小鼠蛛网膜下腔出血模型脑血管痉挛量化的容积法

摘要

本文的目的是提出一种方法, 允许3维脑血管树重建后, 小鼠的微计算机断层扫描和确定的整个血管段, 可用于量化脑血管痉挛的数量小鼠蛛网膜下腔出血模型。

摘要

蛛网膜下腔出血 (SAH) 是出血性中风的亚型。出血后发生的脑血管痉挛是决定患者预后的重要因素, 因此经常被视为研究终点。然而, 在小动物对蛛网膜下腔的研究中, 脑血管痉挛的量化是一个重大挑战。在这里, 提出了一种前体方法, 允许量化的整个血管段, 这可以作为一个客观的措施, 以量化脑血管痉挛。第一步, 用显影浇铸剂进行脑血管腔内铸型。然后, 通过微计算机断层扫描获得了横断面成像数据。最后一步涉及虚拟血管树的3维重建, 其次是计算选定容器段的中心线和体积的算法。该方法通过解剖样本的直径比较和虚拟重建, 对脑血管树进行了高度准确的虚拟重构。与血管直径相比, 血管体积突出显示了一系列蛛网膜下腔和假鼠 vasospastic 和非 vasospastic 血管之间的差异。

引言

Aneurysmatic 蛛网膜下腔出血 (SAH) 是出血性中风的亚型, 是 neurointensive 护理单位常见的疾病。除了早期脑损伤 (EBI), 其中包括由出血事件本身造成的脑损伤, 另一个重要因素确定患者结局是延迟脑缺血 (DCI), 定义的临床恶化, 通过大脑损伤灌注或脑梗塞与介入或手术程序不相关^1,2,3。对 vasospasms 的重要机制一方面是大型脑血管;另一方面, 微循环障碍的微血管和血栓血管痉挛, 与皮质扩张性抑郁症相关的缺血起着作用 (回顾了 Madonald 2014¹)。因此, 对大型脑血管痉挛的诊断在临床实践中至关重要, 在许多临床和实验研究中显示了一个重要的端点。

尽管小鼠蛛网膜血管痉挛的特点不能直接转移到病人身上, 但在过去几年中, 蛛网膜下腔血管痉挛的鼠模型有越来越重要的意义。在这些模型中, 蛛网膜下腔纤维穿孔^4,5,6,7,8, 横断池血管⁹, 或注射血液进入脑脊液^{10。 ,11,12}。与传统上设计用于研究血管痉挛¹³的大动物模型相比, 小鼠模型具有许多转基因老鼠菌株的巨大优势。这使得它们成为研究导致血管痉挛和 DCI 的分子机制的绝佳工具。然而, 对小鼠脑血管痉挛的测定具有挑战性。这是因为与大型动物模型相比, 血管痉挛可以用临床成像技术来检查,在活体成像分析小鼠脑血管痉挛尚不可用。因此, 血管痉挛通常是通过^10、11或显微镜下的脑血管铸件^7,9,12的病理切片来确定的。然而, 这些技术有缺点, 船直径在被定义的点仅被审查。

本文在前人研究⁷的基础上, 提出了一种对小鼠蛛网膜下腔痉挛模型进行客观、重现性分析的方法。该方法以脑血管灌注、体外 ct 扫描、血管树的数字化重建及对整个脑血管容积的评估为基础。

研究方案

动物实验由负责任的动物关心委员会 (Landesuntersuchungsamt 莱茵-Pfalz) 批准并且按照德国动物福利法案 (TierSchG) 进行。所有适用的关于照料和使用动物的国际、国家和机构准则都得到遵守。

在本研究中, 使用了雄性 C57BL6 小鼠 (年龄10-12 周)。简单地, 用异氟醚麻醉下腔内纤维穿孔引起蛛网膜下腔出血。左颈外动脉经手术制备。然后, 将一根灯丝插入颈外动脉, 并通过颈内动脉穿孔的高级 intracranially, 导致蛛网膜下腔出血。颅内压增高是血管 内穿孔成功的标志。另有^8、14发表了一份详细的协议, 说明小鼠蛛网膜下腔纤维穿孔模型。

1. 灌注和腔内铸造

1. 本研究在蛛网膜下腔灌注72小时后进行。腹腔注射5µg/g 体重 (生物武器) 咪达唑仑, 30 ng/克芬太尼, 0.5 µg/克 medetomidin 的麻醉。只有在达到足够的麻醉水平后才能继续, 这是由于没有对疼痛刺激的反应而证实的。
2. 打开胸腔, 用21G 套管穿刺左心室, 打开右心房, 并钳住下降的主动脉, 如其他地方¹⁵所述。
3. 使用以下解决方案执行 transcardiac 灌注: (i) Dulbecco 的磷酸盐缓冲盐水含有氯化镁₂和 CaCl₂ , pH 7.4 为1克/升葡萄糖, (ii) 4% 多聚甲醛溶液。
   1. 用溶液 (i) 开始灌注2分钟, 并继续 (ii) 溶液4分钟。
   2. 在温度为37摄氏度的情况下注入溶液, 并使用可变灌注率的压力控制泵, 以 70 mmHg 的恒定压力灌注, 这被认为是分析¹⁶小鼠血管痉挛的最佳灌注压力。从解决方案 (i) 切换到解决方案 (ii) 时避免压力损失。
4. 在溶液灌注 (i.) 和 (ii) 后, 在室温下继续灌注20分钟, 显影浇铸剂 (见材料表), 以恒定速率为0.2 毫升/分。
5. 允许固化的显影铸件材料在4°c 过夜。然后从头骨中取出大脑, 如前所述¹⁷, 将样品转移到4% 粉煤灰溶液中, 并将样品保存在4摄氏度直到微 CT 扫描。

2. 微计算机断层扫描

1. 把大脑放在塑料管的中心, 用钝的解剖钳。选择一个直径比样品稍大的管子, 以确保物体在图像采集过程中不会移动。用纱布把管子关上。
2. 将塑料管连接到在 X 射线机舱内的计算机导航控制 (CNC) 定位系统中的微步进电机, 在该机上, 物体绕其水平轴旋转。
3. 在 X 射线照相术的视野下对齐样品。为了达到最大的放大倍数, 尽量将物体尽可能靠近 x 射线源, 尽可能地最大限度地扩大探测器的距离。
4. 使用带有以下扫描参数的步进图像采集协议: 将曝光时间设置为每一个投影以优化信噪比 (信噪比)、管电压80伏 (当前38µA)、360°旋转导致1000个投影。
5. 对于原始数据的重建, 使用一种过滤后投影算法, 应用 Shepp-洛根过滤器与矩阵的 1024年 x 1024 x 1024 素使用重建软件 (见材料表)。为了进一步分析, 将由此产生的 DICOM 数据导入3D 可视化软件 (参见材料表)。

3. 3 维颅内血管树重建及血管容积的测定

注:使用函数帮助可以找到可视化软件功能的背景信息。

1. 使用函数导入将 Dicom 数据导入可视化软件中。
2. 用函数Volren可视化容器树。选择可视化阈值, 使大的脑动脉被描绘成尖锐的轮廓。对于属于实验序列的所有数据集, 使用相同的可视化阈值是很重要的。
3. 实际上解剖基底脑动脉 (威利斯的圈子) 与功能VolumeEdit的周围的血管与游标。然后对所分析的容器段进行实际解剖。因此, 旋转的3维血管树模型, 以便精确地分离所有小分支从主动脉。对于进一步分析, 除要分析的容器段外, 还必须删除所有船只。
4. 将具有阈值设置的函数Autoskeleton应用于可视化阈值, 从而生成基于中心线的SpatialGraph。
5. 然后, 应用函数SpatialGraphToLineSet创建行集.通过使用游标手动选择单个子细分市场并单击 "拆分", 将该行设置为单个子细分市场。为了计算单个子细分市场的体积, 这一步是至关重要的。
6. 使用函数LineSetToSpatialGraph再次创建空间图。
7. 使用函数SpatialGraphStatistics确定每个子细分市场的长度、体积和直径。对于表示容器直径过程的颜色编码可视化, 请使用函数SpatialGraphView.将段着色设置为 "厚度", 与容器直径相关。对于属于实验序列的所有数据集, 选择相同的颜色映射是很重要的。
8. 添加子细分市场的长度, 以确定将在进一步分析中包含哪些子细分市场。在本研究中, 我们评估了一个血管段, 包括1毫米的颈内动脉近颈 t 和2.5 毫米的大脑中动脉远端的颈 t。然后添加卷以确定所定义的容器段的容器体积。

结果

3维颅内血管树的虚拟重建

3维重建的颅内血管树提供了高度精确的血管解剖 (图 1)。为了评估其准确性, 我们在显微镜下和3维虚拟重建2个解剖上定义的点 (1: 左大脑中动脉 (MCA) 1 毫米远端进行了基于直径的比较测定。颈动脉 T;2: 右 MCA 1 毫米颈动脉 T 的远端)。对于容器直径的显微测定, 使用了具有 Deltapix 洞察力软件版本2.0.1 校准的高分辨率相机 (无穷 X-21、Deltapix)。对这一评估, 分析了10例脑标本 (5 个蛛网膜下腔出血, 5 例假)。这些来自12只小鼠, 其中7个是蛛网膜下腔诱发的, 5 例进行了假手术 (蛛网膜下腔组2例死亡, 分别为术后天数1和 2)。在显微镜下和实际的直径之间没有显著的差异, 表明颅内血管解剖的准确虚拟重建 (显微测定与虚拟重建,平均标准错误: 左 mca 150 9 µm vs左 mca 150 @ 8 µm;右 MCA 153 8 µm vs154 @ 9 µm, 见图 2)。

蛛网膜下腔出血小鼠脑血管痉挛的定量研究

为量化脑血管痉挛, (i) 预定义代表3.5 毫米血管段的体积, 由1毫米颈内动脉 (ICA) 和左侧2.5 毫米 MCA 组成, (ii) 在2个解剖上定义的点 (左和右 MCA) 的血管直径确定在脑标本从蛛网膜下腔和假操作的动物 (n = 5)。与假相比, 在蛛网膜下腔的血管容积明显降低 (36 4 nl vs 71 @ 9 nl, p < 0.05)。与假相比, 蛛网膜下腔血管直径较低 (左 MCA: 140 @ 11 µm vs 160 @ 10 µm, p = 0.11; 右 MCA: 130 @ 16 µm vs 158 @ 13 µm, p < 0.05; 见图 3), 而意义水平只达到分析是正确的 MCA。

图 1。颅内血管树的虚拟重建。(a) 显示有代表性的脑样本;(B)显示相应的几乎重建的血管树。(C)左 MCA 直径的彩色编码可视化。请单击此处查看此图的较大版本.

图 2.血管数字化重建的准确性.与显微镜下测定的3D 重建脑样的平均直径。数据显示为平均值, 即平均值的标准误差。请单击此处查看此图的较大版本.

图 3.蛛网膜下腔血管容积和血管直径.(A)对蛛网膜下腔和假鼠3D 重建血管的 MCA 直径进行比较。(B)蛛网膜下腔和假鼠的血管容积。数据显示为平均值, 即平均值的标准误差。*p < 0.05。请单击此处查看此图的较大版本.

讨论

小鼠蛛网膜下腔模型是研究蛛网膜下腔的重要工具。脑血管痉挛常被用作实验研究的终点, 用于调查^9、11的蛛网膜下腔导致的机制。然而, 定量的脑血管痉挛的小鼠或其他小动物模型的蛛网膜下腔是挑战。通常情况下, 血管痉挛是通过体外测定血管内灌注和铸件^7、9、12或通过周长测定确定解剖点的容器直径来量化的。被定义的血管在组织学部分^10,11。然而, 这些方法有一些缺点: 血管痉挛仅评估在定义的解剖点;邻近血管的血管痉挛可能会逃避评估。组织学文物呈现另一个错误来源。此外, 评估可以是相当主观的, 因为准确的位置, 测量船只直径是由调查员决定的。

因此, 我们的目标是建立一种方法, 通过计算横断面成像数据⁷的整个脑血管段的血管体积来量化脑血管痉挛。这里提出的容积法最重要的优点是可以检查整个容器段。这就避免了在测量容器直径时, 需要定义一个点。评估整个血管段的另一个好处是, 它大概提出了一个更客观的参数, 以量化血管痉挛, 而不是确定的位置, 更近或远端血管的血管痉挛可能逃脱的确定点的血管直径评价。使用颜色代码对容器直径进行数字表示, 可以直观地估计血管痉挛的程度。此外, 容量评估导致 vasospastic 血管之间的较大差异相比, 船舶直径的评估, 如代表的结果所示。该方法实现的虚拟重建准确反映了血管解剖。这体现在对代表性系列的评价中, 在显微镜下测量的容器直径和数字重建相似, 再现了以前研究的⁷的观测结果。然而, 尽管有其优点, 还需要进一步的研究来评估这里提出的方法是否优于传统的血管痉挛分析方法。

这里提出的方法的局限性是, 它提供了更多的时间相比, 对铸件的脑标本或组织学分析 (显微 CT 扫描时间90分钟每脑样本, 数据处理45分钟每脑样本)。此外, 微型 CT 扫描仪的可用性可能会限制其应用。这里检查的动物数量足以证明本手稿中所述议定书的可行性。然而, 如果该议定书应用于治疗研究, 动物数量将必须根据预期对船只体积和直径的影响计算。这项研究的另一个局限, 使用小鼠蛛网膜下腔模型是血管痉挛是确定的体内。这使得纵向研究不可能在不同时间点的 SAH 诱导和血管痉挛之前调查基线值。虽然研究表明, 可以用磁共振断层扫描¹⁸、计算机断层成像¹⁹或数字减法来描述大鼠颅内大型血管的解剖情况。血管造影²⁰, 这些方法, 我们的知识, 尚未被用来分析脑血管痉挛的小鼠蛛网膜下腔模型的体内。值得注意的是, 脑血管痉挛的数字重建, 随后的容量评估, 这里提出的是不限于使用的活体微 CT 数据。如果未来小鼠的高分辨率血管横断面脑成像应可供使用, 则可用于对体内血管痉挛进行容积分析。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Medetomidin	Pfizer, Karlsruhe, Germany	n.a.
Midazolam	Ratiopharm, Ulm, Germany	n.a.
Fentanyl	Curamed, Karlsruhe, Germany	n.a.
Venofix 21G	B Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany	n.a.	21G cannula
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline containing MgCl2 and CaCl2, pH 7.4	Sigma-Aldrich, Hamburg, Germany	D8662
4% paraformaldehyde solution	Sigma-Aldrich, Hamburg, Germany	100496
Microfil MV-122	Flowtech Inc., Carver, MA, USA	n.a.	Radiopaque
Micro-CT system Y.Fox	Yxlon, Garbsen, Germany	n.a.
Reconstruction Studio software version 1.2.8.1	TeraRecon, Frankfurt am Main, Germany	n.a.	Reconstruction software
Amira software version 5.4.2	FEI Visualization Sciences Group, Hillsboro, OR, USA	n.a.	Visualization software
PHD ultra syringe pump	Harvard Apparatus	70-3	Pressure controlled pump
anatomical forceps (blunt)	B Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany	160323_v
Infinity X-21	Deltapix, Maalov, Denmark	n.a.	high resolution camera
DeltaPix Insight software version 2.0.1	Deltapix, Maalov, Denmark	n.a.
C57BL6 mice	Charles River, Cologne, Germany