Fare Böbreklerinin In Vivo Analizi için 3D Robotik Ultrason Kullanımı
Summary
Bu protokol, robotik ultrason (ABD) geleneksel invaziv olmayan görüntü yöntemlerine pratik, uygun maliyetli ve hızlı bir alternatif olarak göstermektedir.
Abstract
Kemirgenlerin in vivo görüntülemesinde yaygın yöntemler pozitron emisyon tomografisi (PET), bilgisayarlı tomografi (BT), manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ve ultrason (ABD) sayar. Her yöntemin kullanılabilirlik, kullanım kolaylığı, maliyet, boyut ve iyonlaştırıcı radyasyon veya manyetik alanların kullanımı dahil olmak üzere sınırlamaları ve avantajları vardır. Bu protokol, kemirgen böbreklerinin ve kalbinin in vivo görüntülemesi, sonraki veri analizi ve olası araştırma uygulamaları için 3D robotik ABD’nin kullanımını açıklar. Robotik ABD’nin pratik uygulamaları, toplam böbrek hacminin (TKV) ölçülmesinin yanı sıra kistlerin, tümörlerin ve vaskülatların ölçümüdür. Çözünürlük diğer modaliteler kadar yüksek olmasa da, robotik ABD daha pratik yüksek verimli veri toplama sağlar. Ayrıca, ABD M-modu görüntüleme kullanılarak kardiyak fonksiyon ölçülebilir. Böbrekler kardiyak çıkışın% 20-25’ini aldığından, kardiyak fonksiyonun değerlendirilmesi böbrek fizyolojisi ve patofizyolojisinin anlaşılması için kritik öneme sahiptir.
Introduction
In vivo kemirgen görüntüleme için en yaygın yöntemler pozitron emisyon tomografisi (PET), optik görüntüleme (OI), bilgisayarlı tomografi (BT), manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ve ultrason (ABD) içerir. Bu teknikler, araştırmacıların hastalık modellerini invaziv olmayan bir şekilde nicel olarak değerlendirmelerine ve uzunlamasına takip etmelerine olanak tanıyarak yüksek çözünürlüklü in vivo görüntüler sağlar1. Her görüntüleme modalitesi sınırlamalara sahip olsa da, klinik öncesi araştırmalar için paha biçilmez araçlar da sağlar.
Burada, çalışma bir ABD sistemini detaylandırıyor ve robotik ve 3D kemirgen görüntüleme protokolünü sunuyor. ABD dalgaları, genellikle elle tutulan dönüştürücü adı verilen bir sonda tarafından üretilir. Ses dalgaları dokularla etkileşime girdikçe geri yansıtılır ve yankılar görüntülere yeniden oluşturulur2. Burada açıklanan protokol, robotik olarak kontrol edilen bir dönüştürücü kullanarak ve nicel değerlendirme için hızlı 3D rekonstrüksiyon sağlayan yazılım kullanarak böbrek ve kardiyak görüntülemeye odaklanacaktır.
Robotik ABD, araştırmacıların yüksek verimli ve boyuna çalışmalar yürütmelerini sağlayan hızlı, güvenilir ve invaziv olmayan bir görüntüleme yöntemidir. Elde tutulan ABD yöntemleriyle karşılaştırıldığında, robotik ABD yöntemi zaman açısından verimlidir, çünkü birkaç dakika içinde en fazla üç hayvan taranabilir. Böbrek ölçümleri için yüksek verim, saatte 20 fareye kadar görüntülenebileceğini göstermektedir. Robotik dönüştürücüler akustik membranların altında bulunur ve iki serbestlik derecesiyle hayvandan bağımsız olarak hareket eder (Şekil 1A). Bu, acemi kullanıcıların yüksek kaliteli görüntüler elde etmelerini sağlarken, elde tutulan ABD yöntemleri kullanıcı hatasına karşı daha hassastır. Birleştirilmiş yazılım verimli, gerçek zamanlı 3D böbrek rekonstrüksiyonu sağlar. Daha önce, manyetik rezonans görüntüleme (MRG), mükemmel yumuşak doku kontrastı, radyoaktivite eksikliği ve penetrasyon derinliği nedeniyle invaziv olmayan görüntüleme için yaygın bir yöntem olmuştur. Bununla birlikte, MRI genellikle uzun alım süreleri gerektirir ve gerçekleştirmesi maliyetlidir. ABD, toplam böbrek hacminin (TKV) değerlendirilmesinde MRI’a güvenilir ve daha hızlı bir alternatif olarak değerlendirilmiştir 3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ultrason ses dalgalarını kullanır ve ses dalgası yayılımının önündeki herhangi bir engel görüntü kalitesini engeller. Bu nedenle, görüntülenecek bölgenin tamamen epilasyonu kritik öneme sahiptir. Hayvanın cildinde yanıklara / tahrişe neden olabileceği ve tarayıcının şeffaf zarını renksiz hale koyabileceğinden, epilasyon kreminin tamamen çıkarılmasını sağlamak da önemlidir. En iyi ses dalgası yayılımı için bölmelerdeki yeterli su seviyeleri gereklidir, bu nedenle en yüksek görüntü çözünürlüğünü elde etmek için gereklidir. Bununla birlikte, hayvan eğilimli bir konumda olduğunda, hayvanın burununun su seviyesinin üzerinde olduğundan veya hayvanın su solunması riski altında olduğundan emin olun. Görüntüleme parametrelerinin, özellikle odak derinliğinin optimizasyonu, yüksek kaliteli görüntüler elde etmek için kritik öneme sahiptir. Parametrelerde yapılan değişiklikler bireysel hayvanlar için gerekli olabilir.
Robotik ABD, geleneksel el yapımı ABD yöntemlerine göre birçok avantaj sağlar. İlk olarak, sistem basit bir işaretle ve tıkla kamera tabanlı arayüz kullanır. Bu özellik geleneksel ABD’nin karmaşıklığını ele alıyor ve acemi bir kullanıcı tarafından işletildiğinde bile tutarlı veriler üretiyor6. İkincisi, sistem akustik bir ortam olarak geleneksel ABD jeli yerine su kullanımına izin verir. Daha önce, ABD jelinin kullanımı, kaliteli görüntü alımına müdahale eden kabarcıkların oluşumuna izin verdi. Ayrıca, ABD jeli dağınıktır ve temizlik için zorluklar sağlar. Ayrıca, su ısı lambası tarafından ısıtılır ve hayvanın vücut sıcaklığının korunmasına yardımcı olur. Üçüncüsü, robotik ABD daha hızlıdır, bu nedenle solunum hareketinden elde edilen eserler sorunlu değildir. Artan görüntüleme hızı, yüksek aktarım hızı veri toplamanın pratik olarak tamamlanmasını sağlar. Dördüncüsü, robotik ABD 3D görüntüler elde eder ve bu nedenle nesnelerin 3D yeniden yapılandırılmasını kolaylaştırır (Şekil 4). MRI ve diğer yöntemler pahalıdır, zaman alıcıdır ve her zaman mevcut değildir. Daha da önemlisi, robotik ABD sistemi bir masaya veya tezgaha sığar ve daha uygun maliyetlidir. Son olarak, önceki çalışmalar robotik ABD’nin MRI3 gibi daha pahalı yöntemlerle karşılaştırılabilir ölçüm verileri sağlayabileceğini göstermiştir.
Bu çalışmada açıklanan robotik ABD sisteminin görüntü kalitesi ve çözünürlüğü önerilen uygulama için yeterli olsa da (Şekil 7), gelecekte görüntü kalitesinin iyileştirilmesinin birkaç yolu vardır. Örneğin, daha yüksek frekans dönüştürücüleri (örneğin, 50-70 MHz) kullanmak, daha iyi özellik tanımına sahip daha yüksek çözünürlüklü görüntülere neden olur. Daha yüksek frekansların kullanılması daha zayıf bir penetrasyon derinliğine neden olurken, görüntüler fare böbreği gibi yüzeysel organların in vivo görüntülemesi için yeterli olmalıdır. Diğer görüntüleme yöntemleride olduğu gibi, kontrast ajanlar belirli özellikleri geliştirmek için kullanılabilir. ABD için bu genellikle ses dalgalarını son derece yansıtan bir şey kullanmak anlamına gelir. Lipitlerin çok küçük gaz kabarcıklarını çevrelediği intravasküler mikrobubbles böyle bir ajandır. Mikron boyutlu gaz kabarcıkları son derece yansıtıcıdır ve böylece yüksek çözünürlüklü bir vaskülüre dönüşen ikinci bir belirgin sinyal sağlar7. Bu akustik kontrast tekniği oldukça yararlı olsa da, birkaç dezavantajı olabilir. İlk olarak, mikrobubbles taze yapılmalı ve sadece 5-10 dakika boyunca in vivo olarak devam etmelidir. İkincisi, in vivo intravasküler enjeksiyon tipik olarak enjeksiyon için kuyruk peçe kateterizasyonu gerektirir ve bu teknik olarak zor olabilir. Belirli koşullar ve titreşim rejimleri altında, mikrobubble görüntülemenin kendisi böbrek damar hasarına yol açabilir8.
Ayrıca, kullanılan belirli ABD sisteminin bazı genel sınırlamaları da vardır. İlk olarak, robotik kasaya yalnızca bir doğrusal dizi (18 MHz’de ortalanmış) dahildir, bu nedenle daha yüksek veya daha düşük frekanslı problara geçmek şu anda mümkün değildir. Bu, sistemle değerlendirilebilecek modellerin (daha büyük veya daha küçük) genişliğini etkileyebilir. Cihazın gelecekteki yinelemeleri, tüm klinik öncesi hayvan modellerini kapsayacak şekilde birden fazla doğrusal dizi içermelidir. İkincisi, hayvan öznesine göre dönüştürücü açısı kontrol edilemez. Bu nedenle, Doppler gibi açıya bağlı görüntüleme tekniklerini gerçekleştirmek veya belirli organların (örneğin, böbreğin uzun eksen görünümü) alternatif düzlem içi görünümlerini elde etmek, hayvanın yeniden konumlandırılmasını gerektirir ve elde edilmesi zor olabilir. Bu zorluğu iyileştirmek için robotik harekete ek serbestlik dereceleri eklenebilir. Üçüncüsü, bazen, hayvanı yüzeysel özelliklerin ve sınırların görselleştirilmesini gizleyebilen dönüştürücüden ayıran akustik zardan kaynaklanan yankılanma eserlerini gözlemledik. Bu durumlarda, hayvanı zardan uzaklaştırmak için bir jel açmazı kullanmak durumu düzeltebilir. Son olarak, ısı lambası ile sıcaklık kontrolü kesin değildir ve bu nedenle görüntüleme yaparken hayvanın çekirdek vücut sıcaklığına yakın dikkat edilmelidir. Entegre ısıtma yastığı gibi daha kontrollü ısıtma mekanizmaları, homeostaz yönetimini ve görüntüleme verimini büyük olasılıkla artıracaktır.
Robotik ABD kullanımı çeşitli araştırma alanları için geçerli olabilir. Bu teknoloji brüt doku yapılarının görselleştirilmesini sağlar, böylece tümör ilerlemesini ve potansiyel tedavileri izlemek için kullanılabilir6,9 ve burada sunulan böbrek morfolojisi. Görüntülerin özel özelliklerini segmentlere ayırabilme yeteneği, polikistik böbrek hastalığı (PKD)3 modellerini incelemek için çekici bir araç haline getirir. M-mode görüntüler, kardiyak fizyolojinin in vivo değerlendirilmesini sağlayan birçok önemli kardiyak parametrenin basit bir şekilde ölçülmesini sağlar. Böbrekler kardiyak çıkışın % 20-25’ini aldığından10, böbrek patolojisinin boyuna değerlendirilmesi sırasında kardiyak fonksiyonun anlaşılması önemlidir. Bu ABD protokolleri aracılığıyla, ABD görüntülemesinin sadece in vivo ve boyuna böbrek çalışmaları için pratik olmadığını, aynı zamanda giderek artan ABD araçlarının klinik öncesi çalışmalarda farelerin hem morfolojik hem de fizyolojik değerlendirmesini mümkün kındığını göstermeye çalıştık.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) ve Mayo Vakfı tarafından desteklendi.
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
- 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).
