Использование 3D роботизированного ультразвука для анализа почек мыши in vivo
Summary
Этот протокол демонстрирует роботизированный ультразвук (US) как практичную, экономически эффективную и быструю альтернативу традиционным неинвазивным методам изображения.
Abstract
Общие методы визуализации грызунов in vivo включают позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), компьютерную томографию (КТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ) и ультразвук (УЗИ). Каждый метод имеет ограничения и преимущества, включая доступность, простоту использования, стоимость, размер и использование ионизирующего излучения или магнитных полей. Этот протокол описывает использование 3D-роботизированной УЗИ для визуализации in vivo почек и сердца грызунов, последующего анализа данных и возможных исследовательских приложений. Практическими приложениями роботизированной УЗИ являются количественная оценка общего объема почек (TKV), а также измерение кист, опухолей и сосудистой системы. Хотя разрешение не так высоко, как в других модальностях, роботизированные США позволяют более практичный сбор данных с высокой пропускной способностью. Кроме того, используя визуализацию УЗИ в М-режиме, сердечная функция может быть количественно определена. Поскольку почки получают 20%-25% сердечного выброса, оценка сердечной функции имеет решающее значение для понимания физиологии почек и патофизиологии.
Introduction
Наиболее распространенные методы визуализации грызунов in vivo включают позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ), оптическую визуализацию (ОИ), компьютерную томографию (КТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ) и ультразвук (УЗИ). Эти методы обеспечивают изображения с высоким разрешением in vivo, что позволяет исследователям количественно оценивать и продольно следовать моделям заболеваний неинвазивно1. Хотя каждый метод визуализации имеет ограничения, они также предоставляют бесценные инструменты для доклинических исследований.
Здесь исследование детализирует американскую систему и представляет протокол для роботизированной и 3D-визуализации грызунов. Американские волны производятся зондом, называемым преобразователем, который обычно удерживается вручную. Звуковые волны отражаются обратно, когда они взаимодействуют с тканями, а эхо реконструируется в изображения2. Протокол, описанный здесь, будет сосредоточен на визуализации почек и сердца с использованием роботизированного датчика и использования программного обеспечения, которое позволяет быструю 3D-реконструкцию для количественной оценки.
Robotic US – это быстрый, надежный и неинвазивный метод визуализации, который позволяет исследователям проводить высокопроизводительные и продольные исследования. По сравнению с ручными методами США, роботизированный метод США экономит время, так как до трех животных могут быть отсканированы за считанные минуты. Высокая пропускная способность для измерений почек предполагает, что может быть изображено до 20 мышей в час. Роботизированные преобразователи расположены под акустическими мембранами и движутся независимо от животного с двумя степенями свободы (рисунок 1А). Это позволяет начинающим пользователям получать высококачественные изображения, в то время как портативные методы США более подвержены ошибкам пользователя. Связанное программное обеспечение обеспечивает эффективную 3D-реконструкцию почек в режиме реального времени. Ранее магнитно-резонансная томография (МРТ) была распространенным методом неинвазивной визуализации из-за отличного контраста мягких тканей, отсутствия радиоактивности и глубины проникновения. Тем не менее, МРТ часто требует длительного времени приобретения и является дорогостоящим для выполнения. УЗИ был оценен как надежная и более быстрая альтернатива МРТ при оценке общего объема почек (TKV)3.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ультразвук использует звуковые волны, и любые барьеры для распространения звуковых волн будут мешать качеству изображения. Таким образом, полная эпиляция области, подлежащей изображению, имеет решающее значение. Также важно обеспечить полное удаление крема для депиляции, так как он может вызвать ожоги/раздражение кожи животного и обесцвечивать прозрачную мембрану сканера. Адекватные уровни воды в заливах необходимы для оптимального распространения звуковой волны, что необходимо для получения самого высокого разрешения изображения. Однако, когда животное находится в положении лежа, убедитесь, что морда животного находится выше уровня воды, иначе животное подвергается риску вдыхания воды. Оптимизация параметров изображения, особенно глубины фокусировки, имеет решающее значение для получения высококачественных изображений. Изменения параметров могут потребоваться для отдельных животных.
Роботизированные США предоставляют много преимуществ по сравнению с традиционными ручными американскими модальностями. Во-первых, система использует простой интерфейс на основе камеры «укажи и щелкни». Эта функция решает сложность обычных США и создает согласованные данные даже при работе с начинающим пользователем6. Во-вторых, система позволяет использовать воду, а не традиционный американский гель в качестве акустической среды. Ранее использование американского геля позволяло образовывать пузырьки, которые мешали качественному получению изображения. Кроме того, американский гель грязный и создает проблемы для очистки. Далее вода нагревается тепловой лампой и помогает поддерживать температуру тела животного. В-третьих, роботизированные США быстрее, поэтому артефакты от дыхательного движения не проблематичны. Увеличенная скорость обработки изображений позволяет практически завершить сбор данных с высокой пропускной способностью. В-четвертых, роботизированные США получают 3D-изображения, и поэтому делают 3D-реконструкцию объектов простой (рисунок 4). МРТ и другие методы являются дорогостоящими, трудоемкими и не всегда доступными. Важно отметить, что роботизированная американская система помещается на столе или скамейке и является более экономичной. Наконец, предыдущая работа показала, что роботизированные США могут предоставлять сопоставимые данные измерений для более дорогих методов, таких как MRI3.
Хотя качество изображения и разрешение роботизированной системы США, описанные в этой работе, были адекватны для предлагаемого приложения (рисунок 7), существует несколько способов улучшения качества изображения в будущем. Например, использование высокочастотных преобразователей (например, 50-70 МГц) приведет к получению изображений с более высоким разрешением и лучшей четкостью функций. Хотя использование более высоких частот приведет к снижению глубины проникновения, изображений должно быть достаточно для визуализации in vivo поверхностных органов, таких как почки мыши. Как и в случае с другими методами визуализации, контрастные вещества могут использоваться для улучшения конкретных функций. Для США это обычно означает использование чего-то, что сильно отражает звуковые волны. Внутрисосудистые микропузырьки, в которых липиды окружают очень маленькие пузырьки газа, являются одним из таких агентов. Пузырьки газа микронного размера обладают высокой отражающей способностью и, таким образом, обеспечивают второй отчетливый сигнал, который переводится в сосудистую систему с высоким разрешением7. Хотя этот метод акустического контраста может быть весьма полезным, он может иметь несколько недостатков. Во-первых, микропузырьки должны быть свежими и сохраняться in vivo только в течение 5-10 минут. Во-вторых, внутрисосудистая инъекция in vivo обычно требует катетеризации хвостовой вуали для инъекции, и это может быть технически сложной задачей. При определенных обстоятельствах и пульсирующих режимах микропузырьковая визуализация сама по себе может привести к повреждению почечных сосудов8.
Существуют также некоторые более общие ограничения конкретной используемой системы США. Во-первых, в роботизированное шасси включен только один линейный массив (центрированный на частоте 18 МГц), поэтому переход на зонды с более высокой или низкой частотой в настоящее время невозможен. Это может повлиять на широту моделей (больших или меньших), которые могут быть оценены с помощью системы. Будущие итерации прибора должны включать в себя несколько линейных массивов, охватывающих весь спектр доклинических моделей животных. Во-вторых, угол преобразователя относительно животного субъекта не может контролироваться. Поэтому выполнение методов визуализации, зависящих от угла, таких как допплерография, или достижение альтернативных плоских видов определенных органов (например, вид почек с длинной осью) требует перепозиционирования животного и может быть трудно достижимым. Дополнительные степени свободы могут быть добавлены к роботизированному движению, чтобы улучшить эту проблему. В-третьих, иногда мы наблюдали артефакты реверберации, возникающие из акустической мембраны, которая отделяет животное от преобразователя, что может скрывать визуализацию поверхностных особенностей и границ. В этих случаях использование гелевого противостояния для поднятия животного от мембраны может исправить ситуацию. Наконец, контроль температуры с помощью тепловой лампы неточен, и поэтому при визуализации необходимо уделять пристальное внимание температуре тела животного. Более контролируемые механизмы нагрева, такие как интегрированная грелка, вероятно, улучшат управление гомеостазом и пропускную способность визуализации.
Использование роботизированных США может быть применимо к различным областям исследований. Эта технология позволяет визуализировать грубые тканевые структуры, таким образом, может быть использована для отслеживания прогрессирования опухоли и потенциальных методов лечения6,9, а также почечной морфологии, представленной здесь. Возможность сегментации специфических особенностей изображений делает его привлекательным инструментом для изучения моделей поликистоза почек (ПОКД)3. Изображения в М-режиме позволяют просто количественно оценить многие важные параметры сердца, что позволяет in vivo оценивать физиологию сердца. Поскольку почки получают 20%-25% сердечного выброса10, важно понимать сердечную функцию во время продольной оценки почечной патологии. С помощью этих протоколов США мы попытались проиллюстрировать, что визуализация США не только практична для исследований in vivo и продольных почек, но и что все более американские инструменты позволяют как морфологические, так и физиологические оценки мышей в доклинических исследованиях.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана NIH (R43-DK126607, TJC, TLK, MFR) и Фондом Майо.
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).
