stringtranslate.com

Доклиническая визуализация

Доклиническая визуализация — это визуализация живых животных для исследовательских целей, [1] таких как 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 или экологические изменения. Методы визуализации, которые являются неинвазивными и in vivo , стали особенно важными для изучения моделей животных в лонгитюдном режиме. В широком смысле эти системы визуализации можно разделить на в первую очередь морфологические/анатомические и в первую очередь молекулярные методы визуализации. [2] Такие методы, как высокочастотный микроультразвук, 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, объединяющие преимущества анатомических модальностей, 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/МР . [ необходима цитата ]

Микроультразвук

Принцип: Высокочастотный микроультразвук работает посредством генерации безвредных звуковых волн от преобразователей в живые системы. Когда звуковые волны распространяются через ткани, они отражаются обратно и улавливаются преобразователем, а затем могут быть переведены в 2D и 3D изображения. Микроультразвук специально разработан для исследований мелких животных с частотами в диапазоне от 15 МГц до 80 МГц. [3]

Сильные стороны: Микроультразвук является единственным методом визуализации в реальном времени, захватывающим данные со скоростью до 1000 кадров в секунду. Это означает, что он не только более чем способен визуализировать кровоток in vivo , но и может использоваться для изучения высокоскоростных событий, таких как кровоток и сердечная функция у мышей. Микроультразвуковые системы портативны, не требуют каких-либо специальных помещений и чрезвычайно экономичны по сравнению с другими системами. Он также не рискует исказить результаты из-за побочных эффектов радиации. В настоящее время возможна визуализация до 30 мкм, [3] что позволяет визуализировать крошечные сосуды при ангиогенезе рака . Для визуализации капилляров это разрешение может быть дополнительно увеличено до 3–5 мкм с помощью инъекции контрастных веществ с микропузырьками. Кроме того, микропузырьки могут быть сопряжены с маркерами, такими как активированные рецепторы гликопротеина IIb/IIIa (GPIIb/IIIa) на тромбоцитах и ​​сгустках, [4] α v β 3 интегрин, а также рецепторы фактора роста эндотелия сосудов (VEGFR), для обеспечения молекулярной визуализации. Таким образом, он способен на широкий спектр применений, которые могут быть достигнуты только с помощью двойных методов визуализации, таких как микро-МРТ/ПЭТ. Микроультразвуковые устройства обладают уникальными свойствами, относящимися к интерфейсу ультразвуковых исследований , где пользователи этих устройств получают доступ к необработанным данным, обычно недоступным для большинства коммерческих ультразвуковых (микро и немикро) систем.

Слабые стороны: В отличие от микро-МРТ, микро-КТ, микро-ПЭТ и микро-ОФЭКТ, микро-ультразвук имеет ограниченную глубину проникновения. С увеличением частоты (и разрешения) максимальная глубина визуализации уменьшается. Обычно микро-ультразвук может визуализировать ткани примерно на 3 см ниже кожи, и этого более чем достаточно для мелких животных, таких как мыши. Производительность ультразвуковой визуализации часто воспринимается как связанная с опытом и навыками оператора. Однако это быстро меняется, поскольку системы проектируются в удобные для пользователя устройства, которые дают высоковоспроизводимые результаты. Еще одним потенциальным недостатком микро-ультразвука является то, что целевые микропузырьковые контрастные вещества не могут диффундировать из сосудистой системы, даже в опухолях. Однако это может быть фактически выгодно для таких приложений, как перфузия опухолей и визуализация ангиогенеза.

Исследования рака: Достижения в области микроультразвука смогли помочь в исследовании рака множеством способов. Например, исследователи могут легко количественно оценить размер опухоли в двух и трех измерениях. Мало того, скорость и направление кровотока также можно наблюдать с помощью ультразвука. Кроме того, микроультразвук можно использовать для обнаружения и количественной оценки кардиотоксичности в ответ на противоопухолевую терапию, поскольку это единственный метод визуализации, который обеспечивает мгновенное получение изображения. Благодаря своей природе в реальном времени микроультразвук также может направлять микроинъекции лекарств, стволовых клеток и т. д. в мелких животных без необходимости хирургического вмешательства. Контрастные вещества можно вводить животному для выполнения перфузии опухоли в реальном времени и целевой молекулярной визуализации и количественной оценки биомаркеров . Недавно [ когда? ] было даже показано, что микроультразвук является эффективным методом доставки генов. [5]

Функциональная ультразвуковая томография головного мозга

В отличие от обычного микроультразвукового устройства с ограниченной чувствительностью к кровотоку, специализированные сверхбыстрые ультразвуковые сканеры реального времени с соответствующей последовательностью и обработкой, как было показано, способны улавливать очень тонкие гемодинамические изменения в мозге мелких животных в реальном времени. Затем эти данные можно использовать для вывода об активности нейронов через нейроваскулярное сопряжение. Метод функциональной ультразвуковой визуализации (фУЗИ) можно рассматривать как аналог функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). ФУЗИ можно использовать для ангиографии мозга, картирования функциональной активности мозга, функциональной связности мозга от мышей до приматов, включая бодрствующих животных.

Микро-ПАТ

Принцип: Фотоакустическая томография (PAT) работает на основе естественного явления термоупругого расширения тканей при стимуляции их внешними электромагнитными волнами, такими как короткие лазерные импульсы. Это заставляет эти ткани испускать ультразвуковые волны, которые затем могут быть захвачены ультразвуковым преобразователем. Термоупругое расширение и результирующая ультразвуковая волна зависят от длины волны используемого света. PAT обеспечивает полную неинвазивность при визуализации животного. Это особенно важно при работе с моделями опухолей мозга, [6] которые, как известно, трудно изучать.

Сильные стороны: Micro-PAT можно описать как метод визуализации, который применим в самых разных функциях. Он сочетает в себе высокую чувствительность оптической визуализации с высоким пространственным разрешением ультразвуковой визуализации. По этой причине он может не только визуализировать структуру, но и разделять различные типы тканей, изучать гемодинамические реакции и даже отслеживать молекулярные контрастные агенты, конъюгированные с определенными биологическими молекулами. Кроме того, он неинвазивен и может быть быстро выполнен, что делает его идеальным для продольных исследований одного и того же животного.

Слабые стороны: Поскольку микро-PAT все еще ограничен проникающей силой света и звука, он не имеет неограниченной глубины проникновения. Однако этого достаточно, чтобы пройти через череп крысы и получить изображение на глубину до нескольких сантиметров, что более чем достаточно для большинства исследований на животных. Еще одним недостатком микро-PAT является то, что он полагается на оптическое поглощение ткани для получения обратной связи, и, таким образом, плохо васкуляризированную ткань, такую ​​как простата, трудно визуализировать. [7] На сегодняшний день на рынке имеются 3 коммерчески доступные системы, а именно VisualSonics, iThera и Endra, причем последняя является единственной машиной, которая делает реальное получение 3D-изображений.

Исследования рака: изучение рака мозга значительно затруднено из-за отсутствия простого метода визуализации для изучения животных in vivo . Для этого часто требуется краниотомия , а также часы анестезии, искусственной вентиляции легких и т. д., что существенно изменяет экспериментальные параметры. По этой причине многие исследователи довольствуются тем, что приносят животных в жертву в разные моменты времени и изучают мозговую ткань традиционными гистологическими методами. По сравнению с продольным исследованием in vivo для получения значимых результатов требуется гораздо больше животных, и чувствительность всего эксперимента ставится под сомнение. Как было сказано ранее, проблема заключается не в нежелании исследователей использовать методы визуализации in vivo , а в отсутствии подходящих. Например, хотя оптическая визуализация обеспечивает быстрые функциональные данные и анализ окси- и дезоксигемоглобина [7] , она требует краниотомии и обеспечивает лишь несколько сотен микрометров глубины проникновения. Кроме того, она сосредоточена на одной области мозга, в то время как исследования, по-видимому, ясно показали, что функции мозга взаимосвязаны в целом. С другой стороны, микро - фМРТ чрезвычайно дорога и предлагает ужасное разрешение и время получения изображения при сканировании всего мозга. Он также дает мало информации о сосудистой системе. Было показано, что микро-ПАТ является значительным улучшением по сравнению с существующими устройствами нейровизуализации in vivo . Он быстрый, неинвазивный и обеспечивает множество выходных данных. Микро-ПАТ может визуализировать мозг с высоким пространственным разрешением, обнаруживать молекулярные контрастные агенты, одновременно количественно определять функциональные параметры, такие как SO2 и HbT, и предоставлять дополнительную информацию из функциональной и молекулярной визуализации, которая была бы чрезвычайно полезна для количественной оценки опухолей и клеточно-центрированного терапевтического анализа. [6]

Микро-МРТ

Принцип: Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует ядерно-магнитные выравнивания различных атомов внутри магнитного поля для создания изображений. Аппараты МРТ состоят из больших магнитов, которые генерируют магнитные поля вокруг объекта анализа. [8] Эти магнитные поля заставляют атомы с ненулевым спиновым квантовым числом, такие как водород, гадолиний и марганец, выстраиваться с магнитным диполем вдоль магнитного поля. Применяется радиочастотный (РЧ) сигнал, близко соответствующий частоте прецессии Лармора целевых ядер, нарушая выравнивание ядер с магнитным полем. После РЧ-импульса ядра расслабляются и испускают характерный РЧ-сигнал, который улавливается аппаратом. С помощью этих данных компьютер сгенерирует изображение субъекта на основе резонансных характеристик различных типов тканей.

Система доклинической МРТ-визуализации без криогена 7T – на фото представлена ​​серия MRS 7000

С 2012 года использование технологии магнитов без криогена значительно снизило требования к инфраструктуре и зависимость от доступности все более труднодоступных криогенных охладителей. [9]

Сильные стороны: Преимущество микро-МРТ в том, что она имеет хорошее пространственное разрешение, до 100 мкм и даже 25 мкм в очень сильных магнитных полях. Она также имеет превосходное контрастное разрешение для различения нормальных и патологических тканей. Микро-МРТ может использоваться в самых разных приложениях, включая анатомическую, функциональную и молекулярную визуализацию. Кроме того, поскольку механизм микро-МРТ основан на магнитном поле, она намного безопаснее по сравнению с методами визуализации на основе радиации, такими как микро-КТ и микро-ПЭТ.

Слабые стороны: одним из самых больших недостатков микро-МРТ является ее 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 более 6 миллионов долларов, при этом большинство систем стоят около 2 миллионов долларов. Кроме того, время получения изображения чрезвычайно велико, охватывая минуты и даже часы. Это может негативно повлиять на животных, которые находятся под анестезией в течение длительного периода времени. Кроме того, микро-МРТ обычно делает моментальный снимок объекта во времени, и, таким образом, не может хорошо изучать кровоток и другие процессы в реальном времени. Даже с учетом последних достижений в области функциональной микро-МРТ с высокой силой все еще существует задержка около 10–15 секунд для достижения пиковой интенсивности сигнала, [10] что 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. Связанные с антителами парамагнитные наночастицы также могут использоваться для повышения разрешения и визуализации молекулярной экспрессии в системе. [2]

Исследования инсульта и черепно-мозговых травм: Микро-МРТ часто используется для анатомической визуализации при исследовании инсульта и черепно-мозговых травм. Молекулярная визуализация — это новая область исследований. [11] [12]

Микро-КТ

Система микро-КТ
Объемная визуализация реконструированной КТ черепа мыши

Принцип: Компьютерная томография (КТ) работает с рентгеновскими лучами, которые испускаются из сфокусированного источника излучения, вращающегося вокруг испытуемого, помещенного в середину КТ-сканера. [2] Рентгеновские лучи ослабляются с разной скоростью в зависимости от плотности ткани, через которую они проходят, а затем улавливаются датчиками на противоположном конце КТ-сканера от источника излучения. В отличие от традиционной двумерной рентгенографии, поскольку источник излучения в КТ-сканере вращается вокруг животного, серия двумерных изображений затем может быть объединена в трехмерные структуры с помощью компьютера.

Сильные стороны: Микро-КТ может иметь превосходное 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 микро-КТ. Он также пригоден с точки зрения времени получения изображения, которое может составлять несколько минут для мелких животных. [8] Кроме того, микро-КТ отлично подходит для визуализации костей.

Слабые стороны: Одним из главных недостатков микро-КТ является доза облучения , применяемая к подопытным животным. Хотя она, как правило, не смертельна, облучение достаточно высоко, чтобы повлиять на иммунную систему и другие биологические пути, что в конечном итоге может изменить экспериментальные результаты. [13] Кроме того, облучение может влиять на размер опухоли в моделях рака, поскольку оно имитирует радиотерапию , и, таким образом, могут потребоваться дополнительные контрольные группы для учета этой потенциальной смешивающей переменной . Кроме того, контрастное разрешение микро-КТ довольно плохое, и, таким образом, оно не подходит для различения похожих типов тканей, таких как нормальные и больные ткани.

Исследования рака: Микро-КТ чаще всего используется как система анатомической визуализации в исследованиях животных из-за преимуществ, которые были упомянуты ранее. Контрастные вещества также могут вводиться для изучения 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. [14]

Микро-ПЭТ

Принцип: Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) визуализирует живые системы, регистрируя высокоэнергетические γ-лучи, испускаемые изнутри субъекта. [15] Источником излучения являются биологические молекулы, излучающие позитроны, такие как 18F-ФДГ (фтордезоксиглюкоза), которая вводится в испытуемого. По мере распада радиоизотопов они испускают позитроны, которые аннигилируют с электронами, естественным образом присутствующими в организме. Это производит 2 γ-луча под углом ~180° друг к другу, которые улавливаются датчиками на противоположных концах аппарата ПЭТ. Это позволяет локализовать отдельные события эмиссии внутри тела, а набор данных реконструируется для создания изображений.

Сильные стороны: сила микро-ПЭТ в том, что, поскольку источник излучения находится внутри животного, он имеет практически неограниченную глубину визуализации. Время получения также достаточно быстрое, обычно около минут. Поскольку разные ткани имеют разные скорости поглощения радиоактивно меченых молекулярных зондов, микро-ПЭТ также чрезвычайно чувствителен к молекулярным деталям, и, таким образом, для визуализации необходимы только нанограммы молекулярных зондов. [15]

Слабые стороны: Радиоактивные изотопы, используемые в микро-ПЭТ, имеют очень короткий период полураспада (110 мин для 18F-ФДГ). Для того, чтобы генерировать эти изотопы, циклотроны в радиохимических лабораториях должны находиться в непосредственной близости от микро-ПЭТ-машин. Кроме того, излучение может влиять на размер опухоли в моделях рака, поскольку оно имитирует радиотерапию, и, таким образом, могут потребоваться дополнительные контрольные группы для учета этой потенциальной искажающей переменной. Микро-ПЭТ также имеет плохое пространственное разрешение около 1 мм. Для того, чтобы провести всестороннее исследование, которое включает не только молекулярную визуализацию, но и анатомическую визуализацию, микро-ПЭТ необходимо использовать в сочетании с микро-МРТ или микро-КТ, что еще больше снижает доступность для многих исследователей из-за высокой стоимости и специализированного оборудования.

Исследования рака: ПЭТ обычно широко используется в клинической онкологии, и поэтому результаты исследований на мелких животных легко переносятся. Из-за того, как 18F-ФДГ метаболизируется тканями, он приводит к интенсивной радиоактивной маркировке большинства видов рака, таких как опухоли мозга и печени. Практически любое биологическое соединение можно отследить с помощью микроПЭТ, если его можно конъюгировать с радиоизотопом, что делает его пригодным для изучения новых путей.

Микро-SPECT

Сканирование SPECT мыши с высоким разрешением 99m Tc-MDP: анимированное изображение вращающихся проекций максимальной интенсивности.

Принцип: Подобно ПЭТ, однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT) также визуализирует живые системы посредством γ-лучей , испускаемых изнутри субъекта. В отличие от ПЭТ, радиоизотопы, используемые в SPECT (например, технеций-99m ), испускают γ-лучи напрямую [8] , а не в результате аннигиляции позитрона и электрона. Затем эти лучи захватываются γ-камерой, вращающейся вокруг субъекта, и впоследствии преобразуются в изображения.

Сильные стороны: Преимущество этого подхода в том, что ядерные изотопы гораздо более доступны, дешевле и имеют более длительный период полураспада по сравнению с изотопами микро-ПЭТ. Как и микро-ПЭТ, микро-SPECT также имеет очень хорошую чувствительность, и требуются только нанограммы молекулярных зондов. [15] Кроме того, используя различные энергетические радиоизотопы, сопряженные с различными молекулярными мишенями, микро-SPECT имеет преимущество перед микро-ПЭТ в том, что может одновременно отображать несколько молекулярных событий. В то же время, в отличие от микро-ПЭТ, микро-SPECT может достигать очень высокого пространственного разрешения, исследуя принцип коллимации точечного отверстия (Бикман и др.) [16] В этом подходе, помещая объект (например, грызуна) близко к отверстию точечного отверстия, можно достичь большого увеличения его проекции на поверхность детектора и эффективно компенсировать собственное разрешение кристалла.

Слабые стороны: Микро-SPECT все еще имеет значительное излучение, которое может повлиять на физиологические и иммунологические пути у мелких животных. Кроме того, излучение может повлиять на размер опухоли в моделях рака, поскольку оно имитирует радиотерапию , и, таким образом, могут потребоваться дополнительные контрольные группы для учета этой потенциальной смешивающей переменной . Микро-SPECT также может быть на два порядка менее чувствительным, чем ПЭТ. [2] Кроме того, маркировка соединений изотопами микро-SPECT требует хелатирующих молярностей, которые могут изменить их биохимические или физические свойства.

Исследования рака: Микро-SPECT часто используется в исследованиях рака для молекулярной визуализации лигандов, специфичных для рака. Его также можно использовать для визуализации мозга из-за его проникающей способности. Поскольку новые радиоизотопы включают наночастицы, такие как наночастицы оксида железа, меченые 99mTC , в будущем их можно будет потенциально объединить с системами доставки лекарств. [14]

Следующие системы SPECT для мелких животных были разработаны в разных группах и доступны на рынке:

Комбинированный ПЭТ-МР

На изображении показана 3-тетратурная доклиническая система МРТ-мультимодальной визуализации с прикрепляемым ПЭТ-сканером для последовательной визуализации.

Принцип: Технология ПЭТ-МР для визуализации мелких животных предлагает большой прорыв в технологии высокопроизводительной функциональной визуализации, особенно в сочетании с системой МРТ без криогена. Система ПЭТ-МР обеспечивает превосходную контрастность мягких тканей и молекулярную визуализацию для отличной визуализации, количественной оценки и трансляционных исследований. Доклиническая система ПЭТ-МР может использоваться для одновременной мультимодальной визуализации. Использование технологии магнитов без криогена также значительно снижает требования к инфраструктуре и зависимость от доступности все более труднодоступных криогенных охладителей.

Сильные стороны: Исследователи могут использовать автономную работу ПЭТ или МРТ или использовать мультимодальную визуализацию. Методы ПЭТ и МРТ могут выполняться как независимо (используя либо системы ПЭТ, либо МРТ в качестве автономных устройств), так и последовательно (с прикрепляемым ПЭТ) перед отверстием системы МРТ или одновременно (с ПЭТ, вставленным внутрь магнита МРТ). Это обеспечивает гораздо более точную картину гораздо быстрее. При одновременной работе систем ПЭТ и МРТ рабочий процесс в лаборатории может быть увеличен. Система МР-ПЭТ от MR Solutions включает в себя новейшую технологию кремниевых фотоумножителей (SiPM), что значительно уменьшает размер системы и позволяет избежать проблем использования фотоумножителей или других устаревших типов детекторов в магнитном поле МРТ. Характеристики производительности SiPM аналогичны обычным ФЭУ, но с практическими преимуществами твердотельной технологии.

Слабые стороны: поскольку это комбинация систем визуализации, недостатки, связанные с каждой модальностью визуализации, в значительной степени компенсируются другой. В последовательной ПЭТ-МР оператору необходимо выделить немного времени для перемещения объекта между позициями получения ПЭТ и МР. Этого нет в одновременной ПЭТ-МР. Однако в последовательных системах ПЭТ-МР само кольцо ПЭТ легко прикреплять или отсоединять и переносить между комнатами для независимого использования. Исследователю требуются достаточные знания для интерпретации изображений и данных из двух разных систем, и для этого потребуется обучение.

Исследования рака: Сочетание МРТ и ПЭТ-визуализации гораздо более эффективно по времени, чем использование одной техники за раз. Изображения от двух модальностей также могут быть зарегистрированы гораздо точнее, поскольку временная задержка между модальностями ограничена для последовательных систем ПЭТ-МР и фактически отсутствует для одновременных систем. Это означает, что практически нет возможности для грубого перемещения субъекта между получением изображений.

Комбинированная ОФЭКТ-МР

Система доклинической визуализации с насадкой SPECT

Принцип: Новый SPECT-MR для визуализации мелких животных основан на технологии многоточечных отверстий, что обеспечивает высокое разрешение и высокую чувствительность. В сочетании с безкриогенной МРТ комбинированная технология SPECT-MR значительно увеличивает рабочий процесс в исследовательских лабораториях, одновременно снижая требования к лабораторной инфраструктуре и уязвимость к поставкам криогена. [23]

Сильные стороны: Исследовательским учреждениям больше не нужно приобретать несколько систем, и они могут выбирать между различными конфигурациями системной визуализации. Оборудование SPECT или МРТ может использоваться как автономное устройство на столе, или последовательная визуализация может быть выполнена путем прикрепления модуля SPECT к системе МРТ. Животное автоматически перемещается из одной модальности в другую вдоль той же оси. Вставив модуль SPECT в магнит МРТ, можно одновременно получать данные SPECT и МРТ. Рабочий процесс лаборатории можно увеличить, получив несколько модальностей одного и того же объекта за один сеанс или задействовав системы SPECT и МРТ по отдельности, одновременно визуализируя разных субъектов. SPECT-MR доступен в различных конфигурациях с различным трансаксиальным полем зрения, что позволяет получать изображения от мышей до крыс.

Слабые стороны: Поскольку это комбинация систем визуализации, слабые стороны, связанные с одним или другим методом визуализации, больше не применимы. При последовательной SPECT-MR оператору необходимо немного времени для перемещения объекта между позициями получения SPECT и MR. Этого нет при одновременной SPECT-MR. Однако при последовательной SPECT-MR, когда модуль SPECT закреплен, его легко прикрепить или отсоединить и переместить между комнатами. Исследователь должен обладать достаточными знаниями для интерпретации двух разных выходных данных системы и для этого потребуется обучение.

Исследования рака: сочетание МРТ, которая используется как неинвазивный метод визуализации, и SPECT дает результаты гораздо быстрее по сравнению с использованием одного метода за раз. Изображения от двух модальностей также могут быть зарегистрированы гораздо точнее, поскольку временная задержка между модальностями ограничена для последовательных систем SPECT-MR и фактически отсутствует для одновременных систем. Это означает, что практически нет возможности для грубого перемещения субъекта между получением изображений. При раздельной, независимой работе систем МРТ и SPECT рабочий процесс может быть легко увеличен.

Оптическое изображение

Принцип: Оптическая визуализация делится на флуоресценцию и биолюминесценцию .

Сильные стороны: Оптическая визуализация быстра и проста в исполнении, и относительно недорога по сравнению со многими другими методами визуализации. Кроме того, она чрезвычайно чувствительна, поскольку способна обнаруживать молекулярные события в диапазоне 10–15 М. Кроме того, поскольку биолюминесцентная визуализация не требует возбуждения репортера, а требует самой реакции катализа, она является показателем биологического/молекулярного процесса и практически не имеет фонового шума. [8]

Слабые стороны: Главной слабостью оптической визуализации была глубина проникновения, которая в случае видимых красителей составляет всего несколько миллиметров. Флуоресценция в ближнем инфракрасном диапазоне позволила достичь глубины в несколько сантиметров. [24] [25] Поскольку свет в инфракрасном диапазоне имеет наилучшую глубину проникновения, многочисленные флуорохромы были специально разработаны для оптимального возбуждения в этой области. [26] 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 при 100 мкм и микроультразвуком при 30 мкм.

Исследования рака: из-за плохой глубины проникновения оптическая визуализация обычно используется только для молекулярных целей, а не для анатомической визуализации. Из-за плохой глубины проникновения в видимых длинах волн она используется для подкожных моделей рака, однако флуоресценция в ближнем инфракрасном диапазоне сделала возможными ортотопические модели. [28] Часто исследование экспрессии специфического белка при раке и воздействие лекарств на эти экспрессии изучаются in vivo с помощью генно-инженерных светоизлучающих репортерных генов. [2] Это также позволяет идентифицировать механизмы тканеселективного нацеливания генов при раке и за его пределами. [29]

Комбинированная ПЭТ-оптическая визуализация, флуоресценция

Многоцветная флуоресцентная визуализация живых клеток HeLa с маркированными митохондриями (красный), актином (зеленый) и ядрами (синий). Каждая клетка имеет размер ~10 мкм, а изображения показывают, что оптическая визуализация допускает разрешение ≤1 мкм.

Принцип: Химия диоксаборолана позволяет маркировать радиоактивным фторидом ( 18 F ) антитела [30] или эритроциты , [31], что позволяет проводить позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) и флуоресцентную визуализацию рака [32] [33] и кровоизлияний , [31] соответственно. Человеческая, генетическая, позитронно-эмиссионная и флуоресцентная (HD-GPF) репортерная система использует человеческий белок, PSMA и неиммуногенный, и небольшую молекулу, которая является позитронно-эмиссионной (связанный с бором 18 F ) и флуоресцентной для двухмодальной ПЭТ и флуоресцентной визуализации геномно-модифицированных клеток, например, раковых , CRISPR/Cas9 или CAR T -клеток, у целой мыши. [32] Объединение этих методов визуализации было предсказано лауреатом Нобелевской премии 2008 года Роджером Й. Циэнем , чтобы компенсировать недостатки отдельных методов визуализации. [34]

Сильные стороны: Сочетает сильные стороны ПЭТ и оптической визуализации , флуоресценции . ПЭТ позволяет проводить анатомическую визуализацию для определения местоположения меченых клеток в целых животных или людях, поскольку радиоактивная метка 18F находится внутри животного или человека на практически неограниченной глубине проникновения. 18F имеет период полураспада 110 мин и ограничивает радиоактивное воздействие на животное или человека. Оптическая визуализация обеспечивает более высокое разрешение с субклеточным разрешением ~270 нм или дифракционным пределом света, что позволяет визуализировать отдельные клетки и локализовать местоположение клеток на клеточной мембране, эндосомах, цитоплазме или ядрах (см. РИСУНОК многоцветных клеток HeLa). Метод позволяет маркировать малые молекулы, [32] [35] [36] антитела , [30] клетки ( раковые [30] [32] и эритроциты [31] ), спинномозговую жидкость , [37] кровоизлияния , [31] удаление рака простаты , [32] [38] и отредактированные геномом клетки, экспрессирующие генетически кодируемый человеческий белок PSMA , для визуализации отредактированных CRISPR/Cas9 и CAR T-клеток . [32]

Слабые стороны: Сочетание ПЭТ и оптической визуализации позволяет использовать два визуализирующих агента, которые компенсируют слабость других. 18F имеет период полураспада 110 мин, а сигнал ПЭТ не является постоянным. Флуоресцентные малые молекулы обеспечивают постоянный сигнал, если хранятся в темноте и не подвергаются фотообесцвечиванию . В настоящее время не существует ни одного прибора, который может визуализировать сигнал ПЭТ и отображать флуоресценцию с субклеточным разрешением (см. Рисунок многоцветных клеток HeLa). Для визуализации ПЭТ, флуоресценции целого органа и флуоресценции отдельной клетки с субклеточным разрешением требуется несколько приборов.

Ссылки

  1. ^ Kiessling F, Pichler BJ (2011). Визуализация мелких животных: основы и практическое руководство (1-е изд.). Springer. ISBN 978-3-642-12944-5.
  2. ^ abcdefg Willmann JK, van Bruggen N, Dinkelborg LM, Gambhir SS (июль 2008 г.). «Молекулярная визуализация в разработке лекарств». Nature Reviews. Drug Discovery . 7 (7): 591–607. doi :10.1038/nrd2290. PMID  18591980. S2CID  37571813.
  3. ^ ab Foster FS, Mehi J, Lukacs M, Hirson D, White C, Chaggares C, Needles A (октябрь 2009 г.). «Новый микроультразвуковой сканер на основе матрицы 15–50 МГц для доклинической визуализации». Ультразвук в медицине и биологии . 35 (10): 1700–8. doi :10.1016/j.ultrasmedbio.2009.04.012. PMID  19647922.
  4. ^ Wang X, Hagemeyer CE, Hohmann JD, Leitner E, Armstrong PC, Jia F, Olschewski M, Needles A, Peter K, Ahrens I (июнь 2012 г.). «Новые микропузырьки с одноцепочечными антителами для молекулярной ультразвуковой визуализации тромбоза: валидация уникального неинвазивного метода быстрого и чувствительного обнаружения тромбов и мониторинга успеха или неудачи тромболизиса у мышей». Circulation . 125 (25): 3117–26. doi : 10.1161/CIRCULATIONAHA.111.030312 . PMID  22647975.
  5. ^ Deng CX, Sieling F, Pan H, Cui J (апрель 2004 г.). «Пористость клеточной мембраны, вызванная ультразвуком». Ультразвук в медицине и биологии . 30 (4): 519–26. doi :10.1016/j.ultrasmedbio.2004.01.005. PMID  15121254.
  6. ^ ab Li ML, Oh JT, Xie X, Ku G, Wang W, Li C, Lungu G, Stoica G, Wang LV (март 2008 г.). «Одновременная молекулярная и гипоксическая визуализация опухолей мозга in vivo с использованием спектроскопической фотоакустической томографии» (PDF) . Proc IEEE . 96 (3): 481–9. doi :10.1109/JPROC.2007.913515. S2CID  1815688.
  7. ^ ab Wang X, Fowlkes JB, Carson PL (2008). "Экспериментальная оценка высокоскоростной фотоакустической томографической системы на базе коммерческого ультразвукового устройства". Симпозиум IEEE по ультразвуку 2008 г. С. 1234–7. doi :10.1109/ULTSYM.2008.0298. ISBN 978-1-4244-2428-3. S2CID  42410198. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  8. ^ abcd Koo V, Hamilton PW, Williamson K (2006). «Неинвазивная in vivo визуализация в исследованиях мелких животных». Cellular Oncology . 28 (4): 127–39. doi : 10.1155/2006/245619 . PMC 4617494. PMID  16988468 . 
  9. ^ «Дорогая, я уменьшил магнит: доклиническая 7-Т МРТ работает без криогена»
  10. ^ van der Zwaag W, Francis S, Head K, Peters A, Gowland P, Morris P, Bowtell R (октябрь 2009 г.). "фМРТ при 1,5, 3 и 7 Т: характеристика изменений сигнала BOLD". NeuroImage . 47 (4): 1425–34. doi :10.1016/j.neuroimage.2009.05.015. PMID  19446641. S2CID  20246002.
  11. ^ Wang M, Hong X, Chang CF, Li Q, Ma B, Zhang H и др. (июль 2015 г.). «Одновременное обнаружение и разделение гиперострого внутримозгового кровоизлияния и церебральной ишемии с использованием амидной протонной МРТ». Магнитный резонанс в медицине . 74 (1): 42–50. doi :10.1002/mrm.25690. PMC 4608848. PMID  25879165. 
  12. ^ 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 обнаружения нейровоспаления и нейропротекции после травматического повреждения мозга». Мозг, поведение и иммунитет . 64 : 344–353. doi :10.1016/j.bbi.2017.04.019. PMC 5572149. PMID  28455264 . 
  13. ^ Boone JM, Velazquez O, Cherry SR (июль 2004 г.). «Доза рентгеновского излучения для мелких животных от микро-КТ». Molecular Imaging . 3 (3): 149–58. doi :10.1162/1535350042380326. PMID  15530250.
  14. ^ ab Schober O, Rahbar K, Riemann B (февраль 2009 г.). «Мультимодальная молекулярная визуализация — от описания цели до клинических исследований». European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging . 36 (2): 302–14. doi :10.1007/s00259-008-1042-4. PMID  19130054. S2CID  25389532.
  15. ^ abc Massoud TF, Gambhir SS (март 2003 г.). «Молекулярная визуализация живых субъектов: видение фундаментальных биологических процессов в новом свете». Genes & Development . 17 (5): 545–80. doi : 10.1101/gad.1047403 . PMID  12629038.
  16. ^ Beekman F, van der Have F (февраль 2007 г.). «Пинхол: шлюз к сверхвысокоразрешающей трехмерной радионуклидной визуализации». European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging . 34 (2): 151–61. doi :10.1007/s00259-006-0248-6. PMID  17143647. S2CID  32330635.
  17. ^ Sajedi S, Zeraatkar N, Moji V, Farahani MH, Sarkar S, Arabi H, et al. (март 2014 г.). «Проектирование и разработка высокоразрешающего сканера SPECT для животных, предназначенного для визуализации крыс и мышей». Ядерные приборы и методы в исследованиях физики, раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 741 : 169–76. Bibcode : 2014NIMPA.741..169S. doi : 10.1016/j.nima.2014.01.001.
  18. ^ "Системы медицинской визуализации". Проектирование и разработка систем медицинской визуализации . Parto Negar Persia.
  19. ^ Magota K, Kubo N, Kuge Y, Nishijima K, Zhao S, Tamaki N (апрель 2011 г.). «Характеристика производительности системы Inveon preclinical small-animal PET/SPECT/CT для мультимодальной визуализации». European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging . 38 (4): 742–52. doi :10.1007/s00259-010-1683-y. hdl : 2115/48719 . PMID  21153410. S2CID  19890309.
  20. ^ van der Have F, Vastenhouw B, Ramakers RM, Branderhorst W, Krah JO, Ji C, Staelens SG, Beekman FJ (апрель 2009 г.). "U-SPECT-II: устройство сверхвысокого разрешения для молекулярной визуализации мелких животных". Журнал ядерной медицины . 50 (4): 599–605. doi : 10.2967/jnumed.108.056606 . PMID  19289425.
  21. ^ Иващенко О., ван дер Хаве Ф., Гурден М.К., Рамакерс Р.М., Бикман Ф.Дж. (март 2015 г.). «Сверхчувствительная субмиллиметровая мышиная SPECT». Журнал ядерной медицины . 56 (3): 470–5. doi : 10.2967/jnumed.114.147140 . PMID  25678487.
  22. ^ Del Guerra A, Belcari N (декабрь 2007 г.). «Современные технологии ПЭТ, ОФЭКТ и КТ для визуализации мелких животных». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 583 (1): 119–24. Bibcode : 2007NIMPA.583..119D. doi : 10.1016/j.nima.2007.08.187.
  23. ^ «Увеличение результатов: доклинические технологии способствуют пониманию болезней»
  24. ^ ab Weissleder R, Mahmood U (май 2001 г.). «Молекулярная визуализация». Радиология . 219 (2): 316–33. doi :10.1148/radiology.219.2.r01ma19316. PMID  11323453.
  25. ^ ab Kovar JL, Simpson MA, Schutz-Geschwender A, Olive DM (август 2007 г.). «Систематический подход к разработке флуоресцентных контрастных агентов для оптической визуализации моделей рака у мышей». Аналитическая биохимия . 367 (1): 1–12. doi :10.1016/j.ab.2007.04.011. PMID  17521598. S2CID  16426577.
  26. ^ ab Adams KE, Ke S, Kwon S, Liang F, Fan Z, Lu Y, Hirschi K, Mawad ME, Barry MA, Sevick-Muraca EM (2007). "Сравнение флуоресцентных красителей, возбуждаемых видимым и ближним инфракрасным диапазоном волн, для молекулярной визуализации рака". Journal of Biomedical Optics . 12 (2): 024017. Bibcode :2007JBO....12b4017A. doi : 10.1117/1.2717137 . PMID  17477732. S2CID  39806507.
  27. ^ Shu X, Royant A, Lin MZ, Aguilera TA, Lev-Ram V, Steinbach PA, Tsien RY (май 2009). "Экспрессия инфракрасных флуоресцентных белков млекопитающих, сконструированных из бактериального фитохрома". Science . 324 (5928): 804–7. Bibcode :2009Sci...324..804S. doi :10.1126/science.1168683. PMC 2763207 . PMID  19423828. 
  28. ^ Kovar JL, Johnson MA, Volcheck WM, Chen J, Simpson MA (октябрь 2006 г.). «Экспрессия гиалуронидазы индуцирует метастазы опухоли простаты в ортотопической мышиной модели». The American Journal of Pathology . 169 (4): 1415–26. doi :10.2353/ajpath.2006.060324. PMC 1698854. PMID 17003496  . 
  29. ^ Nourse J, Tokalov S, Kohkhar S, Khan E, Schott LK, Hinz L, Eder L, Arnold-Schild D, Probst HC, Danckwardt S (2021). «Неинвазивная визуализация экспрессии генов и динамики секреции белков у живых мышей». bioRxiv 10.1101/2021.07.08.451623 . 
  30. ^ abc Rodriguez EA, Wang Y, Crisp JL, Vera DR, Tsien RY, Ting R (май 2016 г.). «Новая химия диоксаборолана позволяет получать [(18)F]-позитронно-излучающую, флуоресцентную [(18)F]-мультимодальность биомолекулу из твердой фазы». Bioconjugate Chemistry . 27 (5): 1390–1399. doi :10.1021/acs.bioconjchem.6b00164. PMC 4916912 . PMID  27064381. 
  31. ^ abcd Wang Y, An FF, Chan M, Friedman B, Rodriguez EA, Tsien RY, Aras O, Ting R (март 2017 г.). «18F-позитронно-излучающие/флуоресцентно меченые эритроциты позволяют визуализировать внутреннее кровоизлияние в модели внутричерепного кровоизлияния у мышей». Журнал мозгового кровотока и метаболизма . 37 (3): 776–786. doi :10.1177/0271678X16682510. PMC 5363488. PMID  28054494 . 
  32. ^ abcdef 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 (май 2019 г.). "18F]-позитрон-излучающий агент для визуализации PMSA позволяет осуществлять генетическую отчетность в адаптивно переданных, генетически модифицированных клетках". ACS Chemical Biology . 14 (7): 1449–1459. doi :10.1021/acschembio.9b00160. PMC 6775626 . PMID  31120734. 
  33. ^ Kommidi H, Guo H, Nurili F, Vedvyas Y, Jin MM, McClure TD и др. (май 2018 г.). «18F-позитронное излучение/триметин цианин-флуоресцентный контраст для лечения рака простаты с визуальным контролем». Журнал медицинской химии . 61 (9): 4256–4262. doi :10.1021/acs.jmedchem.8b00240. PMC 6263152. PMID  29676909 . 
  34. ^ Tsien RY (сентябрь 2003 г.). «Воображая будущее визуализации». Nature Reviews. Молекулярная клеточная биология . Приложение: SS16-21. PMID  14587522.
  35. ^ Kommidi H, Tosi U, Maachani UB, Guo H, Marnell CS, Law B, Souweidane MM, Ting R (февраль 2018 г.). «18F-меченый панобиностат позволяет осуществлять доставку ингибитора гистондеацетилазы под контролем позитронной эмиссионной томографии». ACS Medicinal Chemistry Letters . 9 (2): 114–119. doi :10.1021/acsmedchemlett.7b00471. PMC 5807872. PMID  29456798 . 
  36. ^ Wang M, Kommidi H, Tosi U, Guo H, Zhou Z, Schweitzer ME, Wu LY, Singh R, Hou S, Law B, Ting R, Souweidane MM (декабрь 2017 г.). "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. 
  37. ^ Kommidi H, Guo H, Chen N, Kim D, He B, Wu AP, Aras O, Ting R (2017). "18F]-позитронно-излучающий флуоресцентный зонд спинномозговой жидкости для визуализации повреждений мозга и позвоночника". Theranostics . 7 (9): 2377–2391. doi :10.7150/thno.19408. PMC 5525743 . PMID  28744321. 
  38. ^ Kommidi H, Guo H, Nurili F, Vedvyas Y, Jin MM, McClure TD, Ehdaie B, Sayman HB, Akin O, Aras O, Ting R (май 2018 г.). «18F-позитронно-излучающий/триметинцианин-флуоресцентный контраст для лечения рака простаты под контролем изображений». Журнал медицинской химии . 61 (9): 4256–4262. doi :10.1021/acs.jmedchem.8b00240. PMC 6263152. PMID  29676909 .