상염색체 열성 다낭성 신장 질환(ARPKD)에 대한 신장 질환 진행의 다중 매개변수 MRI: 마우스 모델 및 초기 환자 결과

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소개

상염색체 열성 다낭성 신장병(ARPKD)는 약 1/20,{2}} 어린이(1,2)에게 영향을 미치는 드물지만 치명적일 수 있고 빠르게 진행되는 유전 질환입니다.ARPKD일반적으로 집합 세뇨관의 확장으로 인한 미만성 신장 미세낭포가 특징입니다(2). ARPKD신장 질환 진행결과적으로 어린 나이에 신장 기능이 저하됩니다. 70%의 환자 중ARPKD신생아기를 통해 생존하는 경우(3), 40%가 말기까지 진행신장15세(1,3)까지 질병(ESRD). 중요한 것은 현재로서는 다음과 같은 환자를 위한 특정 질병 치료법이 없다는 것입니다.ARPKD신장 이식 및 투석을 넘어서(1,2,4). 그 결과 만성질환의 임상적 관리는신장병(CKD) 및 그 합병증은 다음이 있는 환자의 주요 치료 옵션으로 남아 있습니다.ARPKD (1,2,4).

최근 몇 가지 새로운 치료법이 개선되는 것으로 나타났습니다.신장병동물 모델에서ARPKD및 기타 관련 섬모병증(1,5-9). 그러나 ARPKD 환자에 대한 임상 시험을 시행하기 위한 주요 장애물은 ARPKD에 대한 민감한 측정이 없다는 것입니다.신장 질환 진행및/또는 치료 효능(1,4). 불행히도 혈청 크레아티닌은 어린이의 나이에 따라 자연적으로 증가합니다(10,11). 또한 eGFR은 특히 초기 단계 질병에 대해 상대적으로 둔감하며 신장 손상의 심각성을 정확하게 반영하지 못할 수 있습니다(10,11). 또한, 다음과 같은 많은 희귀 질환에서ARPKD, 시간이 지남에 따라 GFR 감소 비율에 상당한 변동이 있습니다. 사전 연구 조사신장 질환 진행ARPKD 환자에서 GFR 감소 비율은 비교적 완만했고 환자 모집단 전체에 걸쳐 매우 다양했습니다(평균 6%/년, 범위 1-10%/년)(12). 따라서, 에 대한 안전하고 민감한 조치를 개발할 임상적 필요가 존재합니다.신장 질환 진행, 그리고 궁극적으로 치료 효능이 있는 환자들에게ARPKD.

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자기 공명 영상(MRI)은 환자와 동물 모델 모두에서 고해상도 신장 영상을 제공하는 데 사용할 수 있습니다. 중요한 것은 MRI가 이온화 방사선이나 주사 가능한 조영제를 필요로 하지 않는 다양한 연조직 조영제와 함께 이미지를 제공할 수 있다는 것입니다(13). 총 신장 용적(TKV)의 MRI 평가는 이미신장 질환 진행상염색체 우성 PKD(ADPKD) 환자에서. 불행히도 ADPKD와 달리 TKV는ARPKD신장 크기는 시간이 지남에 따라 정상으로 안정화되기 때문에 신뢰할 수 있는 질병 표지자가 아닙니다.신장실질은 소낭으로 대체됩니다(1,14). 지난 10년 동안 확산 MRI, 동맥 스핀 라벨링(ASL) 및 MRI 이완 측정법(즉, T1 및 T2 매핑)과 같은 정량적 MRI 기술이 신장 미세 구조, 산소 공급, 관류 및 조직 구성의 변화를 비침습적으로 평가하는 데 사용되었습니다. 다양한 급성 및 만성에 대한신장 질환.그러나 이러한 정량적 MRI 기술의 대부분은 동물 모델이나 다음과 같은 환자에서 철저히 평가되지 않았습니다.ARPKD(1,15-19). ARPKD의 PCK 쥐 모델에 대한 초기 작업에서 T{3}}가중 MRI가신장진행성 낭성으로 인한 낭성 부담신장병(1). 그러나 낭포성신장 질환 진행PCK 쥐에서 주로신장거대낭종. 이러한 거대낭포는 ARPKD에서 인간의 전형적인 확산성 신장 미세낭포와 극명한 대조를 이룹니다.신장병. 따라서 현재 연구에서 우리는 확산을 나타내는 bpk 마우스 모델에서 생체 외 신장에서 신장 진행을 평가하기 위해 T1 및 T2 MRI의 기능을 평가하려고 했습니다.신장인간과 일치하는 낭종ARPKD 신장병,(9,20-22) 신장 T1 및 T2 MRI 지도가 진행성 ARPKD와 관련된 낭성 변화에 대한 민감한 평가를 제공할 것이라는 전반적인 가설과 함께신장병. 이 연구의 두 번째 단계에서 우리는 다음 환자에서 초기 생체 내 신장 T1 및 T2 평가를 얻었습니다.ARPKD새로운 MRF(Magnetic Resonance Fingerprinting) 기술을 사용하여 전임상 결과와 비교하기 위한 건강한 지원자.

키워드:신장병,신장, 상염색체 열성 다낭성 신장 질환, ARPKD, 신장 기능, 신장 질환 진행

행동 양식

전임상 MRI 평가

동물 모델—모든 연구는 Cleveland Clinic 및 Case Western Reserve University에서 승인된 기관 동물 관리 및 사용 위원회 프로토콜에 따라 수행되었습니다. Bpk 마우스 새끼를 8(n{1}}), 14(n=5) 및 18(n{5}})일에 방혈에 의해 안락사시키고 신장을 절제하여 고정시켰다. 메탄올. 연령이 일치하는 이형 접합체의 신장도 대조군으로 얻었습니다(8(n{8}}), 14(n{10}}) 및 18(n{12}})일령).

MRI 획득—전임상 MRI 실험은 7.{1}} T Bruker Biospec 작은 동물 MRI 스캐너(Bruker, Inc., Billerica, MA)에서 수행되었습니다. 각 동물의 왼쪽 및 오른쪽 절제된 신장을 메탄올로 채워진 원심분리기 튜브에서 스캔했습니다. 각 신장 샘플은 균일한 무선 주파수 여기를 보장하기 위해 35-mm 원통형 송신/수신 볼륨 코일의 등중심에 신장과 함께 배치되었습니다. 다중 에코 스핀-에코 획득으로 축 T2- 가중 이미지를 획득하여 정량적 MRI 스캔을 위한 슬라이스를 배치했습니다. 그런 다음 각 마우스 신장에 대해 고해상도 관상 T1 및 T2 지도를 얻었습니다. T1 데이터는 여러 반복 시간(TR=10,{12}} ms, 5,{14}} ms, 2,{16}} ms, 1, 000ms, 500ms 및 3{{60}0ms) (23). 추가 T1 이미징 매개변수는 에코 시간(TE)=10.4 ms, 슬라이스 두께(TH)=1.0 mm, 12 슬라이스, 시야(FOV)=35 × 35입니다. mm, 면내 해상도=0.273 × 0.273 mm/픽셀, 신호 평균 수(NSA)=1. T1 측정을 위한 총 획득 시간은 39분 54초였습니다. T2 데이터는 다중 에코 스핀 에코 획득(12개 에코, TE=52 ms, 63ms, 73ms, 83ms, 94ms, 104ms, 115ms, 125ms, 136ms, 146)으로 획득되었습니다. ms, 157ms 및 167ms) (24). 자세한 T2 이미징 매개변수는 다음과 같습니다. TR=2,000 ms, TH=1.0 mm, 12 슬라이스, FOV=35 × 35 mm, 면내 해상도 {{65 }}.273 × 0.273mm/픽셀. T2 평가를 위한 총 획득 시간은 17분 4초였습니다.

전임상 MRI 스캔이 완료된 후 8-일령 및 18-일령 bpk 및 나이가 일치하는 WT 한배 새끼의 대표적인 신장에 파라핀을 삽입했습니다. 중앙에 5미크론 섹션신장hilum을 얻었고 hematoxylin과 eosin(H&E)으로 염색했습니다. 광학 현미경(2배 확대)으로 단면을 시각화하고 부착된 디지털 카메라를 사용하여 캡처한 이미지를 Adobe Photoshop®으로 가져왔습니다.

이미지 및 통계 분석—생체 외 MRI 데이터는 Matlab(The Mathworks, Natick, MA)에서 오프라인 분석을 위해 내보내졌습니다. 양적 T1 및 T2 맵은 자기 이완에 대한 확립된 단일 지수 모델에 대한 영상 데이터의 복셀 방식 선형 최소 제곱 오차 맞춤에 의해 획득되었습니다(23,25,26). 데이터의 선형성을 보장하기 위해 결과 피팅을 시각적으로 검사했습니다. 각 영상 조각에 대해 수동 관심 영역(ROI) 분석을 수행하여 각 신장 조각에 대한 T1 및 T2 데이터의 평균 및 표준 편차를 계산했습니다. 각 이미징 슬라이스의 신장 복셀 수를 사용하여 이미징 슬라이스 세트에 대한 가중 평균 값을 얻었습니다. 각 동물의 왼쪽 및 오른쪽 신장의 평균이 완성되었습니다. 각 신장의 총 부피는 T 가중치 이미지의 ROI 분석에서도 계산되었습니다.

bpk 및 대조군 마우스에 대한 평균 신장 T1 및 T2 값은 짝을 이루지 않은 스튜던트 t-검정을 사용하여 마우스 계통 및 연령에 걸쳐 비교되었습니다. 평균 T1과 T2 값과 신장 용적 사이의 관계를 결정하기 위해 피어슨 상관 관계가 사용되었습니다. 0.05( )의 양측 확률을 사용하여 유의성을 테스트했습니다.

인간 신장 MRI 평가모든 인간 영상 연구는 Cleveland Clinic 및 University Hospitals – Cleveland Medical Center에서 승인된 IRB(Institutional Review Board) 프로토콜에 따라 수행되었습니다. 이 초기 연구를 위해 우리는 ARPKD가 있는 청소년 환자 한 명과 젊은 성인 지원자 한 명(연령{0}})을 모집했습니다. 인간 MRI 연구는 Siemens Skyra 3.0 테슬라 MRI 스캐너(Siemens Healthineers, Erlangen, Germany)를 사용하여 수행되었습니다.

인간 신장 MRI 실험 - 피험자의 신장에서 균일한 이미지 품질을 보장하기 위해 바디 어레이와 척추 어레이 수신기 코일을 사용하여 각 피험자를 앙와위 자세로 스캔했습니다. 초기 로컬라이저 HASTE(Half-Fourier Acquisition Single-shot Turbo spin Echo) 이미지는 세 가지 이미징 평면 모두에서 지시된 숨을 참는 동안 획득하여 나중에 획득할 때 정확한 슬라이스 위치를 지정하기 위해 왼쪽 및 오른쪽 신장 모두의 해부학적 이미지를 얻었습니다. 그런 다음 각 신장에 대한 T1 및 T2 MRI 데이터는 신속한 자기 공명 지문(MRF) 획득을 사용하여 각 신장에 대해 획득되었습니다. Chen, Y. et al. TR=5.74ms, TE=1.00 ms, 뒤집기 각도 범위=5–12도 , TH { {11}}.{12}} mm, 시야(FOV)=400 × 400 mm, 면내 해상도=1.3 × 1.3 mm/픽셀, 1728 MRF 이미지, 획득 시간=15초(27). 각 MRF 획득은 공동 등록된 T1 및

단일 이미징 슬라이스에 대한 T2 맵(27). 각 MRF 이미징 슬라이스는 각 신장의 장축에 평행하게 배치되었습니다. 3개의 비스듬한 관상 MRF 이미지가 왼쪽 및 오른쪽 신장 모두에 대해 획득되었습니다.

인간 이미지 및 통계 분석—인간 이미지 및 통계 분석 - 인간 MRI 데이터는 Matlab(매사추세츠주 나틱 소재 The Mathworks)에서 오프라인 분석을 위해 내보냈습니다. MRF 획득에 대한 정량적 T1 및 T2 맵은 이전에 설명한 대로 획득한 MRF 이미지 프로파일을 MRF 사전에 복셀 방식으로 일치시켜 얻었습니다(27,28). 이러한 개념 증명 인간 연구에 대한 다른 통계적 계산은 완료되지 않았습니다.

결과

대표 지도신장T1 및 T2 이완 시간 및 18-일령 bpk 마우스(A, B, C), 8-일령 bpk 마우스(D, E, F ) 및 18-일 된 WT 마우스(G, H, I)는 각각 그림 1에 나와 있습니다. 확산 낭성 구조와 bpk 신장에 대한 증가된 낭성 부담 및 신장 부피에 주목하십시오. bpk 마우스의 신장도 눈에 띄게 증가합니다.신장낭포성으로 인해 예상되는 생후 8-일과 18-일 사이의 T1 및 T2 MRI 값신장 질환 진행.

bpk 및 야생형 마우스 모두에 대한 각 연령 그룹에 대한 평균 신장 T1 및 T2 값은 연령의 함수로 플롯팅되어 그림 2에 나와 있습니다. bpk 신장에 대한 평균 T1 및 T2 값은 모두 WT 신장과 비교하여 유의하게 증가했습니다. 연령에 대한 모든 시점(p < 2="" ×="" 10−10).="" bpk="" 마우스의="" 경우="" 오래된="" 신장에서도="" 평균="" 신장="" t1="" 및="" t2="" 값의="" 유의한="" 증가가="" 관찰되었습니다(t1:="" 8="" 대="" 18일,="" p{13}}.018;="" t2:="" 8="" 대="" 14일,="" p="" {{="" 18}}.0002="" 및="" 8="" 대="" 18일,="" p="0.0009)." 대조적으로,="" wt="" 마우스에="" 대한="" 해당="" 평균="" 신장="" 값은="" 나이에="" 따라="" 감소하거나(t1:="" 8="" 대="" 18일,="" p{27}}.03)="" 유의하게="" 변하지="" 않았습니다(t2:="" 모든="" wt="" 마우스,="" p=""> 0.13). . 나이의 함수로 bpk 및 WT 대조군 마우스에 대한 신장 T1 및 T2 값의 복셀별 편집을 보여주는 히스토그램이 보충 그림 1에 나와 있습니다.

bpk 마우스 및 WT 대조군 마우스의 평균 신장 T1 및 T2 값도 총 신장 부피의 함수로 표시됩니다(그림 3A, B). 예상대로 bpk 신장의 T1 및 T2 값은 신장 부피가 증가함에 따라 증가했습니다. bpk 마우스의 평균 신장 T1 값(n=13)은 총 신장 부피(R=0.60, p=0.030)와 유의한 선형 상관관계를 나타냅니다. 평균 신장 T2 값은 총 신장 용적과 유의한 상관관계가 있는 경향이 있습니다(T2: R=0.55, p=0.054). WT 신장에 대한 MRI 측정항목과 총 신장 부피 사이에는 유의한 상관관계가 관찰되지 않았습니다.

건강한 젊은 성인 지원자와 ARPKD가 있는 청소년 환자 모두에 대한 초기 T1 및 T2 맵이 그림 4에 나와 있습니다. ARPKD 환자의 신장에 대한 명백한 확산 낭성 구조와 명백한 크기 증가에 주목하십시오. ARPKD 환자의 신장은 건강한 지원자의 신장과 비교하여 T1 및 T2의 가시적인 증가를 보여줍니다. 전반적으로 ARPKD에 대한 이러한 초기 인간 MRI 평가신장병그림 1-3의 전임상 영상 소견과 일치합니다.

논의

이 연구에서 우리는 ARPKD에서 낭성 부담을 평가하기 위한 정량적 MRI 기술의 능력을 평가했습니다.신장병. 특히, 우리는 낭포를 정량화하는 평균 신장 T1 및 T2 MRI의 능력을 평가했습니다.신장 질환 진행점진적으로 증가하는 확산을 나타내는 잘 정립된 ARPKD 동물 모델에서신장미세낭종. 우리는 또한 ARPKD 환자와 건강한 지원자에 대한 초기 개념 증명 연구를 수행했습니다. bpk 신장에 대한 평균 신장 T1 및 T2는 조직학과 일치하는 연령에 따라 유의하게 증가했으며 WT 신장보다 유의하게 높았다(그림 1 및 2). 또한, 이 두 MRI 지표는 총 신장 용적과 유의한(T1) 또는 거의 유의한(T2) 상관 관계를 나타냈습니다(그림 3). 가장 중요한 것은 초기 인간 MRI 결과가 이러한 전임상 MRI 평가와 일치했다는 것입니다(그림 4). 따라서 ARPKD 환자에 대한 추가 종단 영상 연구가 신장 기능의 기존 임상 측정(예: 혈청 크레아티닌)과 비교하여 이러한 MRI 기술의 민감도와 특이성을 보다 완전히 평가하기 위해 수행되어야 하지만, 이러한 전임상 및 초기 임상 MRI 결과는 T1 및 T2 MRI가 다음이 있는 환자의 낭포성 신장 진행을 평가하는 데 사용될 수 있음을 시사합니다.ARPKD.

이 연구에 사용된 MRI 방법은ARPKD. 첫째, 이러한 MRI 기술은 비침습적이며 주사 가능한 MRI 조영제가 필요하지 않으므로 이러한 방법은 진행된 소아 및 성인 환자의 종단 연구에 안전합니다.신장병(13). 둘째, 이러한 MRI 방법은 정량적이므로 향후 임상 시험에서 사용할 수 있는 객관적인 결과 측정을 제공합니다. 셋째, 여기에 사용된 임상 MRF 기술은 매우 짧은 획득 시간(~15초)을 필요로 하여 호흡 운동 인공물을 감소시켜 잠재적으로 소아 환자를 위한 깊은 진정 또는 전신 마취의 필요성을 제거합니다. 넷째, T1 및 T2 MRI 기술은 거의 모든 현대 인간 MRI 스캐너에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어, T1 MRI 평가는 심장, 폐, 간 및 기타 기관에 대한 수많은 MRI 연구에 사용되었습니다(29-35). 따라서 이러한 방법은 ARPKD에 대한 새로운 치료법을 평가하기 위한 다기관 임상 시험에서 신속하게 구현될 수 있습니다.

그림 4에 표시된 초기 인간 신장 T1 및 T2 맵을 얻는 데 사용된 MRF 획득은 미래 인간에게 여러 이점을 제공합니다.ARPKD연구. 이 방법론은 2013년에 처음 설명되었으며 MRI 획득 매개변수(예: 여기 플립 각도)의 빠른 선험적 변화를 사용하여 조직별 MRF 신호 진화 프로파일을 생성합니다. 그런 다음 이러한 프로필을 MRF 사전의 가장 적합한 이론적 신호 진화 프로필과 일치시켜 각 이미지 복셀에 대한 T1 및 T2 이완 시간의 동시 추정치를 얻습니다. 여러 연구에 따르면 MRF는 본질적으로 운동 인공물에 내성이 있으며 뇌, 신장, 간 및 전립선 영상 응용 분야에 대한 T1 및 T2 이완 시간의 정확하고 재현 가능한 평가를 초래합니다(27,36-39). 여기에 사용된 MRF 구현의 경우 B1 이질성을 보상하기 위해 추가 스캔 없이 정확한 T1 및 T2 추정치를 제공하는 낮은 팁 각도 MRF 획득을 활용했습니다(27,38). 낮은 팁 각도는 또한 대상에 대한 무선 주파수 에너지 침착을 제한합니다. 이 MRF 획득이 각 이미징 슬라이스에 대해 단일 15-초 숨 참기로 완료되었으므로 T1 및 T2 이완 시간 맵에는 호흡 운동 인공물이 없었습니다. 이러한 T1 및 T2 MRI 평가는 다음과 결합될 수도 있습니다.신장ARPKD를 보다 철저하게 특성화하기 위한 관류 평가 또는 기타 이미징 방법론신장 질환 진행 (34).

이러한 전임상 및 초기 임상 MRI 연구는 ARPKD를 평가하기 위해 정량적 MRI 방법을 사용할 가능성이 있음을 보여줍니다.신장 질환 진행, 이 연구에도 몇 가지 중요한 한계가 있습니다. 이 연구의 전임상 부분의 주요 한계는 bpk 및 WT 신장이 생체 외에서 스캔되었다는 것입니다. 혈류가 생체 내 신장 T1 및 T2 값을 크게 변경할 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다(40). 이와 같이 추가신장혈액 MRI 신호는 bpk 및 WT 마우스 모두에 대한 평균 신장 T1 및 T2 값을 변경할 가능성이 있습니다. 그러나 생체 외 신장 T1 및 T2 시간에 대한 절대 값은 생체 내 값과 다소 다를 수 있지만 bpk 및 WT 마우스 사이의 T1 및 T2 값의 차이 및 신장 T1 및 T2 값의 변화 나이는 여전히 중요합니다. 또한, 본 연구의 장기 목표는 낭포성 MRI 마커를 개발하는 것입니다.신장 질환 진행환자에서ARPKD, 이 생체 외 영상 접근 방식을 통해 이러한 T1 및 T2 MRI 기술은 수분 상태, 심박출량 및 호흡 운동과 같은 알려진 변수에 대한 제한된 영향으로 매우 통제된 환경에서 초기에 평가되어 낭포성 질환 정보와 혼동을 일으킬 수 있습니다. MRI 데이터. 생체 외에서 이러한 신장을 스캔하면 여러 MRI 매개변수(T1 및 T2)를 매우 높은 해상도와 정확도로 획득할 수도 있습니다. 이와 같이 bpk 및 WT 신장에 대한 생체 외 T1 및 T2 맵을 생성하기 위해 이 연구에서 사용된 기존의 스핀 에코 방법은 고급 bpk 마우스의 생체 내 연구신장병.

궁극적으로, 이러한 생체 외 전임상 MRI 결과는 조직학(그림 1)과 초기 생체 내 인간 MRI 평가(그림 4) 모두와 일치합니다. 따라서 이러한 생체 외 MRI 결과는 T1 및 T2 MRI 평가가 ARPKD를 평가하는 데 유용할 수 있다는 개념을 뒷받침하는 데 도움이 됩니다.신장 질환 진행환자에서.

임상 MRI 연구의 주요 한계는 표본 크기가 작다는 것입니다. 추가 환자 스캔이 확실히 필요하지만 이러한 개념 증명 인간 이미징 연구는 소아 환자에서 진정제 없이 실용적인 시간 프레임에서 고해상도, 정량적 신장 T1 및 T2 MRI 지도를 얻는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 가장 중요한 것은 이들 및 기타 MRI 측정항목을 기존의신장 기능(예: 혈청 크레아티닌 및 알부민) ARPKD를 평가하기 위한 이러한 MRI 기술의 유용성을 평가하기 위한 횡단면 및 종단 영상 연구 모두신장 질환 진행다기관 임상 시험에서.

결론적으로, 이 전임상 및 초기 임상 연구는 MRI 기반 신장 T1 및 T2 매핑이 ARPKD의 비침습적 영상 평가로 사용될 수 있음을 시사합니다신장병진행. ARPKD 환자를 대상으로 한 향후 종단적 MRI/MRF 연구는 ARPKD를 감지하고 병기를 결정하기 위한 이러한 MRI 기술의 민감도, 특이성 및 재현성을 추가로 평가할 것입니다.신장병.성공하면 이러한 비침습적, 정량적 MRI 기술은 궁극적으로 제한 또는 예방을 목표로 하는 새로운 치료법을 평가하는 임상 시험의 결과 척도로 사용될 수 있습니다.ARPKD 신장 질환 진행.

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