Hier stellen wir ein Protokoll vor, um hochauflösende Mikrocomputertomographie-Bilder von gesunden und pathologischen großen Säugetier-Vollherzen mit kollagenselektiver Kontrastverstärkung zu erhalten.
Der strukturelle Umbau ist eine häufige Folge chronischer pathologischer Belastungen, die dem Herzen auferlegt werden. Das Verständnis der architektonischen und zusammengesetzten Eigenschaften von erkranktem Gewebe ist entscheidend, um ihre Wechselwirkungen mit arrhythmischem Verhalten zu bestimmen. Der mikroskalige Gewebeumbau unterhalb der klinischen Auflösung entwickelt sich zu einer wichtigen Quelle für tödliche Arrhythmie mit hoher Prävalenz bei jungen Erwachsenen. Es besteht nach wie vor die Herausforderung, einen hohen Bildkontrast bei ausreichender Auflösung im Mikromaßstab für präklinische Modelle, wie z. B. große Säugetier-Ganzherzen, zu erzielen. Darüber hinaus fehlt es noch an einer selektiven Kontrastverstärkung der Gewebezusammensetzung für die dreidimensionale hochauflösende Bildgebung. Zerstörungsfreie Bildgebung mit Mikro-Computertomographie ist vielversprechend für hochauflösende Bildgebung. Ziel war es, das Leiden durch Röntgen über Dämpfung in großen biologischen Proben zu lindern. Die Herzen wurden von gesunden Schweinen (N = 2) und Schafen (N = 2) mit entweder induziertem chronischem Myokardinfarkt und fibrotischer Narbenbildung oder induziertem chronischem Vorhofflimmern extrahiert. Ausgeschnittene Herzen wurden durchblutet mit: einer Kochsalzlösung, die mit einem Calciumionen-Abschreckmittel und einem Vasodilatator, Ethanol in serieller Dehydratisierung und Hexamethyldisilizan unter Vakuum ergänzt wurde. Letzteres verstärkte die Herzstruktur während der Lufttrocknung für 1 Woche. Kollagen-dominantes Gewebe wurde selektiv durch ein Röntgenkontrastmittel gebunden, die Phosphomolybdsäure. Die Gewebekonformation war in der Luft stabil, so dass langzeitige Mikrocomputertomographie-Aufnahmen hochauflösende (isotrope 20,7 μm) Bilder erhalten konnten. Eine optimale Kontrastmittelbeladung durch Diffusion zeigte eine selektive Kontrastverstärkung der Epithelschicht und subendokardialen Purkinje-Fasern in gesunden Schweineventrikeln. Vorhofflimmern (AF) Herzen zeigten eine erhöhte Kontrastansammlung in den hinteren Wänden und Anhängseln der Vorhöfe, die auf einen höheren Kollagengehalt zurückzuführen ist. Myokardinfarktherzen zeigten selektiv einen erhöhten Kontrast in Regionen der Herzfibrose, was die Identifizierung von verwebten überlebenden Myokardmuskelfasern ermöglichte. Kontrastverstärkte luftgetrocknete Gewebepräparate ermöglichten eine mikroskalige Bildgebung des intakten großen Säugetierherzens und eine selektive Kontrastverstärkung der zugrunde liegenden Krankheitsbestandteile.
Strukturelle Herzerkrankungen machen weltweit den Großteil der kardialen Mortalität aus1. Der Umbau der Herzstruktur beeinflusst die myokardiale Umgebung und den interstitiellen Raum. Da sowohl die elektrische als auch die mechanische Herzfunktion von der Organisation der Myozyten abhängt, kann eine Störung zu unerträglichen Herzrhythmusstörungen, beeinträchtigten blutpumpenden Aktionen und Herzinsuffizienzführen 2,3,4,5,6,7,8,9. Die Entwicklung kurativer Therapien für strukturelle Herzerkrankungen wird durch die Krankheitsprävalenz 2,5 bei weitem aufgewogen. Daher entstehen immer mehr präklinische Modelle struktureller Herzerkrankungen, um die anatomomorphologischen Profile und die daraus resultierende Pathogenese von Herzrhythmusstörungen 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 besser zu verstehen. 21,22,23 Beobachtet im gesamten strukturellen Krankheitsspektrum ist die Hochregulierung der interstitiellen Fibrose und, häufiger in ischämiebedingten Fällen, der Myokardersatz durch Fibrose und Fettgewebe18. Das morphologische Verständnis pathologischer extrazellulärer Komponenten kann die Identifizierung potenzieller Substrate von Arrhythmien ermöglichen. Die Verteilung und das Ausmaß der Krankheit liefern starke Indikatoren für ein arrhythmogenes Risiko. Es besteht jedoch nach wie vor die Herausforderung, Krankheitsprofile durch die Integration von Makro- und Mikroskalen in das intakte Herz umfassend abzubilden.
Die Mikro-Computertomographie (Mikro-CT), basierend auf Röntgenstrahlen, entwickelt sich zu einem leistungsfähigen Werkzeug, um die Mikrostruktur des weichen biologischen Gewebes mit Kontrastmitteln zu untersuchen. Hochdetaillierte anatomische Karten wurden für Herzen von kleinen Nagetieren 24,25,26 und kleine sezierte Proben von großen Säugetierherzen 27,28 erhalten. Die Bildgebung auf der gesamten Organebene großer Säugetierherzen weist jedoch übermäßige Weglängen auf, über die Röntgenphotonen mit herkömmlichen Gewebepräparationstechniken abgeschwächt werden. Dies beinhaltet das Kontrastladen des Gewebes und das Eintauchen der Probe in ein Kontrastmittellösungsmittel während der Beschaffung. Die Erhöhung der Stichprobengröße und -auflösung führt zu einer Verlängerung der Gesamterfassungszeit. Daher wird die Gewebestabilität entscheidend für eine brauchbare Bildrekonstruktion, was bedeutet, dass Gewebeverformungen durch Austrocknung verhindert werden müssen. Die Verwendung einer Tauchflüssigkeit hat jedoch Nachteile: (i) die Gesamtintensität des Hintergrundsignals wird nicht zu vernachlässigen und (ii) fördert die Verdünnung von gewebegebundenen Kontrastmolekülen. Beide Faktoren tragen dazu bei, den Bildkontrast zu verringern.
Diese Studie beschreibt eine neuartige Gewebeverarbeitungspipeline zur Linderung der Photonendämpfung im Hintergrund und zur Optimierung des Dynamikumfangs von Kontrastverstärkungsmitteln. Es wird empfohlen, einen Gewebelufttrocknungsansatz mit chemischer Gewebeverstärkung zu verwenden, um die Gewebeverformungzu begrenzen 29. Daher können Gewebeproben für lange Aufnahmen in der Luft stabil bleiben und Hintergrundbeiträge von Tauchflüssigkeiten weglassen. Diese methodische Pipeline bietet: (i) ein umfassendes Gewebeverarbeitungs- und Bildgebungsprotokoll, das mit ganzen Schweineherzen optimiert ist; (ii) eine Bewertung der Kontrastkonzentrations- und Belastungstechniken und (iii) die Anwendung dieser Pipeline in zwei verschiedenen chronischen Krankheitsmodellen von Vorhofflimmern und Myokardinfarkt bei Schafsherzen. Die Entwicklung der chronischen Krankheitsmodelle wurde an anderer Stelle für jedes Modell der chronischen Herzerkrankung, den durch perkutane Koronararterienembolisation induzierten Myokardinfarkt13 und das selbsterhaltende Vorhofflimmern30 beschrieben.
Ein detailliertes Protokoll für große Gewebepräparate wird unter Verwendung von ganzen Herzen von großen Säugetieren für die anschließende hochauflösende Strukturbildgebung erstellt. Ein lufttrocknender Ansatz beseitigte Einflüsse der Hintergrund-Röntgendämpfung und maximale Optimierung des Gewebes: Hintergrundkontrast29. Mit diesem Ansatz wurde eine isotrope Auflösung im Bereich von 20 μm für die volumetrische Bildgebung über Proben bis zu einem Durchmesser von 7,2 cm erreicht. Die MikroCT von Weichgewebe beruht jedoch typischerweise auf der Verwendung unspezifischer Kontrastmittel zur Verbesserung der Röntgenabsorption und -empfindlichkeit von MikroCT-Systemen34. Obwohl Röntgenkontrastmittel die allgemeine Röntgendämpfung und die Verbesserung der Weichteilbildgebung verbessern, bleibt die Trennung von Gewebebestandteilen auf der Grundlage der biochemischen Zusammensetzung eine Herausforderung. Es wurde jedoch beobachtet, dass die Verwendung von luftgetrockneten Herzen in Kombination mit einem im Labor üblichen Röntgenkontrastmittel, PMA, selektiv extrazelluläre Komponenten färbte. Bindegewebe, das mit gesundem Myokard und pathologischem Strukturumbau bei chronischen Krankheiten assoziiert ist, wurde verbessert.
Der Prozess der Lufttrocknung von biologischem Gewebe erfordert einen Eingriff, um der Verformung der Probe zu widerstehen. Die Probenvorbereitung für die Elektronenmikroskopie hat ähnliche Anforderungen. Typischerweise wird eine kritische Punkttrocknungsmethode verwendet, bei der ein Gleichgewicht zwischen Gewebeeinzugsmedium, Temperatur und Druck verwendet wird, um die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsgehalts des Gewebes zu beseitigen, die bei der Verdampfung eine Verformung auf molekularer Ebene verursacht35. Dieser Ansatz erfordert einen gleichmäßigen Ersatz des Wassergehalts der Probe durch flüssiges Kohlendioxid, das in kleinen und leicht diffusierbaren Proben zuverlässiger ist. Alternativ kann die strukturelle Integrität des Gewebes verbessert und an der Luft getrocknet werden, d.h. die Verdunstungsphase kann über einen längeren Zeitraum angewendet werden, um die Gesamtverformung zu reduzieren. Das Molekül HMDS wird silyliert, um ein Gerüst auf Silikonbasis zu bilden, um die molekulare Organisation der Gewebeprobe zu verstärken und zu stabilisieren36. Die Verdunstung wird weiter verlängert, indem die Umluftströme aus der Umgebung begrenzt werden, auch um eine inhomogene Verdunstung, insbesondere zwischen der Probenoberfläche und den intramuralen Schichten, zu vermeiden.
Zahlreiche Kontrastmittel wurden bisher für die MikroCT-Bildgebung von Weichteilen eingesetzt. Die häufigsten sind Jod, Phosphowolframsäure (PTA) und PMA. Insbesondere Jod wurde aufgrund einer höheren Diffusionsrate34,37,38 eingesetzt. Dennoch wirkt Jod als Katalysator für die Silylierung des HMDS-Reagenzes36. Die katalysierte Reaktion ist aggressiv und exotherm, mit einem hohen Risiko der Zerstörung der Probe und einem Sicherheitsrisiko, wenn ein Rest-HMDS aufgrund einer unvollständigen Austrocknung der Probe verbleibt. Sowohl PTA als auch PMA, die in Ethanol gelöst sind, können in Verbindung mit HMDS sicher verwendet werden. Es wurde gezeigt, dass PTA und PMA im Vergleich zur Jodfärbung38 ein höheres Auflösungsvermögen von feinen Strukturen in nicht mineralisierten Bandscheiben bieten. In der MikroCT-Bildgebung von Säugetierproben wurden PTA und PMA zur Färbung von Mausembryonen39, Maus-Herz-Kreislauf-System37, Kaninchenmuskel und Gehirn40 und Schweinevenen41 verwendet. PTA hat eine höhere Molekularmasse und Dichte in Lösung als PMA. Dies ist zum Teil auf eine höhere Atommasse von Wolfram (Ordnungszahl ist 74 g / mol), dem wichtigsten dämpfenden Element in PTA, zurückzuführen. Zum Vergleich: Das schwerste Element in PMA, Molybdän, hat eine Ordnungszahl von 42 g/mol. Sowohl die Atommasse als auch die Probendichte liegen neben der Probendicke42 der Röntgendämpfung zugrunde. Durch die Erhöhung der Röntgenweglänge durch Erhöhung der Probengrößen wird die Röntgendämpfung empfindlicher gegenüber einer erhöhten Probendichte. Daher wurde das PMA-Kontrastmittel mit geringerer Dichte ausgewählt, um das Risiko einer Überdämpfung zu verringern und den Dynamikumfang des Bildkontrasts für Herzen von menschenähnlicher Skala zu optimieren. Weitere Beweise haben gezeigt, dass die Diffusionsbelastung von PMA zu einer homogeneren Färbung führt als bei dem größeren Molekül PTA im Herzgewebe43.
Die Methode der Kontrastmittelabgabe beeinflusst die Gleichmäßigkeit der Kontrastmittelverteilung im Herzgewebe (Abbildung 3). Die Perfusion von Kontrastmitteln im ethanoldehydrierten Herzen zeigte aufgrund des variablen Gefäßwiderstands fleckige Hintergrundfärbungswerte von PMA. Im luftgetrockneten Herzen wird die Muskellaminarstruktur durch den Probenaustrocknungsprozess betont, wodurch die laminare Trennung der Muskeln erhöht wird. Dies verbesserte letztendlich die Gesamtpermeabilität des Gewebes für diffusionsbasierte Kontrastmittelbelastung. Folglich erleichterte die Lufttrocknung das Gewebe: Luftkontrast auf laminarer und intralaminarer Ebene (Abbildung 4). Darüber hinaus kann die Diffusionsbelastung durch die Anwendung unter Vakuum weiter erleichtert werden. Es wurde ferner gezeigt, dass die Gewebeschrumpfung von nicht getrockneten Proben von der Kontrastmittelkonzentration40 abhängt. Eine vorherige morphologische Stabilisierung der Probe durch Lufttrocknung hemmt jedoch Gewebeschrumpfungseffekte29.
Hochauflösende MikroCT-Bilder ganzer Organe erzeugen von Natur aus große Datenmengen. Die Natur der tomographischen Bildgebungsverfahren ermöglicht die Visualisierung und Bildverarbeitung auf einer Slice-by-Slice-Basis, was die Computerverarbeitung und den Speicheraufwand verringert. Um jedoch dreidimensionale Bildstapel zu visualisieren, beispielsweise Probenvolumina in dreidimensionalen Darstellungen wiederzugeben, sind die empfohlenen Mindestanforderungen an den Computer 128 GB RAM und eine Prozessorgeschwindigkeit von 3 GHz. Solid-State-Festplatten verbesserten auch die Datenübertragung erheblich.
Das Aufkommen der MikroCT-Bildgebung im kardialen Bereich bietet zahlreiche Vorteile für translationale Studien und klinische Validierung. Die Vorteile seiner dreidimensionalen und mikrometrischen Bildgebung haben bereits Anwendungen bei der Bestimmung der thrombotischen Belastung von ST-Elevations-Myokardischämie-Patientengezeigt 44,45. Die Kartierung potenzieller Arrhythmiequellen bei Patienten mit strukturellen Herzerkrankungen hängt weitgehend von der Bestimmung der Verteilung des fibrotischen Narbengewebes und der Lokalisierung der miteinander verwobenen Spuren des überlebenden Myokards ab. Second-Line-Ansätze zur Diagnostik ventrikulärer Arrhythmien nutzen die Magnetresonanztomographie46. Es kann dichte Fibrose robust lokalisieren, ist aber auf eine niedrig aufgelöste morphologische Charakterisierung beschränkt und bietet nur begrenzte Einblicke in den mikrostrukturellen Umbau und die diffusen Verteilungen fibrotischer Läsionen47. Die hochauflösende Untersuchung der Narbenverteilung und -charakterisierung hat ein enormes Potenzial, unser Verständnis des kardialen Strukturumbaus und des Risikos, an Herzinsuffizienz zu erkranken, zu verbessern. Insbesondere Grundlagenforschung oder Obduktionen werden von bestätigenden Strukturbildern für die elektrische Kartierung von Herzrhythmusstörungen profitieren.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Herzen, die mit HMDS-Behandlung und Lufttrocknung verstärkt sind, anschließend mit einem Röntgenkontrastmittel gefärbt werden können, um die Röntgendämpfung extrazellulärer Komponenten zu verbessern. Insbesondere bei gesundem Myokard tritt die PMA-Akkumulation am Epithel, am Klappengewebe und an Kompartimenten des ventrikulären Leitungssystems, die von Bindegewebe ummantelt sind, auf, was zu einer verstärkten Röntgendämpfung führte. Darüber hinaus war bei strukturell erkranktem Myokard der verstärkte Kontrast bei Fibrose weiter selektiv.
The authors have nothing to disclose.
Diese Studie erhielt finanzielle Unterstützung von der französischen Regierung im Rahmen des Programms “Investments of the Future”, das von der National Research Agency (ANR), der Grant-Referenz ANR-10-IAHU-04 und der Leducq Foundation (RHYTHM-Netzwerk) verwaltet wird, sowie die Grant-Referenz ANR-17-CE14-0029-01 [UNMASC], Mittel aus dem Europäischen Forschungsraum für Herz-Kreislauf-Erkrankungen (ERA-CVD), die Grant-Referenz H2020-HCO-2015_680969 [MultiFib] und Mittel der französischen Region Nouvelle Aquitaine, Finanzhilfereferenzen 2016 – 1R 30113 0000 7550/2016-1R 30113 0000 7553 und ANR-19-ECVD-0006-01.
10% neutral buffered formalin | Diapath | F0043 | |
Calcium chloride solution | Honeywell | 21114 | |
Canulation Tubing PTFE | VWR | DENE3400102 | |
Constant Head 1L Reservoir | Harvard Apparatus | 50-0496 | |
D-(+)-Glucose | Sigma | G5767 | |
Ethanol absolute | VWR | 20821.330 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma | 796881 | |
Heparin sodium (5000 U/mL) | Panpharma | 3400891287301. | |
Hexamethyldisilazane (HMDS) | Sigma | 440191-1L | |
Hydrochloric acid, ACS reagent, 37% | Sigma | 258148 | |
Magnesium chloride solution | Honeywell | 63020 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma | P5368 | |
Phosphomolybdic acid hydrate | Fisher Scientific | 417895000 | |
Potassium Chloride | Sigma | P5405 | |
Pump Tubing, 3-Stop | Ismatec | FV-96328-48 | |
SkyScan, 1276 | Bruker | micro CT | |
Sodium bicarbonate | Sigma | S5761 | |
Sodium Chloride | Sigma | S3014 | |
Sodium hydroxide solution 50% in H2O | Sigma | 415413 | |
Tube Connector Kits | Harvard Apparatus | 72-1407 | |
Tubing pump | Ismatec | ISM 1089 | |
Tubing Tygon R-3603 1.6 mm 3.2 mm 0.8 mm | VWR | 228-1279 | |
Tubing Tygon R-3603 3.2 mm 4.8 mm 0.8 mm | VWR | 228-1283 | |
Two-part single-use syringes 50 mL | Norm-Ject | 4850001000 | Pyrogen-free, PVC-free |