استخدام الموجات فوق الصوتية الروبوتية 3D لتحليل في الجسم الحي من الكلى الماوس
Summary
يوضح هذا البروتوكول الموجات فوق الصوتية الروبوتية (الولايات المتحدة) كبديل عملي وفعال من حيث التكلفة وسريع لطرق الصور التقليدية غير الغازية.
Abstract
تشمل الطرائق الشائعة للتصوير في الجسم الحي للقوارض التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) ، والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، والموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة). كل طريقة لها قيود ومزايا ، بما في ذلك التوافر وسهولة الاستخدام والتكلفة والحجم واستخدام الإشعاع المؤين أو المجالات المغناطيسية. يصف هذا البروتوكول استخدام الولايات المتحدة الروبوتية 3D للتصوير في الجسم الحي للكلى والقلب القوارض ، وتحليل البيانات اللاحقة ، والتطبيقات البحثية المحتملة. التطبيقات العملية للولايات المتحدة الروبوتية هي تحديد حجم الكلى الكلي (TKV) ، وكذلك قياس الخراجات والأورام والأوعية الدموية. على الرغم من أن الدقة ليست عالية مثل الطرائق الأخرى ، إلا أن الولايات المتحدة الروبوتية تسمح بجمع بيانات أكثر عملية عالية الإنتاجية. علاوة على ذلك ، باستخدام التصوير الأمريكي M-mode ، يمكن تحديد وظيفة القلب كميا. نظرا لأن الكلى تتلقى 20٪ -25٪ من الناتج القلبي ، فإن تقييم وظائف القلب أمر بالغ الأهمية لفهم فسيولوجيا الكلى والفيزيولوجيا المرضية.
Introduction
تشمل الطرائق الأكثر شيوعا لتصوير القوارض في الجسم الحي التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) ، والتصوير البصري (OI) ، والتصوير المقطعي المحوسب (CT) ، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، والموجات فوق الصوتية (الولايات المتحدة). توفر هذه التقنيات صورا عالية الدقة في الجسم الحي ، مما يسمح للمحققين بالتقييم الكمي واتباع نماذج الأمراض طوليا بشكل غير جراحي1. في حين أن كل طريقة تصوير لها قيود ، إلا أنها توفر أيضا أدوات لا تقدر بثمن للبحث قبل السريري.
هنا ، تفصل الدراسة نظاما أمريكيا وتقدم بروتوكول التصوير الآلي والقوارض 3D. يتم إنتاج الموجات الأمريكية بواسطة مسبار يسمى محول الطاقة ، والذي عادة ما يكون محمولا باليد. تنعكس الموجات الصوتية مرة أخرى أثناء تفاعلها مع الأنسجة، ويتم إعادة بناء الأصداء في صور2. سيركز البروتوكول الموصوف هنا على تصوير الكلى والقلب باستخدام محول طاقة يتم التحكم فيه آليا واستخدام برنامج يسمح بإعادة بناء 3D السريع للتقييم الكمي.
الولايات المتحدة الروبوتية هي طريقة تصوير سريعة وموثوقة وغير غازية تسمح للمحققين بإجراء دراسات طولية عالية الإنتاجية. بالمقارنة مع الطرق الأمريكية المحمولة باليد ، فإن الطريقة الأمريكية الروبوتية فعالة من حيث الوقت ، حيث يمكن مسح ما يصل إلى ثلاثة في غضون دقائق. تشير الإنتاجية العالية لقياسات الكلى إلى أنه يمكن تصوير ما يصل إلى 20 فأرا في الساعة. تقع محولات الطاقة الروبوتية تحت الأغشية الصوتية وتتحرك بشكل مستقل عن الحيوان بدرجتين من الحرية (الشكل 1A). يسمح هذا للمستخدمين المبتدئين بالحصول على صور عالية الجودة ، في حين أن الطرق الأمريكية المحمولة باليد أكثر عرضة لخطأ المستخدم. يسمح البرنامج المقترن بإعادة بناء الكلى 3D بكفاءة وفي الوقت الفعلي. في السابق ، كان التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) طريقة سائدة للتصوير غير الغازي بسبب التباين الممتاز للأنسجة الرخوة ، ونقص النشاط الإشعاعي ، وعمق الاختراق. ومع ذلك ، غالبا ما يتطلب التصوير بالرنين المغناطيسي أوقات اكتساب طويلة ومكلفا لتنفيذه. تم تقييم الولايات المتحدة كبديل موثوق به وأكثر سرعة للتصوير بالرنين المغناطيسي في تقييم إجمالي حجم الكلى (TKV)3.
Protocol
Representative Results
Discussion
تستخدم الموجات فوق الصوتية الموجات الصوتية ، وأي حواجز أمام انتشار الموجات الصوتية سوف تتداخل مع جودة الصورة. وبالتالي ، فإن إزالة الشعر بالكامل من المنطقة المراد تصويرها أمر بالغ الأهمية. من المهم أيضا ضمان الإزالة الكاملة لكريم إزالة الشعر لأنه يمكن أن يسبب حروقا / تهيج جلد الحيوان وتغيير لون الغشاء الشفاف للماسح الضوئي. مستويات المياه الكافية في الخلجان ضرورية لنشر الموجات الصوتية المثلى ، وبالتالي فهي مطلوبة للحصول على أعلى دقة للصورة. ومع ذلك ، عندما يكون الحيوان في وضع عرضة ، تأكد من أن خطم الحيوان أعلى من مستوى الماء أو أن الحيوان معرض لخطر استنشاق الماء. يعد تحسين معلمات التصوير ، وخاصة العمق البؤري ، أمرا بالغ الأهمية للحصول على صور عالية الجودة. قد تكون التعديلات على المعلمات ضرورية للحيوانات الفردية.
توفر الولايات المتحدة الروبوتية العديد من المزايا مقارنة بالطرائق الأمريكية التقليدية المحمولة باليد. أولا ، يستخدم النظام واجهة بسيطة تعتمد على الكاميرا بالإشارة والنقر. تعالج هذه الميزة تعقيد الولايات المتحدة التقليدية وتنتج بيانات متسقة حتى عند تشغيلها بواسطة مستخدم مبتدئ6. ثانيا ، يسمح النظام باستخدام الماء بدلا من الهلام الأمريكي التقليدي كوسيط صوتي. في السابق ، سمح استخدام الجل الأمريكي بتكوين فقاعات تتداخل مع اكتساب صور عالية الجودة. أيضا ، الجل الأمريكي فوضوي ويوفر تحديات للتنظيف. علاوة على ذلك ، يتم تسخين الماء بواسطة مصباح الحرارة ويساعد في الحفاظ على درجة حرارة جسم الحيوان. ثالثا ، الولايات المتحدة الروبوتية أسرع ، لذا فإن القطع الأثرية من حركة الجهاز التنفسي ليست مشكلة. تسمح سرعة التصوير المتزايدة بالإكمال العملي لجمع البيانات عالية الإنتاجية. رابعا ، تحصل الولايات المتحدة الروبوتية على صور ثلاثية الأبعاد ، وبالتالي تجعل إعادة بناء الأشياء ثلاثية الأبعاد بسيطة (الشكل 4). التصوير بالرنين المغناطيسي والطرائق الأخرى باهظة الثمن وتستغرق وقتا طويلا وغير متوفرة دائما. الأهم من ذلك ، أن النظام الأمريكي الآلي يناسب طاولة أو مقعد وهو أكثر فعالية من حيث التكلفة. وأخيرا، أظهرت الأعمال السابقة أن الولايات المتحدة الروبوتية يمكن أن توفر بيانات قياس قابلة للمقارنة لطرائق أكثر تكلفة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي 3.
في حين أن جودة الصورة ودقة النظام الأمريكي الآلي الموصوف في هذا العمل كانت كافية للتطبيق المقترح (الشكل 7) ، إلا أن هناك عدة طرق يمكن من خلالها تحسين جودة الصورة في المستقبل. على سبيل المثال، سيؤدي استخدام محولات التردد العالي (على سبيل المثال، MHz 70-50) إلى صور عالية الدقة مع تعريف أفضل للميزات. في حين أن استخدام ترددات أعلى من شأنه أن يؤدي إلى عمق اختراق أضعف ، يجب أن تكون الصور كافية للتصوير في الجسم الحي للأعضاء السطحية ، مثل كلية الفأر. كما هو الحال مع طرق التصوير الأخرى ، يمكن استخدام عوامل التباين لتحسين ميزات محددة. بالنسبة للولايات المتحدة ، هذا يعني عادة استخدام شيء يعكس بشكل كبير الموجات الصوتية. الفقاعات الدقيقة داخل الأوعية الدموية التي تحيط فيها الدهون بفقاعات الغاز الصغيرة جدا هي واحدة من هذه العوامل. فقاعات الغاز بحجم ميكرون عاكسة للغاية وبالتالي توفر إشارة مميزة ثانية تترجم إلى دقة عالية للأوعية الدموية7. في حين أن تقنية التباين الصوتي هذه قد تكون مفيدة للغاية ، إلا أنها يمكن أن يكون لها العديد من الجوانب السلبية. أولا ، يجب أن تكون الفقاعات الدقيقة طازجة وتستمر فقط في الجسم الحي لمدة 5-10 دقائق. ثانيا ، يتطلب الحقن داخل الأوعية الدموية في الجسم الحي عادة قسطرة حجاب الذيل للحقن ، وهذا يمكن أن يكون تحديا تقنيا. في ظل ظروف معينة وأنظمة نابضة، يمكن أن يؤدي تصوير الفقاعات الدقيقة في حد ذاته إلى تلف الأوعية الدموية الكلوية8.
هناك أيضا بعض القيود الأكثر عمومية للنظام الأمريكي المعين المستخدم. أولا ، يتم تضمين صفيف خطي واحد فقط (يتمركز عند 18 ميجاهرتز) في الهيكل الروبوتي ، لذلك لا يمكن حاليا التبديل إلى مجسات ذات تردد أعلى أو أقل. قد يؤثر ذلك على اتساع النماذج (سواء كانت أكبر أو أصغر) التي يمكن تقييمها باستخدام النظام. يجب أن تتضمن التكرارات المستقبلية للأداة صفائف خطية متعددة لتغطية مجموعة كاملة من النماذج الحيوانية قبل السريرية. ثانيا ، لا يمكن التحكم في زاوية محول الطاقة بالنسبة للموضوع الحيواني. لذلك ، فإن إجراء تقنيات التصوير المعتمدة على الزاوية ، مثل دوبلر ، أو تحقيق مناظر بديلة داخل الطائرة لأعضاء معينة (على سبيل المثال ، رؤية المحور الطويل للكلية) يتطلب إعادة وضع الحيوان ويمكن أن يكون من الصعب تحقيقه. ويمكن إضافة درجات إضافية من الحرية إلى الحركة الروبوتية لتخفيف هذا التحدي. ثالثا ، في بعض الأحيان ، لاحظنا تحف صدى ناشئة عن الغشاء الصوتي الذي يفصل الحيوان عن محول الطاقة الذي يمكن أن يحجب تصور السمات والحدود السطحية. في هذه الحالات ، يمكن أن يؤدي استخدام مواجهة هلامية لرفع الحيوان بعيدا عن الغشاء إلى علاج الموقف. أخيرا ، التحكم في درجة الحرارة عبر مصباح الحرارة غير دقيق ، وبالتالي يجب إيلاء اهتمام وثيق لدرجة حرارة جسم الحيوان الأساسية أثناء التصوير. من المرجح أن تؤدي آليات التدفئة الأكثر تحكما ، مثل وسادة التدفئة المتكاملة ، إلى تحسين إدارة التوازن وإنتاجية التصوير.
قد يكون استخدام الولايات المتحدة الروبوتية قابلا للتطبيق على مختلف مجالات البحث. تمكن هذه التقنية من تصور هياكل الأنسجة الإجمالية ، وبالتالي يمكن استخدامها لتتبع تطور الورم والعلاجات المحتملة 6,9 وكذلك مورفولوجيا الكلى كما هو موضح هنا. القدرة على تقسيم الميزات المحددة للصور يجعلها أداة جذابة لدراسة نماذج مرض الكلى المتعدد الكيسات (PKD)3. تسمح صور الوضع M بتحديد كمي بسيط للعديد من معلمات القلب المهمة التي تمكن من تقييم فسيولوجيا القلب في الجسم الحي. نظرا لأن الكلى تتلقى 20٪ -25٪ من الناتج القلبي10 ، فإن فهم وظيفة القلب أثناء التقييم الطولي لأمراض الكلى أمر مهم. من خلال هذه البروتوكولات الأمريكية ، حاولنا توضيح أن التصوير الأمريكي ليس عمليا فقط في دراسات الكلى الحية والطولية ولكن أيضا أن الأدوات الأمريكية المتزايدة تمكن من التقييم المورفولوجي والفسيولوجي للفئران في الدراسات قبل السريرية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R43-DK126607 ، TJC ، TLK ، MFR) ومؤسسة مايو.
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).
