Preklinické zobrazování - Preclinical imaging

Preklinické zobrazování je vizualizace živých zvířat pro výzkumné účely,[1] jako je vývoj léků. Způsoby zobrazování jsou již dlouho klíčové pro výzkumného pracovníka při pozorování změn, ať už na úrovni orgánů, tkání, buněk nebo molekul, u zvířat reagujících na fyziologické nebo environmentální změny. Způsoby zobrazování, které jsou neinvazivní a in vivo se staly obzvláště důležitými pro podélné studium zvířecích modelů. Obecně lze tyto zobrazovací systémy rozdělit na primárně morfologické / anatomické a primárně molekulární zobrazovací techniky.[2] Techniky jako vysokofrekvenční mikro-ultrazvuk, magnetická rezonance (MRI) a počítačová tomografie (CT) se obvykle používají pro anatomické zobrazování, zatímco optické zobrazování (fluorescence a bioluminiscence ), pozitronová emisní tomografie (PET) a počítačová tomografie s emisemi jednoho fotonu (SPECT) se obvykle používají pro molekulární vizualizace.[2]

V dnešní době mnoho výrobců poskytuje multimodální systémy kombinující výhody anatomických modalit, jako jsou CT a MR, s funkčním zobrazováním PET a SPECT. Stejně jako na klinickém trhu jsou běžné kombinace SPECT / CT, PET / CT a PET / MR.[3][4]

Mikro-ultrazvuk

Zásada: Vysokofrekvenční mikro-ultrazvuk funguje generováním neškodných zvukových vln z převodníků do živých systémů. Jak se zvukové vlny šíří tkání, odrážejí se zpět a snímají měničem a poté je lze převést na 2D a 3D obrazy. Mikro-ultrazvuk je speciálně vyvinut pro výzkum malých zvířat s frekvencemi od 15 MHz do 80 MHz.[5]

Silné stránky: Mikro-ultrazvuk je jediný způsob zobrazování v reálném čase jako takový, který zachycuje data rychlostí až 1 000 snímků za sekundu. To znamená, že nejen že je více než schopný vizualizovat tok krve in vivo, lze jej dokonce použít ke studiu vysokorychlostních událostí, jako je průtok krve a srdeční funkce u myší. Mikro-ultrazvukové systémy jsou přenosné, nevyžadují žádná speciální zařízení a jsou ve srovnání s jinými systémy extrémně nákladově efektivní. Rovněž nehrozí riziko zmatení výsledků vedlejšími účinky záření. V současné době je možné zobrazování až 30 µm,[5] umožňující vizualizaci drobné vaskulatury u rakoviny angiogeneze. Pro zobrazení kapilár lze toto rozlišení dále zvýšit na 3–5 µm pomocí injekce kontrastních látek s mikrobublinami. Kromě toho lze mikrobubliny konjugovat se značkami, jako jsou aktivované glykoprotein IIb / IIIa (GPIIb / IIIa) receptory na krevních destičkách a sraženinách,[6] αprotiβ3 integrin, stejně jako receptory vaskulárního endoteliálního růstového faktoru (VEGFR) za účelem poskytnutí molekulární vizualizace. Je tedy schopen široké škály aplikací, kterých lze dosáhnout pouze pomocí duálních zobrazovacích metod, jako je mikro-MRI / PET. Mikro-ultrazvuková zařízení mají jedinečné vlastnosti týkající se ultrazvukové výzkumné rozhraní, kde uživatelé těchto zařízení získávají přístup k nezpracovaným datům obvykle nedostupným na většině komerčních ultrazvukových (mikro a ne-mikro) systémů.

Slabé stránky: Na rozdíl od mikro-MRI, micro-CT, micro-PET a micro-SPECT má mikro-ultrazvuk omezenou hloubku průniku. Jak se zvyšuje frekvence (a také se zvyšuje rozlišení), klesá maximální hloubka zobrazení. Mikro-ultrazvuk obvykle dokáže zobrazit tkáň přibližně 3 cm pod kůží, což je více než dostačující pro malá zvířata, jako jsou myši. Výkon ultrazvukového zobrazování je často vnímán jako spojený se zkušenostmi a dovednostmi operátora. To se však rychle mění, protože systémy se navrhují do uživatelsky přívětivých zařízení, která produkují vysoce reprodukovatelné výsledky. Jednou z dalších možných nevýhod mikro-ultrazvuku je to, že cílené mikrobublinové kontrastní látky nemohou difundovat z vaskulatury, dokonce ani v nádorech. To však může být ve skutečnosti výhodné pro aplikace, jako je perfúze tumoru a zobrazování angiogeneze.

Výzkum rakoviny: Pokrok v mikro-ultrazvuku byl schopen pomoci výzkumu rakoviny mnoha způsoby. Vědci například mohou snadno kvantifikovat velikost nádoru ve dvou a třech rozměrech. Nejen tak lze rychlost a směr průtoku krve sledovat také pomocí ultrazvuku. K detekci a kvantifikaci lze dále použít mikro-ultrazvuk kardiotoxicita v reakci na protinádorovou terapii, protože je to jediná zobrazovací metoda, která má okamžité získání obrazu. Díky své povaze v reálném čase může mikro-ultrazvuk také vést mikroinjekce léků, kmenových buněk atd. Do malých zvířat bez nutnosti chirurgického zákroku. Kontrastní látky mohou být do zvířete injikovány za účelem provedení perfúze tumoru v reálném čase a cílené molekulární zobrazování a kvantifikace biomarkery. Nedávno[když? ], bylo dokonce prokázáno, že mikro-ultrazvuk je účinnou metodou dodávání genů.[7]

Funkční ultrazvukové zobrazování mozku

Na rozdíl od konvenčního mikro-ultrazvukového zařízení s omezenou citlivostí na průtok krve se ukázalo, že specializované ultrarychlé ultrazvukové skenery v reálném čase s příslušnou sekvencí a zpracováním dokážou v reálném čase zachytit velmi jemné hemodynamické změny v mozku malých zvířat. Tato data lze poté použít k odvození neuronální aktivity prostřednictvím neurovaskulární vazby. The funkční ultrazvukové zobrazování (fUS) techniku ​​lze chápat jako analogii k funkční zobrazování magnetickou rezonancí (fMRI). fUS lze použít pro mozkovou angiografii, mapování mozkové funkční aktivity, mozkovou funkční konektivitu od myší k primátům včetně bdělých zvířat.

Micro-PAT

Zásada: Fotoakustická tomografie (PAT) pracuje na přirozeném jevu tkání, které se termalelasticky roztahují, když jsou stimulovány externě aplikovanými elektromagnetickými vlnami, jako jsou krátké laserové pulsy. To způsobí, že z těchto tkání budou vyzařovány ultrazvukové vlny, které pak mohou být zachyceny ultrazvukovým měničem. Termoelastická expanze a výsledná ultrazvuková vlna závisí na vlnové délce použitého světla. PAT umožňuje úplnou neinvazivitu při zobrazování zvířete. To je zvláště důležité při práci s modely mozkových nádorů,[8] které jsou notoricky obtížné studovat.

Silné stránky: Micro-PAT lze popsat jako zobrazovací modalitu, která je použitelná v široké škále funkcí. Kombinuje vysokou citlivost optického zobrazování s vysokým prostorovým rozlišením ultrazvukového zobrazování. Z tohoto důvodu může nejen studovat strukturu obrazu, ale také oddělit mezi různými typy tkání, studovat hemodynamický reakce a dokonce sledovat molekulární kontrastní látky konjugované se specifickými biologickými molekulami. Kromě toho je neinvazivní a lze jej rychle provést, takže je ideální pro podélné studie stejného zvířete.

Slabé stránky: Protože micro-PAT je stále omezen penetrační silou světla a zvuku, nemá neomezenou hloubku penetrace. Stačí však projít lebkou a obrazem krysy až o několik centimetrů dolů, což je pro většinu výzkumů na zvířatech více než dostačující. Jednou z dalších nevýhod mikro-PAT je to, že se při přijímání zpětné vazby spoléhá na optickou absorpci tkáně, a proto je obtížné vizualizovat špatně vaskularizovanou tkáň, jako je prostata.[9] K dnešnímu dni jsou na trhu 3 komerčně dostupné systémy, konkrétně VisualSonics, iThera a Endra, přičemž poslední z nich je jediným strojem provádějícím skutečný 3D obraz.

Výzkum rakoviny: Studium rakoviny mozku významně brzdila absence snadné zobrazovací modality ke studiu zvířat in vivo. Chcete-li tak učinit, kraniotomie je často potřeba, kromě hodin anestézie, mechanické ventilace atd., což významně mění experimentální parametry. Z tohoto důvodu se mnoho vědců spokojilo s obětováním zvířat v různých časových bodech a studováním mozkové tkáně tradičními histologickými metodami. Ve srovnání s in vivo longitudinální studie, k získání významných výsledků je zapotřebí mnohem více zvířat a citlivost celého experimentu je zpochybněna. Jak již bylo uvedeno výše, problémem není neochota výzkumníků používat in vivo zobrazovací modality, ale spíše nedostatek vhodných metod. Například, i když optické zobrazování poskytuje rychlá funkční data a oxy- a deoxyhemoglobin analýza,[9] vyžaduje kraniotomii a poskytuje pouze několik set mikrometrů hloubky průniku. Dále je zaměřena na jednu oblast mozku, zatímco výzkum jasně ukázal, že funkce mozku spolu souvisí. Na druhou stranufMRI je extrémně nákladný a při skenování celého mozku nabízí neutěšené rozlišení a doby pořízení obrazu. Poskytuje také málo informací o vaskulatuře. Bylo prokázáno, že Micro-PAT je významným vylepšením oproti stávajícímu in vivo neuro-zobrazovací zařízení. Je rychlý, neinvazivní a poskytuje nepřeberné množství datových výstupů. Micro-PAT může zobrazovat mozek s vysokým prostorovým rozlišením, detekovat kontrastní látky cílené na molekuly, současně kvantifikovat funkční parametry, jako jsou SO2 a HbT, a poskytovat doplňující informace z funkčního a molekulárního zobrazování, které by byly nesmírně užitečné při kvantifikaci nádoru a buněčné terapeutice analýza.[8]

Mikro-MRI

Systém Micro-MRI od společnosti Magnex Scientific

Zásada: Magnetická rezonance (MRI) využívá nukleární magnetické zarovnání různých atomů uvnitř magnetického pole ke generování obrazů. MRI přístroje se skládají z velkých magnetů, které generují magnetické pole kolem cíle analýzy.[10] Tato magnetická pole způsobují paramagnetické atomy, jako je vodík, gadolinium a mangan, aby se spojily v magnetickém dipólu podél magnetických polí, vytvořených rádiová frekvence (RF) cívky uvnitř přístroje MRI. To, co stroj zachycuje od subjektu, je relaxace atomů, které se vracejí do normálního vyrovnání, když je dočasně ukončen RF puls. S těmito daty počítač vygeneruje obraz subjektu na základě rezonančních charakteristik různých typů tkání.

Předklinický zobrazovací systém MRI bez kryogenů 7T - to ukazuje řadu MRS 7000

Od roku 2012 používání technologie magnetů bez kryogenů výrazně snížilo požadavky na infrastrukturu a závislost na dostupnosti stále obtížněji dostupných kryogenních chladiv.[11]

Silné stránky: Výhodou mikro-MRI je, že má dobré prostorové rozlišení, až 100 µm a dokonce 25 µm ve velmi silných magnetických polích. Má také vynikající rozlišení kontrastu k rozlišení mezi normální a patologickou tkání. Mikro-MRI lze použít v široké škále aplikací, včetně anatomického, funkčního a molekulárního zobrazování. Kromě toho, protože mechanismus mikro-MRI je založen na magnetickém poli, je mnohem bezpečnější ve srovnání se způsoby zobrazování založenými na záření, jako jsou mikro-CT a mikro-PET.

Slabé stránky: Jednou z největších nevýhod mikro-MRI jsou jeho náklady. V závislosti na magnetické síle (která určuje rozlišení) se systémy používané pro zobrazování zvířat mezi 1,5 a 14 teslasy v hustotě magnetického toku pohybují od 1 do 6 milionů dolarů, přičemž většina systémů stojí kolem 2 milionů dolarů. Kromě toho je doba pořízení obrazu extrémně dlouhá, trvá několik minut a dokonce hodin. To může negativně ovlivnit zvířata, která jsou po dlouhou dobu anestetizována. Kromě toho mikro-MRI obvykle zachycuje snímek subjektu v čase, a proto není schopen dobře studovat průtok krve a další procesy v reálném čase. I přes nedávný pokrok ve vysoce výkonném funkčním mikro-MRI je stále asi 10–15 sekundová prodleva pro dosažení maximální intenzity signálu,[12] což ztěžuje přístup k důležitým informacím, jako je kvantifikace rychlosti průtoku krve.

Výzkum rakoviny: Mikro-MRI se často používá k zobrazování mozku kvůli jeho schopnosti neinvazivně pronikat lebkou. Díky vysokému rozlišení může mikro-MRI detekovat také časné malé nádory. Paramagnetické nanočástice vázané na protilátky lze také použít ke zvýšení rozlišení a vizualizaci molekulární exprese v systému.[2]

Výzkum mozkové mrtvice a traumatického poranění mozku: Mikro-MRI se často používá pro anatomické zobrazování při výzkumu mrtvice a traumatického poranění mozku. Molekulární zobrazování je novou oblastí výzkumu.[13][14]

Micro-CT

Systém Micro-CT
Objemové vykreslení rekonstruovaného CT lebky myši

Zásada: Počítačová tomografie (CT) zobrazování funguje prostřednictvím rentgenových paprsků, které jsou vyzařovány ze zaostřeného zdroje záření, který se otáčí kolem testovaného subjektu umístěného uprostřed CT skeneru.[2] Rentgen je tlumen různými rychlostmi v závislosti na hustotě tkáně, kterou prochází, a poté je snímán senzory na opačném konci CT skeneru ze zdroje emisí. Na rozdíl od tradičního 2D rentgenového záření, protože zdroj emise ve skeneru CT se otáčí kolem zvířete, lze pomocí počítače počítač kombinovat sérii 2D obrazů do 3D struktur.

Silné stránky: Micro-CT může mít vynikající prostorové rozlišení, které může být až 6 µm v kombinaci s kontrastními látkami. Radiační dávka potřebná k dosažení tohoto rozlišení je však pro malá zvířata smrtelná a prostorové rozlišení 50 µm je lepší reprezentací limitů mikro-CT. Je to slušné také z hlediska doby pořizování snímků, která může být u malých zvířat v rozmezí minut.[10] Kromě toho je mikro-CT vynikající pro zobrazování kostí.

Slabé stránky: Jednou z hlavních nevýhod mikro-CT je záření dávka aplikovaná na testovaná zvířata. I když to obvykle není smrtelné, záření je dostatečně vysoké, aby ovlivnilo imunitní systém a další biologické cesty, což může nakonec změnit experimentální výsledky.[15] Radiace může také ovlivňovat velikost nádoru u modelů rakoviny, protože napodobuje radioterapie, a proto může být zapotřebí dalších kontrolních skupin k zohlednění tohoto potenciálu matoucí proměnná. Kromě toho je kontrastní rozlišení mikro-CT poměrně špatné, a proto je nevhodné pro rozlišení mezi podobnými typy tkání, jako jsou normální vs. nemocné tkáně.

Výzkum rakoviny: Micro-CT se nejčastěji používá jako anatomický zobrazovací systém ve výzkumu na zvířatech kvůli výhodám, které byly zmíněny dříve. Ke studiu průtoku krve lze také aplikovat kontrastní látky. S kontrastními látkami pro mikro-CT, jako je jód, je však obtížné konjugovat molekulární cíle1, a proto se v technikách molekulárního zobrazování používá jen zřídka. Jako takový je mikro-CT často kombinován s mikro-PET / SPECT pro anatomické a molekulární zobrazování ve výzkumu.[16]

Mikro-PET

Zásada: Pozitronová emisní tomografie (PET) zobrazuje živé systémy záznamem vysoké energie y-paprsky vyzařované zevnitř subjektu.[17] Zdroj záření pochází z biologických molekul vázaných na positron, jako jsou 18F-FDG (fludeoxyglukóza), který je injikován do testovaného subjektu. Jak se radioizotopy rozpadají, emitují pozitrony, které ničí elektrony, které se přirozeně nacházejí v těle. To produkuje 2 y-paprsky v ~ 180 ° od sebe, které jsou snímány senzory na opačných koncích PET stroje. To umožňuje lokalizovat jednotlivé emisní události v těle a datová sada je rekonstruována tak, aby vytvářela obrazy.

Silné stránky: Síla mikro-PET spočívá v tom, že protože zdroj záření je uvnitř zvířete, má prakticky neomezenou hloubku zobrazování. Čas pořízení je také poměrně rychlý, obvykle kolem minut. Protože různé tkáně mají různé rychlosti absorpce radioaktivně značených molekulárních sond, mikro-PET je také extrémně citlivý na molekulární detaily, a proto jsou pro zobrazování potřebné pouze nanogramy molekulárních sond.[17]

Slabé stránky: Radioaktivní izotopy používané v mikro-PET mají velmi krátký poločas (110 min pro 18F-FDG). Aby bylo možné tyto izotopy generovat, jsou v radiochemických laboratořích potřebné cyklotrony v těsné blízkosti mikro-PET strojů. Radiace také může ovlivnit velikost nádoru v modelech rakoviny, protože napodobuje radioterapii, a proto mohou být zapotřebí další kontrolní skupiny, aby se zohlednila tato potenciálně matoucí proměnná. Micro-PET také trpí špatným prostorovým rozlišením kolem 1 mm. Aby bylo možné provést důkladný výzkum, který zahrnuje nejen molekulární zobrazování, ale také anatomické zobrazování, je třeba použít mikro-PET ve spojení s mikro-MRI nebo mikro-CT, což dále snižuje dostupnost mnoha výzkumných pracovníků kvůli vysokým nákladům a specializovaným zařízení.

Výzkum rakoviny: PET je obvykle široce používán v klinické onkologii, a proto jsou výsledky z výzkumu na malých zvířatech snadno přeloženy. Vzhledem ke způsobu, jakým je 18F-FDG metabolizován tkáněmi, vede k intenzivnímu radioaktivnímu značení u většiny druhů rakoviny, jako jsou nádory mozku a jater. Téměř jakoukoli biologickou sloučeninu lze vysledovat pomocí mikro-PET, pokud ji lze konjugovat s radioizotopem, což ji činí vhodnou pro studium nových drah.

Micro-SPECT

Hlavní článek: Předklinické SPECT
Vysoké rozlišení 99mSPECT skenování myši Tc-MDP: animovaný obraz rotujících projekcí maximální intenzity.

Zásada: Podobně jako u PET, počítačová tomografie s emisemi jednoho fotonu (SPECT) také zobrazuje živé systémy y-paprsky vyzařované zevnitř subjektu. Na rozdíl od PET, radioizotopy používané v SPECT (např technecium-99m ) emitují y-paprsky přímo,[10] místo zničení událostí pozitronu a elektronu. Tyto paprsky jsou poté zachyceny y-kamerou otočenou kolem subjektu a následně vykresleny do obrazů.

Silné stránky: Výhodou tohoto přístupu je, že jaderné izotopy jsou mnohem snadněji dostupné, levnější a mají delší poločasy ve srovnání s izotopy mikro-PET. Jako mikro-PET, mikrospekt má také velmi dobrou citlivost a jsou zapotřebí pouze nanogramy molekulárních sond.[17] Navíc díky použití různých energetických radioizotopů konjugovaných k různým molekulárním cílům má mikro-SPECT tu výhodu oproti mikro-PET v tom, že dokáže zobrazit několik molekulárních událostí současně. Na rozdíl od mikro-PET může mikro-SPECT dosáhnout velmi vysokého prostorového rozlišení zkoumáním principu kolimační dírkové díry (Beekman et al.)[18] V tomto přístupu lze umístěním předmětu (např. Hlodavce) blízko otvoru dírky dosáhnout vysokého zvětšení jeho projekce na povrch detektoru a účinně kompenzovat vnitřní rozlišení krystalu.

Slabé stránky: Micro-SPECT má stále značné záření, které může ovlivnit fyziologické a imunologické cesty u malých zvířat. Radiace může také ovlivňovat velikost nádoru u modelů rakoviny, protože napodobuje radioterapie, a proto může být zapotřebí dalších kontrolních skupin k zohlednění tohoto potenciálu matoucí proměnná. Micro-SPECT může být také až o dva řády méně citlivý než PET.[2] Kromě toho vyžaduje značení sloučenin izotopy mikro-SPECT chelátování podobnosti, které mohou změnit jejich biochemické nebo fyzikální vlastnosti.

Výzkum rakoviny: Micro-SPECT se často používá ve výzkumu rakoviny pro molekulární zobrazování ligandů specifických pro rakovinu. Může být také použit k zobrazení mozku kvůli jeho penetrační síle. Protože novější radioizotopy zahrnují nanočástice, jako je 99mTC - označené nanočástice oxidu železa, mohly by se v budoucnu potenciálně kombinovat se systémy pro dodávání léčiv.[16]

Následující systémy SPECT pro malá zvířata byly vyvinuty v různých skupinách a jsou komerčně dostupné:

OdkazZnačkaPopis systémuPoloměr otáčení (cm)Rozlišení (mm)Citlivost (cps / MBq)
Sajedi a kol.,

2014,[19]

HiReSPECT[20]Pixelované krystaly CsI (Tl),

Kolimátor LEHR s paralelními otvory, zobrazování krys a myší

251.736
Magota a kol.,

2011,[21]

InveonKrystaly NaI (Tl),

0,5 mm kolimátory s jednou dírkou

250.8435.3
van der Have a kol.,

2009, Ivashchenko et al., 2015,[22][23]

U-SPECT IItři stacionární krystaly NaI (Tl),

75 dírek v 5 kruzích, bez multiplexování

NA0,25 nejlepší340 (0,25 mm)

13000 nejlepších

Del Guerra a kol.,

2007,[24]

X-SPECTdva rotující detektory NaI (Tl),

různé clony

NA0,62 nejlepší855

Kombinovaný PET-MR

Obrázek ukazuje předklinický zobrazovací systém 3T MR s multimodálním zobrazováním s nasazovacím PET pro sekvenční zobrazování.

Zásada: Technologie PET-MR pro zobrazování malých zvířat nabízí zásadní průlom ve vysoce výkonné funkční zobrazovací technologii, zejména v kombinaci se systémem MR bez kryogenů. Systém PET-MR poskytuje vynikající kontrast měkkých tkání a schopnost molekulárního zobrazování pro vynikající vizualizaci, kvantifikaci a translační studie. Pro simultánní multimodální zobrazování lze použít preklinický systém PET-MR. Použití technologie magnetů bez kryogenů také výrazně snižuje požadavky na infrastrukturu a závislost na dostupnosti stále obtížněji dostupných kryogenních chladiv.

Silné stránky: Výzkumníci mohou použít samostatnou operaci PET nebo MRI nebo použít multimodální zobrazování. Techniky PET a MRI lze provádět buď samostatně (s použitím buď systémů PET nebo MRI jako samostatných zařízení), nebo postupně (s nasazovacím PET) před otvorem systému MRI, nebo současně (s PET vložen do magnetu MRI). To poskytuje mnohem přesnější obraz mnohem rychleji. Současným provozováním systémů PET a MRI lze zvýšit pracovní tok v laboratoři. Systém MR-PET od společnosti MR Solutions zahrnuje nejnovější technologii v Silicon Photomultipliers (SiPM), která významně zmenšuje velikost systému a předchází problémům s používáním fotonásobičů nebo jiných starších typů detektorů v magnetickém poli MRI. Výkonové charakteristiky SiPM jsou podobné běžným PMT, ale s praktickými výhodami polovodičové technologie.

Slabé stránky: Jelikož se jedná o kombinaci zobrazovacích systémů, slabiny spojené s každou zobrazovací modalitou jsou do značné míry kompenzovány ostatními. V sekvenčním PET-MR musí operátor ponechat trochu času na přesun subjektu mezi pozicemi PET a MR akvizice. To je při současném PET-MR vyloučeno. V sekvenčních systémech PET-MR je však samotný PET kroužek snadno připnut nebo vypnut a přenášen mezi místnostmi pro nezávislé použití. Výzkumník potřebuje dostatečné znalosti k interpretaci obrazů a dat ze dvou různých systémů a bude k tomu potřebovat školení.

Výzkum rakoviny: Kombinace zobrazování MR a PET je mnohem časově efektivnější než použití jedné techniky najednou. Snímky z těchto dvou modalit mohou být také registrovány mnohem přesněji, protože časové zpoždění mezi modalitami je u sekvenčních systémů PET-MR omezené a u simultánních systémů skutečně neexistuje. To znamená, že existuje malá až žádná příležitost pro hrubý pohyb subjektu mezi akvizicemi.

Kombinovaný SPECT-MR

Preklinický zobrazovací systém s klipem SPECT

Zásada: Nový SPECT-MR pro zobrazování malých zvířat je založen na technologii s více dírkami, která umožňuje vysoké rozlišení a vysokou citlivost. Ve spojení s MRI bez kryogenů kombinovaná technologie SPECT-MR dramaticky zvyšuje pracovní tok ve výzkumných laboratořích a současně snižuje požadavky na laboratorní infrastrukturu a zranitelnost vůči přísunu kryogenů.[25]

Silné stránky: Výzkumná zařízení již nemusí kupovat více systémů a mohou si vybrat mezi různými konfiguracemi zobrazení systému. Zařízení SPECT nebo MRI lze použít jako samostatné zařízení na lavičce, nebo lze sekvenční zobrazování provést připevněním modulu SPECT k systému MRI. Zvíře se automaticky překládá z jedné modality do druhé podél stejné osy. Vložením modulu SPECT do magnetu MRI je možné současné získávání dat SPECT a MRI. Pracovní tok laboratoře lze zvýšit získáním více modalit stejného subjektu v jedné relaci nebo samostatným provozováním systémů SPECT a MRI, které zobrazují různé subjekty současně. SPECT-MR je k dispozici v různých konfiguracích s různým transaxiálním zorným polem, což umožňuje zobrazování od myší po potkany.

Slabé stránky: Jelikož se jedná o kombinaci zobrazovacích systémů, slabiny spojené s jednou nebo druhou zobrazovací modalitou již nejsou použitelné. V sekvenčním SPECT-MR musí operátor ponechat trochu času na přenos subjektu mezi pozicemi SPECT a MR akvizice. To je při současném SPECT-MR vyloučeno. U sekvenčního SPECT-MR je však při nasazení modulu SPECT snadné připnutí nebo vypnutí a přenos mezi místnostmi. Výzkumný pracovník musí mít dostatečné znalosti k interpretaci dvou různých výstupů systému a vyžaduje k tomu školení.

Výzkum rakoviny: Kombinace MRI, která se používá jako neinvazivní zobrazovací technika, a SPECT poskytují výsledky mnohem rychleji ve srovnání s použitím jedné techniky najednou. Snímky z těchto dvou modalit lze také zaregistrovat mnohem přesněji, protože časové zpoždění mezi modalitami je u sekvenčních systémů SPECT-MR omezené a u simultánních systémů skutečně neexistuje. To znamená, že existuje malá až žádná příležitost pro hrubý pohyb subjektu mezi akvizicemi. Díky samostatnému, nezávislému provozu systémů MRI a SPECT lze snadno zvýšit pracovní tok.

Optické zobrazování

Hlavní článek: Optické zobrazování

Zásada: Optické zobrazování se dělí na fluorescence a bioluminiscence.

  • Fluorescenční zobrazování funguje na bázi fluorochromů uvnitř subjektu, které jsou buzeny externím zdrojem světla a které v reakci emitují světlo jiné vlnové délky. Tradiční fluorochromy zahrnují GFP, RFP a jejich mnoho mutantů. Objevují se však významné výzvy in vivo v důsledku autofluorescence tkáně při vlnových délkách pod 700 nm. To vedlo k přechodu na blízká infračervená barviva a infračervené fluorescenční proteiny (700 nm – 800 nm), které prokázaly mnohem větší proveditelnost in vivo zobrazování v důsledku mnohem nižší autofluorescence tkáně a hlubší penetrace tkáně na těchto vlnových délkách.[26][27][28][29]
  • Bioluminiscenční zobrazování je na druhé straně založeno na světle generovaném chemiluminiscenčními enzymatickými reakcemi. Při fluorescenčním i bioluminiscenčním zobrazování jsou světelné signály zachyceny pomocí nabité vázané zařízení Kamery (CCD) se ochladily na -150 ° C, což je činí extrémně citlivými na světlo.[2] V případech, kdy je produkováno více světla, lze k vizualizaci obrazu použít méně citlivé kamery nebo dokonce pouhé oko.

Silné stránky: Optické zobrazování je rychlé a snadno proveditelné a je relativně levné ve srovnání s mnoha dalšími zobrazovacími modalitami. Kromě toho je extrémně citlivý a je schopen detekovat molekulární události v rozsahu 10–15 M. Kromě toho od bioluminiscence zobrazování nevyžaduje excitaci reportéru, ale spíše samotnou katalytickou reakci, svědčí o biologickém / molekulárním procesu a nemá téměř žádný hluk pozadí.[10]

Slabé stránky: Hlavní slabinou optického zobrazování byla hloubka penetrace, která je v případě viditelných barviv jen několik milimetrů. Fluorescence v blízké infračervené oblasti umožnila realizovat hloubky několika centimetrů.[26][27] Protože světlo v infračervené oblasti má nejlepší hloubku průniku, mnoho fluorochromy byly speciálně navrženy tak, aby byly v této oblasti optimálně nadšené.[28] Optické zobrazování, fluorescence má rozlišení omezené na difrakci světla ~ 270 nm a bioluminiscence má rozlišení ~ 1–10 mm, v závislosti na době pořízení, ve srovnání s MRI při 100 µm a mikro-ultrazvukem při 30 µm.

Výzkum rakoviny: Kvůli špatné hloubce průniku se optické zobrazování obvykle používá pouze pro molekulární účely, nikoli anatomické zobrazování. Kvůli špatné hloubce průniku ve viditelných vlnových délkách se používá pro subkutánní modely rakoviny, avšak fluorescence v blízké infračervené oblasti nyní umožnila realizaci ortotopických modelů.[30] Často se studuje zkoumání specifické exprese proteinu u rakoviny a účinky léků na tyto exprese in vivo s geneticky upravenými reportérovými geny emitujícími světlo.[2]

Kombinované PET-optické zobrazování, fluorescence

Vícebarevné fluorescenční zobrazování živých buněk HeLa se značenými mitochondrie (červená), aktinem (zelená) a jádry (bue). Každá buňka má ~ 10 um a obrázky ukazují, že optické zobrazování umožňuje rozlišení ≤ 1 um.

Zásada: Chemie dioxaborolanu umožňuje radioaktivní fluorid (18F ) označení protilátky[31] nebo červené krvinky,[32] což umožňuje pozitronová emisní tomografie (PET) a fluorescence zobrazování rakovina[33][34] a krvácení,[32] resp. Systém reportérů odvozených od člověka, genetických, pozitronů emitujících a fluoreskujících (HD-GPF) používá lidský protein, PSMA a neimunogenní a malá molekula, která emituje pozitron (vázaný na bór) 18F ) a fluorescenční pro duální modalitu PET a fluorescenční zobrazování genomem modifikovaných buněk, např. rakovina, CRISPR / Cas9 nebo CAR T - buňky v celé myši.[33] Kombinace těchto zobrazovacích metod byla předpovězena laureátem Nobelovy ceny za rok 2008, Roger Y. Tsien, k vyrovnání slabostí jednotlivých zobrazovacích technik.[35]

Silné stránky: Kombinuje silné stránky PET a optické zobrazování, fluorescence. PET umožňuje anatomické zobrazování pro umístění označených buněk u celých zvířat nebo lidí, protože radiolabel, 18F, je ve zvířeti nebo člověku pro téměř neomezenou hloubku průniku. 18F má poločas rozpadu 110 minut a omezuje radioaktivní expozici zvířeti nebo člověku. Optické zobrazování umožňuje vyšší rozlišení s subcelulárním rozlišením ~ 270 nm nebo difrakční limit světla, což umožňuje zobrazování jednotlivých buněk a lokalizaci buněčného umístění na buněčné membráně, endozomech, cytoplazmě nebo jádrech (viz obr. Vícebarevného HeLa buňky). Tato technika může označovat malé molekuly,[33][36][37] protilátky,[31] buňky (rakovina[31][33] a červené krvinky[32]), mozkomíšní mok,[38] krvácení,[32] rakovina prostaty odstranění,[33][39] a buňky upravené genomem exprimující geneticky kódovaný lidský protein, PSMA, pro zobrazování CRISPR / Cas9 upraveno a CAR T-buňky.[33]

Slabé stránky: Kombinování PET a optické zobrazování umožňuje dva zobrazovací prostředky, které kompenzují slabost ostatních. 18F má poločas rozpadu 110 minut a PET signál není trvalý. Fluorescenční malé molekuly umožňují trvalý signál, pokud jsou uloženy ve tmě a ne fotobělené. V současné době neexistuje jediný nástroj, který by dokázal zobrazovat obraz PET signál a obraz fluorescence s subcelulárním rozlišením (viz obrázek vícebarevných buněk HeLa). Pro zobrazení PET, fluorescence celého orgánu a fluorescence jedné buňky s subcelulárním rozlišením je zapotřebí více nástrojů.

Reference

  1. ^ Kiessling F, Pichler BJ (2011). Zobrazování malých zvířat: Základy a praktický průvodce (1. vyd.). Springer. ISBN  978-3-642-12944-5.
  2. ^ A b C d E F G Willmann JK, van Bruggen N, Dinkelborg LM, Gambhir SS (červenec 2008). "Molekulární zobrazování ve vývoji léků". Recenze přírody. Objev drog. 7 (7): 591–607. doi:10.1038 / nrd2290. PMID  18591980. S2CID  37571813.
  3. ^ „Farmaceutické a biotechnologické společnosti podpoří předklinický zobrazovací trh“. RnRMarketResearch.com.
  4. ^ „Preclinical Tech Advances Disease Understanding - Pokroky v MR vybavení zvyšují kvalitu a rozsah předklinického výzkumu v laboratořích“
  5. ^ A b Foster FS, Mehi J, Lukacs M, Hirson D, White C, Chaggares C, Needles A (říjen 2009). „Nový 15–50 MHz mikroskopický skener založený na poli pro preklinické zobrazování“. Ultrazvuk v medicíně a biologii. 35 (10): 1700–8. doi:10.1016 / j.ultrasmedbio.2009.04.012. PMID  19647922.
  6. ^ Wang X, Hagemeyer CE, Hohmann JD, Leitner E, Armstrong PC, Jia F, Olschewski M, Needles A, Peter K, Ahrens I (červen 2012). „Nové jednořetězcové mikrobubliny zaměřené na protilátky pro molekulární ultrazvukové zobrazování trombózy: ověření jedinečné neinvazivní metody pro rychlou a citlivou detekci trombů a sledování úspěchu či selhání trombolýzy u myší“. Oběh. 125 (25): 3117–26. doi:10.1161 / CIRCULATIONAHA.111.030312. PMID  22647975.
  7. ^ Deng CX, Sieling F, Pan H, Cui J (duben 2004). "Ultrazvukem indukovaná pórovitost buněčné membrány". Ultrazvuk v medicíně a biologii. 30 (4): 519–26. doi:10.1016 / j.ultrasmedbio.2004.01.005. PMID  15121254.
  8. ^ A b Li ML, Oh JT, Xie X, Ku G, Wang W, Li C, Lungu G, Stoica G, Wang LV (březen 2008). "Simultánní molekulární a hypoxické zobrazování mozkových nádorů." in vivo pomocí spektroskopické fotoakustické tomografie " (PDF). Proc IEEE. 96 (3): 481–9. doi:10.1109 / JPROC.2007.913515. S2CID  1815688.
  9. ^ A b Wang X, Fowlkes JB, Carson PL (2008). "Experimentální vyhodnocení systému vysokorychlostní fotoakustické tomografie založené na komerční ultrazvukové jednotce". Proc IEEE Ultrasonics Symp: 1234–7. doi:10.1109 / ULTSYM.2008.0298. ISBN  978-1-4244-2428-3. S2CID  42410198.
  10. ^ A b C d Koo V, Hamilton PW, Williamson K (2006). „Neinvazivní zobrazování in vivo ve výzkumu malých zvířat“. Buněčná onkologie. 28 (4): 127–39. doi:10.1155/2006/245619 (neaktivní 1. září 2020). PMC  4617494. PMID  16988468.CS1 maint: DOI neaktivní od září 2020 (odkaz)
  11. ^ „Zlato, zmenšil jsem magnet: Preklinická 7T MRI běží bez kryogenů“
  12. ^ van der Zwaag W, Francis S, vedoucí K, Peters A, Gowland P, Morris P, Bowtell R (říjen 2009). msgstr "fMRI při 1,5, 3 a 7 T: charakterizace změn BOLD signálu". NeuroImage. 47 (4): 1425–34. doi:10.1016 / j.neuroimage.2009.05.015. PMID  19446641. S2CID  20246002.
  13. ^ Wang M, Hong X, Chang CF, Li Q, Ma B, Zhang H a kol. (Červenec 2015). „Simultánní detekce a separace hyperakutního intracerebrálního krvácení a cerebrální ischemie pomocí amid-protonového přenosu MRI“. Magnetická rezonance v medicíně. 74 (1): 42–50. doi:10,1002 / mrm.25690. PMC  4608848. PMID  25879165.
  14. ^ Wang W, Zhang H, Lee DH, Yu J, Cheng T, Hong M, Jiang S, Fan H, Huang X, Zhou J, Wang J (srpen 2017). „Použití funkčních a molekulárních technik MRI k detekci neurozánětu a neuroprotekce po traumatickém poranění mozku“. Mozek, chování a imunita. 64: 344–353. doi:10.1016 / j.bbi.2017.04.019. PMC  5572149. PMID  28455264.
  15. ^ Boone JM, Velazquez O, Cherry SR (July 2004). "Small-animal X-ray dose from micro-CT". Molekulární zobrazování. 3 (3): 149–58. doi:10.1162/1535350042380326. PMID  15530250.
  16. ^ A b Schober O, Rahbar K, Riemann B (February 2009). "Multimodality molecular imaging—from target description to clinical studies". Evropský žurnál nukleární medicíny a molekulárního zobrazování. 36 (2): 302–14. doi:10.1007/s00259-008-1042-4. PMID  19130054. S2CID  25389532.
  17. ^ A b C Massoud TF, Gambhir SS (March 2003). "Molecular imaging in living subjects: seeing fundamental biological processes in a new light". Geny a vývoj. 17 (5): 545–80. doi:10.1101/gad.1047403. PMID  12629038.
  18. ^ Beekman F, van der Have F (February 2007). "The pinhole: gateway to ultra-high-resolution three-dimensional radionuclide imaging". Evropský žurnál nukleární medicíny a molekulárního zobrazování. 34 (2): 151–61. doi:10.1007/s00259-006-0248-6. PMID  17143647. S2CID  32330635.
  19. ^ Sajedi S, Zeraatkar N, Moji V, Farahani MH, Sarkar S, Arabi H, et al. (Březen 2014). "Design and development of a high resolution animal SPECT scanner dedicated for rat and mouse imaging". Jaderné přístroje a metody ve fyzice Výzkum sekce A: Urychlovače, spektrometry, detektory a související zařízení. 741: 169–76. Bibcode:2014NIMPA.741..169S. doi:10.1016/j.nima.2014.01.001.
  20. ^ "Medical imaging systems". Design & Development of Medical Imaging Systems. Parto Negar Persia.
  21. ^ Magota K, Kubo N, Kuge Y, Nishijima K, Zhao S, Tamaki N (April 2011). "Performance characterization of the Inveon preclinical small-animal PET/SPECT/CT system for multimodality imaging". Evropský žurnál nukleární medicíny a molekulárního zobrazování. 38 (4): 742–52. doi:10.1007/s00259-010-1683-y. hdl:2115/48719. PMID  21153410. S2CID  19890309.
  22. ^ van der Have F, Vastenhouw B, Ramakers RM, Branderhorst W, Krah JO, Ji C, Staelens SG, Beekman FJ (April 2009). "U-SPECT-II: An Ultra-High-Resolution Device for Molecular Small-Animal Imaging". Journal of Nuclear Medicine. 50 (4): 599–605. doi:10.2967/jnumed.108.056606. PMID  19289425.
  23. ^ Ivashchenko O, van der Have F, Goorden MC, Ramakers RM, Beekman FJ (March 2015). "Ultra-high-sensitivity submillimeter mouse SPECT". Journal of Nuclear Medicine. 56 (3): 470–5. doi:10.2967/jnumed.114.147140. PMID  25678487.
  24. ^ Del Guerra A, Belcari N (December 2007). "State-of-the-art of PET, SPECT and CT for small animal imaging". Jaderné přístroje a metody ve fyzice Výzkum sekce A: Urychlovače, spektrometry, detektory a související zařízení. 583 (1): 119–24. Bibcode:2007NIMPA.583..119D. doi:10.1016/j.nima.2007.08.187.
  25. ^ ‘Magnifying Results: Preclinical Tech Advances Disease Understanding’
  26. ^ A b Weissleder R, Mahmood U (May 2001). "Molecular imaging". Radiologie. 219 (2): 316–33. doi:10.1148/radiology.219.2.r01ma19316. PMID  11323453.
  27. ^ A b Kovar JL, Simpson MA, Schutz-Geschwender A, Olive DM (August 2007). "A systematic approach to the development of fluorescent contrast agents for optical imaging of mouse cancer models". Analytická biochemie. 367 (1): 1–12. doi:10.1016/j.ab.2007.04.011. PMID  17521598.
  28. ^ A b Adams KE, Ke S, Kwon S, Liang F, Fan Z, Lu Y, Hirschi K, Mawad ME, Barry MA, Sevick-Muraca EM (2007). "Comparison of visible and near-infrared wavelength-excitable fluorescent dyes for molecular imaging of cancer". Journal of Biomedical Optics. 12 (2): 024017. Bibcode:2007JBO....12b4017A. doi:10.1117/1.2717137. PMID  17477732.
  29. ^ Shu X, Royant A, Lin MZ, Aguilera TA, Lev-Ram V, Steinbach PA, Tsien RY (May 2009). "Savčí exprese infračervených fluorescenčních proteinů vytvořených z bakteriálního fytochromu". Věda. 324 (5928): 804–7. Bibcode:2009Sci ... 324..804S. doi:10.1126 / science.1168683. PMC  2763207. PMID  19423828.
  30. ^ Kovar JL, Johnson MA, Volcheck WM, Chen J, Simpson MA (October 2006). "Hyaluronidase expression induces prostate tumor metastasis in an orthotopic mouse model". American Journal of Pathology. 169 (4): 1415–26. doi:10.2353/ajpath.2006.060324. PMC  1698854. PMID  17003496.
  31. ^ A b C Rodriguez EA, Wang Y, Crisp JL, Vera DR, Tsien RY, Ting R (May 2016). "New Dioxaborolane Chemistry Enables [(18)F]-Positron-Emitting, Fluorescent [(18)F]-Multimodality Biomolecule Generation from the Solid Phase". Chemie biokonjugátu. 27 (5): 1390–1399. doi:10.1021/acs.bioconjchem.6b00164. PMC  4916912. PMID  27064381.
  32. ^ A b C d Wang Y, An FF, Chan M, Friedman B, Rodriguez EA, Tsien RY, Aras O, Ting R (March 2017). "18F-positron-emitting/fluorescent labeled erythrocytes allow imaging of internal hemorrhage in a murine intracranial hemorrhage model". Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (3): 776–786. doi:10.1177/0271678X16682510. PMC  5363488. PMID  28054494.
  33. ^ A b C d E F Guo H, Harikrishna K, Vedvyas Y, McCloskey JE, Zhang W, Chen N, Nurili F, Wu AP, Sayman HB, Akin O, Rodriguez EA, Aras O, Jin MM, Ting R (May 2019). "18F]-positron-emitting agent for imaging PMSA allows genetic reporting in adoptively-transferred, genetically-modified cells". ACS Chemická biologie. 14 (7): 1449–1459. doi:10.1021/acschembio.9b00160. PMC  6775626. PMID  31120734.
  34. ^ Kommidi H, Guo H, Nurili F, Vedvyas Y, Jin MM, McClure TD, et al. (Květen 2018). "18F-Positron Emitting/Trimethine Cyanine-Fluorescent Contrast for Image-Guided Prostate Cancer Management". Journal of Medicinal Chemistry. 61 (9): 4256–4262. doi:10.1021/acs.jmedchem.8b00240. PMC  6263152. PMID  29676909.
  35. ^ Tsien RY (September 2003). "Imagining imaging's future". Recenze přírody. Molekulární buněčná biologie. Suppl: SS16-21. PMID  14587522.
  36. ^ Kommidi H, Tosi U, Maachani UB, Guo H, Marnell CS, Law B, Souweidane MM, Ting R (February 2018). "18F-Radiolabeled Panobinostat Allows for Positron Emission Tomography Guided Delivery of a Histone Deacetylase Inhibitor". Dopisy ACS pro léčivou chemii. 9 (2): 114–119. doi:10.1021/acsmedchemlett.7b00471. PMC  5807872. PMID  29456798.
  37. ^ Wang M, Kommidi H, Tosi U, Guo H, Zhou Z, Schweitzer ME, Wu LY, Singh R, Hou S, Law B, Ting R, Souweidane MM (December 2017). "18[F]-Positron Emitting, Fluorescent Derivative of Dasatinib". Molecular Cancer Therapeutics. 16 (12): 2902–2912. doi:10.1158/1535-7163.MCT-17-0423. PMC  6287766. PMID  28978723.
  38. ^ Kommidi H, Guo H, Chen N, Kim D, He B, Wu AP, Aras O, Ting R (2017). "18F]-Positron-Emitting, Fluorescent, Cerebrospinal Fluid Probe for Imaging Damage to the Brain and Spine". Theranostics. 7 (9): 2377–2391. doi:10.7150/thno.19408. PMC  5525743. PMID  28744321.
  39. ^ Kommidi H, Guo H, Nurili F, Vedvyas Y, Jin MM, McClure TD, Ehdaie B, Sayman HB, Akin O, Aras O, Ting R (May 2018). "18F-Positron Emitting/Trimethine Cyanine-Fluorescent Contrast for Image-Guided Prostate Cancer Management". Journal of Medicinal Chemistry. 61 (9): 4256–4262. doi:10.1021/acs.jmedchem.8b00240. PMC  6263152. PMID  29676909.