Utilisation de l’échographie robotique 3D pour l’analyse in vivo des reins de souris
Summary
Ce protocole démontre l’échographie robotique (US) comme une alternative pratique, rentable et rapide aux modalités d’image non invasives traditionnelles.
Abstract
Les modalités courantes pour l’imagerie in vivo des rongeurs comprennent la tomographie par émission de positons (TEP), la tomodensitométrie (CT), l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’échographie (US). Chaque méthode présente des limites et des avantages, notamment la disponibilité, la facilité d’utilisation, le coût, la taille et l’utilisation de rayonnements ionisants ou de champs magnétiques. Ce protocole décrit l’utilisation de la robotique 3D US pour l’imagerie in vivo des reins et du cœur des rongeurs, l’analyse ultérieure des données et les applications de recherche possibles. Les applications pratiques de la robotique américaine sont la quantification du volume total des reins (TKV), ainsi que la mesure des kystes, des tumeurs et du système vasculaire. Bien que la résolution ne soit pas aussi élevée que d’autres modalités, la robotique américaine permet une collecte de données à haut débit plus pratique. De plus, en utilisant l’imagerie en mode M américain, la fonction cardiaque peut être quantifiée. Étant donné que les reins reçoivent 20% à 25% du débit cardiaque, l’évaluation de la fonction cardiaque est essentielle à la compréhension de la physiologie et de la physiopathologie rénales.
Introduction
Les modalités les plus courantes pour l’imagerie in vivo des rongeurs comprennent la tomographie par émission de positons (TEP), l’imagerie optique (OI), la tomodensitométrie (CT), l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’échographie (US). Ces techniques fournissent des images in vivo à haute résolution, ce qui permet aux chercheurs d’évaluer quantitativement et de suivre longitudinalement des modèles de maladie de manière non invasive1. Bien que chaque modalité d’imagerie ait des limites, elle fournit également des outils inestimables pour la recherche préclinique.
Ici, l’étude détaille un système américain et présente le protocole pour l’imagerie robotique et 3D des rongeurs. Les ondes américaines sont produites par une sonde appelée transducteur, qui est généralement tenue à la main. Les ondes sonores sont réfléchies lorsqu’elles interagissent avec les tissus, et les échos sont reconstruits en images2. Le protocole décrit ici se concentrera sur l’imagerie rénale et cardiaque à l’aide d’un transducteur contrôlé par robot et à l’aide d’un logiciel permettant une reconstruction 3D rapide pour une évaluation quantitative.
Robotic US est une modalité d’imagerie rapide, fiable et non invasive qui permet aux chercheurs de mener des études longitudinales et à haut débit. Comparée aux méthodes américaines portatives, la méthode robotique américaine est rapide, car jusqu’à trois animaux peuvent être scannés en quelques minutes. Un débit élevé pour les mesures rénales suggère que jusqu’à 20 souris par heure peuvent être imagées. Les transducteurs robotiques sont situés sous les membranes acoustiques et se déplacent indépendamment de l’animal avec deux degrés de liberté (Figure 1A). Cela permet aux utilisateurs novices d’obtenir des images de haute qualité, tandis que les méthodes américaines portables sont plus sensibles aux erreurs de l’utilisateur. Le logiciel couplé permet une reconstruction rénale 3D efficace et en temps réel. Auparavant, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) était une méthode répandue pour l’imagerie non invasive en raison de l’excellent contraste des tissus mous, du manque de radioactivité et de la profondeur de pénétration. Cependant, l’IRM nécessite souvent de longs temps d’acquisition et est coûteuse à effectuer. Les États-Unis ont été évalués comme une alternative fiable et plus rapide à l’IRM dans l’évaluation du volume total des reins (TKV)3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les ultrasons utilisent des ondes sonores, et toute barrière à la propagation des ondes sonores interférera avec la qualité de l’image. Ainsi, l’épilation complète de la zone à imager est essentielle. Il est également important d’assurer l’élimination complète de la crème dépilatoire car elle peut causer des brûlures / irritations de la peau de l’animal et décolorer la membrane transparente du scanner. Des niveaux d’eau adéquats dans les baies sont nécessaires pour une propagation optimale des ondes sonores, donc nécessaire pour obtenir la plus haute résolution d’image. Cependant, lorsque l’animal est en position couchée, assurez-vous que le museau de l’animal est au-dessus du niveau de l’eau ou que l’animal risque d’inhaler de l’eau. L’optimisation des paramètres d’imagerie, en particulier de la profondeur focale, est essentielle pour obtenir des images de haute qualité. Des modifications des paramètres peuvent être nécessaires pour des animaux individuels.
Robotic US offre de nombreux avantages par rapport aux modalités traditionnelles des États-Unis portables. Tout d’abord, le système utilise une interface simple basée sur une caméra pointer-cliquer. Cette fonctionnalité répond à la complexité des États-Unis conventionnels et produit des données cohérentes même lorsqu’elle est exploitée par un utilisateur novice6. Deuxièmement, le système permet l’utilisation d’eau plutôt que de gel américain traditionnel comme support acoustique. Auparavant, l’utilisation de gel américain permettait la formation de bulles qui interféraient avec l’acquisition d’images de qualité. En outre, le gel américain est désordonné et présente des défis pour le nettoyage. De plus, l’eau est réchauffée par la lampe chauffante et aide à maintenir la température corporelle de l’animal. Troisièmement, les États-Unis robotiques sont plus rapides, de sorte que les artefacts du mouvement respiratoire ne sont pas problématiques. L’augmentation de la vitesse d’imagerie permet d’achever la collecte de données à haut débit. Quatrièmement, les États-Unis robotisés obtiennent des images 3D et simplifient ainsi la reconstruction 3D d’objets (Figure 4). L’IRM et d’autres modalités sont coûteuses, prennent beaucoup de temps et ne sont pas toujours disponibles. Il est important de noter que le système robotique américain s’adapte à une table ou à un banc et est plus rentable. Enfin, des travaux antérieurs ont démontré que les États-Unis robotiques pouvaient fournir des données de mesure comparables à des modalités plus coûteuses, telles que l’IRM3.
Bien que la qualité d’image et la résolution du système robotique américain décrit dans ce travail aient été adéquates pour l’application proposée (Figure 7), il existe plusieurs façons d’améliorer la qualité d’image à l’avenir. Par exemple, l’utilisation de transducteurs à haute fréquence (p. ex., 50-70 MHz) donnerait des images de plus haute résolution avec une meilleure définition des caractéristiques. Bien que l’utilisation de fréquences plus élevées entraînerait une profondeur de pénétration plus faible, les images devraient être suffisantes pour l’imagerie in vivo d’organes superficiels, tels que le rein de la souris. Comme pour d’autres modalités d’imagerie, les agents de contraste peuvent être utilisés pour améliorer des caractéristiques spécifiques. Pour les États-Unis, cela signifie généralement utiliser quelque chose de très réfléchissant des ondes sonores. Les microbulles intravasculaires dans lesquelles les lipides entourent de très petites bulles de gaz sont l’un de ces agents. Les bulles de gaz de la taille d’un micron sont très réfléchissantes et fournissent ainsi un deuxième signal distinct qui se traduit par une haute résolution de vascularisation7. Bien que cette technique de contraste acoustique puisse être très utile, elle peut avoir plusieurs inconvénients. Tout d’abord, les microbulles doivent être fraîches et ne persistent in vivo que pendant 5 à 10 minutes. Deuxièmement, l’injection intravasculaire in vivo nécessite généralement un cathétérisme du voile caudale pour l’injection, ce qui peut être techniquement difficile. Dans certaines circonstances et régimes pulsés, l’imagerie par microbulles peut elle-même entraîner des lésions vasculaires rénales8.
Il existe également des limites plus générales du système américain particulier utilisé. Tout d’abord, un seul réseau linéaire (centré à 18 MHz) est inclus dans le châssis robotique, de sorte qu’il n’est pas possible de passer à des sondes de fréquence plus ou moins élevées n’est actuellement pas possible. Cela peut avoir une incidence sur l’étendue des modèles (plus grands ou plus petits) qui peuvent être évalués avec le système. Les futures itérations de l’instrument devraient inclure plusieurs réseaux linéaires pour couvrir toute la gamme des modèles animaux précliniques. Deuxièmement, l’angle du transducteur par rapport au sujet animal ne peut pas être contrôlé. Par conséquent, l’exécution de techniques d’imagerie dépendantes de l’angle, telles que le Doppler, ou l’obtention d’autres vues dans le plan de certains organes (par exemple, une vue à long axe du rein) nécessite un repositionnement de l’animal et peut être difficile à réaliser. Des degrés de liberté supplémentaires pourraient être ajoutés au mouvement robotique pour améliorer ce défi. Troisièmement, à l’occasion, nous avons observé des artefacts de réverbération provenant de la membrane acoustique qui sépare l’animal du transducteur et qui peuvent obscurcir la visualisation des caractéristiques et des limites superficielles. Dans ces cas, l’utilisation d’un gel pour éloigner l’animal de la membrane peut remédier à la situation. Enfin, le contrôle de la température via une lampe chauffante est imprécis et, par conséquent, une attention particulière doit être portée à la température corporelle centrale de l’animal lors de l’imagerie. Des mécanismes de chauffage plus contrôlés, tels qu’un coussin chauffant intégré, amélioreront probablement la gestion de l’homéostasie et le débit d’imagerie.
L’utilisation de la robotique américaine peut être applicable à divers domaines de recherche. Cette technologie permet de visualiser les structures tissulaires globales, ce qui peut être utilisé pour suivre la progression tumorale et les thérapies potentielles6,9 ainsi que la morphologie rénale telle que présentée ici. La possibilité de segmenter les caractéristiques spécifiques des images en fait un outil attrayant pour l’étude des modèles de maladie polykystique du rein (PKD)3. Les images en mode M permettent une quantification simple de nombreux paramètres cardiaques importants permettant une évaluation in vivo de la physiologie cardiaque. Comme les reins reçoivent 20 % à 25 % du débit cardiaque10, il est important de comprendre la fonction cardiaque lors de l’évaluation longitudinale de la pathologie rénale. Grâce à ces protocoles américains, nous avons essayé d’illustrer que l’imagerie américaine est non seulement pratique pour les études rénales in vivo et longitudinales, mais aussi que de plus en plus d’outils américains permettent une évaluation morphologique et physiologique des souris dans les études précliniques.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) et la Fondation Mayo.
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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