כימות של תפקוד החדר השמאלי של לב העכבר, זן שריר הלב וכוחות המודינמיים על ידי הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם
概要
מחקר זה מתאר פרוטוקול הדמיית תהודה מגנטית לב וכלי דם מקיפה (CMR) כדי לכמת את הפרמטרים התפקודיים של החדר השמאלי של לב העכבר. הפרוטוקול מתאר רכישה, לאחר עיבוד וניתוח של תמונות CMR, כמו גם הערכה של פרמטרים תפקודיים לב שונים.
Abstract
מודלים של עכבר תרמו באופן משמעותי להבנת גורמים גנטיים ופיזיולוגיים המעורבים בתפקוד לב בריא, כיצד הפרעות גורמות לפתולוגיה וכיצד ניתן לטפל במחלות שריר הלב. דימות תהודה מגנטית לב וכלי דם (CMR) הפך לכלי הכרחי להערכה מקיפה של אנטומיה ותפקוד הלב. פרוטוקול זה מציג מדידות מפורטות של תפקוד החדר השמאלי של לב העכבר, מאמץ שריר הלב וכוחות המונמיים באמצעות 7-טסלה CMR. ראשית, הכנה של בעלי חיים ומיקום בסורק מוצגים. סריקות סקר מבוצעות לתכנון פרוסות הדמיה בתצוגות שונות לטווח קצר וארוך. סדרה של סרטים פוטנציאליים המופעלים על ידי אק”ג קצר (SA) (או תמונות CINE) נרכשים המכסים את הלב מפסגה לבסיס, ולוכדים שלבים סיסטוליים וקצוות דיאסטוליים. לאחר מכן, תמונות CINE מגודרות בפרספקטיבה נרכשות בתצוגת SA באמצע ההמצאה, ובתצוגות של 2, 3 ו-4 תאים, שישוחזרו לתמונות CINE ברזולוציה גבוהה-זמניות באמצעות תוכנת CINE שנבנתה בהתאמה אישית וקוד פתוח. תמונות CINE מנותחות לאחר מכן באמצעות תוכנת ניתוח תמונה CMR ייעודית.
תיווג גבולות אנדומיוקרדיים ואפיקרדיים בתמונות CINE קצה-סיסטוליות וקצוות-דיאסטוליות מאפשר חישוב של כרכים סיסטוליים וקצוות, שבר פליטה ותפוקת לב. תמונות SA CINE באמצע ה-1222 מיועדות לכל מסגרות זמן הלב כדי לחלץ עקומת זמן נפח מפורטת. נגזרת הזמן שלה מאפשרת את חישוב הפונקציה הדיאסטולית כיחס של גלי המילוי המוקדמים והתכווצות האיתנים. לבסוף, קירות הלב השמאליים של חדרי הלב בתצוגות של 2, 3 ו-4 תאים מסומנים באמצעות מעקב אחר תכונות, שממנו מחושבים פרמטרי מאמץ שריר הלב האורך וכוחות המודינמיים השמאליים. לסיכום, פרוטוקול זה מספק כימות ויוו מפורט של הפרמטרים לב העכבר, אשר ניתן להשתמש בהם כדי ללמוד שינויים זמניים בתפקוד הלב במודלים שונים של עכבר של מחלות לב.
Introduction
תהודה מגנטית לב וכלי דם (CMR) בבעלי חיים קטנים מספקת מדידת ויוו מדויקת של תפקוד שריר הלב, מה שהופך את CMR לכלי אופטימלי למחקר פרה-אקליני במחלות לב וכלי דם. בשל הרזולוציה המרחבית הגבוהה וניגודיות גבוהה בין דם לשריר הלב בתמונות CMR, ניתן לשנווט את קווי המתאר האנדו והאפיקרדיים ולחשב את מסת שריר הלב וכרכים חדריים1,2. למרות קצב הלב הגבוה של עד 600 פעימות/דקה, השימוש באלקטרוקרדיוגרמה (ECG) ובהפעלת נשימה מאפשר מדידות באיכות גבוהה של שלבי לב שונים (הנקראים גם תמונות CINE) ללא ממצאי תנועה נשימתית. בדרך זו, פרוסות מרובות ניתן להשתמש כדי לכסות את הלב מפסגת לבסיס כדי לחלץ פרמטרים פונקציה סיסטולית כגון שבר פליטה (EF), נפח סיסטולי קצה (ESV), נפח דיאסטולי קצה (EDV) ופלט לב (CO)3. מלבד הערכת תפקוד סיסטולי בסיסית, טכניקות CMR נוספות פותחו לאחרונה כדילהעריךתפקוד דיאסטולי 4 , זן שריר הלב5, וכוחות המודינמיים (HDF)6.
ECG gating מאפשר סנכרון למחזור הלב על ידי הפעלת רכישת אותות MR לאחר זיהוי של R-שיא והקלטת מספר מוגדר של שלבי לב במהלך מרווח R-R. עם זאת, מספר שלבי הלב (קצב פריימים) שניתן לרכוש בדרך זו תלוי בזמן החזרה הנמוך ביותר האפשרי (TR) שהמערכת יכולה להגיע אליו תוך שמירה על יחס אות לרעש מקובל (SNR) ורזולוציה מרחבית4. יתר על כן, מכיוון שהשימוש בשיפועי שדה מגנטי גבוהים יכול לעוות באופן זמני את אות האק”ג, הרכישה נעצרת בדרך כלל לפני השלב הסופי-דיאסטולי. שני הגורמים מגבילים את השימוש בסריקות כאלה להערכות תפקוד סיסטוליות, שכן חישוב של פרמטרים תפקודיים אחרים של הלב דורש הגדרה טובה יותר של עקומת זמן הנפח של החדר השמאלי (LV).
ניתן לרכוש תמונות CINE בקצב פריימים גבוה על ידי גטינג רטרוספקטיבי, לפיו אות MR נרכש ברציפות במהלך הסריקה, והד נווט משולב לאחר עירור בתדר רדיו (RF) מזהה תנועה לבבית ונשימה. מכיוון שרכישת CMR מבוצעת באופן אסינכרוני עם תנועת הלב, ניתן להקצות את אותות ה- MR שנרכשו למספר נבחר בדיעבד של מסגרות לב. בדרך זו, אם נאספים מספיק נתונים, ניתן לשחזר תמונות CINE בקצב פריימים גבוה4,7. לאחר מכן זה מאפשר הערכת פונקציה דיאסטולית, המיוצגת על ידי היחס בין שיעור המילוי המוקדם שיא (E’) ושיעור מילוי מאוחר שיא מהתכווצות אצ”ל (A’).
במחקר קליני, תמונות CINE ניתן לנתח עם CMR מעקב תכונה כדי להעריך את זן שריר הלב HDF6,8. זן שריר הלב הוא פרמטר עיוות לב המודד את ההבדל באחוזים בין האורך ההתחלתי (בדרך כלל באורך דיאסטולי קצה) לבין אורך מקסימלי (בדרך כלל בסוף-systole) של קטע שריר הלב9. מדידות מאמץ שריר הלב יכולות להיות בעלות ערך מצטבר להערכת תפקוד LV כערכי המתח לכמת את קיצור הקיר והעיבוי של קיר שריר הלב. ירידה בתפקוד קיצור עשוי להיות אינדיקציה לנזק סיבים תת-קרדיאלי10. שינויים בזן שריר הלב יכול להתרחש ללא תלות EF והוא יכול להיות הקדמה עבור סיבוכים הבסיסיים.
באופן ספציפי, זן האורך העולמי (GLS) וזן היקף גלובלי (GCS) הוכחו להיות בעל ערך מוסף באפיון מחלות לב10,11,12. באופן דומה, HDF הוצע להיות פרמטר חדשני פוטנציאלי כדי להצביע על תפקוד לב שונה6,13. שיפועי לחץ HDF או בין-חדריים אלה (IVPG) מניעים את תנועת הדם במהלך פליטה ומילוי של הלב ומושפעים מחילופי המומנטום בין דם לשריר הלב, כולל שסתום אבי העורקים והמיטרלי14,15.
במחקר זה, פרוטוקול מקיף מתואר לביצוע מדידות CMR קטנות וחזקות של בעלי חיים כדי לכמת את תפקוד LV, זן שריר הלב, ו- HDF של לבבות עכבר. הוא מכיל את השלבים הדרושים להכנת בעלי חיים, רכישת נתונים באמצעות תמונות CINE מגודרות פוטנציאליות ובדיעבד של הלב, כמו גם ניתוח עם תוכנה ייעודית המסוגלת לחשב את המדידות נפחיות, יחס E’/A, זן שריר הלב, HDF של הלב. פרוטוקול זה יכול לשמש להערכה נרחבת של פונקציית LV במודלים שונים של מחלות לב וכלי דם.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המוצג מתאר את השימוש בהדמיית CMR לניסויים אורך, לא פולשניים, ב- vivo לניתוח תפקוד הלב בעכברים. תוצאות אלה הן דוגמאות של בעלי חיים בריאים כדי להדגים את ההיתכנות של שימוש בתמונות CINE כדי לכמת את הפרמטרים הלב. עם זאת, השיטות המתוארות יכולות לשמש עבור מודלים שונים של בעלי חיים. למרות מודלים מסוימים של מחלות עשויים לדרוש שינויים קטנים בפרוטוקול, המבנה הבסיסי שלה כדי להעריך את הפרמטרים הפונקציונליים הלב השונים יהיה דומה מאוד. מקרה אחד מסוים שראוי להזכיר הוא מודל אוטם שריר הלב שבו חלק מהלב יש אובדן משמעותי התכווצות. זה יכול לגרום לאיכות נמוכה של אות נווט הלב בתוך פרוסה זו. במקרה זה, אפשרות חלופית תהיה רכישת הנווט מפרוסה נפרדת, כפי שתואר במחקר קודם של קולן ואח’16. תמונות CINE בתצוגות שונות משוחזרות מנתונים מגודרים בדיעבד באמצעות אלגוריתמים של CS ומנותחות באמצעות תוכנת ניתוח תמונה כדי לחשב את ערכי המתח וה- HDF.
איכות התמונות שנרכשו תלויה באופן טבעי בכל שלבי ההכנה, אשר צריך להתבצע בקפידה לפני תחילת פרוטוקול MRI הלב. לדוגמה, אם לא נראה א.ק.ג ברור ואותות נשימתיים בעת הצבת החיה בתוך סורק ה- MRI, סביר להניח שהדבר יגרום לרכישות תת-אופטימליות ואף להגדלת זמני הסריקה עקב ההשפעה הנוספת של עיוותים מגנטיים17. חשוב להבין כי בשל התכנון הרציף של כיווני הפרוסה, לא ניתן למקם מחדש את בעלי החיים בין הסריקות. לכן לא ניתן להתאים מחדש את הפניות האק”ג בין סריקות, שכן זה ישנה את המיקום של העכבר בסורק. במהלך הסריקה, בקרת הטמפרטורה חיונית לשמירה על מרווח לב ונשימה קבוע, אשר מועיל במיוחד לאיכות הסריקות המגודרות בדיעבד שנרכשות על פני תקופה ארוכה יותר של זמן. במהלך סריקה זו במחזור גבוה, הטמפרטורה של החיה עשויה לעלות בהתמדה, מה שגורם לקצב הלב ולקצב הנשימה לעלות. התאמת טמפרטורת מערכת החימום וההרדמה יכולה לתרום רבות לייצוב קצב הנשימה לפני או במהלך הסריקה.
צעד קריטי במהלך הניתוח הוא העקביות בציור קווי המתאר. בעוד פילוח אוטומטי עובד היטב עבור נתונים קליניים, זה לא מבצע בחוזקה במקרה של נתוני לב העכבר (לא נבדק לחולדות). קצב הלב הגבוה וזרימת הדם הגבוהה בשלבי לב ספציפיים, במיוחד בתחילת מילוי LV, עלולים לגרום להפחתת דגשים תוך-וווקסל וחללי איתות, תוך פגיעה בפתיון דופן שריר הלב. לכן לא מומלץ לנתח כל מסגרת באופן עצמאי, אבל חזותית לבדוק את התנועה של הקיר שריר הלב בין מסגרות ולקחת את זה בחשבון בעת ציור קווי המתאר על פני כל המסגרות. מומלץ להעתיק ולהתאים את קווי המתאר אנדוקרדיאלי בין שתי מסגרות רצופות כדי לשמור על תנועה התכווצות טבעית יותר בניתוח. בפרוטוקול זה, שרירי הפפילרי אינם נכללים בנפח לומן חדרית בתמונות SA להערכת תפקודים סיסטוליים ודיאסטוליים, בעוד שהם כלולים בתצוגות 2CH, 3CH ו- 4CH לניתוח מאמץ ו- HDF מכיוון שהאחרון מסתמך על ידע על התנועה המדויקת של דופן שריר הלב, ולא על הנפח המדויק של לומן החדר.
בעוד פרמטרי פונקציה סיסטולית ודיאסטולית מבוססים על מדידת נפחי LV לאורך מחזור הלב, פרמטרים של מאמץ ו- HDF תלויים בדפוסי תנועה בתוך קיר שריר הלב גם כן. לשם כך, טכניקות מעקב אחר תכונות משמשות כאשר ניתן להעריך את ההעתקה של מקטע שריר הלב על ידי זיהוי תכונות אנטומיות ברורות ועוצמות אותות בין שלבי CINE הבאים. הניגוד החזק בין בריכת הדם לשריר הלב בתמונות CMR מקל על השימוש במעקב אחר תכונות עבור זן עוקב וניתוח HDF8. לפני מעקב התכונות CMR, זן שריר הלב נקבע עם אקוגרף מעקב כתמים ותיוג רקמה CMR. מעקב אחר תכונות CMR אינו דורש זמן סריקה נוסף בהשוואה לתיוג רקמות CMR. עם זאת, למרות השימוש בהפעלת רטרוספקטיבה, CMR עדיין יש רזולוציה זמנית מוגבלת, אשר יכול להקשות להעריך כראוי עיוותים מהירים בתוך מחזור הלב.
הערכה של HDF לאורך מחזור הלב דורשת מדידות של הקטרים של שסתומי מיטרליים והעורקים כדי לחשב את ה- HDF בכיוונים בסיסיים ונחיתות-anteroseptal באמצעות משוואות שתוארו בעבר18. שיטה זו הראתה הערכות עקביות של ה- HDF בהשוואה ל- MRI תקן הייחוס 4D-flow, אשר יש זמינות מוגבלת בשימוש קליני בשל מורכבותו6. חשוב לדעת כי הערכה חזקה של קטר השסתום קשה, ולכן, קטר השסתום צריך להישמר קבוע עבור קבוצה של בעלי חיים על פני מדידות חוזרות במחקר אורך, כמו וריאציות בפרמטר זה על ידי הערכות שגויות יכול בקלות להאפיל על שינויים עדינים בפרמטרים HDF. ייתכן שהתוכנה הספציפית המשמשת לחישוב הפרמטרים GLS ו- HDF לא תהיה זמינה לכל המשתמשים. לכן, ניתן להתייחס Voigt ואח’19 (GLS) כמו גם Pedrizzetti ואח‘6,20 (HDF), אשר מכילים את כל התיאורים המתמטיים המהווים את הבסיס של החישובים המתאימים כפי שבוצעו על ידי תוכנת הניתוח.
לצורך מחקר זה, הפרוטוקול הוערך בבעלי חיים בריאים (N = 6). ערכה מייצגת של עקומות זמן עבור נפח LV, dV/dt, endoGLS ו- HDF מוצגות באיור 5A–C. ערכים ממוצעים של פרמטרים תפקודיים לבביים מרובים (EF, יחס E’/A,GLS שיא ו- HDF) מוצגים באיור 5D. אלה מסכימים היטב עם פרוטוקולים דומים המשמשים בספרות21. ספרות על נתוני GLS ו- HDF בעכברים היא נדירה. נמדד ערך ממוצע של 22.8%-, הנמצא באותו טווח כמו נתונים קליניים8, המציין כי מדידות GLS שהושגו בשיטה המתוארת אפשריות בעכברים. עקומות HDF המתקבלות בעכברים מציגות גם את אותם שלבים נפרדים כפי שניתן לראות בנתונים אנושיים, המציגים את התרגום המוצלח של טכניקה זו למחקר פרה-אקליני. בעוד הפרמטרים HDF הם המשוערים לשמש סמנים ביולוגיים מוקדמים של תפקוד לקוי לב, מחקרים נוספים מוצדקים לחקור את הערך האבחוני והתחזיתי של פרמטר חדש זה. התוצאות בפרוטוקול זה מראות כי תוצאות HDF ו- GLS צפויות להיות משתנות יותר על פני בעלי חיים, אשר יש לקחת בחשבון כאשר צפויים הבדלים עדינים במודלים של בעלי חיים או השפעות טיפול.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים לדוריטה דקרס ופטימה אל דרוויש על הסיוע במדידות העכבר וניתוח הנתונים.
Materials
| Equipment | |||
| AccuSens single and multi-channel signal conditioner | Opsens solutions inc., Canada | ACS-P4-N-62SC | Used with fiber optic temperature sensor to monitor body temperature |
| Duratears eye ointment | Alcon Nederland B.V., Netherlands | ||
| Mouse cell | Équipment Vétérinaire Minerve, France | referred to as mouse cradle | |
| MR-compatible Monitoring & Gating System for Small animals | SA Intuments, Inc., United States | Model 1030 | ERT Module (ECG/respiratory interface module) , ERT Control/Gating Module, battery pack and subdermal ECG Electrode Set |
| MRI scanner | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Model: MRS-7024 | Preclinical MRI System 7.0T/24 cm |
| Multistation temperature control unit and High Flow PCA | Équipment Vétérinaire Minerve, France | Model: URT Multipostes | animal heating system |
| Respiration Sensor | Graseby Medical Limited, United Kingdom | Ref 2005100 | |
| RF coil | MR Solutions Ltd., United Kingdom | MRS-MVC | 38mm mouse volume RF coil for mouse body studies |
| SF flowmeter | flow-meter, Italy | SF 3 | |
| Vaporizer sigma delta Intermed | Penlon Ltd., United Kingdom | ||
| Materials | |||
| Isoflurane | AST farma, Netherlands | ||
| Vaseline petroleum jelly | Unilever, United Kingdom | ||
| Software | |||
| BART toolbox | https://mrirecon.github.io/bart/ | ||
| Mathematica 12.0 | Wolfram Research, Inc., United States | ||
| MATLAB 2019a | The MathWorks,Inc., United States | ||
| MEDIS Suite MR | Medis Medical Imaging Systems B.V. ,Netherlands | Image analysis software | |
| PC-SAM | SA Intuments, Inc., United States | ||
| Preclinical Scan | MR Solutions Ltd., United Kingdom | Scanning software | |
| Retrospective version 7.0 | Amsterdam UMC, the Netherlands | Reconstuction software: https://github.com/Moby1971?tab=repositories |
参考文献
- Vallée, J. P., Ivancevic, M. K., Nguyen, D., Morel, D. R., Jaconi, M. Current status of cardiac MRI in small animals. Magnetic Resononance Materials in Physics, Biology and Medicine. 17 (3-6), 149-156 (2004).
- Bakermans, A. J., et al. Small animal cardiovascular MR imaging and spectroscopy. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 88-89, 1-47 (2015).
- Wu, Y. L., Lo, C. W. Diverse application of MRI for mouse phenotyping. Birth Defects Research. 109 (10), 758-770 (2017).
- Coolen, B. F., et al. High frame rate retrospectively triggered Cine MRI for assessment of murine diastolic function. Magnetic Resonance in Medicine. 69 (3), 648-656 (2013).
- Lapinskas, T., et al. Cardiovascular magnetic resonance feature tracking in small animals – a preliminary study on reproducibility and sample size calculation. BMC Medical Imaging. 17 (1), 51 (2017).
- Pedrizzetti, G., et al. On estimating intraventricular hemodynamic forces from endocardial dynamics: A comparative study with 4D flow MRI. Journal of Biomechanics. 60, 203-210 (2017).
- Motaal, A. G., et al. Accelerated high-frame-rate mouse heart cine-MRI using compressed sensing reconstruction. NMR in Biomedicine. 26 (4), 451-457 (2013).
- Claus, P., Omar, A. M. S., Pedrizzetti, G., Sengupta, P. P., Nagel, E. Tissue tracking technology for assessing cardiac mechanics: principles, normal values, and clinical applications. JACC. Cardiovascular Imaging. 8 (12), 1444-1460 (2015).
- Scatteia, A., Baritussio, A., Bucciarelli-Ducci, C. Strain imaging using cardiac magnetic resonance. Heart Failure Reviews. 22 (4), 465-476 (2017).
- Modin, D., Andersen, D. M., Biering-Sørensen, T. Echo and heart failure: when do people need an echo, and when do they need natriuretic peptides. Echo Research and Practice. 5 (2), 65-79 (2018).
- Onishi, T., et al. Longitudinal strain and global circumferential strain by speckle-tracking echocardiography and feature-tracking cardiac magnetic resonance imaging: comparison with left ventricular ejection fraction. Journal of American Society of Echocardiography. 28 (5), 587-596 (2015).
- Faganello, G., et al. A new integrated approach to cardiac mechanics: reference values for normal left ventricle. The International Journal of Cardiovascular Imaging. 36, 2173-2185 (2020).
- Lapinskas, T., et al. The intraventricular hemodynamic forces estimated using routine CMR Cine images: a new marker of the failing heart. JACC. Cardiovascular Imaging. 12 (2), 377-379 (2019).
- Töger, J., et al. Intracardiac hemodynamic forces using 4D flow: a new reproducible method applied to healthy controls, elite athletes and heart failure patients. Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance. 18, 61 (2016).
- Eriksson, J., Bolger, A. F., Ebbers, T., Carlhäll, C. J. Assessment of left ventricular hemodynamic forces in healthy subjects and patients with dilated cardiomyopathy using 4D flow MRI. Physiological Reports. 4 (3), 12685 (2016).
- Coolen, B. F., et al. Three-dimensional T1 mapping of the mouse heart using variable flip angle steady-state MR imaging. NMR in Biomedicine. 24 (2), 154-162 (2011).
- Nijm, G. M., Swiryn, S., Larson, A. C., Sahakian, A. V. Characterization of the magnetohydrodynamic effect as a signal from the surface electrocardiogram during cardiac magnetic resonance imaging. Computers in Cardiology. 33, 269-272 (2006).
- Domenichini, F., Pedrizzetti, G. Hemodynamic forces in a model left ventricle. Physical Review Fluids. 1, 083201 (2016).
- Voigt, J. U., et al. Definitions for a common standard for 2D speckle tracking echocardiography: consensus document of the EACVI/ASE/Industry Task Force to standardize deformation imaging. European Heart Journal – Cardiovascular Imaging. 16 (1), 1-11 (2015).
- Pedrizzetti, G. On the computation of hemodynamic forces in the heart chambers. Journal of Biomechanics. 95, 109323 (2019).
- Hoffman, M., et al. Myocardial strain and cardiac output are preferable measurements for cardiac dysfunction and can predict mortality in septic mice. Journal of American Heart Association. 8 (10), 012260 (2019).
