit ein zweites deutliches Signal, das sich in eine hochauflösende Gefäßstruktur niederschlägt7. Während diese akustische Kontrasttechnik sehr nützlich sein kann, kann sie mehrere Nachteile haben. Zuerst müssen die Mikrobläschen frisch gemacht werden und bleiben nur in vivo für 5-10 min bestehen. Zweitens erfordert die intravaskuläre In-vivo-Injektion typischerweise eine Schwanzschleierkatheterisierung für die Injektion, und dies kann technisch schwierig sein. Unter bestimmten Umständen und pulsierenden Regimen kann die Mikroblasenbildgebung selbst zu Nierengefäßschäden führen8.
Es gibt auch einige allgemeinere Einschränkungen des jeweiligen verwendeten US-Systems. Erstens ist nur ein lineares Array (zentriert bei 18 MHz) im Robot-Chassis enthalten, so dass ein Umschalten auf sonden mit höherer oder niedrigerer Frequenz derzeit nicht möglich ist. Dies kann sich auf die Breite der Modelle (entweder größer oder kleiner) auswirken, die mit dem System ausgewertet werden können. Zukünftige Iterationen des Instruments sollten mehrere lineare Arrays enthalten, um das gesamte Spektrum präklinischer Tiermodelle abzudecken. Zweitens kann der Wandlerwinkel relativ zum Tierischen Subjekt nicht kontrolliert werden. Daher erfordert die Durchführung winkelabhängiger bildgebender Verfahren wie Doppler oder das Erreichen alternativer In-Plane-Ansichten bestimmter Organe (z. B. Langachsenansicht der Niere) eine Neupositionierung des Tieres und kann schwierig zu erreichen sein. Zusätzliche Freiheitsgrade könnten der Roboterbewegung hinzugefügt werden, um diese Herausforderung zu verbessern. Drittens haben wir gelegentlich Nachhallartefakte beobachtet, die von der akustischen Membran ausgehen, die das Tier vom Wandler trennt und die Visualisierung oberflächlicher Merkmale und Grenzen verdecken kann. In diesen Fällen kann die Verwendung eines Gel-Abstands, um das Tier von der Membran wegzuheben, die Situation beheben. Schließlich ist die Temperaturregelung über die Wärmelampe ungenau und daher muss bei der Bildgebung genau auf die Körperkerntemperatur des Tieres geachtet werden. Kontrolliertere Heizmechanismen, wie ein integriertes Heizkissen, werden wahrscheinlich das Homöostasemanagement und den Bildgebungsdurchsatz verbessern.
Der Einsatz von Robotic US kann auf verschiedene Forschungsbereiche anwendbar sein. Diese Technologie ermöglicht die Visualisierung von groben Gewebestrukturen und kann somit verwendet werden, um das Fortschreiten des Tumors und mögliche Therapien6,9 sowie die Nierenmorphologie, wie hier vorgestellt, zu verfolgen. Die Fähigkeit, die spezifischen Merkmale der Bilder zu segmentieren, macht es zu einem attraktiven Werkzeug für die Untersuchung von Modellen der polyzystischen Nierenerkrankung (PKD)3. M-Mode-Bilder ermöglichen eine einfache Quantifizierung vieler wichtiger kardialer Parameter, die eine In-vivo-Beurteilung der Herzphysiologie ermöglichen. Da die Nieren 20%-25% des Herzzeitvolumens10 erhalten, ist es wichtig, die Herzfunktion während der longitudinalen Beurteilung der Nierenpathologie zu verstehen. Durch diese US-Protokolle haben wir versucht zu veranschaulichen, dass die US-Bildgebung nicht nur für In-vivo- und Longitudinal-Nierenstudien praktikabel ist, sondern auch, dass zunehmend US-amerikanische Werkzeuge sowohl die morphologische als auch die physiologische Beurteilung von Mäusen in präklinischen Studien ermöglichen.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) und der Mayo Foundation unterstützt.
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 |
Referencias
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