Доклиническая визуализация - Preclinical imaging

Доклиническая визуализация это визуализация живых животных в исследовательских целях,[1] например, разработка лекарств. Методы визуализации уже давно имеют решающее значение для исследователя при наблюдении изменений на уровне органов, тканей, клеток или молекул у животных, реагирующих на физиологические изменения или изменения окружающей среды. Неинвазивные и неинвазивные методы визуализации in vivo стали особенно важны для продольного изучения животных моделей. Вообще говоря, эти системы визуализации можно разделить в первую очередь на морфологические / анатомические и в первую очередь на молекулярные методы визуализации.[2] Такие методы, как высокочастотный микро-ультразвук, магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ) обычно используются для анатомической визуализации, в то время как оптическая визуализация (флуоресценция и биолюминесценция ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) обычно используются для молекулярной визуализации.[2]

В наши дни многие производители предлагают мультимодальные системы, сочетающие в себе преимущества анатомических методов, таких как КТ и МРТ, с функциональной визуализацией ПЭТ и ОФЭКТ. Как и на клиническом рынке, распространенными комбинациями являются: ОФЭКТ / КТ, ПЭТ / КТ и ПЭТ / MR.[3][4]

Микро-ультразвук

Принцип: Высокочастотный микро-ультразвук генерирует безвредные звуковые волны от преобразователей в живые системы. Когда звуковые волны распространяются через ткань, они отражаются и улавливаются датчиком, а затем могут быть преобразованы в 2D- и 3D-изображения. Микро-ультразвук специально разработан для исследований на мелких животных с частотами от 15 до 80 МГц.[5]

Сильные стороны: Микро-ультразвук - это единственный метод визуализации в реальном времени как таковой, позволяющий собирать данные со скоростью до 1000 кадров в секунду. Это означает, что он не только более чем способен визуализировать кровоток. in vivo, его даже можно использовать для изучения высокоскоростных событий, таких как кровоток и сердечная функция у мышей. Микро-ультразвуковые системы портативны, не требуют специального оборудования и чрезвычайно рентабельны по сравнению с другими системами. Это также не сопряжено с риском искажения результатов из-за побочных эффектов радиации. В настоящее время возможно получение изображений размером до 30 мкм,[5] позволяет визуализировать крошечные сосуды при раке ангиогенез. Для изображения капилляров это разрешение может быть увеличено до 3–5 мкм с помощью введения контрастных веществ для микропузырьков. Кроме того, микропузырьки могут быть связаны с такими маркерами, как активированные гликопротеин IIb / IIIa (GPIIb / IIIa) рецепторы на тромбоцитах и ​​сгустках,[6] αvβ3 интегрин, а также рецепторы фактора роста эндотелия сосудов (VEGFR), чтобы обеспечить молекулярную визуализацию. Таким образом, он может использоваться в широком диапазоне приложений, которые могут быть достигнуты только с помощью двойных методов визуализации, таких как микро-МРТ / ПЭТ. Микро-ультразвуковые устройства обладают уникальными свойствами, относящимися к интерфейс ультразвукового исследования, где пользователи этих устройств получают доступ к необработанным данным, обычно недоступным в большинстве коммерческих ультразвуковых (микро и немикро) систем.

Недостатки: В отличие от микро-МРТ, микро-КТ, микро-ПЭТ и микро-ОФЭКТ, микро-ультразвук имеет ограниченную глубину проникновения. По мере увеличения частоты (как и разрешения) максимальная глубина изображения уменьшается. Как правило, с помощью микро-ультразвука можно получить изображение ткани примерно на 3 см ниже кожи, и этого более чем достаточно для мелких животных, таких как мыши. Часто считается, что качество ультразвуковой визуализации связано с опытом и навыками оператора. Однако ситуация быстро меняется, поскольку системы проектируются в удобные для пользователя устройства, дающие хорошо воспроизводимые результаты. Еще один потенциальный недостаток микро-ультразвука заключается в том, что целевые контрастные вещества для микропузырьков не могут диффундировать из сосудистой сети даже в опухоли. Однако на самом деле это может быть полезно для таких применений, как перфузия опухоли и визуализация ангиогенеза.

Исследования рака: Достижения в области микро-ультразвука могут помочь исследованию рака множеством способов. Например, исследователи могут легко определить размер опухоли в двух и трех измерениях. Не только это, скорость и направление кровотока также можно наблюдать с помощью ультразвука. Кроме того, микро-ультразвук можно использовать для обнаружения и количественной оценки кардиотоксичность в ответ на противоопухолевую терапию, поскольку это единственный метод визуализации, обеспечивающий мгновенное получение изображения. Из-за того, что микро-ультразвук работает в режиме реального времени, он также может направлять микроинъекции лекарств, стволовых клеток и т. Д. В мелких животных без хирургического вмешательства. Контрастные вещества могут быть введены животному для выполнения перфузии опухоли в режиме реального времени, а также для целенаправленной молекулярной визуализации и количественной оценки биомаркеры. Недавно[когда? ]было даже показано, что микро-ультразвук является эффективным методом доставки генов.[7]

Функциональная ультразвуковая визуализация головного мозга

В отличие от обычного микро-ультразвукового устройства с ограниченной чувствительностью к кровотоку, специализированные сверхбыстрые ультразвуковые сканеры в реальном времени с соответствующей последовательностью и обработкой, как было показано, способны фиксировать очень тонкие гемодинамические изменения в мозге мелких животных в режиме реального времени. Эти данные затем могут быть использованы для вывода нейрональной активности через нейрососудистую связь. В функциональная ультразвуковая визуализация (fUS) можно рассматривать как аналог функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ). fUS можно использовать для ангиографии мозга, картирования функциональной активности мозга, функциональной связи мозга от мышей к приматам, включая бодрствующих животных.

Micro-PAT

Принцип: Фотоакустическая томография (PAT) работает над естественным феноменом термического расширения тканей при воздействии внешних электромагнитных волн, таких как короткие лазерные импульсы. Это вызывает излучение ультразвуковых волн из этих тканей, которые затем могут быть захвачены ультразвуковым преобразователем. Термоупругое расширение и возникающая в результате ультразвуковая волна зависят от длины волны используемого света. PAT обеспечивает полную неинвазивность при визуализации животного. Это особенно важно при работе с моделями опухолей головного мозга,[8] которые, как известно, трудно изучать.

Сильные стороны: Micro-PAT можно охарактеризовать как метод визуализации, который применим в большом количестве функций. Он сочетает в себе высокую чувствительность оптического изображения с высоким пространственным разрешением ультразвукового изображения. По этой причине он может не только отображать структуру, но и разделять разные типы тканей, изучать гемодинамический ответов и даже отслеживать молекулярные контрастные вещества, конъюгированные с конкретными биологическими молекулами. Кроме того, он неинвазивен и может быть выполнен быстро, что делает его идеальным для продольных исследований одного и того же животного.

Недостатки: Поскольку micro-PAT все еще ограничена проникающей способностью света и звука, у него нет неограниченной глубины проникновения. Однако достаточно пройти через череп крысы и получить изображение на глубину до нескольких сантиметров, что более чем достаточно для большинства исследований на животных. Еще один недостаток микро-PAT заключается в том, что он полагается на оптическое поглощение ткани для получения обратной связи, и поэтому плохо васкуляризованные ткани, такие как простата, трудно визуализировать.[9] На сегодняшний день на рынке представлены 3 коммерчески доступных системы, а именно VisualSonics, iThera и Endra, последняя из которых является единственной машиной, выполняющей получение реальных трехмерных изображений.

Исследования рака: Изучению рака головного мозга в значительной степени препятствовало отсутствие удобных методов визуализации для изучения животных. in vivo. Для этого краниотомия часто требуется в дополнение к часам анестезии, искусственной вентиляции легких и т. д., что значительно изменяет параметры эксперимента. По этой причине многие исследователи довольствовались тем, что приносили в жертву животных в разные моменты времени и изучали ткань мозга с помощью традиционных гистологических методов. По сравнению с in vivo При продольном исследовании требуется гораздо больше животных для получения значимых результатов, и чувствительность всего эксперимента подвергается сомнению. Как указывалось ранее, проблема не в нежелании исследователей использовать in vivo методы визуализации, а скорее отсутствие подходящих. Например, несмотря на то, что оптическая визуализация предоставляет быстрые функциональные данные, а также оксо- и дезоксигруппугемоглобин анализ,[9] это требует трепанации черепа и обеспечивает глубину проникновения всего несколько сотен микрометров. Кроме того, он сосредоточен на одной области мозга, в то время как исследования явно показали, что функции мозга взаимосвязаны в целом. С другой стороны, микро-фМРТ является чрезвычайно дорогостоящим и предлагает мрачное разрешение и время получения изображения при сканировании всего мозга. Он также предоставляет мало информации о сосудистой сети. Было продемонстрировано, что Micro-PAT является значительным улучшением существующих in vivo устройства нейровизуализации. Он быстрый, неинвазивный и обеспечивает вывод большого количества данных. Micro-PAT может отображать мозг с высоким пространственным разрешением, обнаруживать контрастные вещества, нацеленные на молекулы, одновременно определять функциональные параметры, такие как SO2 и HbT, и предоставлять дополнительную информацию из функциональной и молекулярной визуализации, что было бы чрезвычайно полезно для количественной оценки опухоли и клеточно-ориентированной терапии. анализ.[8]

Микро-МРТ

Система микро-МРТ от Magnex Scientific

Принцип: Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует ядерное магнитное выравнивание различных атомов внутри магнитного поля для создания изображений. Аппараты МРТ состоят из больших магнитов, которые создают магнитные поля вокруг объекта анализа.[10] Эти магнитные поля вызывают парамагнитный атомы, такие как водород, гадолиний и марганец, выстраиваются в магнитный диполь вдоль магнитных полей, создаваемых радиочастота (RF) катушки внутри аппарата МРТ. Что машина улавливает от объекта, так это релаксацию атомов, когда они возвращаются к своему нормальному выравниванию, когда РЧ импульс временно прекращается. Используя эти данные, компьютер сгенерирует изображение объекта на основе резонансных характеристик различных типов тканей.

Безкриогенная доклиническая система МРТ 7T - это показывает серию MRS 7000

С 2012 года использование безкриогенных магнитов значительно снизило требования к инфраструктуре и снизило зависимость от доступности криогенных хладагентов, которые все труднее получить.[11]

Сильные стороны: Преимущество микро-МРТ состоит в том, что она имеет хорошее пространственное разрешение, до 100 мкм и даже 25 мкм в очень сильных магнитных полях. Он также имеет отличное контрастное разрешение, чтобы различать нормальные и патологические ткани. Микро-МРТ можно использовать в самых разных областях, включая анатомическую, функциональную и молекулярную визуализацию. Кроме того, поскольку механизм микро-МРТ основан на магнитном поле, он намного безопаснее по сравнению с методами визуализации на основе излучения, такими как микро-КТ и микро-ПЭТ.

Недостатки: Один из самых больших недостатков микро-МРТ - это стоимость. В зависимости от магнитной силы (которая определяет разрешение) системы, используемые для визуализации животных с плотностью магнитного потока от 1,5 до 14 тесла, варьируются от 1 до 6 миллионов долларов, при этом большинство систем стоит около 2 миллионов долларов. Кроме того, время получения изображения чрезвычайно велико и составляет минуты и даже часы. Это может отрицательно сказаться на животных, которые находятся под наркозом в течение длительного времени. Кроме того, микро-МРТ обычно делает снимок объекта во времени, и поэтому он не может хорошо изучить кровоток и другие процессы в реальном времени. Даже с учетом последних достижений в области высокопроизводительной функциональной микро-МРТ, для достижения пиковой интенсивности сигнала по-прежнему требуется около 10-15 секунд.[12] затрудняет доступ к важной информации, такой как количественная оценка скорости кровотока.

Исследования рака: Микро-МРТ часто используется для визуализации мозга из-за его способности неинвазивно проникать в череп. Благодаря высокому разрешению микро-МРТ также может обнаруживать ранние опухоли небольшого размера. Парамагнитные наночастицы, связанные с антителами, также можно использовать для увеличения разрешения и визуализации молекулярной экспрессии в системе.[2]

Исследования инсульта и черепно-мозговой травмы: Микро-МРТ часто используется для анатомической визуализации при исследованиях инсульта и черепно-мозговой травмы. Молекулярная визуализация - это новая область исследований.[13][14]

Микро-КТ

Система Micro-CT
Объемная визуализация реконструированной компьютерной томографии черепа мыши

Принцип: Компьютерная томография (КТ) визуализация работает с помощью рентгеновских лучей, которые испускаются сфокусированным источником излучения, который вращается вокруг испытуемого, помещенного в середину КТ-сканера.[2] Рентгеновское излучение ослабляется с разной скоростью в зависимости от плотности ткани, через которую он проходит, а затем улавливается датчиками на противоположном конце компьютерного томографа от источника излучения. В отличие от традиционного 2D-рентгеновского излучения, поскольку источник излучения в компьютерном томографе вращается вокруг животного, серия 2D-изображений затем может быть объединена компьютером в 3D-структуры.

Сильные стороны: Микро-КТ может иметь отличное пространственное разрешение, которое может достигать 6 мкм в сочетании с контрастными веществами. Однако доза облучения, необходимая для достижения этого разрешения, смертельна для мелких животных, а пространственное разрешение 50 мкм лучше отражает пределы возможностей микро-КТ. Это также прилично с точки зрения времени получения изображения, которое для маленьких животных может составлять несколько минут.[10] Кроме того, микро-КТ отлично подходит для визуализации костей.

Недостатки: Одним из основных недостатков микро-КТ является радиация дозировка для подопытных животных. Хотя это обычно не смертельно, радиация достаточно высока, чтобы повлиять на иммунную систему и другие биологические пути, что в конечном итоге может изменить результаты экспериментов.[15] Кроме того, излучение может влиять на размер опухоли в моделях рака, поскольку оно имитирует лучевая терапия, и, следовательно, могут потребоваться дополнительные контрольные группы для учета этого потенциального смешивающая переменная. Кроме того, контрастное разрешение микро-КТ довольно низкое, и поэтому оно не подходит для различения схожих типов тканей, таких как нормальные и больные ткани.

Исследования рака: Микро-КТ чаще всего используется в качестве системы анатомической визуализации при исследованиях на животных из-за преимуществ, упомянутых ранее. Также можно вводить контрастные вещества для исследования кровотока. Однако контрастные вещества для микро-КТ, такие как йод, трудно конъюгировать с молекулярными мишенями1, и поэтому он редко используется в методах молекулярной визуализации. Таким образом, микро-КТ часто сочетается с микро-ПЭТ / ОФЭКТ для анатомической и молекулярной визуализации в исследованиях.[16]

Микро-ПЭТ

Принцип: Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) изображения живых систем с помощью записи высокоэнергетических γ-лучи испускается изнутри предмета.[17] Источником излучения являются биологические молекулы, излучающие позитроны, такие как 18F-FDG (флудезоксиглюкоза), которую вводят испытуемому. Когда радиоизотопы распадаются, они испускают позитроны, которые аннигилируют с электронами, которые естественным образом находятся в организме. Это производит 2 γ-кванта на расстоянии ~ 180 ° друг от друга, которые улавливаются датчиками на противоположных концах ПЭТ-машины. Это позволяет локализовать отдельные выбросы в организме, а набор данных реконструируется для получения изображений.

Сильные стороны: Сила микро-ПЭТ в том, что поскольку источник излучения находится внутри животного, глубина визуализации практически неограничена. Время сбора данных также достаточно быстрое, обычно около минут. Поскольку разные ткани имеют разную скорость захвата молекулярных зондов, меченных радиоактивными изотопами, микро-ПЭТ также чрезвычайно чувствителен к молекулярным деталям, и поэтому для визуализации необходимы только нанограммы молекулярных зондов.[17]

Недостатки: Радиоактивные изотопы, используемые в микро-ПЭТ, имеют очень короткий период полураспада (110 мин для 18F-FDG). Для производства этих изотопов необходимы циклотроны в радиохимических лабораториях в непосредственной близости от машин для микро-ПЭТ. Кроме того, облучение может повлиять на размер опухоли в моделях рака, так как оно имитирует лучевую терапию, и поэтому могут потребоваться дополнительные контрольные группы для учета этой потенциальной мешающей переменной. Micro-PET также страдает низким пространственным разрешением около 1 мм. Для проведения всестороннего исследования, включающего не только молекулярную визуализацию, но и анатомическую визуализацию, необходимо использовать микро-ПЭТ в сочетании с микро-МРТ или микро-КТ, что еще больше снижает доступность для многих исследователей из-за высокой стоимости и специализированных удобства.

Исследования рака: ПЭТ обычно широко используется в клинической онкологии, поэтому результаты исследований на мелких животных легко переводятся. Из-за того, как 18F-FDG метаболизируется тканями, он приводит к интенсивной радиоактивной метке при большинстве видов рака, таких как опухоли мозга и печени. Почти любое биологическое соединение можно проследить с помощью микро-ПЭТ, если оно может быть конъюгировано с радиоизотопом, что делает его пригодным для изучения новых путей.

Микро-ОФЭКТ

Основная статья: Доклиническая ОФЭКТ
Высокое разрешение 99 мОФЭКТ-сканирование мыши Tc-MDP: анимированное изображение вращающихся проекций максимальной интенсивности.

Принцип: Подобно ПЭТ, однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT) также отображает живые системы через γ-лучи испускается изнутри предмета. В отличие от ПЭТ, радиоизотопы, используемые в ОФЭКТ (например, технеций-99m ) испускают γ-лучи напрямую,[10] а не от событий аннигиляции позитрона и электрона. Затем эти лучи улавливаются γ-камерой, вращающейся вокруг объекта, и затем преобразуются в изображения.

Сильные стороны: Преимущество этого подхода заключается в том, что ядерные изотопы гораздо более доступны, дешевле и имеют более длительный период полураспада по сравнению с изотопами микро-ПЭТ. Как микро-ПЭТ, микро-ОФЭКТ также имеет очень хорошую чувствительность и требуются только нанограммы молекулярных зондов.[17] Кроме того, за счет использования радиоизотопов разной энергии, конъюгированных с разными молекулярными мишенями, микро-ОФЭКТ имеет преимущество перед микро-ПЭТ в том, что он может отображать несколько молекулярных событий одновременно. В то же время, в отличие от микро-ПЭТ, микро-ОФЭКТ может достигать очень высокого пространственного разрешения за счет изучения принципа точечной коллимации (Beekman et al.)[18] В этом подходе, поместив объект (например, грызуна) близко к апертуре точечного отверстия, можно достичь большого увеличения его проекции на поверхность детектора и эффективно компенсировать собственное разрешение кристалла.

Недостатки: Микро-ОФЭКТ все еще имеет значительную радиацию, которая может влиять на физиологические и иммунологические механизмы у мелких животных. Кроме того, излучение может влиять на размер опухоли в моделях рака, поскольку оно имитирует лучевая терапия, и, следовательно, могут потребоваться дополнительные контрольные группы для учета этого потенциального смешивающая переменная. Микро-ОФЭКТ также может быть на два порядка менее чувствительным, чем ПЭТ.[2] Кроме того, для маркировки соединений изотопами микро-ОФЭКТ требуется хелатирующий молярности, которые могут изменить их биохимические или физические свойства.

Исследования рака: Микро-ОФЭКТ часто используется в исследованиях рака для молекулярной визуализации раковых лигандов. Его также можно использовать для изображения мозга из-за его проникающей способности. Поскольку новые радиоизотопы включают наночастицы, такие как 99mTC -меченные наночастицами оксида железа, они потенциально могут быть объединены с системами доставки лекарств в будущем.[16]

Следующие системы ОФЭКТ для мелких животных были разработаны в различных группах и коммерчески доступны:

СсылкаМаркаОписание системыРадиус вращения (см)Разрешение (мм)Чувствительность (имп / с / МБк)
Sajedi et al.,

2014,[19]

HiReSPECT[20]Пиксельные кристаллы CsI (Tl),

Коллиматор с параллельными отверстиями LEHR, визуализация крыс и мышей

251.736
Magota et al.,

2011,[21]

InveonКристаллы NaI (Tl),

Коллиматоры с одиночным отверстием 0,5 мм

250.8435.3
ван дер Хаве и др.,

2009, Иващенко и др., 2015,[22][23]

U-SPECT IIтри неподвижных кристалла NaI (Tl),

75 отверстий в 5 кольцах, без мультиплексирования

NA0,25 лучшее340 (0,25 мм)

13000 лучших

Del Guerra et al.,

2007,[24]

X-SPECTдва вращающихся детектора NaI (Tl),

различные отверстия

NA0,62 лучшее855

Комбинированный ПЭТ-МР

На изображении показана мультимодальная система 3T доклинической МРТ с прикрепляемым ПЭТ для последовательной визуализации.

Принцип: Технология ПЭТ-МРТ для визуализации мелких животных представляет собой крупный прорыв в технологии высокопроизводительной функциональной визуализации, особенно в сочетании с системой МРТ без криогенных веществ. Система ПЭТ-МРТ обеспечивает превосходный контраст мягких тканей и возможности молекулярной визуализации для отличной визуализации, количественной оценки и трансляционных исследований. Доклиническая система ПЭТ-МРТ может использоваться для одновременной мультимодальной визуализации. Использование безкриогенных магнитов также значительно снижает требования к инфраструктуре и снижает зависимость от доступности криогенных хладагентов, которые все труднее получить.

Сильные стороны: Исследователи могут использовать автономную операцию ПЭТ или МРТ или использовать мультимодальную визуализацию. Методы ПЭТ и МРТ могут выполняться либо независимо (с использованием систем ПЭТ или МРТ как автономных устройств), либо последовательно (с прикрепляемым ПЭТ) перед отверстием системы МРТ или одновременно (с ПЭТ вставлен внутрь магнита МРТ). Это позволяет гораздо быстрее получить более точную картину. При одновременном использовании систем ПЭТ и МРТ рабочий процесс в лаборатории может быть увеличен. Система MR-PET от MR Solutions включает новейшую технологию кремниевых фотоумножителей (SiPM), которая значительно уменьшает размер системы и позволяет избежать проблем, связанных с использованием фотоумножителей или других устаревших типов детекторов в магнитном поле МРТ. Рабочие характеристики SiPM аналогичны характеристикам обычного PMT, но с практическими преимуществами твердотельной технологии.

Недостатки: Поскольку это комбинация систем визуализации, недостатки, связанные с каждым из методов визуализации, в значительной степени компенсируются другим. При последовательной ПЭТ-МРТ оператору необходимо немного времени, чтобы переместить объект между позицией получения ПЭТ и МРТ. В одновременной ПЭТ-МР это отсутствует. Однако в последовательных системах ПЭТ-МР само кольцо ПЭТ можно легко закрепить или снять и переносить из одного помещения в другое для независимого использования. Исследователю требуются достаточные знания для интерпретации изображений и данных из двух разных систем, и для этого потребуется обучение.

Исследования рака: Комбинация МРТ и ПЭТ намного эффективнее по времени, чем использование одного метода за раз. Изображения из двух модальностей также могут быть зарегистрированы гораздо более точно, поскольку временная задержка между модальностями ограничена для последовательных систем ПЭТ-МРТ и практически отсутствует для одновременных систем. Это означает, что возможность грубого перемещения объекта между съемками практически отсутствует.

Комбинированная ОФЭКТ-МРТ

Система доклинической визуализации с прикрепляемой ОФЭКТ

Принцип: Новый ОФЭКТ-МРТ для визуализации мелких животных основан на технологии множественных отверстий, обеспечивающей высокое разрешение и высокую чувствительность. В сочетании с МРТ без использования криогенных веществ комбинированная технология ОФЭКТ-МР значительно увеличивает рабочий процесс в исследовательских лабораториях, снижая при этом требования к лабораторной инфраструктуре и уязвимость для криогенных источников.[25]

Сильные стороны: Исследовательским центрам больше не нужно покупать несколько систем, и они могут выбирать между различными конфигурациями визуализации системы. Каждое оборудование для ОФЭКТ или МРТ может использоваться как отдельное устройство на столе, или последовательная визуализация может выполняться путем прикрепления модуля ОФЭКТ к системе МРТ. Животное автоматически переводится из одной модальности в другую по той же оси. Вставив модуль ОФЭКТ внутрь магнита МРТ, возможно одновременное получение данных ОФЭКТ и МРТ. Рабочий процесс лаборатории может быть увеличен за счет получения нескольких модальностей одного и того же предмета за один сеанс или за счет раздельного использования систем ОФЭКТ и МРТ с одновременной визуализацией разных предметов. ОФЭКТ-МРТ доступен в различных конфигурациях с разным трансаксиальным полем обзора, что позволяет получать изображения от мышей к крысам.

Недостатки: Поскольку это комбинация систем визуализации, недостатки, связанные с тем или иным способом визуализации, больше не применимы. При последовательной ОФЭКТ-МРТ оператору необходимо немного времени, чтобы переместить объект между позициями получения ОФЭКТ и МРТ. Это исключается при одновременной ОФЭКТ-МРТ. Тем не менее, для последовательной ОФЭКТ-МРТ, когда модуль ОФЭКТ закреплен, его легко прикреплять или снимать и переносить между комнатами. Исследователь должен обладать достаточными знаниями для интерпретации двух различных выходных данных системы, и для этого потребуется обучение.

Исследования рака: Комбинация МРТ, которая используется как неинвазивный метод визуализации, и ОФЭКТ дает результаты намного быстрее по сравнению с использованием одного метода за раз. Изображения из двух модальностей также могут быть зарегистрированы гораздо более точно, поскольку временная задержка между модальностями ограничена для последовательных систем SPECT-MR и практически отсутствует для одновременных систем. Это означает, что возможность грубого перемещения объекта между съемками практически отсутствует. При раздельной, независимой работе систем МРТ и ОФЭКТ рабочий процесс может быть легко увеличен.

Оптическое изображение

Основная статья: Оптическое изображение

Принцип: Оптическое изображение делится на флуоресценция и биолюминесценция.

  • Флуоресцентная визуализация работает на основе флуорохромов внутри объекта, которые возбуждаются внешним источником света и в ответ излучают свет с другой длиной волны. Традиционные флуорохромы включают GFP, RFP и многие их мутанты. Однако возникают серьезные проблемы in vivo из-за автофлуоресценции ткани на длинах волн ниже 700 нм. Это привело к переходу на красители в ближнем инфракрасном диапазоне и флуоресцентные белки в инфракрасном диапазоне (700–800 нм), которые продемонстрировали гораздо большую возможность in vivo изображения из-за гораздо более низкой автофлуоресценции ткани и более глубокого проникновения в ткань на этих длинах волн.[26][27][28][29]
  • Визуализация биолюминесценции, с другой стороны, основана на свете, генерируемом хемилюминесцентными ферментативными реакциями. И при флуоресцентной, и при биолюминесцентной визуализации световые сигналы улавливаются заряженное связанное устройство (CCD) камеры охлаждаются до -150 ° C, что делает их чрезвычайно светочувствительными.[2] В случаях, когда создается больше света, для визуализации изображения могут использоваться менее чувствительные камеры или даже невооруженный глаз.

Сильные стороны: Оптическая визуализация выполняется быстро и легко, и она относительно недорогая по сравнению со многими другими методами визуализации. Кроме того, он чрезвычайно чувствителен, так как способен обнаруживать молекулярные события в диапазоне 10–15 M. Кроме того, поскольку биолюминесценция визуализация не требует возбуждения репортера, а скорее самой реакции катализа, она указывает на биологический / молекулярный процесс и почти не имеет фонового шума.[10]

Недостатки: Основным недостатком оптических изображений является глубина проникновения, которая в случае видимых красителей составляет всего несколько миллиметров. Флуоресценция в ближнем инфракрасном диапазоне позволила достичь глубины в несколько сантиметров.[26][27] Поскольку свет в инфракрасной области имеет лучшую глубину проникновения, многие флуорохромы были специально разработаны для оптимального возбуждения в этой области.[28] Оптическая визуализация, флуоресценция имеет разрешение, ограниченное дифракцией света ~ 270 нм, а биолюминесценция имеет разрешение ~ 1–10 мм, в зависимости от времени получения, по сравнению с МРТ на 100 мкм и микро-ультразвуком на 30 мкм.

Исследования рака: Из-за малой глубины проникновения оптическая визуализация обычно используется только для молекулярных целей, а не для анатомической визуализации. Из-за малой глубины проникновения в видимом диапазоне длин волн он используется для подкожных моделей рака, однако флуоресценция в ближнем инфракрасном диапазоне сделала возможным создание ортотопических моделей.[30] Часто изучают исследование специфической экспрессии белка при раке и влияние лекарств на эти проявления. in vivo с генно-инженерными светоизлучающими репортерными генами.[2]

Комбинированная ПЭТ-оптическая визуализация, флуоресценция

Многоцветная флуоресцентная визуализация живых клеток HeLa с мечеными митохондриями (красный), актином (зеленый) и ядрами (синий). Каждая ячейка имеет размер ~ 10 мкм, и изображения показывают, что оптическое изображение допускает разрешение ≤1 мкм.

Принцип: Химия диоксаборолана делает возможным радиоактивное фторид (18F ) маркировка антитела[31] или же красные кровяные тельца,[32] что позволяет позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и флуоресценция изображение рак[33][34] и кровоизлияния,[32] соответственно. Генетическая, излучающая позитрон и флуоресцентная репортерная система человеческого происхождения (HD-GPF) использует человеческий белок, PSMA и неиммуногенный, и небольшая молекула, излучающая позитроны (связанная с бором 18F ) и флуоресцентный для двойной модальности ПЭТ и флуоресцентной визуализации клеток с модифицированным геномом, например рак, CRISPR / Cas9, или же CAR T -клетки, в целом мышь.[33] Комбинирование этих методов визуализации было предсказано Нобелевским лауреатом 2008 г. Роджер Ю. Цзянь, чтобы компенсировать недостатки отдельных методов визуализации.[35]

Сильные стороны: Сочетает в себе сильные стороны ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ и оптическое изображение, флуоресценция. ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ позволяет получать анатомические изображения для определения местоположения меченых клеток у целых животных или людей, поскольку радиоактивная метка, 18F, находится внутри животного или человека для почти неограниченной глубины проникновения. 18F имеет период полураспада 110 минут и ограничивает радиоактивное воздействие на животных или человека. Оптическая визуализация обеспечивает более высокое разрешение с субклеточным разрешением ~ 270 нм или пределом дифракции света, что позволяет визуализировать отдельные клетки и локализовать клеточное местоположение на клеточной мембране, эндосомах, цитоплазме или ядрах (см. Рисунок многоцветного изображения). HeLa клетки). Техника может маркировать небольшие молекулы,[33][36][37] антитела,[31] клетки (рак[31][33] и красные кровяные тельца[32]), спинномозговая жидкость,[38] кровоизлияния,[32] рак простаты удаление,[33][39] и клетки с редактированием генома, экспрессирующие генетически кодируемый белок человека, PSMA, для визуализации CRISPR / Cas9 отредактировал и CAR Т-клетки.[33]

Недостатки: Объединение ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ и оптическое изображение позволяет использовать два средства визуализации, которые компенсируют слабость других. 18F имеет период полураспада 110 мин, а ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ сигнал непостоянен. Флуоресцентный небольшие молекулы обеспечивают постоянный сигнал при хранении в темноте, а не фотообесцвеченный. В настоящее время не существует ни одного инструмента, который может отображать ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ сигнал и изображение флуоресценция с субклеточным разрешением (см. рисунок разноцветных клеток HeLa). Для получения изображения ПЭТ, флуоресценции всего органа и флуоресценции отдельных клеток с субклеточным разрешением требуется несколько инструментов.

Рекомендации

  1. ^ Кисслинг Ф., Пихлер Б.Дж. (2011). Визуализация мелких животных: основы и практическое руководство (1-е изд.). Springer. ISBN  978-3-642-12944-5.
  2. ^ а б c d е ж грамм Виллманн Дж. К., ван Брюгген Н., Динкельборг Л. М., Гамбхир СС (июль 2008 г.). «Молекулярная визуализация в разработке лекарств». Обзоры природы. Открытие наркотиков. 7 (7): 591–607. Дои:10.1038 / nrd2290. PMID  18591980. S2CID  37571813.
  3. ^ «Рынок доклинической визуализации будет расти фармацевтическими и биотехнологическими компаниями». RnRMarketResearch.com.
  4. ^ «Доклинические технические достижения улучшают понимание болезней - достижения в области оборудования для МРТ повышают качество и диапазон доклинических исследований в лабораториях»
  5. ^ а б Фостер Ф.С., Мехи Дж., Лукач М., Хирсон Д., Уайт С., Чаггарес С., Иглы А (октябрь 2009 г.). «Новый микро-ультразвуковой сканер на базе матрицы 15–50 МГц для доклинической визуализации». Ультразвук в медицине и биологии. 35 (10): 1700–8. Дои:10.1016 / j.ultrasmedbio.2009.04.012. PMID  19647922.
  6. ^ Ван X, Хагемейер CE, Хоманн JD, Leitner E, Armstrong PC, Jia F, Olschewski M, Needles A, Peter K, Ahrens I (июнь 2012 г.). «Новые микропузырьки, нацеленные на одноцепочечные антитела, для молекулярной ультразвуковой визуализации тромбоза: валидация уникального неинвазивного метода быстрого и чувствительного обнаружения тромбов и мониторинга успеха или неудачи тромболизиса у мышей». Тираж. 125 (25): 3117–26. Дои:10.1161 / CIRCULATIONAHA.111.030312. PMID  22647975.
  7. ^ Дэн С.Х., Сиелинг Ф., Пан Х., Цуй Дж. (Апрель 2004 г.). «Ультразвуковая пористость клеточных мембран». Ультразвук в медицине и биологии. 30 (4): 519–26. Дои:10.1016 / j.ultrasmedbio.2004.01.005. PMID  15121254.
  8. ^ а б Li ML, Oh JT, Xie X, Ku G, Wang W, Li C, Lungu G, Stoica G, Wang LV (март 2008 г.). «Одновременная молекулярная визуализация и визуализация гипоксии опухолей головного мозга. in vivo с помощью спектроскопической фотоакустической томографии » (PDF). Proc IEEE. 96 (3): 481–9. Дои:10.1109 / JPROC.2007.913515. S2CID  1815688.
  9. ^ а б Ван Х, Фаулкс Дж. Б., Карсон П.Л. (2008). «Экспериментальная оценка системы высокоскоростной фотоакустической томографии на базе коммерческого ультразвукового прибора». Proc IEEE Ultrasonics Symp: 1234–7. Дои:10.1109 / ULTSYM.2008.0298. ISBN  978-1-4244-2428-3. S2CID  42410198.
  10. ^ а б c d Ку В., Гамильтон П. В., Уильямсон К. (2006). «Неинвазивная визуализация in vivo в исследованиях на мелких животных». Клеточная онкология. 28 (4): 127–39. Дои:10.1155/2006/245619 (неактивно с 1 сентября 2020 г.). ЧВК  4617494. PMID  16988468.CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на сентябрь 2020 г. (связь)
  11. ^ «Дорогая, я сжал магнит: доклиническая 7T МРТ работает без криогенных веществ»
  12. ^ ван дер Цвааг В., Фрэнсис С., Хед К., Петерс А., Гоуленд П., Моррис П., Боутелл Р. (октябрь 2009 г.). «ФМРТ при 1,5, 3 и 7 Тл: характерные жирные изменения сигнала». NeuroImage. 47 (4): 1425–34. Дои:10.1016 / j.neuroimage.2009.05.015. PMID  19446641. S2CID  20246002.
  13. ^ Ван М., Хун Х, Чанг К.Ф., Ли Кью, Ма Б., Чжан Х и др. (Июль 2015 г.). «Одновременное обнаружение и разделение острейшего внутримозгового кровоизлияния и церебральной ишемии с помощью МРТ с переносом амидного протона». Магнитный резонанс в медицине. 74 (1): 42–50. Дои:10.1002 / mrm.25690. ЧВК  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 (август 2017 г.). «Использование функциональных и молекулярных методов МРТ для выявления нейровоспаления и нейропротекции после черепно-мозговой травмы». Мозг, поведение и иммунитет. 64: 344–353. Дои:10.1016 / j.bbi.2017.04.019. ЧВК  5572149. PMID  28455264.
  15. ^ Бун Дж. М., Веласкес О., Черри С. Р. (июль 2004 г.). «Доза рентгеновского излучения мелких животных с помощью микро-КТ». Молекулярная визуализация. 3 (3): 149–58. Дои:10.1162/1535350042380326. PMID  15530250.
  16. ^ а б Шобер О., Рахбар К., Риман Б. (февраль 2009 г.). «Мультимодальная молекулярная визуализация - от описания цели до клинических исследований». Европейский журнал ядерной медицины и молекулярной визуализации. 36 (2): 302–14. Дои:10.1007 / s00259-008-1042-4. PMID  19130054. S2CID  25389532.
  17. ^ а б c Масуд Т.Ф., Гамбхир СС (март 2003 г.). «Молекулярная визуализация живых существ: взгляд на фундаментальные биологические процессы в новом свете». Гены и развитие. 17 (5): 545–80. Дои:10.1101 / gad.1047403. PMID  12629038.
  18. ^ Бикман Ф., Ван дер Хаве Ф. (февраль 2007 г.). «Пинхол: путь к трехмерной радионуклидной визуализации сверхвысокого разрешения». Европейский журнал ядерной медицины и молекулярной визуализации. 34 (2): 151–61. Дои:10.1007 / s00259-006-0248-6. PMID  17143647. S2CID  32330635.
  19. ^ Саджеди С., Зерааткар Н., Моджи В., Фарахани М. Х., Саркар С., Араби Н. и др. (Март 2014 г.). «Проектирование и разработка сканера SPECT для животных с высоким разрешением, предназначенного для визуализации крыс и мышей». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 741: 169–76. Bibcode:2014НИМПА.741..169С. Дои:10.1016 / j.nima.2014.01.001.
  20. ^ «Медицинские системы визуализации». Дизайн и разработка систем медицинской визуализации. Парто Негар Персия.
  21. ^ Магота К., Кубо Н., Куге Й, Нисидзима К., Чжао С., Тамаки Н. (апрель 2011 г.). «Характеристика характеристик доклинической системы ПЭТ / ОФЭКТ / КТ для мелких животных Inveon для мультимодальной визуализации». Европейский журнал ядерной медицины и молекулярной визуализации. 38 (4): 742–52. Дои:10.1007 / s00259-010-1683-у. HDL:2115/48719. PMID  21153410. S2CID  19890309.
  22. ^ ван дер Хаве Ф, Вастенхау Б., Рамакерс Р. М., Брандерхорст В., Крах Дж. О., Джи К., Стэленс С. Г., Бикман Ф. Дж. (апрель 2009 г.). «U-SPECT-II: устройство сверхвысокого разрешения для молекулярной визуализации мелких животных». Журнал ядерной медицины. 50 (4): 599–605. Дои:10.2967 / jnumed.108.056606. PMID  19289425.
  23. ^ Иващенко О, ван дер Хаве Ф, Горден М.С., Рамакерс Р.М., Бикман Ф.Дж. (март 2015 г.). «Сверхчувствительная субмиллиметровая мышь ОФЭКТ». Журнал ядерной медицины. 56 (3): 470–5. Дои:10.2967 / jnumed.114.147140. PMID  25678487.
  24. ^ Del Guerra A, Belcari N (декабрь 2007 г.). «Современные ПЭТ, ОФЭКТ и КТ для визуализации мелких животных». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 583 (1): 119–24. Bibcode:2007NIMPA.583..119D. Дои:10.1016 / j.nima.2007.08.187.
  25. ^ «Превосходные результаты: доклинические исследования улучшают понимание болезней»
  26. ^ а б Weissleder R, Mahmood U (май 2001 г.). «Молекулярная визуализация». Радиология. 219 (2): 316–33. Дои:10.1148 / радиология.219.2.r01ma19316. PMID  11323453.
  27. ^ а б Ковар Дж. Л., Симпсон М. А., Шутц-Гешвендер А., Олив Д. М. (август 2007 г.). «Системный подход к разработке флуоресцентных контрастных агентов для оптической визуализации моделей рака у мышей». Аналитическая биохимия. 367 (1): 1–12. Дои:10.1016 / j.ab.2007.04.011. PMID  17521598.
  28. ^ а б Adams KE, Ke S, Kwon S, Liang F, Fan Z, Lu Y, Hirschi K, Mawad ME, Barry MA, Sevick-Muraca EM (2007). «Сравнение видимых и возбуждаемых в ближнем инфракрасном диапазоне флуоресцентных красителей для молекулярной визуализации рака». Журнал биомедицинской оптики. 12 (2): 024017. Bibcode:2007JBO .... 12b4017A. Дои:10.1117/1.2717137. PMID  17477732.
  29. ^ Шу X, Роян А., Линь М.З., Агилера Т.А., Лев-Рам В., Штайнбах П.А., Цзянь Р.Й. (май 2009 г.). «Экспрессия млекопитающих инфракрасных флуоресцентных белков, созданных из бактериального фитохрома». Наука. 324 (5928): 804–7. Bibcode:2009Наука ... 324..804С. Дои:10.1126 / science.1168683. ЧВК  2763207. PMID  19423828.
  30. ^ Ковар Дж. Л., Джонсон М. А., Волчек В. М., Чен Дж., Симпсон М. А. (октябрь 2006 г.). «Экспрессия гиалуронидазы вызывает метастазирование опухоли предстательной железы в ортотопической модели мыши». Американский журнал патологии. 169 (4): 1415–26. Дои:10.2353 / ajpath.2006.060324. ЧВК  1698854. PMID  17003496.
  31. ^ а б c Родригес Е.А., Ван И, Крисп Дж. Л., Вера Д. Р., Цзянь Р., Тинг Р. (май 2016 г.). «Новая химия диоксаборолана делает возможным [(18) F] -излучающий позитрон, флуоресцентный [(18) F] -мультимодальный синтез биомолекул из твердой фазы». Биоконъюгат Химия. 27 (5): 1390–1399. Дои:10.1021 / acs.bioconjchem.6b00164. ЧВК  4916912. PMID  27064381.
  32. ^ а б c d Ван И, Ан Ф., Чан М., Фридман Б., Родригес Э. А., Цзян Р. Ю., Арас О., Тинг Р. (март 2017 г.). «18F-излучающие / флуоресцентно меченные эритроциты позволяют визуализировать внутреннее кровоизлияние в модели внутричерепного кровоизлияния у мышей». Журнал церебрального кровотока и метаболизма. 37 (3): 776–786. Дои:10.1177 / 0271678X16682510. ЧВК  5363488. PMID  28054494.
  33. ^ а б c d е ж Гуо Х., Харикришна К., Ведвяс Й., Макклоски Дж. Э., Чжан В., Чен Н., Нурили Ф., Ву А. П., Сайман Х. Б., Акин О., Родригес Е. А., Арас О., Джин М. М., Тинг Р. (май 2019 г.). «18F] -позитрон-испускающий агент для визуализации PMSA позволяет генетическую отчетность в адоптивно перенесенных генетически модифицированных клетках». ACS Химическая биология. 14 (7): 1449–1459. Дои:10.1021 / acschembio.9b00160. ЧВК  6775626. PMID  31120734.
  34. ^ Коммиди Х., Го Х., Нурили Ф., Ведвяс Й., Джин М.М., МакКлюр Т.Д. и др. (Май 2018). «18F-позитронно-излучающий / триметинцианин-флуоресцентный контраст для лечения рака простаты с визуализацией». Журнал медицинской химии. 61 (9): 4256–4262. Дои:10.1021 / acs.jmedchem.8b00240. ЧВК  6263152. PMID  29676909.
  35. ^ Цзянь Р.Ю. (сентябрь 2003 г.). «Представляя будущее визуализации». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. Дополнение: SS16-21. PMID  14587522.
  36. ^ Kommidi H, Tosi U, Maachani UB, Guo H, Marnell CS, Law B, Souweidane MM, Ting R (февраль 2018 г.). «18F-меченный радиоактивным изотопом панобиностат позволяет осуществлять доставку ингибитора гистон-деацетилазы под контролем позитронно-эмиссионной томографии». Письма о медицинской химии ACS. 9 (2): 114–119. Дои:10.1021 / acsmedchemlett.7b00471. ЧВК  5807872. PMID  29456798.
  37. ^ Ван М., Коммиди Х., Тоси У, Го Х, Чжоу З., Швейцер М.Э., Ву Л.Й., Сингх Р., Хоу С., Ло Б., Тинг Р., Суейдан М.М. (декабрь 2017 г.). «18 [F] -излучающий позитрон, флуоресцентное производное дазатиниба». Молекулярная терапия рака. 16 (12): 2902–2912. Дои:10.1158 / 1535-7163.MCT-17-0423. ЧВК  6287766. PMID  28978723.
  38. ^ Коммиди Х., Го Х., Чен Н., Ким Д., Хэ Б, Ву А. П., Арас О, Тинг Р. (2017). «18F] -излучающий позитрон флуоресцентный датчик спинномозговой жидкости для визуализации повреждений головного мозга и позвоночника». Тераностика. 7 (9): 2377–2391. Дои:10.7150 / thno.19408. ЧВК  5525743. PMID  28744321.
  39. ^ Коммиди Х., Го Х., Нурили Ф., Ведвяс Й., Джин М.М., МакКлюр Т.Д., Эдайе Б., Сайман Х.Б., Акин О, Арас О, Тинг Р. (май 2018 г.). «18F-позитронно-излучающий / триметинцианин-флуоресцентный контраст для лечения рака простаты с визуализацией». Журнал медицинской химии. 61 (9): 4256–4262. Дои:10.1021 / acs.jmedchem.8b00240. ЧВК  6263152. PMID  29676909.